CC BY
36
Механизм гидратации и структурообразование арболита
Ю.Г. Иващенко, В.А. Лаушкина, Д.К. Тимохин ФГБОУВО «Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.» г. Саратов
Аннотация: В данной статье рассмотрена актуальность разработки арболита, отвечающего современным требованиям по экологической составляющей и энергоэффективности. Показаны особенности механизма структурообразования при гидратации цементного вяжущего и органического заполнителя с использованием рентгенодифракционного анализа. Определены показатели концентрации основных элементов в цементном тесте без органического наполнителя и при его наличии. Проведен сравнительный анализ структуры порового раствора арболита и структуры раствора из быстротвердеющего цемента с использованием данных растроэлектронного микроскопа. Ключевые слова: арболитобетонная смесь, органический заполнитель, быстротвердеющий цемент, рентгенодифракционный анализ, древесное волокно.
Строительные композиционные материалы на основе природных заполнителей растительного происхождения являются перспективным направлением в строительной индустрии в рамках экологической составляющей и энергоэффективных строительных технологий. В Саратовской области возрастает интерес к индивидуальному малоэтажному строительству из недорогих и экологически чистых строительных материалов, таких как арболит, который возможно изготавливать на основе местного растительного сырья. Следует отметить, что применение отходов агропромышленного комплекса помогает также решить топливно-энергетические и экологические проблемы и расширить сырьевую базу местных строительных материалов. Это особенно актуально для регионов, которые в избытке располагают промышленными отходами деревообработки и сельского хозяйства, а так же в рамках санитарных вырубок лесов и лесопосадок. [1,2] Таким образом, Поволжский регион располагает достаточной по объему сырьевой базой для производства арболитовых
изделий. В качестве сырьевых компонентов могут использоваться отходы зерновых культур, подсолнечника, камыша, неделовая древесина, запасы которых возобновляемы. [3] Современные требования к качеству арболита и изделий на его основе возрастают, что ставит задачу по дальнейшему увеличению прочностных и эксплуатационных показателей этого вида материала с наиболее оптимальной структурой. [4, 5]
Известно, что органический заполнитель из твердых сортов древесины замедляет сцепление и процесс схватывания портландцемента значительно сильнее, чем органический заполнитель из мягких сортов древесины, что может привести к образованию растворимых танинов, гемицеллюлозы (арабиногалактан) и сахара. [6, 7] Содержание гемицеллюлозы снижается в щелочной среде, в зависимости от стабильности щелочи, благодаря постепенному преобразованию и расщеплению. При этом от редуцированных концов цепей полисахаридов отщепляются соединения сахара в качестве глюкозосахаридных кислот. Продукты расщепления имеют схожее ингибиторное воздействие, как и мономерный сахар. Органические кислоты (дубильные кислоты и фенолы) влияют не только на гидратацию цемента, но и медленно воздействуют на цементный камень, что ведет к снижению прочности цементно-стружечных композиций. Действие лигнина оказывает незначительное влияние на процесс схватывания цемента.[8]
Для изучения влияния органического заполнителя на структурообразование при гидратации, осуществляли гидратацию быстротвердеющего цемента, а так же смеси быстротвердеющего цемента и органического заполнителя (древесины) [9, 10] с последующим рентгенодифракционным анализом (рис.1). В качестве объекта исследований использовались составы с водоцементным соотношением от 0,35 (В/Ц). Для изготовления арболитобетонной смеси использовались опилки хвойных
1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/4921
пород с предварительным измельчением и рассевом до размера частиц более 90 мкм.
а)
б)
Эттрингит: фаза образуется примерно за 22 минуты после начала затворения
Время, мин
29П
Рис.1. - Структурообразование во время ранней гидратации быстротвердеющего цемента: а) - без органического заполнителя; б) - с 15%-м содержанием органического заполнителя (древесные опилки хвойных пород), где А - ангидрит CaSO4; С12А7 - флюорид [12Са0-7А1203], [11СаО-7АЬОз^2]; CS-фаза - алит [ЗСаО^Ю^, белит [2Са0^Ю^; С3А -3Са0А120з; НН - базанит [CaS04•0,5H20]; Р - портландит [Са(ОН)2]; Е -эттрингит [3Са0А120з -ЗСаЗ04-32^0]
Анализируя данные рентгенодифракционных измерений установлено, что гидратация быстротвердеющего цемента происходит достаточно интенсивно, при этом алюминатные фазы реагируют с водой и сульфатами кальция, что приводит к образованию эттрингита по следующей формуле: 11СаО-7АЬОз •CaF2+18CaSO4+6Ca(OH)2+188H2O^ ^ 4(3CaO•Al2Oз•3CaSO4•32H2O)+4Al(OH)2F Эттрингит образуется примерно через 12 мин от начала гидратации и со временем, при дальнейшей гидратации, его содержание увеличивается, при этом содержание базанита и ангидрита снижается, а через 22-25 минут базанит более не обнаруживается в структуре. Наличие с исследуемой смеси органического заполнителя из хвойных пород приводит к существенному замедлению фазы эттрингитообразования. Таким образом, введение в состав органического заполнителя приводит к увеличению образования фазы эттрингита на 10 минут, базанит, соответственно, полностью исчезает.
При определении В/Ц для арболитовой смеси было условлено, что оптимальное насыщение древесины водой происходит при 55%. В ходе проведения исследований были определены показатели концентрации основных элементов в цементном тесте без органического наполнителя и арболите с 15% содержанием древесного заполнителя в зависимости от продолжительности гидратации при В/Ц=0,5 (табл.1).
Таблица №1
Показатели концентраций основных элементов в цементном тесте и арболите
в зависимости от продолжительности гидратации
№ п/п Наименование Значение показателя в зависимости от продолжительности гидратации
измеряемого 10 мин 20 мин 30 мин
показателя цементное тесто арболит цементное тесто арболит цементное тесто арболит
1 рН-показатель 13,03 12,68 13,47 12,71 13,51 13,08
2 Концентрация кальция, Са 124 581 10 249 19 89
1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/4921
[мг/л]
3 Концентрация кремния, Si [мг/л] 32 90 51 45 117 18
4 Концентрация сульфатов, SO4 [мг/л] 24600 11240 20500 11475 21000 7600
5 Концентрация алюминия, А1 [мг/л] 6 1 740 10 320 810
6 Концентрация натрия, № [мг/л] 11250 5250 13375 6625 13750 6500
7 Концентрация калия, К [мг/л] 6000 2875 7000 3250 7500 3300
8 Соотношение катионов к анионам 1,01 1,16 0,99 1,22 1,0 1,29
Анализируя данные табл.1 следует отметить, что во время гидратации
быстротвердеющего цемента был достигнут высокий рН-показатель (13,03) за первые 10 минут, при последующей гидратации рН-показатель и концентрация алкалитов продолжали увеличиваться, содержание кальция в процессе гидратации уменьшается, таким образом, повышение рН-показателя связано с расходованием кальция в процессе фазообразования эттрингита. Установленная высокая концентрация сульфатов в структуре, более чем 24000 мг/л, которая со временем сокращается, может привести к наличию остаточных сульфатов алкалита в структуре прогидратированного быстротвердеющго цемента. Наличие алюминия в структуре указывает на короткий индукционный период при гидратации 11CaO•7A12O3•CaF2, таким образом, через 20 минут с начала процесса гидратации, концентрация алюминия возросла более чем в 300 раз, что указывает на растворение алюминатных фаз. При таких высоких концентрациях алюминия в системе, эттрингит образуется непосредственно в ходе структурирования фазы силиката кальция в процессе растворения.
Структура порового раствора арболита существенно отличается от структуры раствора из быстротвердеющего цемента. Концентрация ионов
кальция со временем сокращается, возможными причинами этого являются незначительный уровень pH-показателя, высокая растворимость портландита и образование комплексов ионов кальция с растворимыми органическими составляющими древесины. Также на образование органических комплексов с ионами кальция указывает увеличение неорганических катионов соотношения (неорганических) зарядов катионов/анионов в растворе арболита (табл.1). В растворах арболита были обнаружены относительно высокие концентрации органического углерода (ТОС). Таким образом, содержание органического углерода через 10 минут после начала процесса гидратации составило около 2400 мг/л. На рисунках 2,3 показаны структура арболита с органическим заполнителем хвойных пород и быстротвердеющим цементом через 28 суток гидратации, полученные с помощью растроэлектронного микроскопа.
Рис.2. Результат исследования на растровом электронном микроскопе арболита на основе быстротвердеющего цемента и органического заполнителя (щепа хвойных пород) через 28 суток гидратации
1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/4921
К Ч Ж^! -"' ■ V "п Ой т ЛЬ.
■ 1 ^А
шШ ЩНК
\ л!/ - _|1 \ чг : * ^ ЩЛ
щ
15 к и 500 2мг,- Ж- Н2 Ь* шл^к. Агм
Рис.3. Результат исследования на растровом электронном микроскопе арболита на основе быстротвердеющего цемента и органического заполнителя (щепа хвойных пород) через 28 суток гидратации -длиннопризматический эттрингит в матрице вяжущего.
Представленная структура состоит из плотной грубоволокнистой матрицы вяжущего вещества (эттрингит и фаза гидросиликата кальция) и древесного волокна.
Анализируя данные следует отметить, что концентрация силикатов в растворе арболита выше, чем в растворе цементного вяжущего (табл.1). Снижение концентрации кремния за 8 часов гидратации указывает на образование гидрата силиката кальция, который образуется на поверхности алита в качестве водонепроницаемого слоя гидратов силиката кальция (CSH) и предотвращает дальнейшую гидратацию. Похожий процесс происходит при гидратации чистого трехкальциевого силиката. При этом уже в первые минуты снижается неконгруэнтное растворение С^, концентрация силикатов при одновременном увеличении концентрации ионов кальция, что ведет к возникновению водонепроницаемого CSH на поверхности негидратизированных С^.
Литература
1. М.А. Зырянов, Н.В. Аксёнов. Повышение эффективности использования отходов деревоперерабатывающей промышленности в производстве плитной продукции // Инженерный вестник Дона, 2017, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3990.
2. А.П. Мохирев, Ю.А. Безруких, С.О. Медведев. Переработка древесных отходов предприятий лесопромышленного комплекса, как фактор устойчивого природопользования // Инженерный вестник Дона, 2015, № 2 (часть 2). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3011.
3. В.А. Лаушкина, Д.К. Тимохин. Перспективы использования растительного сырья при производстве арболитовых изделий в Саратовской области // Международный сборник научных трудов «Эффективные рецептуры и технологии в строительном материаловедении». Новосибирск: 2017. С. 192-195.
4. В.А. Лаушкина, Ю.Г. Иващенко, Д.К. Тимохин. Современные тенденции технологии арболитовых изделий // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2017. - № 3(23); URL: trts.esrae.ru/42-309.
5. В.А. Лаушкина, Д.К. Тимохин Теоретические аспекты формирование структуры материалов с использованием древесного заполнителя и минеральных вяжущих // Физико-химические процессы в строительном материаловедении: сб. науч. тр. по материалам нац. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Новосибирск: 2018. С. 31-34.
6. Weatherwax, R.C., Tarkow, H.: Effects of wood on setting of Portland cement // Forest Product Journal. 1964. pp. 567-570.
7. Jorge, F.C., Pereira, C., Ferreira, J.M.F.: Wood-cement composites: a review. Holz als Roh- und Werkstoff. Vol. 62, 2004, pp. 370-377.
8. Wei, Y.M., Zhou, G.Z., Tomita, B.: Hydration Behaviour of wood cement-based composite I: evaluation of wood species on compatibility and strength with ordinary Portland cement. J. Wood Sci. Vol. 46, 2000, pp. 296-302.
9. Д.К. Тимохин, В.А. Лаушкина. Конструкционный арболит на основе быстротвердеющего портландцемента // Научно-технический журнал «Новости инженерной науки и образования Западного Казахстана». 2017. №2 (14). С. 21-24.
10.В.А. Лаушкина, Д.К. Тимохин Исследование составов арболита на смешанном вяжущем // Техническое регулирование в транспортном строительстве. 2018. №6(32). URL: trts.esrae.ru/55-358.
References
1. M. A. Zyryanov, N. V. Aksenov. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/.
2. A.P. Mokhirev, Yu.A. Bezrukikh, S.O. Medvedev. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, № 2 (chast' 2). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3011.
3. V.A. Laushkina, D.K. Timokhin. Mezhdunarodnyy sbornik nauchnykh trudov «Effektivnye retseptury i tekhnologii v stroitel'nom materialovedenii». Novosibirsk: 2017. pp. 192-195.
4. V.A. Laushkina, Yu.G. Ivashchenko, D.K. Timokhin. Tekhnicheskoe regulirovanie v transportnom stroitel'stve. 2017. № 3(23); URL: trts.esrae.ru/42-309/.
5. V.A. Laushkina, D.K. Timokhin. Mezhdunarodnyy sbornik nauchnykh trudov «Effektivnye retseptury i tekhnologii v stroitel'nom materialovedenii». Novosibirsk: 2018. pp. 31-34.
6. Weatherwax, R.C., Tarkow, H.: p Forest Product Journal. 1964. pp. 567570.
7. Jorge, F.C., Pereira, C., Ferreira, J.M.F.: Wood-cement composites: a review. Holz als Roh- und Werkstoff. Vol. 62, 2004, pp. 370-377.
8. Wei, Y.M., Zhou, G.Z., Tomita, B.: Hydration Behaviour of wood cement-based composite I: evaluation of wood species on compatibility and strength with ordinary Portland cement. J. Wood Sci. Vol. 46, 2000, pp. 296-302.
9. D.K. Timokhin, V.A. Laushkina. Nauchno-tekhnicheskiy zhurnal «Novosti inzhenernoy nauki i obrazovaniya Zapadnogo Kazakhstana». 2017. №2 (14). pp. 21-24.
10.V.A. Laushkina, D.K. Tekhnicheskoe regulirovanie v transportnom stroitel'stve. 2018. №6(32). URL: trts.esrae.ru/55-358.
