CC BY
24СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
1Нелюбова В.В., канд. техн. наук, доц., 1Строкова В.В., д-р техн. наук, проф., 2Осадчий Е.Г., д-р хим. наук, проф., 1Подгорный И.И., аспирант, 1Шаповалов Н.А., д-р техн. наук, проф. белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова 2Институт экспериментальной минералогии Российской академии наук
МЕХАНОАКТИВАЦИЯ КАК СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ АВТОКЛАВНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ*
309991@mail.ru
В статье описаны свойства кремнеземсодержащих компонентов входящих в состав материалов автоклавного твердения, полученных различными способами. Показано влияние способа получения компонентов на их активность, дисперсность и фазовый состав до и после обработки.
Ключевые слова: генезис, механоактивация, наноструктурированный модификатор, алюмоси-ликатное, силикатное.
Производство любого материала связано в первую очередь с подготовкой сырьевых компонентов с целью доведения их до всех необходимых характеристик. В случае получения материалов автоклавного твердения этот передел заключается в измельчении компонентов сырьевой смеси.
Механоактивация (измельчение) - один из способов повышения реакционной способности поверхности, а также активирования в результате увеличения свободной энергии. Рядом автором установлено, что механоактивация является инструментом управления размерными, фазовыми и реакционными параметрами любого вида сырья [1, 2]. При этом механическое активирование кремнеземистого сырья позволяет использовать его в качестве структуроформирую-щего компонента в различных материалах.
Технологиями получения автоклавного газобетона и силикатного кирпича предусматривает использование песка как заполнителя в качестве шлама, полученного помолом исходного кварцевого компонента в присутствии воды в шаровых мельницах до заданной степени дисперсности. Кроме того, песок входит в состав известково-песчаного вяжущего, для чего его измельчают совместно с известью. При этом удельная поверхность песка в вяжущем составляет 300...350 м2/кг.
Известно, что на активность измельченных материалов влияет время и способ измельчения. В связи с этим в работе были изучены дисперсность, сорбционная способность, а также фазовая и размерная гетерогенность песка, шлама и наноструктурированного модификатора (НМ) на
основе сырьевых компонентов различного состава: силикатного и алюмосиликатного.
В работе использовали кремнеземистые компоненты, полученные на основе песка и гранита тремя различными способами: I - сухой (компонент ИПВ) и II - мокрый одностадийные помолы в шаровой мельнице (шлам), оба до Sw = 300...350 м2/кг; III - мокрый постадийный помол с получением НМ до Sw > 5000 м2/кг.
Анализ удельной поверхности материалов производили с помощью метода адсорбции газа на приборе Sorbí (табл. 1). Анализ удельной поверхности свидетельствует о том, что максимальной дисперсностью обладают образцы, полученные мокрым длительным помолом, т.е. наноструктурированные модификаторы различного состава. При этом силикатное НМ (на основе кварцевого песка) превосходит алюмоси-ликатное НМ. Вероятным объяснением данного факта является лучшая размолоспособность кварцевого песка, а также особенности состава сырьевых компонентов, в частности, наличие слюды в составе гранита.
Таблица 1
Удельная поверхность кремнеземистых компонентов
Наименование Удельная поверхность,
образца м2/г
Гранит (сух.) 3.9 ± 0.1
Гранит (мокр.) 3.8 ± 0.4
Гранит (НВ) 8.2 ± 0.2
Песок (сух.) 4.2 ± 0.4
Песок (мокр.) 4.0 ± 0.5
Песок (НВ) 9.1 ± 0.3
Введение активных кварцсодержащих компонентов в состав материалов автоклавного твердения связано с необходимостью набора ранней прочности сырца композитов в доавто-клавный период, т.е. основано на способности взаимодействия гидроксида кальция и кварца в нормальных условиях. В связи с этим качество кремнеземистых компонентов в работе оценивалось по степени взаимодействия с Са(ОН)2 с помощью определения количества активных брен-стендовских кислотных центров и поглощенного СаО по методу Запорожца (табл. 2).
Таблица 2
Активность кремнеземистых компонентов по отношению к Са(ОН)2, измеренная различными способами
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о большей активности компонентов на основе песка, что обусловлено более высоким содержанием кварца в исходных компонентах. Тем не менее, стоит отметить, что, несмотря на разницу в составе материалов, увеличение активности в ряду мокрый помол^-сухой по-мол^-наноструктурированный модификатор сохраняется. Объяснение данного факта состоит в следующем. Увеличение активных бренсте-довских центров на поверхности частиц твердой фазы НМ в два раза по сравнению со шламом свидетельствует о высокой активности нано-структурированного модификатора по сравнению с основным компонентов формовочной смеси. Это будет способствовать раннему связыванию гидроксида кальция при гашении извести и позволит сократить предварительную выдержку массивов до автоклавирования. При этом количество активных брендстедовских центров для песка с заданной удельной поверхностью (300-350 м2/кг), измельченного в шаровой мельнице, не противоречит данным, полученными ранее. Минимальное количество активных кислотных центров для шлама обусловлено тем, что при мокром помоле вода, выступая прослойкой между частицами, частично закрывает сформированные в процессе помола
новые связи на поверхности механоактивиро-ванного кремнеземистого вещества.
Косвенным подтверждением активности механически активированных материалов служит наличие аморфной составляющей. Определение концентрации аморфной фазы механоак-тивированного кварца, полученного различными способами, проводилось методом количественного полнопрофильного РФА [3]. Определение концентрации рентгеноаморфной фазы производится на основе истинной и расчетной концентрации внутреннего эталона. В качестве материала для внутреннего эталонирования применялась двуокись титана (анатаз) в концентрации 30 вес.%. Результаты расчета приведены в табл. 3.
Таблица 3
Расчетное содержание аморфной фазы кремнеземистых компонентов
Способ получения Содержание, %
Песок Гранит
Сухой помол 20 23,36
Мокрый помол (шлам) 2 0
Наноструктурированный модификатор 8 9,94
Минимальной концентрацией аморфной фазы в системе отличается шлам - песок и гранит, молотые в шаровой мельнице в присутствии воды. Объяснение данного явления состоит в следующем. При помоле по мокрому способу разрушение частиц кварца происходит не только за счет соударения мелющих шаров и частиц друг с другом, но и за счет расклинивающего действия воды. Кроме того, вода, находясь на поверхности частиц, выполняет роль технологической смазки. В связи с этим формирование аморфизационного слоя затруднено. При этом энергоемкость и время помола сокращается по сравнению с сухим помолом.
Наноструктурированный модификатор различного состава занимает промежуточную позицию между размолотыми сухим способом песком и шламом. В данном случае концентрация аморфной фазы в системе не зависит не только от аморфизации частиц кварца. В отличие от шлама, особые условия измельчения кремнезема при получении НМ (предельная концентрация частиц твердой фазы, время и интенсивность помола) способствуют наработке в системе коллоидного компонента - геля кремниевой кислоты. Данное вещество является рентгеноаморфным, что и доказывается полученными данными. Необходимо отметить, что количество рентгеноаморфной фазы для НМ будет складываться из аморфизованной оболочки частиц кварца и наноразмерной фракции. Известно, что в процессе помола и дальнейшей модификации НМ в его объеме формируется
Компонент Количество активных бренстедовских кислотных центров, мг-экв/г Количество поглощенного СаО по методу Запорожца, мг/г
Гранит (I) 17,2 0,74
Гранит (II) 12 0,41
Гранит (III) 32,4 0,90
Песок (I) 21,8 0,73
Песок (II) 13,5 0,53
Песок (III) 30,6 0,81
10.15 % частиц нанодисперсного уровня. Снижение рентгеноаморфной фазы по данным РФА обусловлено спецификой методики ее определения. Для съемки образцов с помощью рентгено-фазового анализа необходима их сушка до постоянной массы. В процессе высушивании при наличии высокоактивной дисперсной фазы в системе кварца формируются условия для его эпитаксиального роста.
Для объяснения более высокой концентрации аморфной фазы в случае использования гранита для получения компонентов формовочной смеси для автоклавных материалов, необходимо изучение их процессов получения. Значение концентрации основных минералов на рисунке (рис. 1), определялась как разность между количеством минерала в кристаллическом состоянии в граните до приложенного к нему воздействия и количеством аморфизованной части образовавшейся в процессе механоактивации.
Как видно из представленных данных, концентрация кварца в процессе механоактиваци-онного воздействия имеет зависимость, аналогичную формированию аморфной фазы. Так, минимальное содержание кварца в случае сухого помола объясняется существенной аморфиза-цией его частиц. Тогда как максимальное содержание кристаллического кварца отмечается в образцах, полученных одностадийным мокрым помолом, что обусловлено наличием жидкой фазы на поверхности компонентов.
Увеличение концентрации альбита в ряду сухой помол ^ мокрый помол ^ НМ обусловлено его измельчением и переходом в аморфную составляющую, что подтверждается данными, представленными в таблице 3. Снижение содержания анортита и биотита в указанном ряду свидетельствует, вероятнее всего, о процессах механохимического растворения компонентов в процессе получения материалов в жидкой среде.
60,00
50,00 -
40,00 -
Ц 30,00 -
си ч
<3 20,00 -10,00 -0,00
□ Сухой помол ШШлам ПНМ
Кварц
Альбит
Анортит
Биотит
Рис. 1. Количественный состав компонентов на основе гранита в зависимости от способа получения
Таким образом, в работе показано, что использование механоактивационных процессов для получения кремнеземсодержащих составляющих материалов автоклавного твердения существенно повышает их активность по отношению к основному компоненту указанных изделий - гидроксиду кальция. При этом данные по граниту хорошо корелируют с данными по песку. Это свидетельствует о перспективности использования алюмосиликатного сырья с полной кристаллической структурой для получения высокоактивного модификатора автоклавных систем.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской федерации в рамках государственного задания, проект №9.7.9, а также РФФИ, договор № 14-33-50337/14.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Жерновский И.В., Строкова В.В., Бонда-ренко А.И., Кожухова Н.И., Соболев К.Г. Структурные преобразования кварцевого сырья при механоактивации // Строительные материалы. 2012. №10.С. 56-58.
2. Вишневская Я.Ю., Лесовик В.С., Алфимова Н.И. Энергоемкость процессов синтеза композиционных вяжущих в зависимости от генезиса кремнеземсодержащего компонента // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. №3. С.53-56.
3. Жерновский И.В., Строкова В.В., Ми-рошников Е.В., Бухало А.Б., Кожухова Н.И., Уварова С.С. Некоторые возможности полнопрофильного РФА в задачах строительного материаловедения // Строительные материалы. 2010. №3. С. 102-105.
