CC BY
21УДК 666.94:691.213(571.54/.55)
Е.В. ГОНЧИКОВА, канд. техн. наук (egonchikova@mail.ru), Н.В. АРХИНЧЕЕВА, канд. хим. наук, Е.В. ДОРЖИЕВА, инженер, А.В. ЦЫРЕМПИЛОВА, инженер, Восточно-Сибирский государственный технологический университет (Улан-Удэ, Республика Бурятия)
Натрийсиликатные вяжущие и материалы на их основе
Известно, что жидкое стекло широко используется в различных композициях или в виде водных коллоидных растворов силикатов щелочных металлов, или в виде молотой силикат-глыбы [1, 2]. Первое направление не позволяет в полной мере использовать потенциальные возможности жидкого стекла, так как при одинаковом модуле и плотности растворов введение вяжущего в пересчете на безводные силикаты натрия или калия ограничено жидко-твердым отношением. Использование молотой силикат-глыбы позволяет в более широком диапазоне варьировать количеством безводных силикатов в вяжущей композиции. Следует отметить что в системах силикат-глыба—вода—наполнитель совмещаются процессы растворения, гидратации и химического взаимодействия с наполнителем. В отличие от системы жидкое стекло—наполнитель образующиеся гидросиликаты щелочных металлов менее обводнены, а следовательно, более химически активны, так как активные центры образующихся частиц не блокированы молекулами воды.
Следующим отличием применения молотой силикат-глыбы является возможность химической активизации не только путем теплового воздействия, но с применением кислых активизаторов, незначительно изменяющих рН среды, в то время как в жидко-стекольных композициях такой подход приводит к коагуляции.
В качестве химических активизаторов можно использовать соли многовалентных металлов железа, хлора и алюминия. Известно, что гидролиз таких соединений протекает многоступенчато с образованием гидроксосо-лей с последующим переходом соответствующих гид-роксидов металла. Гидроксиды многовалентных металлов, как правило, образуются в виде коллоидных растворов с различной по времени устойчивостью. При этом на степень дисперсности коллоидных частиц влияет вид аниона, так, например, из нитратных растворов гидроксиды образуются с наиболее высокой дисперсностью. В последние годы возрастает интерес к золь-гель-процессам, так как установлено, что коллоидные частицы попадают в область наночастиц с размерами 10"6—10"9м.
При растворении солей кристаллогидратов многовалентных металлов в количестве 0,25—1% от силикат-глыбы в воде затворения образуются золи гидроксидов с весовой концентрацией 0,066—0,264%. Известна положительная роль золей гидроксидов железа и алюминия в цементных композициях [3, 4]. Введение в количестве десятых долей от массы цемента золей приводит к повышению прочности бетона, снижению водопоглощения и водопроницаемости. Это объясняется тем, что происходит кольматация микропор гелем гидроксидов. Поэтому представляло интерес исследование влияния золей гид-роксидов металлов в вяжущих композициях на основе безводных силикатов натрия. Для этого тонкомолотый порошок силикат-глыбы с удельной поверхностью 3500 см/г затворяли растворами солей хрома и железа в количестве от 0,25—1% и от 0,13—0,7% соответственно на кристаллогидраты и безводные соли. Все растворы солей
имели кислую среду рН=3—4. Кроме того, расчеты показали, что в результате гидролиза солей при данной дозировке образуются золи гидроксидов с массовой долей 0,16—0,96%. Далее изготавливались образцы пластичного формования с размерами 2x2x2 см, которые твердели на воздухе, и в возрасте 3, 7, 28 сут определяли их прочность при сжатии. Данные приведены в табл. 1.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Исходя из максимальной прочности оптимальная дозировка зависит от вида аниона соли, так, например, для солей хрома оптимальная дозировка: нитраты — 0,25%; сульфаты — 1%; хлориды — 0,5%, считая на кристаллогидраты.
2. Исследованные соли действительно являются ак-тивизаторами твердения безводных силикатов натрия, так как в кислой среде усиливается процесс растворения безводного силиката натрия, его гидратация и гидролиз с образованием геля кремнекислоты, а также идут золь-гель-процессы, связанные с введением в систему солей многовалентных металлов.
3. Используя соли многовалентных металлов, гидро-лизующихся с образованием гидроксидов соответствующих кислот, можно получать композиционные вяжущие системы с прочностью 30—43,5 МПа.
Потенциальные возможности безводных силикатов натрия раскрываются также в различных композициях с
Таблица 1
Количество и Предел прочности при сжатии, МПа,
Вид соли соли,% я в, ло од ди я с при твердении на воздухе в течение сут
кристаллогидрат безводная соль о во овр сд си аг 3 7 14 28
0,25 0,14 0,24 6,9 16 27,5 30
Хлорид хрома 0,5 0,29 0,48 9 22,5 32 35
1 0,59 0,96 15 24,8 32 38,6
0,25 0,14 0,16 5 18 30 39,5
Нитрат хрома 0,5 0,29 0,32 4,5 21 33,5 39,2
1 1 0,64 4 16 24 30,2
0,25 0,13 0,23 2,5 11 25,6 30
Сульфат хрома 0,5 0,27 0,46 4 19 26 43,5
1 0,54 0,92 2,5 14 24 33
0,25 0,13 0,165 11 23,7 28 30
Нитрат железа 0,5 0,27 0,33 7,5 23,7 35 41,7
1 0,59 0,66 6 22,2 23,2 35
0,25 0,17 0,23 2,5 24,2 29,2 35
Сульфат железа 0,5 0,35 0,46 1,5 19,2 22 30
1 0,7 0,92 6 21,5 26,5 29
www.rifsm.ru
научно-технический и производственный журнал
42
ноябрь 2010
ы ®
Таблица 2
Вид минерального порошка Буд, см2/г Свойства композиционных вяжущих в зависимости от режима твердения
85оС,4ч 200оС, 2 ч 7 сут на воздухе после термообработки
средняя плотность, г/см3 прочность при сжатии, МПа средняя плотность, г/см3 прочность при сжатии, МПа средняя плотность, г/см3 прочность при сжатии, МПа
Дунит (2000) 1,86 26,5 1,9 45,4 2,02 46,5
Сыннырит (4000) 1,9 27,7 2,2 60 2,2 64
Вулканический шлак (4800) 1,63 20,6 1,73 32 1,83 35
Базальт (1500) 1,75 16,5 2,01 25,5 2,3 29,8
Высококальциевая зола (5000) 1,58 3 1,6 7,3 1,75 7,5
минеральными тонкомолотыми наполнителями, подвергнутых термической обработке по режимам [1]. Однако ранее исследован небольшой набор минеральных порошков. Авторами статьи были исследованы композиции с использованием местных горных пород, таких как дуниты, базальт, сынныриты и вулканические шлаки, а также кислые и основные золы. Образцы формовались на порошках различной удельной поверхности при соотношении безводного силиката натрия к порошку 1:4 по массе, образцы пластичного формования подвергались термообработке по режиму: 4 ч при температуре 85оС и 2 ч при температуре 200оС. Затем определялся предел прочности при сжатии образцов через 7 сут после термообработки. Результаты представлены в табл. 2.
Следует отметить, что более высокопрочные композиции получены на сынныритах, дунитах и вулканических шлаках. Предел прочности при сжатии составил от 46,5 до 60 МПа, что, вероятно, связано не только с величиной удельной поверхности, но и с химической природой минерального порошка. Дуниты по своей химической природе представляют собой магнезиально-желе-зистые силикаты с высоким содержанием магния — до 40%; сынныриты состоят из силиката калия и калиевых полевых шпатов с содержанием первого до 20%; вулканические шлаки представляют собой железисто-алюмо-силикатные стекла с небольшим содержанием основных окислов кальция и магния. Исследования показали, что
после термической обработки при 85оС композиция набирает порядка 50% от прочности вяжущей композиции, полученной после термической обработки при 200оС. Это объясняется тем, что кроме процессов растворения, гидратации, гидролиза безводного силиката натрия при температуре 85оС происходит образование гидросиликатов кальция и магния в композициях на основе дунита и вулканического шлака. Что касается сынныритов, в которых отсутствуют двухвалентные катионы кальция и магния, синтез прочности связан также с растворением силикатов калия и соответствующими процессами гидратации, гидролиза с образованием дополнительного количества кремниевой кислоты. При температуре 200оС увеличение прочности происходит практически в 2 раза — считаем, что это обусловлено уплотнением геля кремниевой кислоты и кольматацией микропор искусственного камня. Затем после твердения на воздухе в течение 7 сут после термообработки идет незначительный прирост прочности в пределах 2—9%.
Однако данные вяжущие композиции имели пониженную водостойкость, поэтому представляло интерес исследовать возможность применения портландцемента в качестве отвердителя. Портландцемент вводился в количестве 8—12% от массы безводного силиката натрия, или в количестве 1,5—2,4% от общей массы в композиции. Результаты представлены в табл. 3.
Таким образом, введение портландцемента в небольших количествах в композиционные вяжущие повышает не только водостойкость, но и прочность вяжущей системы. Коэффициент водостойкости повысился на вулканическом шлаке с 0,5 до 0,96, а на сыннырите — с 0,5 до 0,74. При этом прочность при оптимальных дозировках повысилась на вулканическом шлаке на 72%, а на сыннырите — на 64% .
Все разработанные композиции могут служить в качестве вяжущих для производства различных строительных материалов. Так, при различном соотношении безводного силиката натрия и вулканического шлака методом пластичного и полусухого формования был получен безобжиговый кирпич со средней плотностью 1600—1700 кг/м3 с маркой 100—300, а также безобжиговый зольный гравий на высококальциевой золе с плотностью в куске 1,49 г/см3, с насыпной плотностью 750—770 кг/м3, общей пористостью 50—54 % и прочностью от 7 до 9,8 МПа. На основе вяжущих композиций с дунитом и вулканическом шлаке получен конструкционный теплоизоляционный бетон с плотностью 430—870 кг/м3 и прочностью от 0,75 до 1,5 МПа в зависимости от объемной концентрации пенополи-стирольных гранул. Следует отметить, что расход самого дорогого компонента — силикат-глыбы составил 80—100 кг/м3, тогда как для получения аналогичных результатов в цементных полистиролбетонах расход силикат-глыбы составляет 400—500 кг/м3.
Ключевые слова: силикат-натриевые композиционные вяжущие, золь, вулканический шлак, сыннырит, дунит.
Список литературы
Таблица 3
о £ иг _-Пы Пс Свойства композиционных вяжущих на основе вулканического шлака Свойства композиционных вяжущих на основе сыннырита
ос ва ств ма ей ^ о средняя плотность, г/см3 прочность при сжатии, МПа коэффициент размягчения средняя плотность, г/см3 прочность при сжатии, МПа коэффициент размягчения
0 1,75 35 0,5 2,21 60 0,5
1,5 1,94 37,5 0,87 2,16 98,7 0,62
2 1,82 48 0,96 2,23 70,3 0,62
2,2 1,83 55 0,82 2,1 65,5 0,72
2,4 1,8 60,5 0,77 2,12 61,2 0,74
Примечание. Образцы подвергались термической обработке по режиму: 4 ч при 85оС и 2 ч при 200оС.
1. Тотурбиев Б.Д. Строительные материалы на основе силикатнатриевых композиций. М.: Стройиздат, 1988 г. 205 с.
2. Корнеев В.И., Данилов В.В. Растворимое и жидкое стекло. СПб.: Стройиздат, 1996 г. 216 с.
3. Сватовская Л.Б., Соловьева В.А., Степанова И.В., Сычева А.Н., КоробовН.В., СтарчуковД.С. Высоко-прочный бетон. Патент № 2332388 РФ // Опубл. 27.08.08.
4. Коробов Н.В., Которажук Я.Д., Старчуков Д.С. Высокопрочный бетон. Патент № 2256630 РФ // Опубл. 20.08.08.
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
^ : : ® ноябрь 2010 4э"
