CC BY
15УДК 691.5
Е.В. ФОМИНА, канд. техн. наук, И.В. ЖЕРНОВСКИЙ, канд. геол.-мин. наук, В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Особенности фазообразования силикатных ячеистых изделий автоклавного твердения с алюмосиликатным сырьем
На фоне роста общего выпуска автоклавных изделий наблюдается существенный спрос на ячеистые изделия автоклавного твердения. По данным ФСГС*, в I квартале 2012 г. по сравнению с соответствующим периодом 2011 г. производство мелких стеновых блоков из ячеистого бетона увеличилось на 46,1%.
Прочностные показатели ячеистых бетонов автоклавного твердения, а также некоторые их эксплуатационные характеристики во многом зависят от фазового состава и морфологии образующихся в гидротермальных условиях цементирующих новообразований. Поэтому разработка способов управления фаз гидросиликатов при производстве автоклавных материалов представляется весьма актуальной.
Известно, что одним из широко применяемых способов модифицирования композиционных известково-кремнезем-цементных вяжущих (ИКЦВ), применяемых при производстве автоклавных ячеистых материалов, является введение активных пуццолановых компонентов. В частности, для этой цели используют скрытокристалли-ческую вулканогенную алюмосиликатную породу — перлит [1, 2].
Основная задача настоящей работы — установление особенностей фазообразования в ИКЦВ с добавлением перлита при автоклавном производстве газобетона.
Для получения образцов применялись следующие сырьевые компоненты: известь ОАО «Стройматериалы» (Белгород) с активностью 87%; цемент марки ЦЕМ I 42,5 Н производства ОАО «Осколцемент» (г. Старый Оскол, Белгородская обл.), имею-
Таблица 1
Наименование объекта Содержание оксидов, мас. %
Si2O А^Оз Fe2Oз СаО МдО R2O SOз ППП
Песок 92,4 2,36 0,77 1,88 0,2 - 0,05 1,95
Перлит 71-72 13-16 1-2 0,8-2,6 0,2 до 8 - 5-8
Таблица 2
Количество свободного СаО в вяжущем
№ состава Содержание перлита в известково-песчаном вяжущем, % Содержание свободных оксидов в вяжущем, мас. %
1 0 27,83
2 5 24,78
3 10 21,58
4 15 20,37
5 20 21,56
щий следующие характеристики в соответствии с ГОСТ 31108—2003: истинная плотность 3100 кг/м3; насыпная плотность 1300 кг/м3; НГ = 27%; начало схватывания 140 мин; конец схватывания 205 мин; песок Нижнеольшанского месторождения Белгородской обл.; алюминиевая паста для бетонов марки ГБ-1; перлит Мухорталинского месторождения (Бурятия). Химический состав песка и перлита приведен в табл. 1.
Помол кварцевого песка и перлита осуществляли сухим способом до достижения удельной поверхности 2500-3000 см2/г.
Основные сырьевые компоненты не отличались от традиционно используемых при производстве газобетонов и соответствовали ГОСТ 31359-2007 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения».
Оценку химической активности алюмосиликатной породы проводили по ее пуццолановой активности по методу Запорожца. Аморфный кремнезем, присутствующий в перлите, обладает высокой пуццолановой активностью, которая составляет 31 мг/г, и способен вступать в химическое взаимодействие с вяжущей системой газобетона на ранних этапах твердения смеси до гидротермального синтеза.
Изучение активности перлитовой компоненты в силикатных смесях проводили отдельно на известково-песчано-перлитовом вяжущем без цемента и газообразо-вателя по наличию свободной извести в сырьевой смеси до автоклавной обработки (табл. 2). Соотношение компонентов выбирали как в составах смеси, характерной для получения газобетонов плотностью 500-600 кг/м3 и замене 5, 10, 15, 20% кварцевого песка перлитом.
С учетом соотношения компонентов в смеси активность известково-песчаного вяжущего составляла 30,5%. Выдержку образцов выбирали такую же, как и при твердении сырца газобетона до автоклавной обработки, которая составляла 2 ч.
410 370 330 290 250 210 170 130 90 50 10
Z
I
I
и
И I
О - кварц ;
С - кальцит
А - а-С^Н
Т - 11А-(А1)тоберморит 3 Z - цеолит L
СОО
(
3
2 1
2
4
10
16
22
28 34 20(оС)
40
46 52
58
Рис. 1. Рентгенограммы образцов материала газобетона (ХСи): 1 -трольный обр. (состав 1); 2 - состав 3; 3 - состав 4
* Федеральная служба государственной статистики.
О
А
Т
Т
кон-
научно-технический и производственный журнал ^'/РО^Г/^/]^})^^ 38 сентябрь 2012 ~ Л1] ®
Таблица 3
Физико-механические характеристики образцов газобетона Состав
№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5
Плотность, кг/м3 562,7 526,2 473,85 453,3 435,7
Прочность, МПа 2,72 3,14 3,46 3,68 3,57
Таблица 4
Анализ полученных результатов указывает на повышение активности связывания гидроксида кальция в гидратные новообразования уже на начальных этапах твердения сырьевой смеси. Перлит активно вступает в химические реакции кристаллизации в силикатных смесях, и максимум активности приходится на образцы вяжущего с заменой 15% кварцевого компонента перлитом (табл. 2).
Для изучения фазообразования в присутствии алю-мосиликатного компоненты были заформованы образцы-кубики размером 100x100x100 мм. Изотермическую выдержку проводили при температуре 183оС и давлении насыщенного пара 8 атм по режиму: 1,5—6—1,5 ч. Соотношение компонентов в исследуемом газобетоне соответствовало марке бетона по плотности D500 при замене кварцевого песка перлитом. Физико-механические характеристики полученных образцов приведены в табл. 3.
Как следует из полученных данных, относительно небольшие концентрации алюмосиликатной компоненты вяжущего приводят к увеличению прочностных свойств газобетона. Причина этого, вероятно, должна заключаться в особенностях гидратационного фазо-образования.
Был проведен РФА с целью количественного определения концентраций гидратных новообразований. Идентификацию минеральных компонентов проводили на основе базы дифракционных данных PDF-2. Сравнительная диаграмма рентгенограмм образцов материала с различными содержаниями перлита представлена на рис. 1.
Для получения информации о количестве кристаллических фаз проводили полнопрофильный количественный РФА материала автоклавированных образцов вяжущих с применением программы DDM v1.9 [3] в варианте ритвельдовского алгоритма.
В качестве структурных моделей минеральных компонентов использовали: кварц (ICSD-93974)*; кальцит (80869-ICSD); а-С^Н (73404-ICSD); 11А-(Л1)тобермо-рит (93590-ICSD) и цеолит L (67031-ICSD). Полученные значения содержания кристаллических фаз представлены в табл. 4.
Результаты количественного РФА позволяют сделать вывод, что добавление в состав ИКЦВ небольших количеств нанокристаллического перлита [6] интенсифицирует образование ленточного низкоосновного гидросиликата кальция — 11 А-тоберморита, вносяще-
* ICSD — Inorganic Crystal Structure Database.
Рис. 2. Микроструктура межпоровой перегородки газобетона автоклавного твердения: а - без добавки перлита; б - с содержанием в газобетонной смеси 3,8% перлита. Масштабные отрезки соответствуют 0,01 мм
го основной вклад в формирование прочностных свойств материала. При этом существенно позитивным моментом является уменьшение концентрации, доминирующей в образце контрольного состава, высокоосновной ортосиликатной фазы a-C2SH. По-видимому, этим объясняется увеличение концентрации кальцита и уменьшение концентрации кварца в образцах с добавкой перлита. Примечательно обнаружение в образце состава 4 алюмосиликатного новообразования, идентифицированного как цеолит L — Kn.7(AlL8Si34.2O72). Отсутствие на рентгенограммах отражений гидроалюминатов кальция позволяет рассматривать фазообразование в изученных образцах на основе системы CaO—SiO2—H2O [5].
Различия в фазовом составе образцов проявляются в морфоструктурных особенностях гидратных новообразований (рис. 2). Так, если микроструктура контрольного образца представлена микроглобулярными агрегатами кристаллических индивидов изометрического облика, что соответствует морфологии ортосиликата a-C2SH, то добавление перлита приводит к формированию спутанно-волокнистых тоберморитовых агрегатов.
Вопросы, связанные с углубленным анализом причин описанного влияния алюмосиликатной компоненты на фазообразование в силикатных автоклавных системах, представляются темой дальнейших исследований.
Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках: ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009—2013 гг.) по проектам № 14.B37.21.0930; № 16.740.11.0770 и № 14.B37.21.1218; гранта РФФИ № 12-08-87603.
Ключевые слова: газобетон, алюмосиликатное сырье, перлит, гидросиликаты кальция.
Список литературы
1. Урханова Л.А., Чимитов А.Ж. Газобетон на основе активированных вяжущих веществ // Бетон и железобетон. 2008. № 2. С. 9-12.
2. Лесовик В.С., Жерновой Ф.Е., Глаголев Е.С. Использование природного перлита в составе смешанных цементов // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 84-87.
3. Solovyov L.A. Full-profile refinement by derivative difference minimization // Journal of Applied Crystallography. 2004. 37. Рр. 743-749.
4. Жерновский И.В. и др. Некоторые возможности применения полнопрофильного РФА в задачах строительного материаловедения // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 102-105.
5. Meller N, Kyritsis K., Hall Ch. The mineralogy of the CaO-Al2O3-SiO2-H2O (CASH) hydroceramic system from 200 to 350оС. // Cement and Concrete Research. 2009. Vol. 39, Iss. 1. Рр. 45-53.
Минеральные компоненты Состав
№ 1 № 3 № 4
Кварц 43 40 22
Кальцит 17 25 27
a-C2SH 26 13 3
IIÁ-тоберморит 14 22 47
Цеолит L 1
rj научно-технический и производственный журнал
j\yJ ® сентябрь 2012 39"
