CC BY
29УДК 666.91
В.В. СТРОКОВА, А.В. ЧЕРЕВАТОВА, доктора техн. наук,
И.В. ЖЕРНОВСКИЙ, канд. геол.-мин. наук, Е.В. ВОЙТОВИЧ, инженер, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Особенности фазообразования в композиционном наноструктурированном гипсовом вяжущем
В настоящее время особенности общественно-экономического развития нашей страны предопределяют направление современного строительства и диктуют потребность в высокоэффективных строительных материалах с принципиально новыми свойствами и определенной заранее заданной структурой.
Одним из путей решения этих непростых задач является широкое применение в строительстве доступных высококачественных вяжущих материалов, к которым в полной мере можно отнести композиционные вяжущие на основе гипса. Предпосылками к этому служат степень разработки сырьевой базы, возможность стопроцентной переработки природного и техногенного гипсового сырья, простота производства изделий из него, а также биопозитивность материалов на основе гипсовых вяжущих (ГВ).
Получение высокоэффективных вяжущих веществ нового поколения сегодня сопровождается использованием сложных составов и компонентов. Создание таких вяжущих возможно только на базе современных высоких технологий, основанных на научных методиках. Такие методики должны обеспечивать высокое качество продукции, ее экологическую безопасность, эффективное использование сырья, экономию энергии, возможности применения новых высокодисперсных добавок-наполнителей, улучшающих структуру материала и экономящих самый дорогой компонент строительных смесей — вяжущее при одновременном улучшении эксплуатационных свойств [1].
В качестве исходного сырья в данном научном исследовании использовалась одна из распространенных
Микроуровень
Увеличение площади контактов между фазами
Наноуровень
марок строительных гипсовых вяжущих — Г-5. Технология производства композиционных нанострук-турированных гипсовых вяжущих (КНГВ) предполагает введение в систему активного минерального компонента (АМК) в виде наноструктурированного вяжущего на основе кремнеземсодержащего сырья, производство которого является экологически чистым.
Наноструктурированное вяжущее является неорганической полидисперсной и полиминеральной системой, имеющей преимущественно алюмосиликатный состав, обладающей высокой концентрацией активной твердой фазы, содержащей нанодисперсный компонент в количестве 2—10% и характеризуемой регулируемыми реотехнологическими свойствами.
Наноструктурированные вяжущие получают преимущественно мокрым измельчением природных или техногенных материалов в условиях высокой концентрации твердой фазы, повышенной температуры и предельного разжижения. Эти условия, с одной стороны, способствуют наработке в системе определенного количества наночастиц (золь, получаемый диспергированием), а с другой, обеспечивают механическую активацию частиц основной твердой фазы. Твердение данных систем и их упрочнение основано преимущественно на контактно-поликонденсационном механизме [2].
Ранее экспериментально установлено, что при введении в гипсовую систему наноструктурированного вяжущего в качестве АМК наблюдалось существенное улучшение структурно-физических, физико-механических и технико-эксплуатационных характеристик исходной вяжущей системы [3].
Объяснение такого эффекта возможно при условии рассмотрения комплексного (многоуровневого) воздействия АМК на гипсовую вяжущую систему. В частности,
6!«
НПО
£ ™
I эхо
О]
г И»
к»
-ТОО ЛИЛ ■ш»
1 1 ] Гипс 96.94$ -Бмсанит МЧ А^чцрчлт 7А % ДОЛОМИТ м
1 ' " 1 ' М 1 1 П : , . + ... ,1...
В 11 и
ЯР
+з м
Рис. 1. Механизм формирования композиционного наноструктурированного гипсового вяжущего с применением активного минерального компонента
Рис. 2. Ритвельдовская диаграмма ГВ. Сверху: точками обозначена экспериментальная дифракционная кривая, сплошной линией - расчетная. Внизу: разностная кривая экспериментального и расчетного дифракционного спектра. Штрихи - брегговские маркеры отражений для всех фаз
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® июль 2012
Рис. 3. Ритвельдовская диаграмма КНГВ. Сверху: точками обозначена экспериментальная дифракционная кривая, сплошной линией - расчетная. Внизу: разностная кривая экспериментального и расчетного дифракционного спектра. Штрихи - брегговские маркеры отражений для всех фаз
Рис. 4. Фрагмент нормированных ИК-спектров: АМК (1); ГВ (2); КНГВ (3)
Рис. 5. Деконволюция профиля ИК-спектра КНГВ в длинноволновой области: стрелками показаны элементарные профили поглощения с волновыми числами, соответствующими гидроксиэллестадиту по [2]. Коэффициент корреляции деконволюции гг=0,991
Рис. 6. Деконволюция профиля ИК-спектра КНВГ в средневолновой области: стрелками показаны элементарные профили поглощения с волновыми числами, соответствующих гидроксиэллестадиту по [2]. Коэффициент корреляции деконволюции г2=0,9999
из-за полифракционного состава АМК при его введении в гипсовую систему можно рассмотреть воздействие АМК как на микро-, так и на наноуровне (рис. 1).
Частицы максимального размера в АМК (1—100 мкм) работают в композиционном гипсовом вяжущем как микронаполнитель, который способствует созданию максимально плотной бездефектной структуры матричной фазы вяжущего.
Частицы нанодисперсного уровня (0,02—0,1 мкм) участвуют в формировании буферных наноразмерных образований сульфосиликатов кальция. Воздействие АМК в системе происходит как на уровне матрицы вяжущего, так и на контактной зоне, что в свою очередь приводит к повышению качества (эффективности) гипсовых материалов.
Для объяснения природы взаимодействия компонентов в КНГВ было выдвинуто предположение о возникновении в этой системе третьего компонента, являющегося структурным буфером между гипсом и кварцем. В системе Са0-804-8Ю2-Н20 эту функцию могли бы выполнять гидратированные сульфосиликаты кальция. В частности — гидроксиэллестадит (Ьуёга-хуЫЬЛаёНе) Са5(8Ю4)3(804)3(0Н)2 [4]. В кристаллической структуре этого соединения кремний и сера находятся в одинаковых кристаллографических позициях с коэффициентом заселенности 0,5.
С целью проверки этого предположения был проведен полнопрофильный количественный рентгено-фазовый анализ (РФА) полученных композиций. Выбор данного вида исследования обусловлен поликомпонентным минеральным составом изучаемого материала,
*) ICSD — Inorganic Crystal Structure Database
а также существенным наложением рентгеновских отражений от индивидуальных фаз.
В качестве структурных моделей минеральных компонентов для полнопрофильного количественного РФА использовались: гипс Са804-2Н20 (2057-1С8Б)*, бассанит Са804-0,5Н20 (79528-1С8Б), а-кварц 8Ю2 (27745-1С8Б), ангидрит Са804 (28546-1С8Б), доломит СаМБ(С03)2 (52149-1С8Б) и гидрок-сиэллестадит [5]. Расчеты проводились с использованием программы ББМ у1.9 в варианте ритвельдовско-го алгоритма [6].
Результаты расчетов исходного ГВ и КНГВ с концентрацией 15% АМК представлены на рис. 2—3 (% мас.).
Следует обратить внимание на почти двукратное снижение концентрации нерастворимого ромбического ангидрита в КНГВ, что подтверждает результаты предыдущей работы авторов [3].
Для подтверждения присутствия структурных фрагментов, характерных для гидроксиэллестадита в КНГВ, применялся метод ИК-спектроскопии. Сравнительная диаграмма ИК-спектров АМК, ГВ и КНГВ приведена на рис. 4.
Ввиду того что экспериментальные профили ИК-спектров представляют собой результат суперпозиции элементарных профилей полос поглощения колебательных мод различных молекулярных группировок, входящих в состав структур минеральных компонентов исследуемого материала, для корректной работы со сложноорганизованными ИК-спектрами применялась процедура их деконволюции, основанная на производной спектральной кривой четвертого порядка.
научно-технический и производственный журнал
10 июль 2012
jVJ ®
Поскольку детальный анализ ИК-спектра КНГВ с привязкой элементарных профилей к конкретным колебательным модам молекулярных группировок выходил за рамки настоящей работы, основной задачей являлось выделение из спектральной кривой характерных полос поглощения гидроксиэллестадита. Основанием для этого являлись данные работы [5].
На рис. 5—6 представлены результаты деконволюции спектральных профилей в длинно- и средневолновой областях ИК-спектра КНГВ.
Основные полосы поглощения в ИК-спектре гидроксиэллестадита, согласно [5], 514, 618, 644, 928, 1049 и 1144 см-1 присутствуют на кривых деконволюции ИК-спектра КНГВ.
Таким образом, полученные на основе рентгендиф-ракционного и ИК-спектроскопического изучения КНГВ результаты, с определенной степенью уверенности дают основание считать, что в процессе его образования формируется сульфосиликатная фаза — гидроксиэллестадит.
Следует отметить, что образование этой фазы с твердостью по Моосу 4,5—5, потенциально способно внести свой вклад в формирование прочностных свойств КНГВ.
Вопросы, связанные со структурообразующей ролью этого новообразования и структурно-ориентационными факторами взаимодействия с основными минеральными компонентами КНГВ, являются предметом дальнейших исследований по этой проблематике. В связи с этим, целесообразно рассматривать результаты настоящего исследования с определенной долей паллиативности.
Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова и гранта РФФИ «Разработка новых подходов к созданию нано-и микроструктурированных строительных композитов
на основе природных и техногенных полифункциональных прото- и сингенетических наносистем».
Ключевые слова: композиционное гипсовое вяжущее, наноструктурированное вяжущее, структурный буфер, активный минеральный компонент, гидратированные сульфосиликаты кальция.
Список литературы
1. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение): Справочник / Под ред. А.В. Феррон-ской. М.: Изд-во АСВ. 2004. 488 с.
2. Череватова А.В., Жерновский И.В., Строкова В.В. Минеральные наноструктурированные вяжущие. Природа, технология и перспективы применения / LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Dudweiler Landstr. 99, 661123 Saarbücken, Germany, 2011. 170 с.
3. Войтович Е.В., Жерновский И.В., Череватова А.В. Новые виды гипсовых вяжущих с применением наномодификаторов // Сухие строительные смеси. № 3. 2011. С.18—19.
4. Rouse C.R. A contribution to the crystal chemistry of ell-estadite and the silicate sulfate apatites. / American Mineralogist. 1982. Vol.67. P. 90-96.
5. Onac B.P., Effenberger H., Ettinger K., Panzaru S.P. Hydroxylellestadite from Cioclovina Cave (Romania): Microanalytical, structural, and vibrational spectroscopy data // American Mineralogist. 2006. Vol.91. P. 1927-1931.
6. SolovyovL.A. Full-profile refinement by derivative difference minimization // Journal of Applied Crystallography. 2004. 37. P.743-749.
Р е к л а м а
■t
jr\
АКТИВНАЯ ПУЦЦОЛАНОВАЯ ДОБАВКА
каолин
журавлиным лог
РОССИЯ ЧЕЛЯБИНСКАЯ ОБЛАСТЬ
г. Пласт
ул. Магнитогорский тракт, д. 1
Тел./ факс: (35160) 2-26-56;
2-29-45
www.kaolinzhl.ru
/Г. —я& '*'■ *
plast-rjfey@Qhel.surnet.ru
rj научно-технический и производственный журнал
M ® июль 2012 TT
