Научная статья на тему 'Особенности формирования структуры бесцементного матричного композита на основе механоактивированного техногенного сырья'

Особенности формирования структуры бесцементного матричного композита на основе механоактивированного техногенного сырья Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
71
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Construction and Geotechnics
ВАК
Ключевые слова
ТЕХНОГЕННОЕ СЫРЬЕ / МЕХАНОАКТИВАЦИЯ / БЕСЦЕМЕНТНОЕ ВЯЖУЩЕЕ / МАТРИЧНАЯ СТРУКТУРА / КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ / TECHNOGENIC RAW MATERIALS / MECHANICAL ACTIVATION / CEMENTLESS BINDER / MATRIX STRUCTURE / COMPOSITE MATERIAL

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Корнеева Е.В., Бердов Г.И., Созинов С.А.

Создание композиционных материалов с использованием механоактивированного техногенного сырья на сегодняшний день актуально в составе масштабной задачи строительно-технологической утилизации техногенных образований. Изменение кристаллической структуры с помощью механохимии повышает активность техногенных продуктов: увеличивается число коагуляционных контактов разнородных частиц, ускоряется образование продуктов гидратации, повышается пластическая прочность твердеющей смеси. Статья посвящена исследованию механизма структурно-реологических превращений бесцементной системы твердения на основе сталеплавильного активированного сырья. В качестве сырья использовались сталеплавильные шлаки энергонасыщеные крупнотоннажные отходы Западно-Сибирского металлургического комбината (г. Новокузнецк). В качестве активаторов отходы угольной промышленности шахты «Абашевская» (г. Новокузнецк): горелые породы с терриконика и шламы, полученные нейтрализацией известью электролитов отработанных кислотных аккумуляторов, аккумуляторных батарей промышленного транспорта. На основе используемого механоактивированного техногенного сырья получен вяжущий композиционный материал матричной структуры. Для оценки структурных и вещественных изменений твердеющей системы были проведены комплексные физико-химические исследования: ИК-спектроскопия, термогравиметрический и рентгенофазовый анализ. Методом электронной микроскопии исследована структура камня. Было установлено, что матричная структура композиционного материала представляет собой дисперсионную среду: матрицу из плотных мелкозернистых масс гидрата сульфата кальция, дисперсную фазу из пластинчатых кристаллов кварца и оксида магния и трубчатых кристаллов ортосиликата кальция и переходный межфазный слой из структурированных зерен гидросульфоалюмината кальция. В процессе формирования структуры взаимозависимость фаз сопровождалась последовательным переходом одних видов структур в другие: коагуляционная → кристаллизационно-конденсационная → кристаллизационная. В статье представлены результаты самоорганизации структуры, рассмотрено взаимодействие оксидных систем в процессе гидратации, установлены основные минеральные новообразования, обладающие вяжущими свойствами и обеспечивающие прочные связи между структурообразующими компонентами.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Корнеева Е.В., Бердов Г.И., Созинов С.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FEATURES OF THE FORMATION OF THE STRUCTURE OF A CEMENTLESS MATRIX COMPOSITE BASED ON MECHANICALLY ACTIVATED TECHNOGENIC RAW MATERIALS

The creation of composite materials using mechanically activated technogenic raw materials is relevant today as part of a large-scale task of construction and technological utilization of technogenic formations. The change in the crystal structure using mechanochemistry increases the activity of technogenic products: the number of coagulation contacts of dissimilar particles increases, increases the plastic strength of the hardening mixture, formation of hydration products is accelerated. The article is devoted to the study of the mechanism of structural and rheological transformations of a cementless hardening system based on activated steelmaking. Steel melting slags were used as raw materials energy-saturated large-capacity waste of the West-Siberian Metallurgical Combine (Novokuznetsk). As components activators waste from the coal industry of the «Abashevskaya» mine (Novokuznetsk) burnt rocks with heaps and slimes, obtained by neutralization of spent acid battery electrolytes with lime batteries for industrial vehicles. Based on used mechanically activated technogenic raw materials the binder composite material of the matrix structure is obtained. To assess structural and material changes in the hardening system comprehensive physical and chemical studies were carried out: IR spectroscopy, thermogravimetric and x-ray phase analysis. Electron microscopy investigated the structure of the stone. It was found that the matrix structure of the composite material is a dispersion medium matrix of dense fine-grained masses calcium sulfate hydrate; dispersed phase from lamellar crystals of quartz and magnesium oxide, and tubular crystals of calcium orthosilicate; and transitional interfacial layer from structured grains of calcium hydrosulfoaluminate. In the process of forming the structure interdependence of phases from each other was accompanied by a sequential transition of some types of structures to others: coagulation→ crystallizationcondensation→ crystallization. The article presents the results of the self-organization of the structure, the interaction of oxide systems in the process of hydration is considered, major mineral neoplasms are established, possessing astringent properties and providing strong bonds between structure-forming components.

Текст научной работы на тему «Особенности формирования структуры бесцементного матричного композита на основе механоактивированного техногенного сырья»

Корнеева Е.В., Бердов Г.И., Созинов С.А. Особенности формирования структуры бесцементного матричного композита на основе механоактивированного техногенного сырья // Construction and Geotechnics. - 2020. - Т. 11, № 1. -С. 102-114. DOI: 10.15593/2224-9826/2020.1.10

Komeyeva E.V., Berdov G.I., Sozinov S.A. Features of the formation of the structure of a cementless matrix composite based on mechanically activated technogenic raw materials. Construction and Geotechnics. 2020. Vol. 11. No. 1. Pp. 102-114. DOI: 10.15593/2224-9826/2020.1.10

DOI: 10.15593/2224-9826/2020.1.10 УДК 666.96: 658.567.1

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ БЕСЦЕМЕНТНОГО МАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ МЕХАНОАКТИВИРОВАННОГО ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Е.В. Корнеева1, Г.И. Бердов2, С.А. Созинов3

1Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия 2Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, Новосибирск, Россия Кемеровский научный центр СО РАН, Кемерово, Россия

О СТАТЬЕ

АННОТАЦИЯ

Получена: 20 ноября 2019 Принята: 20 января 2020 Опубликована: 27 марта 2020

Ключевые слова:

техногенное сырье, механоакти-вация, бесцементное вяжущее, матричная структура, композиционный материал.

Создание композиционных материалов с использованием механоактивированного техногенного сырья на сегодняшний день актуально в составе масштабной задачи строительно-технологической утилизации техногенных образований. Изменение кристаллической структуры с помощью механохимии повышает активность техногенных продуктов: увеличивается число коагуляционных контактов разнородных частиц, ускоряется образование продуктов гидратации, повышается пластическая прочность твердеющей смеси.

Статья посвящена исследованию механизма структурно-реологических превращений бесцементной системы твердения на основе сталеплавильного активированного сырья.

В качестве сырья использовались сталеплавильные шлаки - энергонасыще-ные крупнотоннажные отходы Западно-Сибирского металлургического комбината (г. Новокузнецк). В качестве активаторов - отходы угольной промышленности шахты «Абашевская» (г. Новокузнецк): горелые породы с терриконика и шламы, полученные нейтрализацией известью электролитов отработанных кислотных аккумуляторов, аккумуляторных батарей промышленного транспорта. На основе используемого механоактивированного техногенного сырья получен вяжущий композиционный материал матричной структуры.

Для оценки структурных и вещественных изменений твердеющей системы были проведены комплексные физико-химические исследования: ИК-спектроскопия,

® Корнеева Елена Викторовна - кандидат технических наук, доцент, e-mail: korneev_va@list.ru. Бердов Геннадий Ильич - доктор технических наук, профессор.

Созинов Сергей Анатольевич - кандидат физико-математических наук, руководитель центра, e-mail: kemsc@kemsc.sbras.ru; prezidium@kemnet.ru.

Elena V. Korneyeva - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, e-mail: korneev_va@list.ru. Gennady I. Berdov - Doctor of Technical Sciences, Professor.

Sergey A. Sozinov - Ph.D. in Physical and Mathematical Sciences, Supervisor Center, e-mail: kemsc@kemsc.sbras.ru; prezidium@kemnet.ru.

термогравиметрический и рентгенофазовый анализ. Методом электронной микроскопии исследована структура камня.

Было установлено, что матричная структура композиционного материала представляет собой дисперсионную среду: матрицу из плотных мелкозернистых масс гидрата сульфата кальция, дисперсную фазу из пластинчатых кристаллов кварца и оксида магния и трубчатых кристаллов ортосиликата кальция и переходный межфазный слой из структурированных зерен гидросульфоалюмината кальция.

В процессе формирования структуры взаимозависимость фаз сопровождалась последовательным переходом одних видов структур в другие: коагуляцион-ная ^ кристаллизационно-конденсационная ^ кристаллизационная.

В статье представлены результаты самоорганизации структуры, рассмотрено взаимодействие оксидных систем в процессе гидратации, установлены основные минеральные новообразования, обладающие вяжущими свойствами и обеспечивающие прочные связи между структурообразующими компонентами.

© ПНИПУ

FEATURES OF THE FORMATION OF THE STRUCTURE OF A CEMENTLESS MATRIX COMPOSITE BASED ON MECHANICALLY ACTIVATED TECHNOGENIC RAW MATERIALS

E.V. Korneyeva1, G.I. Berdov2, S.A. Sozinov3

Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation

Novosibirsk State Architectural and Construction University, Novosibirsk, Russian Federation

Kemerovo Scientific Center Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Kemerovo, Russian Federation

ABSTRACT

The creation of composite materials using mechanically activated technogenic raw materials is relevant today as part of a large-scale task of construction and technological utilization of technogenic formations. The change in the crystal structure using mechano-chemistry increases the activity of technogenic products: the number of coagulation contacts of dissimilar particles increases, increases the plastic strength of the hardening mixture, formation of hydration products is accelerated.

The article is devoted to the study of the mechanism of structural and rheological transformations of a cementless hardening system based on activated steelmaking.

Steel melting slags were used as raw materials - energy-saturated large-capacity waste of the West-Siberian Metallurgical Combine (Novokuznetsk). As components - activators - waste from the coal industry of the «Abashevskaya» mine (Novokuznetsk) - burnt rocks with heaps and slimes, obtained by neutralization of spent acid battery electrolytes with lime batteries for industrial vehicles. Based on used mechanically activated technogenic raw materials the binder composite material of the matrix structure is obtained.

To assess structural and material changes in the hardening system comprehensive physical and chemical studies were carried out: IR - spectroscopy, thermogravimetric and x-ray phase analysis. Electron microscopy investigated the structure of the stone.

It was found that the matrix structure of the composite material is a dispersion medium - matrix of dense fine-grained masses calcium sulfate hydrate; dispersed phase from lamellar crystals of quartz and magnesium oxide, and tubular crystals of calcium orthosilicate; and transitional interfacial layer from structured grains of calcium hydrosulfoaluminate.

In the process of forming the structure interdependence of phases from each other was accompanied by a sequential transition of some types of structures to others: coagu-lation^ crystallization- condensation^ crystallization.

The article presents the results of the self-organization of the structure, the interaction of oxide systems in the process of hydration is considered, major mineral neoplasms are established, possessing astringent properties and providing strong bonds between structure-forming components.

©PNRPU

ARTICLE INFO

Received: 20 November 2019 Accepted: 20 January 2020 Published: 27 March 2020

Keywords:

technogenic raw materials, mechanical activation, cementless binder, matrix structure, composite material.

Введение

При разработке технологических процессов производства различных строительных композитов особую роль играет информация о физико-механических свойствах конечного продукта и определение критериев его эффективности. Для установления оптимальных технологических параметров производства бесцементной строительной продукции необходимо исследование механизма структурно-реологических превращений бесцементной системы твердения [1-5].

1. Основная часть

На основании комплексного исследования состава, структуры и свойств механоакти-вированного техногенного сырья [6] был определен оптимальный состав бесцементного шлакового вяжущего: выпускаемый электросталеплавильный шлак ОАО «ЗСМК» ($уд = 320 м2/кг) 77-78 мас. %, горелая порода шахтных отвалов (SJR = 320 м2/кг) 13-14 мас. % и шлам (нейтрализованный известью отработанный электролит кислотных аккумуляторов аккумуляторных батарей промышленного транспорта) 7-8 мас. %. Предел прочности: при сжатии - 10,64 МПа, при изгибе - 5,62 МПа [7]. Химический анализ шлакового вяжущего в табл. 1.

Таблица 1

Химический анализ вяжущего, %

Table 1

Chemical binder analysis, %

Наименование оксидов S1Ü2 AI2O3 Fe2Ü3 FeÜ CaÜ MgÜ T1Ü2 Na2Ü + K2Ü п.п.п.

Массовая доля, % 23,69 5,69 1,43 0,74 37,80 6,31 0,36 0,76 14,65

По данным рентгеновской дифрактометрии (рис. 1) установлены основные минеральные новообразования вяжущего композита: двуводный гипс (гидрат сульфата кальция -Са$04*2Н20) - (50-60 %); эттрингит (гидросульфоалюминат кальция) - СабА12^04)3(0Н)12х х26Н20 (~15 %); ортосиликат кальция - Са^Ю4 (10-15 %).

Также на микроуровне сформировались конгломераты из отдельных зерен различной формы: минералов кварца ^Ю2) - 3-5 % и оксида магния (MgO) —3 %.

Результаты дериватографического исследования показали, что фазы гидрата сульфата кальция и эттрингита содержат значительное количество кристаллизационной Н20 - 20,91 и 45,91 % соответственно. Поскольку кристаллизационная Н20 удаляется при строго определенных температурах, для измерения содержания гидрата сульфата кальция и эттринги-та в исследуемых образцах использована термография (потеря веса). Данные термогравиметрического анализа представлены на рис. 2.

Расчетные значения по данным ДТА составляют: гипс - 44,1 %; эттрингит - 9,2 %. Пересчет химического анализа на минеральный состав по потерям массы при прокаливании (п.п.п.) дает следующие значения: гипс - 52,6 %; эттрингит - 8,0 %.

Исходный вес пробы - 50,83 мг.

TG (mg)

HeatFlow (цУ)

о

LTi

к

о

04 ^

' К Сй ^ з' Р9 О-

П>

«

н о

а- ►З

р

03

¡50

%

£ п> п о

г

.">- 14,60 примесь Г".«-- 9,60 эттрингит

< <

V

7,60 гипс

— 3 5,62 эттрингит + ортосиликат кальция 4,66 эттрингит

4,28 гипс

3,86 эттрингит

3,86 гипс + ортосиликат кальция

3,35 ортосиликат кальция + примесь

4^4 эттрингит 3,06 гипс

3,00 ортосиликат кальция ^=-2,87 гипс

.2^78^ гапс^ 2 уз гипс + ортосиликат кальция

=»— 2,68 гипс

<

2,59 гипс + эттрингит + ортосиликат кальция с 2,54 гипс + эттрингит 2,48 гипс

2,75 гипс + ортосиликат кальция

2,28 гипс + примесь ^.» 2,21 гипс + эттрингит + ортосиликат кальция

^ — ш 2,10 примесь

________^^^ 2,08 гипс

2,04 гипс 1,99 гипс

_ 1,91 ортосиликат кальция _ 1,90 гипс ^-------- 1,88 гипс

___--=- 1,81 гипс

* 1,78 гипс ** 1,75 ортосиликат кальция

Ч

1,66 гипс

с

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1,62 гипс

1,53 гипс

С

1,43 гипс

1.37 гипс

О о з

§ I

С

С) ^ £ Ьо

о Ьз

о ^ -

9 1-0 К

а: о та

О

О

Ступенчатая дегидратация гидрата сульфата кальция (CaSO4x2H2O) до полугидрата (CaS04*0,5H20) отмечена эндоэффектом при 138,97-161,12 °С, дегидратация полугидрата (CaS04*0,5H20) до ангидрита (CaSO4) - при 275,72 °С. Общая потеря кристаллизационной воды гипсом:

4 692

ДУ = 59,830 - 46,138 = 4,693 мг --100 = 9,23%

50,830

100 % - 20,91 %

X % - 9,23 % X (гипс в пробе) = 44,10 %.

В интервале 421,43-758,35 °С наблюдается дегидратация эттрингита до десульфатиза-ции при 1132,39 °С.

Общая потеря кристаллизационной воды в эттрингите:

1 423

ДУ = 46,138 - 44,175 = 1,423 мг --100 = 2,79%

50,830

100 % - 45,91 %

X % - 2,79 % X (эттрингит в пробе) = 6,10 % (по Н2О).

Общая потеря SO3 в эттрингите пробы:

ДУ = 44,715 - 44,152 = 0,563 мг 0,563 -100 = 1,11%

50,830

100 % - 19,15 %

X % - 1,11 % X (эттрингит в пробе) = 5,80 % (по SO3).

Если предположить, что полная десульфатизация произошла при полном охлаждении пробы, расчеты показывают:

1 427

ДУ = 44,715 - 43,288 = 1,427 мг --100 = 2,81%

50,830

100 % - 19,15 %

X % - 2,81 % Xmax (эттрингит в пробе) = 14,70 % (не более).

ДУобщ = 50,830 - 44,152 = 6,678 мг, или 13,14 %.

С помощью микрорентгеноспектрального анализатора (сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6390 LV с энергодисперсионной приставкой JED 2300) определялось количественное содержание основных оксидов. По спектрам производился расчет их содержания в процентном соотношении. Химико-минералогический анализ позволил установить влияние минералов в процессе гидратации на структурообразование.

Условия проведения измерений: регистрация спектра характеристического рентгеновского излучения пробы проводилась с участка площадью 9 мм2 при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе зонда 1 нА. Разрешающая способность энергодисперсионного детектора 133 эВ. Расчет процентного содержания каждого элемента в анализируемом веществе выполняли по полученным спектрам с помощью программного обеспечения Analysis Station версии 3.62.07 компании JEOL Engineering с использованием бесстандартного метода ZAF. Картирование химических элементов проводили при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе зонда 1 нА (литер справа от наименования элемента - линия спектра характеристического излучения, от которого регистрировался сигнал). Цветовая шкала слева отражает интенсивность сигнала характеристического излучения (рис. 3).

Рис. 3. Карты распределения химических элементов и изображение поверхности образца в отраженных электронах (IMG1) Fig. 3. Maps of the distribution of chemical elements and the image of the surface of the sample in reflected electrons (IMG1)

Прибор автоматически пересчитал атомное содержание элементов и массовое содержание оксидов. Результаты определения массовых долей составляющих оксидов представлены в табл. 2 (в последней колонке таблицы - перевод в оксидную форму, соответствующую формуле минерала).

Более полная информация получена при изучении пространственного положения минеральных фаз на участке поверхности скола (рис. 4). Более светлые включения - частицы, состоящие из более тяжелых атомов.

Содержание химических элементов на поверхности образца (см. рис. 3)

Table 2

The content of chemical elements on the surface of the sample (Fig. 3)

Элемент (keV) Мас. % Погрешность, % Мол. % Соединение Мас. %

C 0,277 8,2 0,21 33,14 C 8,2

O - 36,13 - - - -

Na 1,041 0,74 0,26 0,78 Na2O 1

Mg 1,253 0,96 0,23 1,92 MgO 1,59

Al 1,486 3,13 0,22 2,82 A12O3 5,92

Si 1,739 4,76 0,24 8,22 S1O2 10,18

S 2,307 9,37 0,21 14,19 SO3 23,4

K 3,312 0,32 0,14 0,2 K2O 0,38

Ca 3,69 25,28 0,19 30,62 CaO 35,38

Ti 4,508 0,09 0,31 0,09 T1O2 0,15

Fe 6,398 0,5 0,45 0,22 Fe2O3 0,72

Zn 8,63 10,51 1,02 7,8 ZnO 13,08

Рис. 4. Изображение участка поверхности скола в отраженных электронах на длинах волн 500 цт Fig. 4. Image of the cleaved surface in reflected electrons at wavelengths of 500 цт

Наиболее полная информация о структуре образца получена при сравнении отдельных участков его поверхности на разных длинах волн (50 цт, 30 цт, 10 цт, 1,0 цт): распределение внутри них химических элементов, соотношение слагающих их минеральных баз (рис. 4-7; табл. 3, 4).

Наложение изображений, полученных в характеристическом излучении, и микрофотографии участка поверхности скола, полученные в режиме регистрации отраженных электронов, представлены на рис. 6.

Содержание химических элементов на участке рис. 4

Table 3

The content of chemical elements on the site fig. 4

Элемент (keV) Мас. % Погрешность, % Мол. % Соединение Мас. %

C K 0,277 9,74 0,2 36,74 C 9,74

O - 38,61 - - - -

Na K 1,041 0,19 0,23 0,19 Na2O 0,25

Mg K 1,253 1,5 0,19 2,8 MgO 2,49

Al K 1,486 3,65 0,19 3,06 Al2O3 6,89

Si K 1,739 6,03 0,21 9,72 SiO2 12,89

S K 2,307 10,42 0,19 14,73 SO3 26,01

K K 3,312 0,29 0,14 0,17 K2O 0,35

Ca K 3,69 28,15 0,19 31,83 CaO 39,39

Ti K 4,508 0,11 0,31 0,1 TiO2 0,18

Fe K 6,398 0,89 0,45 0,36 Fe2O3 1,27

Zn K 8,63 0,42 1,01 0,29 ZnO 0,53

r

y*

мЛ r ;

>\

Ы if m:

Kl f У V » *

f

t^Tv ? - v / ■ ■

Рис. 4. Изображение участка поверхности скола в отраженных электронах на длинах волн 30 ^m Fig. 4. Image of the cleaved surface in reflected electrons, at wavelengths of 30 ^m

004

12 000'

и

10 5009000' 75006000450030001500 0

| 1

0 я

я

О J 1 5 J Я

J с

FeLa, ab W S Й 3 I-0 KKb 1 Cc ' Я

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

U 3 <0 t IH 3 CO 1 « 0 PH ^ i u 1 [ t и L. N N

Jj ll l L J , 1 1 1 1

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

keV

Рис. 5. Спектр характеристического рентгеновского излучения, зарегистрированного в точке 004 Fig. 5. Spectrum of characteristic x-ray radiation detected at point 004

Содержание химических элементов в точке 004

Table 4

The content of chemical elements at point 004

Элемент (keV) Mac. % Погрешность, % Атом. %

CK 0,277 5,8 0,15 9,97

OK 0,525 49,53 0,22 63,96

Na К 1,041 0,13 0,13 0,12

Mg К 1,253 1,26 0,08 1,07

AI К 1,486 2,46 0,08 1,89

Si К 1,739 2,41 0,07 1,77

SK 2,307 13,58 0,05 8,75

КК 3,312 0,18 0,08 0,09

Ca К 3,69 22,9 од 11,8

Fe К 6,398 0,41 0,22 0,15

Zn К 8,63 1,34 0,58 0,42

30 |jm OK I 130 \im SK

Рис. 6. Карты распределения химических элементов участка поверхности Fig. 6. Maps of the distribution of chemical elements of the surface area

Рентгеноспектральным анализом выявлены существенные отличия в значениях концентраций элементов для различных участков образца, что свидетельствует о микронеоднородности материала (табл. 5).

Исследованиями установлено, что в результате механоактивации многофазной системы на основе техногенного сырья [8-12] получен вяжущий композиционный материал матричной структуры, в процессе формирования которой взаимозависимость фаз сопро-

вождалась последовательным переходом одних видов структур в другие: коагуляцион-ная ^ кристаллизационно-конденсационная ^ кристаллизационная. Особенность их состава изучалась по результатам рентгеноструктурного анализа.

Рис. 7. Изображение участка поверхности скола в отраженных электронах на длинах волн 50 ^m, 10 ^m, 1,0 ^m Fig. 7. Image of the cleaved surface in reflected electrons at wavelengths of 50 ^m, 10 ^m, 1.0 ^m

12000

005

0

12000

[0, 10] keV

СЗ

- и 1

1

ч s « ¡2 1 х>

- 0 а ^

1 < ^ 1 Г X 1

J

-А J L J LA

006

G

О

U

[0, 10] keV

_ _я_

El; Е Ж? TT я 1/1 SKa i *-

TT CKa KKb | u £ я bt о a л J

Iii 1 Iii LI J, J : и

Рис. 8. Спектры характеристического рентгеновского излучения, зарегистрированного в локальных точках 005 (дисперсионная среда) и 006 (дисперсная фаза) Fig. 8. Spectra of characteristic x-ray radiation recorded at local points 005 (dispersion medium) and (dispersed phase)

Содержание химических элементов в точках 005,006 The content of chemical elements in points 005,006

Таблица 5 Table 5

Номер спектра Содержание химических элементов, атом. %

C O Na Mg Al Si S K Ca Fe X

Дисперсионная среда (матрица) образца

005 5,42 55,54 0,10 0,49 0,80 1,81 13,44 0,13 22,26 - 100,0

Дисперсная фаза образца

006 6,40 55,88 0,28 1,05 2,39 7,06 6,65 0,37 19,17 0,74 100,0

С помощью рентгенографических методов было установлено, что образовавшиеся реальные кристаллы, составляющие структуру, разориентированы, не обладают правильными кристаллографическими гранями. Вследствие диспергирования в них появились откло-

нения от идеальной формы: возникли точечные дефекты, нарушился порядок упаковки атомных слоев. Дефекты привели к изменению физических свойств кристаллов.

Формирование коагуляционной структуры сопровождается образованием плотной суспензии дисперсионной среды - матрицы из мелкозернистых масс двуводного гипса, играющей роль связующего.

Кристаллизационно-конденсационную структуру образуют частицы разной природы, вследствие чего она неустойчива и характеризуется рядом фазовых переходов к формированию устойчивой кристаллизационной структуры. Наблюдается консолидация частиц твердой дисперсной фазы (тонких пластинчатых кристаллов кварца и оксида магния длиной до 15 мкм и трубчатых кристаллов ортосиликата кальция) и частиц межфазного слоя между дисперсионной средой и дисперсной фазой (мелких структурированных зерен эттрингита), первоначально в виде геля, обволакивающего кристаллы твердой дисперсной фазы (рис. 9).

те!

Рис. 9. Микрография матричной структуры вяжущего композита в возрасте 28 сут

(увеличение х3000): 1 - матрица (дисперсионная среда); 2 - заполнитель (дисперсная фаза) Fig. 9. Micrography of the matrix structure of the binder composite at the age of 28 days (3000x magnification): 1 - matrix (dispersion medium); 2 - aggregate (dispersed phase)

Образование кристаллизационной структуры сопровождается последовательным переплетением пластинчатых и трубчатых кристаллов твердой дисперсной фазы и срастанием их в сетчатый пространственный каркас, с уплотнением структурной сетки - армирующего компонента композита. Механоактивированные частицы армирующих волокон ани-зодиаметричны, имеют углы и ребра, что облегчает их слипание.

В результате синерезиса, обусловленного возрастанием во времени числа контактов между зернами эттрингита и образованием между ними кристаллизационных перемычек, происходит упрочнение межфазного слоя. Гелеобразная система превращается в сплошное кристаллическое тело и переходит в термодинамически устойчивое состояние.

Заключение

Задача получения знаний о физических и химических процессах, происходящих при механохимической подготовке шлакового сырья [13], разработка состава и технологии бесцементной строительной продукции на его основе актуальны для промышленных регионов Сибири, развитие которых является стратегической задачей России [14].

Изучение особенностей формирования структуры композита с целью прогнозирования его свойств и разработка эффективных строительных материалов оптимальных составов является наименее разработанным направлением строительного материаловедения [15].

Библиографический список

1. Ткач Е.В., Есенбаева А.А., Чердабаев Б.А. Фазовый состав и нанопористая структура шлакового камня // Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030»: материалы Междунар. научн. конф. (Сагиновские чтения № 2). - Караганда, 2010. - С. 366-368.

2. Щербак С.А. Научные основы управления структурой строительных материалов на основе металлургических шлаков: дис. ... д-ра техн. наук. - Днепропетровск, 2001. - 345 с.

3. Воронин К.М. Стабилизация структуры и свойств мартеновского шлака для повышения эффективности его использования в строительстве: дис. ... канд. техн. наук. - Магнитогорск, 1997. - 130 с.

4. Корнеева Е.В., Бердов Г.И. Формирование бесцементных систем твердения на основе оксидсодержащих техногенных продуктов // Глобальный научный потенциал. - 2016. -№ 9 (66). - С. 118-123.

5. Гончарова М.А. Структурообразование и технология композитов общестроительного и специального назначения на основе малоиспользуемых отходов металлургии: авто-реф. дис. ... д-ра техн. наук. - Воронеж, 2012. - 39 с.

6. Корнеева Е.В., Бердов Г.И. Использование электросталеплавильного шлака в производстве бесклинкерного вяжущего// Вестник ЮУрГУ. - 2018. - Т. 1, № 3. - С. 35-39.

7. Бесцементное вяжущее: пат. Рос. Федерация / Корнеева Е.В. - № 2542074; заявл. 19.02.14, опубл. 20.02.15, Бюл. № 5.

8. Теоретические основы и технологические аспекты создания нового нанодисперсно-го силикатного вяжущего из вторичных минеральных ресурсов с использованием механо-химии / С.И. Павленко, М.В. Луханин, Е.Г. Аввакумов, Е.В. Корнеева. - Новосибирск: СО РАН, 2013. - 106 с.

9. Болдырев В.В. Экспериментальные методы в механохимии твердых неорганических веществ. - Новосибирск: Наука, 1983. - 64 с.

10. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. - Новосибирск: Наука, 1986. - 304 с.

11. Механохимия создания материалов с заданными свойствами / О.В. Андрюшкова,

B.А. Полубояров, И.А. Паули, З.А. Коротаева. - Новосибирск: НГТУ, 2010. - 352 с.

12. Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирнов Е.Н. Активация минералов при измельчении. -М.: Недра, 1988. - 208 с.

13. Сычев М.М. Некоторые вопросы химии активации шлаков // Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции. - Киев, 1979. - С. 45.

14. Румянцева Е.Л., Казарян Д.Б. Техногенные отходы - сырье для химической переработки // Экология России и сопредельных территорий: материалы XIII Междунар. эколог. студ. конф., Новосибирск, 24-25 октября 2008 г. - Новосибирск, 2008. - С. 100-101.

15. Баженов Ю.М., Воробьев В.А., Илюхин А.В. Задачи компьютерного материаловедения строительных композитов // Изв. вузов. Серия: Строительство. - 2000. - № 12. -

C. 25-30.

References

1. Tkach E.V., Esenbaeva А.А., Cherdabaev B.A. Fazovyj sostav i nanoporistaya struktura shlakovogo kamnya [Phase composition and nanoporous structure slag stone]. Science and education - leading factor in strategy «Kazakhstan - 2030»: materials international scientific conference (Saginov readings no.2), Karaganda, 2010, pp. 366-368.

2. Scherbak S.A. Nauchnye osnovy upravleniya strukturoj stroitel'nyh materialov na osnove metallurgicheskih shlakov [Scientific fundamentals of building materials structure management based on metallurgical slag]. Doctor's degree dissertation. Dnepropetrovsk, 2001, 345 p.

3. Voronin K.M. Stabilizaciya struktury i svojstv martenovskogo shlaka dlya povysheniya ef-fektivnosti ego ispol'zovaniya v stroitel'stve [Stabilization of the structure and properties of open-hearth slag to increase efficiency its use in construction]. Ph. D. thesis. Magnitogorsk, 1997, 130 p.

4. Korneyeva E.V., Berdov G.I. Formirovanie bescementnyh sistem tverdeniya na osnove ok-sidooderzhashchih tekhnogennyh produktov [The formation of cementless hardening systems based on oxide-containing man-made products]. Global scientific potential, 2016, no. 9 [66], pp. 118-123.

5. Goncharova M.A. Strukturoobrazovanie i tekhnologiya kompozitov obshchestroitel'nogo i special'nogo naznacheniya na osnove maloispol'zuemyh othodov metallurgii [Structuring and technology of composites general construction and special purposes general construction and special purposes]. Abstract of Doctor's degree dissertation. Voronezh, 2012, 39 p.

6. Korneyeva E.V., Berdov G.I. Ispol'zovanie elektrostaleplavil'nogo shlaka v proizvodstve besklinkernogo vyazhushchego [Use of electric steelmaking slag in the production of clinker-free binder]. Bulletin of the South Ural State University, 2018, vol. 1, no. 3, pp. 35-39.

7: Korneyeva E.V. Bescementnoe vyazhushchee [An uncemented astringent]. Patent Ros-siiskaia Federatiia no. 2542074 (2015).

8. Pavlenko S.I., Lukhanin M.V., Avvakumov E.G., Korneyeva E.V. Teoreticheskie osnovy i tekhnologicheskie aspekty sozdaniya novogo nanodispersnogo silikatnogo vyazhushchego iz vtorichnyh mineral'nyh resursov s ispol'zovaniem mekhanohimii [Theoretical basis and technological aspects creating a new nanosized silicate binder from secondary mineral resources using mechanochemistry]. Novosibirsk, Siberian branch Russian Academy of Sciences, 2013, 106 p.

9. Boldyrev V.V. Eksperimental'nye metody v mekhanohimii tverdyh neorganicheskih ve-shchestv [Experimental methods in mechanochemistry solid inorganic substances]. Novosibirsk, Nauka, 1983, 64 p.

10. Avvakumov E.G. Mekhanicheskie metody aktivacii himicheskih processov [Mechanical methods for the activation of chemical processes]. Novosibirsk, Nauka, 1986, 304 p.

11. AndryushkovaO.V., Poluboyarov V.A., Pauli I.A., Korotaeva Z.A. Mekhanohimiya sozdaniya materialov s zadannymi svojstvami [Mechanochemistry creating materials with specified properties]. Novosibirsk State Technical University, 2010, 352 p.

12. Molchanov B.I., Selezneva O.G., Zhirnov E.N. Aktivaciya mineralov pri izmel'chenii [Activation of minerals during grinding]. Moscow, Nedra, 1988, 208 p.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

13. Sychev M.M. Nekotorye voprosy himii aktivacii shlakov [Some issues of slag activation chemistry]. Slag-alkali cements, concrete and construction, Kiev, 1979, pp. 45.

14. Rumyantseva E.L., Ghazaryan D.B. Tekhnogennye othody - syr'e dlya himicheskoj per-erabotki [Technogenic waste - raw materials for chemical processing]. Ecology of Russia and adjacent territories: materials XIII International Environmental Student Conference, Novosibirsk, 24 - 25 October 2008, pp. 100-101.

15 Bazhenov Yu.M., Vorobyov V.A., Ilyukhin A.V. Tekhnogennye othody - syr'e dlya himicheskoj pererabotki [Tasks of computer materials science of building composites]. News of Higher Educational Institutions. Construction, 2000, no. 12, pp. 25-30.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.