CC BY
17Лесовик В. С., д-р техн. наук, профессор, Чернышева Н.В., канд. техн. наук, доцент, Толыпина Н.М., канд. техн. наук, доцент, Рыбцова М.Б., аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ОСОБЕННОСТИ ТВЕРДЕНИЯ ВГВ В СУЛЬФАТНЫХ СРЕДАХ
Разработан состав композиционного гипсового вяжущего, включающий отходы ММС, при котором устраняется возможность разрушения структуры затвердевшего камня и повышается его сульфатостойкость и долговечность.
В последние годы как в нашей стране, так и за рубежом проводятся целенаправленные исследования по улучшению эксплуатационных свойств гипсовых вяжущих с целью расширения областей их применения. Одним из эффективных направлений является разработка композиционных гипсовых вяжущих, обладающих спо -собностью к гидравлическому твердению, водостойкостью, повышенной прочностью. В качестве активной минеральной добавки в их составе, как правило, исполь-
зуют различные кремнеземсодержащие отходы различных производств [1-3].
К числу таких исследований относится разработка высокопроникающих быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований дорог на основе водостойкого гипсового вяжущего (ВГВ), выполненная на кафедре СМИиК БГТУ им. В. Г. Шухова.
В предложенном ВГВ в качестве активного кремнеземистого компонента были использованы тонко-
Таблица 1
Химический состав отходов ММС
Feo6rn; SiO2 AI2O3 Fe2O3 FeO CaO MgO S P CO2
10,2 77,72 0,57 6,58 7,12 1,48 2,26 0,128 0,023 3,63
молотые отходы мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов, представляющие собой тонкозернистый техногенный песок (Мкр 1), содержащий более 70% кварца. Эти отходы представленны диаге-нетически измененным высокореакционным кварцем (халцедоновая разновидность слабоупорядоченного кварца). Запасы такого песка в отвалах КМА составляют миллиарды тонн, в которых «законсервирована» энергия гелогических процессов, а также энергия затраченная на горнодобывающие работы, на дробле-
a)
Ясж, 14 МПа 12 -
10 -
8 -
ние и помол, а также химическая пуццолановая гид-ратационная энергия.
Основной функцией активных минеральных добавок является снижение концентр ации гидроксида кальция в твердеющей системе. Количество добавки ММС в ВГВ зависит от содержания в ней аморфного SiO2 и А1203. Химический состав отходов ММС представлен в табл. 1
Из химического состава отходов ММС видно, что они содержат более 70% кварца, который в измельченном состоянии может участвовать в формировании новообразований, следовательно, данные отходы могут быть использованы при получении быстротвердеющего ВГВ. Необходимое количество активной минеральной добавки (отходы ММС) в составе вяжущего устанавливали по
240 270 t, сут
б)
Яизг, МПа
6
- ЦЕМ I; -
- Na2SO4;
120 150 180 210 240 270
t, сут
- ВГВ; - гипс, при хранении в 3%-ом растворе:
„ - MgSO4.
Рис.1 Прочность образцов при хранении в растворах сульфатов Ыа и Mg: а) прочность при сжатии; б) прочность при изгибе
6
4
2
0
4
2
0
концентрации оксида кальция в водных суспензиях специально приготовленных препаратов по методике, изложенной в приложении ТУ 21-31 -62-89. Вяжущее готовили тщательным смешиванием гипсового вяжущего, портландцемента и отходов ММС в лабораторной шаровой мельнице в течение 5 минут.
Учитывая требования отраслевого стандарта по содержанию клинкерной части в ВГВ с учетом результатов титрований, применяли следующий состав (% по массе): гипсовое вяжущее - 70, цемент -15, ММС - 15.
При эксплуатации изделий на них могут воздействовать различные агрессивные среды. Для расширения перспективных областей применения материалов на основе разработанного ВГВ были исследованы особенности твердения и коррозионная стойкость ВГВ в растворах сульфатов натрия и магния.
Исследования проводили на образцах-балочках размером 2,5х2,5х10 см, изготовленных из цементно-песча-ного раствора с соотношением Ц : П = 1:3, В/Ц = 0,55. Для получения сравнительных данных по стойкости наряду с ВГВ в качестве вяжущих использовали ЦЕМ I 42,5 Н и гипс Г5А11. Изготовление образцов осуществляли на лабораторной виброплощадке, после чего они твердели в течение 28 суток в нормальных условиях, затем их испытыв али на пр очность при изгибе и сжатии и погружали в растворы сульфатов № и Mg. Концентрация растворов составляла 3% (20000 мг/л $042-), как наиболее характерная для природных вод высокой минерализации. Применение более высоких концентраций нецелесообразно, так как может меняться механизм коррозии. Количество раствора на один образец составляло 250 мл, смена раствора производилась один раз в месяц.
В качестве критериев оценки сульфатостойкости использовали: предел прочности при изгибе и сжатии, коэффициент стойкости (КС), визуальный осмотр. Для исследования качественной стороны коррозии применяли рентгенографический анализ.
Кинетика твердения образцов в различных средах показана на рис. 1.
Образцы из раствора на ВГВ показали более высокую стойкость в сульфатных средах, чем на других вяжущих. Существенное снижение прочности при сжатии наблюдалось в течение первого месяца хранения, затем прочность снижалась медленнее. Прочность при изгибе сначала увеличивалась, а затем постепенно снижалась. Через 270 суток хранения снижение предела прочности при изгибе составило 30-35%, при сжатии около 40%, как в растворе так и в растворе
MgS04. В растворе сульфата магния падение прочности происходило более интенсивно. Коэффициент стойкости по прочности при сжатии составил КС90= 0,91 - в растворе MgS04 и КС90= 0,98 - в растворе №^04; КС270= 0,85 - в растворе MgS04 и КС270= 0,90 - в растворе №^04.
Иначе происходила кинетика твердения в сульфатных средах образцов из раствора на портландцементе. Сначала наблюдался прирост прочности, а затем ее резкое снижение как при изгибе, так и при сжатии. Сниже-
ние прочности при изгибе через 270 суток хранения составило 40-45%, при сжатии около 50% в растворах №^04 и MgS04. Наибольшее снижение прочности наблюдалось в растворе MgS04. Коэффициент стойкости по прочности при сжатии образцов на ЦЕМ I 42,5 Н составил: КС90= 0,7 - в растворе MgS04 и КС90= 0,8- в растворе №^04; КС270= 0,6- в растворе MgS04 и КС270= 0,7в растворе №^04,что свидетельствует низкой сульфатостойкости портландцементного камня.
Образцы из раствора на гипсе показали резкое снижение прочности к трём месяцам испытаний, стали мягкими, ломались в руках, поверхность образцов была подвержена значительному растворению.
Сравнительная стойкость образцов на ВГВ и ЦЕМ I 42,5 Н приведена на рис. 2.
Проведенные испытания показали, что стойкость образцов на ВГВ выше, чем на ЦЕМ I 42,5 Н как в растворах сульфата натрия, так и в растворах сульфата магния. Раствор сульфата магния более агрессивен к вяжущим , чем раствор сульфата натрия.
а] 6)
Рис.2. Коррозионная стойкость образцов через 270 суток твердения в зависимости от вида вяжущего: - ВГВ; ЦЕМ 1 42,5 Н;
а) в 3%-ом растворе Ыа2804; б) в 3%-ом растворе MgS04
Для исследования процессов, происходящих в образцах при хр анении в р аств орах сульфатов, и хар актер ом накопления продуктов коррозии применяли рентгенофа-зовый анализ. Для этого использовали материал поверхностных слоёв образцов после 6 месяцев хранения в раствор ах сульфатов, так как именно в течение первых 6 месяцев интенсивно протекают процессы коррозии.
Рентгенограммы представлены на рис. 3,4.
На рентгенограммах поверхностных слоёв образцов на ВГВ (рис. 3,4) видно, что новообразования представлены гипсом CaS04•2H20 0=4,3; 3,81; 3, 048; 2,89 А) низкоосновными гидросиликатами Са 0=3,048; 2,0987;1,6765 А), карбонатом Са 0=3,86;2,094:1,875 А). Чётко видны линии кварца 0=3,36; 2,89; 1,99 А). Идентичность рентгенограмм поверхностных слоев образцов на ВГВ, хранившихся в растворах сульфатов магния и натрия, и в воде, свидетельствует о высокой стойкости исследуемого вяжущего.
Рис. 3. Рентгенограммы поверхностных слоев образцов из раствора на ВГВ через 6 месяцев хранения: а) в 3%-ом растворе Ыа^О.; б) в 3%-ом растворе МgSO.; в) в воде
Углы — 2Тета; Интенсивность — приведенная; Вся икала = 895
1.0
0. 8
0.6
0.4
0.2
в)
-1-1-1-
4.00 8.0 16. 0
Т-1—
24 .0
32 .0
40 .0
48 .0
56 .00
Рис. 4. Рентгенограммы поверхностных слоев образцов из раствора на ЦЕМ I 42,5 Н через 6 месяцев хранения в воде. а) в 3%-ом растворе Ыа^О4; б) в 3%-ом растворе МgSO4; в) в воде
а) в стационарной воде
кальция перекрываются линиями других минералов.
Внешний вид образцов показан на рис. 5.
Результаты исследований позволяют отметить, что ВГВ является стойким вяжущим в растворах сульфатов 3 %-ной концентрации. Повышенную сульфатостойкость можно объяснить низкой концентрацией Са(ОН)2 в жидкой фазе и наличием низкоосновных гидратных фаз: гидросиликатов Са и других, более стойких к действию сульфатных сред. Полученные результаты позволяют рекомендовать ВГВ для получения широкой номенклатуры строительных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ферронская А.В. Роль гипсовой отрасли в развитии строительных материалов // Материалы II Всероссийского семинара с международным участием «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий». - Уфа, 2004. - С. 11-17.
2. Ферронская А.В., Волков Ю.С. Роль строительства в решении экологических проблем современной цивилизации. -Строительный эксперт, 2003. - №13.
3. Ферронская А.В., Коровяков В. Ф. Бетоны на многокомпонентных гипсовых вяжущих // Материалы 1 -й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона. - М., 2001. - С. 85- 87.
4. Ферронская А.В. Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий. - Сб. трудов, 2002. - С. 249.
б) в 3 %-м растворе сульфата №
в) в 3%-м растворе сульфата Mg
Рис. 5 Внешний вид образцов из цементно-песчаного раствора состава Ц:П=1:3 на различных вяжущих (1-портландцемент, 2- ВГВ, 3- гипс), хранившихся 270 сут в различных средах: а) в стационарной воде; б) в 3 %-м растворе сульфата Ка;
в) в 3%-м растворе сульфата Mg.
В образцах из ЦЕМ I 42,5 Н, хранившихся в растворах сульфатов, обнаружен скрытокристаллический гидро-сульфоалюминат Са (ё=9,64; 5,56; 4,90; 4,74 А), а в образцах, хранившихся в растворе MgS04 - Mg(0H)2 (ё=2,7143; 2,3829; 1,7825 А). На рентгенограммах представлены линии CaS042H20, CaS04, СаСО3 и Si02. Гидросиликаты
