CC BY
17Соловьева Л.Н., аспирант, Ходыкин Е.И., канд. техн. наук, докторант,
Мосьпан А.В., студент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ
ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Легкие бетоны в настоящее время широко применяются в строительной индустрии. Его используют в различных областях стр оительств а - жилищном, пр омыш-ленном, дорожном, гидротехническом. Из легких бетонов изготавливают неармированные и армированные изделия и конструкции[1, 2].
Для приготовления легких бетонов используют различные виды пористых заполнителей: прир одные - туф, пемзу, пористые известняки и др., а также искусственные -керамзит, аглопорит, перлит, шлаковую пемзу и т.д.
Легкие бетоны существенно отличаются от тяжелых тем, что пористые заполнители активно поглощают воду. Связь прочности и водоцементного отношения у легких бетонов носит более сложный характер, чем у тяжелых. Теория легких бетонов была разработана Н.А. Поповым в 30-х годах XX века, суть которой сводится к следующему [3]. Наивыгоднейшее сочетание показателей плотности, теплопроводности, прочности и расхода цемента для легких бетонов достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем, что требует максимально сближенного размещения зерен заполнителя в объеме бетона. В этом случае будет достигнуто минимальное содержание цементного камня, являющегося самой тяжелой частью легкого бетона. Высокая шероховатость поверхности легких заполнителей, полученных путем дробления горных пород, обеспечивает хорошее сцепление между цементным камнем и заполнителем, а значительная деформативность заполнителя способствует уменьшению отрицательного влияния на структуру бетона усадки цементного камня, предотвращает появление усадочных микротрещин [4, 5].
Одним из определяющих факторов прочности бетона является прочность сцепления цементного камня с заполнителем. Раннее [6, 7] были исследованы структура и состав контактных зон между зернами заполнителей и цементным камнем, а также влияние р азличных факторов на сцепление заполнителей с цементным камнем. По данным [8] на поверхности зерен заполнителя образуется многослойная система из продуктов гидратации цемента, состоящая из отличающихся по плотности, структуре и составу контактного слоя, промежуточного слоя и слоя, переходного к цементному камню.
При использовании традиционных заполнителей, применяемых при производстве теплоизоляционно-конструкционных материалов, таких как керамзит, основным из
недостатком является наличие слабой контактной зоны цементного камня с заполнителем. Это связано с отсутствием, либо слабым химическим взаимодействием вещества заполнителя и продуктов гидратации цемента. Данный факт определяется различием химико-минералогического состава заполнителя и цементной матрицы. На данный момент среди используемых легких заполнителей отсутствуют вещества, способные к активному взаимодействию с окружающей цементной средой. Для увеличения адгезии цементного камня к заполнителю используют как правило технологические приемы, т.е. механо-активация заполнителя, обработка химическими реагентами, использование частично аморфизированных или выветренных пород, применение добавок, активирующих поверхность заполнителя. Еще одним способом увеличения активности заполнителя по отношению к цементному камню является использование пород и отходов промышленности, обладающих определенным зарядом поверхности [9]. В связи с этим актуальным является разработка принципов проектирования заполнителей, способных как к активному химическому взаимодействию с цементной м атрицей, так и к сохр анению прочностных характеристик композита в целом.
Предварительными исследованиями на основании теоретических данных по сырьевым запасам (горных пород) РФ, являющихся активнымикомпонентами по отношению к продуктам гидратации цемента, а также, исходя из существующих технологий получения гранулированных заполнителей, нами установлена возможность проектирования гранулированных заполнителей на основе кремнеземсо-держащих пород (состоящих преимущественно из аморфного кремнезема) и щелочесодержащих добавок.
Получение активного гранулированного заполнителя размером 1,5-10 мм осуществлялось по следующей методике. Из исходных сырьевых материалов изготавливались гранулы, состоящие из ядра и защитной оболочки. Ядром является молотая до удельной поверхности 150-250 м2/кг смесь из кремнеземистого компонента и гидроксида щелочного металла в определенном массовом соотношении. Защитная оболочка вокруг ядра гранулы, состоящая из молотой извести и кремнефторис-того натрия, не позволяет водорастворимому гидрокси-ду щелочного металла перейти в раствор при приготовлении бетонной смеси, формовании и твердении бетонных образцов, причем кр емнефтористый натрий слу-
Свойства гранулированного заполнителя
Таблица 1
№ п.п. Наименование сырья Средняя плотность, кг/м3 Насыпная плотность, кг/м3 Прочность на сжатие в цилиндре, МПа
1 Перлит Мухо-Талинского месторождения (Бурятия) 620 600 0,32-0,49
2 Опока Коркинского месторождения (Челябинская область) 810 750
3 Цеолит Хотыненского месторождения (Орловская область) 890 850
4 Безобжиговый зольный гравий 920 890 0,6
жит ускорителем твердения жидкого стекла и обеспечивает достаточную водостойкость гранулированному композиционному заполнителю.
В таблице 1 приведены физико-механические характеристики гранул, полученных с использованием различных кремнеземсодержащих сырьевых материалов. Для сравнения приведены свойства безобжигового зольного гравия. Полученные данные свидетельствуют о том, что предлагаемые гранулы по сравнению с безобжиговым зольным гравием по своим показателям не уступают ему и могут применяться в качестве легкого заполнителя для легких бетонов.
При тепловлажностной обработке бетонных изделий отмечается активное взаимодействие между кремнеземистой породой и гидроксидом натрия с образованием водорастворимых силикатов натрия. Проникая сквозь защитную оболочку гранул, гидросиликаты натрия пропитывают цементную матрицу строительного изделия на глубину 2,5-3,1 мм. Данный процесс ведет к формированию малорастворимых соединений, которые, заполняя микроструктурные поры цементного камня, препятствуют процессам миграции воды, повышая тем самым водонепроницаемость и водостойкость строительного изделия в целом.
При введении гранул в количестве, способном обеспечить общую пористость изделия 53 % и выше, наблюдается высокая степень перекрывания насыщенных активными силикатами межпоровых перегородок, что приводит к существенному изменению их физико-механических свойств.
Бетонные строительные изделия, включающие гранулированный композиционный заполнитель, прошедшие тепловлажностную обработку при атмосферном давлении, характеризуются также повышенными тепло -изоляционными свойствами (рис. 1), т.к. на месте гранулированного заполнителя формируются поры с уплотненными стенками и полифактурной поверхностью, которые препятствуют пр охождению тепловых потоков.
Используя гранулированный композиционный заполнитель с различным гранулометрическим и минералогическим составом при изготовлении цементно-пес-чанных образцов, получены легкие бетоны с плотностью -1250-1300 кг/м3, общей пористостью до 80 %, при-
чем 72-79 % этих пор являются закрытыми, т.е. водонепроницаемыми. Несмотря на существенное уменьшение плотности полученного поризованного бетона, водопог-лощение его уменьшается в два раза по сравнению с исходным мелкозернистым бетоном.
Рис.1. Зависимость теплопроводности легкого бетона от его пористости и плотности
Анализ результатов испытаний бетонных образцов свидетельствует о том, что введение в состав бетонной смеси предлагаемого активного гранулированного заполнителя позволяет получать строительные изделия с пониженными теплопроводностью и водопроницаемостью. Используемое сырье состоит из неорганических экологически чистых отходов переработки горных пород, что позволяет улучшить экологическую обстановку жилых помещений. Применение гранулированного заполнителя позволяет исключить энергоемкую стадию обжига, что характерно для большинства пористых искусственных заполнителей для легких бетонов и исключить влияние на прочностные характеристики изделий слабой контактной зоны между легким заполнителем и цементным камнем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баженов Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов. - М.: АСМ, 2002. - 500 с.
2. Сахаров Г.П., Стрельбицкий Г.П. Поробетон и технология
его производства в XXI веке // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2000. - № 6. - С. 10 - 11.
3. Попов Н.А. Новые виды легких бетонов. - М.: Стройиздат, - 1939. - 214 с.
4. Элинзон М.П. Производство искусственных пористых заполнителей. - М.: Стройиздат, -1990, -164 с.
5. Королев А.С., Волошин Е.А., Трофимов Б.Я. Оптимизация состава и структуры конструкционно-теплоизоляционного ячеистого бетона // Строительные материалы. - 2004. -№ 3. - С. 30 - 32.
6. Чеховский Ю.В., Спицин А.И., Кардаш Ю.А. и др. Исследование контактной зоны цементного камня с крупным заполнителем // Коллоидный журнал. - 1988. - № 6. - С. 16 - 18.
7. Ориентлихер Л.П. Некоторые особенности контактного слоя легкого бетона на пористых заполнителях // Строительные материалы. - 2005. - № 9. - С. 14 - 15.
8. Рыбьев И.А., Чеховский Ю.В., Матьязов С.М. О контактной зоне цементного камня с заполнителем в бетоне // Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении. Тез. докл. Всесоюзной конференции. - Белгород, 1989. - Ч. 4. - С. 5 - 6.
9. Гричаников В.А., Ядыкина В.В. Влияние активных центров поверхности кремнеземсодержащих фаз на взаимодействие с цементом // Цемент и его применение. - 2004. - № 3. -С. 38 - 41.
Работа выполнена при финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МД-2906.2007.8 «Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нано-дисперных модификаторов с учетом типоморфизма сырья».
