Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691

П.А. КЕТОВ, инженер (347911@mail.ru),

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов

Увеличение объемов производства бетона и железобетона невозможно без роста выпуска заполнителей. Так, по данным авторов [1], при среднегодовом объеме производства бетона и железобетона более 60 млн м3, в том числе более 20 млн м3 сборного и более 40 млн м3 товарного, и строительных растворов 20—25 млн м3, потребность в нерудных заполнителях составляет более 50 млн м3, или более 65 млн т, в мелком заполнителе — 50—55 млн м3, или более 70 млн т.

В качестве одного из наиболее перспективных заполнителей рассматриваются породы на основе аморфного оксида кремния, преимущественно диатомита и трепела, который не только является структурообра-зователем и снижает массу конструкций, но и может предотвращать щелочно-силикатное разрушение бетонов и существенно повышать прочность изделий, участвуя в пуццолановом процессе. Например, в США — мировом лидере в производстве диатомитовых материалов количество диатомита, применяемого в качестве добавки при производстве цемента, достигает трети от его производства [2]. Однако возможности использования горных пород на основе аморфного оксида кремния не ограничиваются производством заполнителей. Материал может быть технологически эффективно переработан в более ценные продукты вследствие высокой относительно кристаллического оксида кремния реакционной способностью. Например, использование аморфного оксида кремния при варке стекла снижает температуру силикатообразования и стеклообра-зования на несколько сотен градусов [3].

В данной работе была исследована возможность получения на основе трепела Потанинского месторождения (Челябинская обл.) вяжущей композиции и образование ячеистых материалов типа пеностекла при термической обработке полученных композиций.

Из трепела и сухого гидроксида натрия готовили смесь, добавляя воду до получения пасты, варьируя соотношение трепела и гидроксида натрия. Для подавления процесса пенообразования в процессе термообработки в пасты добавляли кварцевый песок фракции 0,2—0,5 мм в количестве, равном количеству трепела в пересчете на сухое вещество. Содержание твердого вещества в исходном трепеле предварительно определяли прокалкиванием образца при 1000оС, а наличие воды в техническом гидроксиде натрия определяли титрованием навески соляной кислотой.

Полученные пасты укладывали в формы и выдерживали в гидротермальных условиях при 90оС в течение суток. Далее образцы извлекали из форм и термообраба-тывали в печи при температуре от 200 до 860оС. После такой обработки у образцов определяли предел прочности при сжатии.

Полученные зависимости прочности образцов от соотношения трепела к гидроксиду натрия после обработки при различной температуре представлены на рис. 1.

Очевидно, что наиболее прочные композиции на основе полисиликатов образуются при массовом отношении трепела к гидроксиду натрия в пределах 5—7.

Кроме того, представляет интерес с практической точки зрения, что температурная обработка полученных композиций приводит к образованию двух областей с высокой прочностью. Так, если построить зависимость прочности образцов от температуры термообработки при постоянном соотношении трепела к гидроксиду натрия, равном пяти (рис. 2), то становится очевидным вышеуказанная особенность.

Если низкотемпературная область может быть отнесена к образованию гидратированных полисиликатов, то высокотемпературная прочность может быть объяснена стеклообразованием при температуре 650—800оС.

5 -

4

3

2

1

5 10 15

Сотношение компонентов, Я

—•—200оС -Яе310°С —420оС -А- 530оС —640оС —750оС —I—860оС

20

25

Рис. 1. Зависимость предела прочности образцов при сжатии (МПа) от соотношения трепела к гидроксиду натрия при различной температуре обработки

5

4

3

2

1

0

0

200

800

1000

400 600

Температура, оС

Рис. 2. Зависимость прочности образцов от температуры обработки при постоянном отношении исходных компонентов

6

6

0

0

научно-технический и производственный журнал ^'/РО^Г/^/]^})^^ ~22 ноябрь 2012 Ы ®

Рис. 3. Скол полученного продукта

Важной особенностью полученной зависимости является снижение прочности в области температуры выше 800оС, обусловленное началом реакционной способности кристаллического оксида кремния, находящегося в композиции.

Таким образом, аморфный оксид кремния в виде трепела может быть использован для создания композиционных материалов за счет образования вяжущих композиций со щелочами, причем при температуре 650— 800оС происходит стеклообразование и получение материалов, близких по свойствам к керамике. Однако образование стекла при такой относительно невысокой температуре может быть использовано и для получения ячеистых стекол, то есть совмещение процессов стекло-образования и газовыделения может быть использовано для одностадийного синтеза пеностекла [4].

Такие принципиальные изменения в технологии пеностекла, учитывающие физико-химические процессы, происходящие в силикатной системе, позволяют не только снизить производственные затраты и сделать производство высокорентабельным, но и разработать ряд новых материалов на основе ячеистого стекла [5], востребованность которых строительной отраслью не вызывает сомнений. К одному из таких видов продукции следует отнести мелкогранулированное пеностекло, которое в настоящее время производится единственной зарубежной фирмой Poraver. В Западной Европе этот материал успешно используется уже несколько десятилетий, причем особенно заметный взлет спроса на него отмечается в последние годы, когда проблеме энергосбережения стали уделять самое пристальное внимание. В России применение материала незначительно и ограничено практически только изготовлением сухих строительных смесей премиум-класса, вследствие высокой отпускной цены и затрат на доставку.

К аналогичной группе минеральных теплоизоляционных материалов насыпного типа следует отнести помимо упомянутого Poraver керамзитовый гравий (керамзит), вспученный перлит, вспученный вермикулит, микросферы золы уноса ТЭС и гранулированное пеностекло.

Использование керамзита и гранулированного пеностекла в качестве заполнителей бетонов осложнено крупным размером гранул, а керамзита дополнительно — относительно высокой плотностью. Вспученные перлит и вермикулит не могут использоваться в строительных растворах вследствие крайне низкой прочности и низкой влагостойкости. Зола-унос ТЭС (микросферы) отличается нестабильностью состава (зависят от вида

Рис. 4. Материал с размером гранул около 500 мк, полученный полупромышленным способом

углей и режимов горения на ТЭС) и высокой ценой, что также препятствует их использованию в строительных растворах. Импортный мелкогранулированный материал Рогауег не имеет отечественных аналогов, использование его технически в строительных растворах не имеет ограничений, но материал имеет высокую стоимость.

Производство гранулированного пеностекла в настоящее время в промышленных масштабах освоено в России на нескольких предприятиях. Существующая технология предполагает гранулирование методом окатывания. При насыпной плотности 170—300 кг/м3 материал имеет низкое водопоглощение и высокую прочность. Особенностью процесса гранулирования порошковых материалов окатыванием является принципиальная невозможность стабильного получения мелких гранул (менее 2—5 мм), что приводит к отсутствию на рынке гранулированного пеностекла с размерами зерен менее 5 мм. Эту особенность признают все производители российского гранулированного пеностекла. Поэтому гранулированное пеностекло, производимое в России в настоящее время, не может быть использовано как заполнитель штукатурок и сухих смесей вследствие размера гранул.

Композиции из аморфного оксида кремния в виде трепела и гидроксида натрия, как это было показано выше, могут образовывать стеклообразные продукты уже при температуре 600—750оС, что должно сопровождаться газообразованием. В данном случае возможно только выделение паров воды. Для подтверждения этого были проведены термогравиметрические исследования различных форм аморфного оксида кремния с гид-роксидом натрия. Последний вносился в систему в виде растворов. Был взят аморфный оксид кремния различного происхождения — молотое кварцевое стекло, сили-кагель, минеральный продукт в виде трепела и диатомита, а также поверхностный оксид кремния, образующийся на частицах дисперсного натрий-кальциевого стекла в результате ионного обмена. Все исследованные материалы в процессе термообработки характеризуются двумя температурными областями потери массы. При температуре, начиная с комнатной и до 450—600оС, наблюдается первая стадия удаления воды, связанная со свободной и кристаллизационной формами. Характерной особенностью всех термограмм является явное отсутствие инвариантности, наблюдаемой у большинства кристаллогидратов обычных солей.

Аналогично ведут себя все исследованные силикаты и на второй стадии термообработки, когда при 600— 750оС наблюдается значительно более слабый эффект

¡■Л ®

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2012

23

потери массы, который может быть обусловлен потерей гидроксо-групп при синтезе силикатов. Характерно, что процесс стеклообразования лежит в температурном интервале высокой вязкости силикатных стекол и таким образом может быть использован для создания силикатных пен. Иными словами, существует возможность использовать газообразование при синтезе стекла для вспенивания образующегося материала.

Результаты термогравиметрии позволяют сделать вывод, что количества выделяющихся паров воды может быть достаточно для образования пеностекольных материалов в случае использования сырья с высокой пористостью. Действительно, объем пор, присутствующий в силикагеле, трепеле и диатомите, оказывается достаточным для введения в систему количества №+, достаточном для синтеза стекла, а высокоразвитая пористость этих материалов позволяет синтезировать гидра-тированные полисиликаты по всему объему материала.

Это предположение доказывают данные сканирующей электронной микроскопии. На рис. 3 представлен скол полученного продукта. Очевидно, что газовыделение идет по всему объему материала, включая межпоро-вые перегородки, что приводит к получению легкого и прочного материала. Вследствие газовыделения в любом, сколь угодно малом объеме появляется возможность производства мелкогранулированного материала по простой технологии. В этом случае размер готовых гранул ограничивается только дисперсностью используемой разделительной среды (опудривателя) при термообработке. Так, на рис. 4 представлена фотография материала с размером гранул около 500 мк, полученных полупромышленным способом.

Насыпная плотность полученного материала зависит от фракции, изменяется в пределах от 180 кг/м3 для фракции крупнее 2 мм до 450 кг/м3 для фракции менее 200 мк.

Таким образом, процесс получения гидратирован-ных полисиликатов из пород на основе аморфного оксида кремния может быть положен в основу производства вяжущих композиций и пеностеклянных материалов.

Ключевые слова: полисиликаты, вяжущие свойства, ячеистые материалы, стекла.

Список литературы

1. Бруссер М.И., Сорокин Ю.В., Фаликман В.Р. Заполнители для бетона: современные требования к качеству // Строительные материалы. 2004. № 10. С. 62-63.

2. Мельниченко В. Первое российское производство наполнителей из диатомита будет запущено в 2012 году // The Chemical Journal. 2011. № 11. С. 38-39.

3. Мелконян Р.Г. Аморфные горные породы и стекловарение. М.: НИА-Природа, 2002. 264 с.

4. Патент РФ на полезную модель № 100073, МПК C 04 B 38/00. Технологическая линия производства гранулированного пенокерамического материала / О.А. Бубенков, А.А. Кетов, П.А. Кетов, С.В. Лоба-стов. Заявл. 09.08.2010. 0публ.10.12.2010. Бюл. № 34.

5. Кетов А.А., Пузанов И.С., Саулин Д.В. Тенденции развития технологии пеностекла // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 28-31.

УДК 666.189.3

Н.Э. СТАХОВСКАЯ, канд. техн. наук, А.И. ЧЕРВОНЫЙ, ст. науч. сотрудник, Государственное предприятие «Институт НИИСМ» (Минск, Республика Беларусь)

Пеностекло из несортированных отходов стекла

Научно-технический прогресс открывает новые возможности в применении известных материалов, в том числе в других областях науки и техники, расширяет ассортимент и диапазон свойств самих материалов. На стыке отраслей науки и техники возникают новые направления, такие как нанотехнологии, вакуумная техника, технологии в области сверхнизких температур, которые требуют применения материалов, способных выдерживать специфические, часто весьма жесткие условия эксплуатации. В таких условиях большое значение имеет применение эффективных теплоизоляционных материалов, способных выдерживать достаточно высокие нагрузки, воздействие агрессивных химических сред и экстремальную температуру.

Очевидно, что оптимальным не является ни один из существующих теплоизоляционных материалов. Органическая теплоизоляция на основе пенопластов пожароопасна, недолговечна и химически нестабильна. Минераловатные изделия обладают высоким влагопо-глощением, а использование органического связующего резко снижает максимальную температуру их применения. К серьезному недостатку таких материалов относится саморазрушение волокон, что небезопасно для здоровья человека и ведет к потере теплоизолирующей способности. Легкие бетоны обладают низкой прочностью при достаточно большой плотности.

Материалом, в наибольшей степени способным удовлетворить требованиям безопасности, долговечности и эффективности, является пеностекло. В отличие от органических и волокнистых теплоизоляционных материалов пеностекло — пожаростойкий материал с неограниченным сроком службы, из него возможно изготавливать изделия различной конфигурации. Плиты из пеностекла применяются в строительстве для тепловой изоляции наружных и внутренних стен, фасадов и цоколей зданий, полов с повышенными нагрузками, чердаков и чердачных перекрытий, террас «зеленая крыша», паркингов на крышах, скатных крыш. Кроме изоляции стен, кровли, пола зданий и сооружений пеностекло используется для изоляции промышленных холодильников, кораблей и морских нефтяных терминалов, в качестве фундамента в условиях вечной мерзлоты, в атомной энергетике, где требования к пожаро-безопасности особенно жесткие, и т. д. [1].

Однако, несмотря на широкие возможности использования пеностекла как строительного и теплозвуко-изоляционного материала и очевидные его преимущества по сравнению с другими теплоизоляционными материалами, производство пеностекла не получило широкого развития, что связано с его сравнительно высокой стоимостью. Высокая цена изделий из пеностекла связана с особенностями его производства, где расход энергии никак нельзя назвать рациональным.

24

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2012

jVJ ®