CC BY
0П.К. Хардаев, д-р техн. наук, проф.
Д.Р. Дамдинова, д-р техн. наук, проф.
Н.Н. Анчилоев, инженер Н.Н. Смирнягина, д-р техн. наук, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления Б.С. Цыренов, инженер, ООО «Строитель Забайкалья»
УДК: 666.973.2(043)
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ ПЕРЛИТОВ В ТЕХНОЛОГИИ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Проблема создания ресурсо- и энергосберегающей технологии бетонов неразрывно связана с повышением активности природного алюмосиликатного сырья различными методами. В настоящей статье рассматривается влияние электронно-лучевой обработки на активацию закристаллизованных перлитов, направленной на использование потенциальных возможностей некондиционного перлитового сырья в технологии легких бетонов при минимизации трудовых, материальных и энергетических затрат.
Ключевые слова: закристаллизованный перлит, активированный перлит, электронно-лучевая активация, бесклинкерное вяжущее, известь, легкие бетоны.
P.K. Khardaev, D. Sc. Engineering, Prof.
D.R. Damdinova, D. Sc. Engineering, Prof.
N.N. Anchiloev, Engineer N.I. Smirnyagina, D. Sc. Engineering B.S.Tsyrenov, Engineer
INCREASE IN EFFICIENCY OF CRYSTALLIZED PERLITES IN THE TECHNOLOGY OF LIGHT CONCRETE
The problem of developing resource and energy saving technologies of concrete making is inseparably linked with the increased activity of natural alumosilicate raw materials by means of various methods. This article considers the impact of the electron beam treatment process for crystallized perlites activation which is focused on the potential capability of non-conditional perlite of raw material in light concrete technologies to minimizelabour, material and energy consumption.
Key words: the crystallized perlites, the activated perlite, electron beam activation, clinkerless binder, a lime, light concrete.
Повышение эффективности использования закристаллизованных перлитов, попутно добываемых при добыче кондиционных стекловидных перлитов и составляющих до 70% от общего объема добываемого перлитового сырья Забайкалья, остается весьма актуальной проблемой. Решение этой проблемы в настоящей работе связано с целесообразностью активации некондиционного перлитового сырья с целью создания бесклинкерных вяжущих и бетонов на их основе. Исследования, проведенные по данному направлению, базируются на теоретических предпосылках о возможности снижении материальных и топливно-энергетических затрат при производстве бетонных и железобетонных изделий за счет применения новых видов вяжущих из недефицитного сырья, увеличения активности и скорости твердения этих вяжущих благодаря использованию низкотемпературных и других энергосберегающих технологий.
Сырьевые материалы и методика исследований
В исследованиях использовали эффузивные породы Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия двух разновидностей: закристаллизованные и стекловидные пер литы (табл. 1). Вспученные перлиты использованы в качестве заполнителей в легких бетонах. Известь негашеная (ГОСТ 9179-74) применяется в качестве компонента бесцементного вяжущего (табл. 2). В составе вяжущих используется щелочной компонент (NaOH, KOH).
Таблица 1
Химико-минералогический состав перлитов
Разновидности перлита Содержание стеклофазы, мас. % Содержание оксидов, мас. %
Ю2 АЬОз Ге2Оз ЕеО СаО Я2О П.П.П
Стекловидный 95-97 71,74 12,6 1,17 1,46 0,72 0,35 6,5 6,16
Закристаллизованный 20-40 73,13 11,7 1,08 1,71 0,55 0,30 6,40 7,65
Таблица 2
Химический состав и свойства негашеной извести
Содержание активных окислов, % Скорость гашения, мин Температура гашения, °С Содержание негасившихся частиц, мас. % П.П.П в % при температуре
500 °С 1000 °С
80-82 18-19 65-67 10-10,5 2,5-3 7-7,2
К особенностям эффузивных пород Забайкалья относится относительно стабильный химический состав при широком разнообразии энергетического (термодинамического) состояния [1]. В данной работе указанная особенность относится к различию фазового состава стекловидного и закристаллизованного перлитов. Повышенное содержание кристаллических фаз (полевых шпатов, кварца и его модификаций) в закристаллизованном перлите не позволяет широко вовлекать его в сферу промышленного применения. Отсюда возникает интерес к вопросу повышения активности закристаллизованного перлита.
Ранее проведенными исследованиями было показано, что электронными пучками, которые относятся к чистым безынерционным источником нагрева с высокой (>109) удельной мощностью, технически, экономически и экологически выгодно плавить и рафинировать тугоплавкие, жаропрочные и химически активные металлы, сплавы и специальные конструкционные стали. Электронная плавка обеспечивает особую чистоту получаемого расплава и значительно превосходит другие индукционные и дуговые виды вакуумной плавки благодаря точной дозировке и высокой концентрации энергии [2].
В настоящей работе методика повышения активности закристаллизованного перлита состояла в обработке перлитовой породы в электронно-лучевой установке. Электронный поток, сформированный в пушке электронно-лучевой установки, с помощью электромагнитной ленты в луч (развертку) направлялся через ускоритель на исследуемое активируемое вещество. Образцы для активации получены прессованием таблеток из закристаллизованного перлита, предварительно измельченного до порошкообразного состояния.
Природа активационных и аморфизационных явлений, наблюдаемых при электронно-лучевой активации закристаллизованных перлитов, заключается в воздействии потоком быстродвижущихся направленных электронов на кристаллическую решетку породы. В результате возмущающих эффектов элементарные частицы кристаллической решетки пород отходят от устойчивых положений равновесия в «узлах» в межузловое пространство, искажая упорядоченное исходное строение решетки.
В наших исследованиях электронная пушка работает при извлекающем напряжении до 10 кВ с током электронного пучка до 10-1 А. Общая потребляемая мощность электронно-лучевой установки составляет от 5,5 до 6,0 кВт. Продолжительность активации - в пределах 4 с при толщине слоя активируемого за это время вещества (закристаллизованного перлита) 5 мм. Для чистоты экспериментов исследования по активации проведены в вакууме.
Результаты исследований и обсуждение
На рисунках 1 и 2 показано изменение степени аморфизации закристаллизованного перлита при электронно-лучевой активации в зависимости от параметров обработки.
с
1,2 1
0,8 а0,6 0,4 0,2 0
12 масса пробы 500 г масса пробы 1000 г
4 5
масса пробы 2000 г
Рис. 1. Изменение степени аморфизации (Са) закристаллизованного перлита в зависимости от продолжительности обработки
С
1
а 0,8
0,6
0,4
0,2
0
À / \
/ у /
/ \
[ ]—
2 3 4 5 масса пробы 500 г
I, А
6 7 8 9 масса пробы 1000 г
Рис. 2. Изменение степени аморфизации (Са) закристаллизованного перлита в зависимости от величины тока электронно-лучевого потока I
Нами были исследованы перлитовые породы трех разновидностей (закристаллизованной, закристаллизованной активированной и стекловидной ), которые размалывались до порошкообразного состояния с удельной поверхностью 300, 350, 400, 450 м2/кг. Порошки перлитов помещали в водный раствор CaO различной концентрации. Анализ показал, что гидравлическая активность активированного закристаллизованного и стекловидного перлитов практически одинакова, а у неактивированного закристаллизованного перлита гидравлическая активность на 20-25 % ниже. Оптические наблюдения за процессом гидратации перлитов показали интенсивный рост микроскопических хлопьевидных образований и новых фаз на стекловидных и активированных закристаллизованных перлитах. Рентгеноструктурные и термографические исследования показали наличие в бескликерных вяжущих системах низкоосновных гидросиликатов кальция, количество которых растет с увеличением содержания СаО до 30%. Стекловидный и активированный закристаллизованных перлиты при пропаривании твердеют с образованием преимущественно микрокристаллического низкоосновного гидросиликата кальция CSH(B) и 2-основного С^Н(А), тогда как закристаллизованный перлит твердеет с образованием в основном C2SH^).
Для установления оптимального состава вяжущего системы «порода-СаО-Н2О» в работе использован метод математичекого планирования эксперимента. В качестве факторов были выбраны расходы воды (Х1), оксида кальция (Х2) и перлита (Х3). Уравнение, адекватно описывающее активность бесклинкерного вяжущего, имеет вид:
R = 57,54 + 0,01 Xj -0,016X2 + 0,022X3 + 0,025 X1X2 -0,018 X1X2 +
+ 0,015X2X3 + 0,07 X12 - 0,132 X22 - 0,013X32.
На рисунке 3 показаны диаграммы состояния бесклинкерных вяжущих с использованием перли-тов трех вышеуказанных разновидностей.
с
3
Рис. 3. Диаграммы состояния бесклинкерных вяжущих (БВ) на основе: а - закристаллизованного перлита; б - стекловидного или активированного закристаллизованного перлита
На рисунке 3 плоскость I соответствует БВ с удельной поверхности 8уд. = 250 м2/кг; плоскость II -8уд. = 300 м2/кг; плоскость III - 8уд. = 350 м2/кг; плоскость IV - 8уд. = 400 м2/кг; плоскость V - 8уд. = 450 м2/кг.
Анализ изменения степени гидратации, фазового состава новообразований, пористости твердеющих бесклинкерных вяжущих в условиях термовлажностной обработки при температуре X = 85 185 °С показал, что оптимальное содержание компонентов, обеспечивающих максимальную прочность камня, находится в пределах в мас. %: извести - 20^27, перлита - 40^45 и воды - 34 36.
Физико-химические исследования гидратации разработанных вяжущих, фазового состава цементного камня, их свойств показали целесообразность использования бесклинкерных вяжущих в теплоизоляционных бетонах на пористых заполнителях. Этому способствует преобладание в микроструктуре цементного камня гелеобразных, мелкокристаллических новообразований, которые предпочтительны для обеспечения эффективной теплоизоляции.
Следует отметить, что общая пористость зерен вспученного перлита, используемого в качестве пористого заполнителя, составляет от 25 до 85%, при этом на открытую пористость приходится до 30% от общей. Для сокращения содержания открытой пористости, более рационального использования вяжущего и повышения эффективности теплоизоляционных бетонов производилась модификация вспученного перлита путем окатывания их во вращающихся барабанах в сухой среде, в воде и водном растворе щелочи. Обработка вспученного перлита в 5%-ном водном растворе щелочи позволила умень -шить открытую пористость заполнителя до 60%. При этом соотношение объемов заполнителя и барабана составляло 1/5, водотвердое отношение - 0,2-0,25, а продолжительность модификации - 25 мин. Бетонные смеси на модифицированных пористых заполнителях имели лучшую удобоукладываемость.
С помощью метода математического планирования эксперимента получена зависимость, адекватно описывающая влияние содержания (мас. %) воды затворения (х1), вспученного модифицированного перлитового песка (х2) и вяжущего (х3) на прочность теплоизоляционного бетона на основе разработанного бесклинкерного вяжущего и модифицированного пористого заполнителя:
Я = 6,2 + 0,1х1 - 0,5х2 + 0,23х3 + 0,01 х1 х2 + 0,015 х1 х3 +
+ 0,015^х3 + 0,018х2х3 + 0,06х12 + 0,08х22 - 0,17х32.
В результате систематизированных исследований были установлены оптимальные составы разработанных теплоизоляционных перлитобетонов, которые имели среднюю плотность - 450 550 кг/м3, прочность при сжатии - 1,2 1, 25 МПа, водопоглощение - 12 ^ 14 % и теплопроводность -0,1^0,12 Вт/м-°С. По сравнению с обычными теплоизоляционными перлитобетонами они имеют большую водостойкость и низкую теплопроводность. Разработанные технические решения по активации закристаллизованного перлита защищены патентом [3].
Библиография
1. Цыремпилов, А.Д., Заяханов М.Е., Хардаев П.К. и др. Эффективные вяжущие и бетоны на основе
эффузивных пород. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1999. - 348 с.
2. Семенов А.П., Смирнягина Н.Н. Синтез карбидов кремния и вольфрама под воздействием мощного
электронного пучка // Неорганические материалы. — 1998. — №8. — Т. 34. - С. 982-985.
3. Хардаев, П.К. Способ получения композиционного вяжущего (варианты) (Цыремпилов А.Д., Семенов А.П., Смирнягина Н.Н., Дамдинова Д.Р.)// Пат. на изобретение № 2196748, Вост.-Сиб. гос. технол. ун-т; БНЦ СО РАН; № 2000118975. Заявл. 17. 07.2000; Опубл. 20.01.2003 г.
Bibliography
1. Tsyrempilov A.D. Effective binder and concrete on a basis of effusive raw materials / A.D. Tsyrempilov, M.E. Za-yukhanov, P.K. Khardaev, S.D. Khamaganov. — Ulan-Ude: Publishing house of BSS, 1999. — 348 p.
2.Semyonov A.P. Synthesis of silicon carbides and tungsten under the influence of a powerful electronic beam//A.P. Semyonov, N.N. Smirnyugina// Neorganicheskie materialy. — 1998. — №8. — Vol. 34. — P. 982-985.
3.Khardaev P.K. Method of reception composite binder (variants) (Tsyrempilov A.D., Semenov A.P., Smirnjagina N.N., Damdinova D.R.)//the Patent for the invention № 2196748, East.-Sib. State Technol. University; BSS the Siberian Branch of the Russian Academy of Science; № 2000118975. It is declared 17. 07.2000; It is published 1.20.2003.
