CC BY
122
добной форме с возможным переходом в кристо- Изучены структура и физико-химические свой-балит, волластонит СаО^Ю2, ортосиликат кальция ства полученных пленок. Показатель преломления 2СаО^Ю2 и двухкальциевый фосфат 2Са0Р205. пленок изменяется в пределах от 1,41 до 1,45.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Путляев В.И. Современные биокерамические материалы // Соросовский образовательный журнал. - 2004. - Т. 8. -С. 44-50.
2. Баринов С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины // Успехи химии. -2010. - №79. - С. 15-31.
3. Петровский Г.Т., Шашкин В.С., Яхкинд А.К. Основные направления золь-гель синтеза стеклообразных материалов для оптики из коллоидных форм кремнезема // Физика и химия стекла. - 1997. - Т. 23. - № 1. - С. 43-53.
4. Цветкова И.Н., Шилова О.А., Воронков М.Г, Гомза Ю.П. Золь-гель синтез и исследование гибридного протонпроводя-щего материала // Физика и химия стекла. - 2008. - Т 34. -№ 1. - С. 88-98.
5. Петровская ТС., Борило Л.П., Верещагин В.И., Козик В.В. Структура и свойства нанопродуктов системы SiO2-P2O5 // Стекло и керамика. - 2008. - № 11. - С. 29-33.
6. Борило Л.П. Тонкопленочные неорганические наносистемы / под ред. д-ра техн. наук проф. В.В. Козика. - Томск: Изд-во ТГУ, 2003. - 134 с.
7. Петровская Т.С., Борило Л.П., Козик В.В. Физико-химические процессы при формировании тонких пленок в системе 8Ю2-Р205 // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2010. - Т. 53. - Вып. 8. - С. 120-124.
8. Белецкий Б.И., Свентская Н.В. Кремний в живых организмах и биокомпозиционных материалах нового поколения // Стекло и керамика. - 2009. - № 3. - С. 26-30.
9. Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических молекул. - М.: Мир, 1965. - 219 с.
10. Фиалко М.Б. Неизотермическая кинетика в термическом анализе. - Томск: Изд-во ТГУ, 1981. - 110 с.
Поступила 08.09.2011 г.
УДК 666.973.6.572
ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ГАЗОБЕТОНА НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЕВОШПАТОВО-КВАРЦЕВОГО ПЕСКА И ВОЛОКОН АСБЕСТА
Р.Г. Долотова, В.И. Верещагин, В.Н. Смиренская
Томский политехнический университет E-mail: dolot63@mail.ru
Изучены процессы фазообразования, структура порового пространства и межпоровых перегородок неавтоклавного газобетона плотностью 500 кг/м3 на основе портландцемента с использованием кремнеземистого заполнителя полевошпатово-кварцевого песка в сочетании с волокнами асбеста. Рассмотрены условия формирования равномерной пористой структуры газобетона и образования низкоосновных гидросиликатов кальция в мелкодисперсном состоянии с формой кристаллов в виде игл и волокон.
Ключевые слова:
Ячеистый бетон, структура, фазовый состав, волокна, макроструктура, микроструктура, пора, пористая перегородка.
Key words:
Cellular concrete, structure, phase structure, fibres, macrostructure, microstructure, porous, porous partition.
Введение
Решение вопроса организации производства энергосберегающего неавтоклавного ячеистого бетона связано, прежде всего, с наличием сырьевых материалов - кремнеземистых заполнителей. В современной строительной практике, использующей более 1000 видов различных по природе, свойствам и назначению сырьевых материалов, исключительно важное место принадлежит как природным, так и техногенным материалам, позволяющим организовать производство эффективных строительных изделий с заданным набором эксплуатационных свойств и востребованных на рынке местных строительных материалов. Традиционно в составах ячеистых бетонов в качестве крем-
неземистого компонента применяется хорошо изученный кварцевый песок, содержащий не менее 90 % 8Ю2 [1, 2]. Использование природных заполнителей другой минерализации в технологии ячеистого бетона рассмотрено в работах авторов [3-5].
Доступными источниками местного кремнеземистого сырья, как потенциального резерва минерально-сырьевой базы промышленности строительных материалов, являются полевошпатово -кварцевые пески, использование которых в производстве ячеистых бетонов предусматривается минимумом требований соответствующих стандартов. Ранее проведенные комплексные исследования [6] позволили оценивать качество и пригод-
ность полевошпатово-кварцевых песков в качестве заполнителей неавтоклавного ячеистого бетона.
Ячеистый бетон можно рассматривать как строительный композит: материал с требуемыми свойствами можно получить путем изменения структуры матрицы (для ячеистых бетонов это межпоровые перегородки) композита путем введения волокнистых добавок различной природы в формовочные смеси, что приводит к эффективному улучшению свойств готовых изделий за счет их армирования [7-9].
Целью данной работы является исследование структуры и минерального состава газобетона неавтоклавного твердения на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка и асбестовых волокон. В соответствии с поставленной целью решались задачи о влиянии данных компонентов на формирование прочностных структур ячеистого бетона.
Экспериментальная часть
Масса для изготовления ячеистого бетона готовилась по общепринятой методике [2] путем смешения сырьевых компонентов и технологических добавок в последовательности: полевошпатовокварцевый песок ^ известковое молоко ^ технологические добавки (жидкое натриевое стекло и микрокремнезем) ^ вода (50 мас. % от общего количества воды затворения) ^ асбестовое волокно ^ портландцемент ^ полуводный гипс ^ вода (оставшееся количество) ^ суспензия порошка алюминия (газообразователь).
Для получения ячеистого бетона на первом этапе готовили шлам, состоящий из гашеной извести, полевошпатово-кварцевого песка и 50 мас. % воды (от общего количества воды затворения) с температурой 70...80 °С, активное перемешивание осуществляли в бетономешалке Н0-1510 (БП-33) в течение 5.7 мин. На втором этапе без остановки мешалки в полученный шлам добавляли асбестовые волокна длиной 0,05.2 мм, технологические добавки, портландцемент марки М400 и оставшееся количество воды. На заключительном этапе в приготовленную смесь вводили предварительно подготовленную суспензию порошка алюминия, при непрерывном перемешивании массы в течение 3. 5 мин. Температура бетонной смеси составляла 30.35 °С. Полученную смесь разливали в разъемные, предварительно смазанные и подогретые металлические формы. После достижения необходимой прочности изделия извлекали из форм и направляли в пропарочную камеру на тепловлажностную обработку при атмосферном давлении и температуре 90 °С по режиму 1,5 - (6.8) - (1,5.2) ч для завершения процессов твердения. По результатам проведенных исследований, были получены ячеисто-бетонные образцы, прочностные характеристики которых при средней плотности 500.550 кг/м3составляли: 2,65.2,75 МПа, что на 15.20 % выше показателей установленных стандартом [1].
Методами сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового и дифференциальнотермического анализа были изучены процессы фа-зообразования, структура порового пространства и межпоровых перегородок неавтоклавного газобетона плотностью 50g кг/м3на основе портландцемента с использованием кремнеземистого заполнителя полевошпатово-кварцевого песка в сочетании с волокнами асбеста после тепловлажностной обработки пропариванием.
Определение макро- и микроструктурных характеристик исследуемого объекта производилось с помощью стереоскопического микроскопа с увеличением x80 ScienOP SP-3GA, установки микроскопа Intel(r)Play™ Qx3™ Computer Microscope (с увеличением до x200) и сканирующего (растрового) электронного микроскопа JSM-84G фирмы «Je-ol» (Япония), снабженного рентгеновским микроанализатором фирмы «LINK».
Для определения минералогического состава готовых изделий проводили качественный рентгенофазовый анализ с использованием дифрактометра ДРОН-3М в диапазоне 20=10...90", скорость вращения гониометра составляла 4 град/мин, напряжение на аноде 30.40 кВ, анодный ток 15.25 мА.
Дифференциально-термический и термогравиметрический анализы выполняли на дериватогра-фе системы Paulik-Paulik-Erdey марки Q-15GG D. Нагрев материалов проводили до 1000 "С со скоростью нагрева исследуемых образцов 10 "С/мин.
Результаты и их обсуждение
Макроструктура газобетона с плотностью 500 кг/м3представлена равномерной пористой структурой с выдержанными размерами пор от 0,3 до 1 мм, которые формируют ячеистую структуру, представленную порами овальной или округлой формы (рис. 1) и ровную без раковин и трещин поверхность межпоровых перегородок. Полидиспер-сный характер распределения пор обеспечивается равномерным распределением пор меньших размеров между порами больших размеров.
Рис. 1. Макроструктура неавтоклавного газобетона на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста
Рис. 2. Микрофотографии порового пространства и межпоровой перегородки неавтоклавного газобетона на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста: а) внутренняя поверхность поры; б, в) межпоровые перегородки при разном увеличении
Неавтоклавный ячеистый бетон изготавливают в основном при использовании портландцемента, и именно процессы схватывания и твердения цемента в присутствии компонентов ячеистой массы определяют минеральный состав новообразований и свойства изделий [10]. Использование электронной микроскопии при сверхвысокой разрешающей способности позволило описать морфологические особенности гидратных фаз и исследовать поро-вый раствор гидратированного цемента.
На микрофотографиях (рис. 2) ячеистого бетона отчетливо видны кристаллические образования из сферолитов, мельчайших игольчатых и нитевидных кристаллов новообразований, скрепленных гелеобразной фазой. Дендритоподобные сростки кристаллов размерами 15.25 мкм из хорошо закристаллизованных длинноволокнистых (игольчатых) гидросиликатов кальция, которые образовались на границе раздела фаз межпоровой перегородки и пространства поры (рис. 2, а). Часть игольчатых кристаллов «прошивают» поровое пространство газобетона (рис. 2, б), что способствует упрочнению и повышению прочностных характеристик (предела прочности при сжатии на 9.10 %, а при изгибе на 15.18 %) ячеистого бетона. Волокна асбеста более четко формируют границу раздела меж-поровых перегородок и порового пространства, приближенную по форме к сферической (рис. 2, в).
Микроструктура межпоровых перегородок (рис. 3, а) неавтоклавного ячеистого бетона представлена продуктами гидратации вяжущего, частицами кремнеземистого компонента и порами капиллярного типа. Гидратные новообразования рас-
полагаются мозаично и переплетены между собой волокнами асбеста, просматриваются вытянутые призматические пластинки и лепестки, волокна гидроосиликата кальция, которые рентгеновским анализом идентифицируются фазами низкоосновного гидросиликата кальция (С8Н) и тоберморита (С^Н5).
Формирование (рис. 3, б) однородных микро-сетчатых структур (с пространственным каркасом межпоровых перегородок) на поверхности асбестовых волокон обусловлено процессами адгезии гидратационных новообразований, образующих слои на поверхности волокон асбеста. В результате этого формируется каркас из волокон асбеста, покрытых плотной гелеобразной массой и кристаллическими формами низкоосновных гидросиликатов, что способствует повышению плотности и прочности межпоровых перегородок.
Фазовый состав дисперсно-армированного неавтоклавного газобетона на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста исследовали с помощью комплексного дифференциально-термического (рис. 4) и рентгенофазового (рис. 5) методов.
На термограмме (рис. 4) образца неавтоклавного газобетона после тепловлажностной обработки пропариванием эндотермический эффект при температурах 50.180 °С отвечает удалению адсорбционной воды и начальной стадией дегидратации хризотил-асбеста [11]. Наличие эндотермических эффектов в интервале температур 440.470 °С обусловлено дегидратацией а-гидрата двухкальциевого силиката (2Са0^Ю2Н20), определяющего
Рис. 4. Термограмма неавтоклавного газобетона на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста
повышенные значения морозостойкости газобетонных изделий, образование которого протекает при гидратации трехкальциевого силиката порт-ландцементного клинкера по схеме [10]:
3Са08і02+Н20^2Са08і02-2Н20+Са(0Н)2 При температурах 632.710 °С наблюдается суммарный эффект (рис. 4) дегидратации гидросиликатов кальция тоберморитовой группы, которые обеспечивают прочность межпоровых перегородок и готового материала.
По данным рентгенофазового анализа (рис. 5) установлено, что фазовый состав образцов газобетона представлен в основном а-гидратом двухкальциевого силиката (2Са0^Ю2Н20), тобермо-ритом (5Са0-68Ю2-5Н20), низкоосновными гидросиликатами кальция типа С8Н(1), С8Н(П), образование которых протекает по схемам [10]: 2Са0-8Ю2-2Н20^(0,8...1,5)Са0-8Ю2-Н20+Са(0Н)2 (0,8...1,5)Са0-8Ю2-Н20+Са(0Н)2^ ^(1,5...2,0)Са0-8Ю2-Н20
к
Ні Ні
Нп Нп
I---------1---------1----------1---------1---------1----------1---------1---------1---------1----------Г"
60 50 40 30 20 10
______ 2 0, град
Рис. 5. Рентгенограмма неавтоклавного газобетона на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста. Условные обозначения:А] - анортит (Са0-А!203-25Ю2); Ал - альбит (Ма20-А!203-65Ю2); О -ортоклаз (К20-А!203-6Б102); К - р-кварц БІ02; Т - тоберморит С5Б6Н5; Г - а-гидрат С2Б; Н - СБИ (I); Н - СБИ (II); Аъ - ги-дросульфоалюминат кальция 3Са0-А!203-3СаБ04-32И20
Таблица. Эндотермические эффекты в неавтоклавном газобетоне на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста
Диапазон температур, °С Процессы удаления воды Дифракционные максимумы кристаллических фаз, нм, рис. 5
50...180 50.100 °С - свободной; 100.180 °С - адсорбционной; 100.120 °С из хризотил-асбеста 3Мд0-2БЮ2-2Н20 -
400...470 Из а-гидрата двухкальциевого силиката 2Са0-БЮ2-Н20, а-гидрата С2Б 0,422; 0,270; 0,260; 0,192; 0,178
632.710 600.700 °С - из низкоосновного гидросиликата кальция типа СБН(1), (0,8...1,5)Са0-БЮ2-Н20; 600.700 °С - из низкоосновного гидросиликата кальция типа СБН( II); (1,5...2,0)Са0-БЮ2-(1...4)Н20; 632.710 °С - из тоберморита С5Б6Н5, 5Са0-6БЮ2-5Н20 0,307; 0,280; 0,240; 0,183 0,307; 0,285; 0,240; 0,220; 0,210; 0,183 0,307; 0,280; 0,270; 0,252; 0,215; 0,183
Присутствие гипса в ячеистобетонной системе приводит к образованию гидросульфоалюмината кальция 3Са0Л1203-3Са804-32Н20, который повышает структурную прочность:
3Са0-Л1203+3Са804+32Н20^ ^3Са0-Л1203-3Са804- 32Н20 На рентгенограмме (рис. 5) неавтоклавного газобетона на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста после тепловлажностной обработки изделий пропариванием установлено наличие основных дифракционных отражений 0,307; 0,280;
0,270; 0,252; 0,215; 0,183 нм, принадлежащих соединениям тоберморитовой группы - тобермориту, низкоосновным гидросиликатам кальция типа СБН(1), СБН(Н); значения 0,422; 0,270; 0,260; 0,192; 0,178 нм принадлежат а-гидрату С28 и незначительные дифракционные отражения, отвечающие гидросульфоалюминату кальция (0,388; 0,256; 0,209 нм). Фазовый состав неавтоклавного газобетона, определенный дифференциально-термическим и рентгенофазовым методами, представлен в таблице.
Выводы
При использовании полевошпатово-кварцевого песка в составе газобетона формируются плотные и прочные межпоровые перегородоки и равномерная мелкопористая структура материала. Полученные неавтоклавные ячеистые бетоны имеют повышенную прочность, при средней плотности 500.550 кг/м3составляющую 2,65.2,75 МПа, что на 15.20 % выше показателей, установленных стандартом.
Минералы полевых шпатов песка в составах исходной шихты проявляют алюминатную активность к растворам гипса и извести. Присутствие их в смеси приводит к образованию гидросульфоа-люминатных соединений, обеспечивающих повышенную растворимость исходных компонентов и продуктов гидратации портландцемента.
Волокна асбеста, введенные в составы бетонных масс, участвуют в армировании газобетона, способствуют формированию границ раздела меж-поровых перегородок и порового пространства, приближенных по форме к сфере. Асбест, обладая высокой адсорбционной способностью к продуктам гидратации портландцемента, активизирует химические процессы взаимодействия между компонентами бетонных масс.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 25485-89. Бетоны ячеистые. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 26 с.
2. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона (СН 277-80). - М.: Стройиздат, 1981. - 44 с.
3. Эскуссон К.К. Использование зол и шлаков в производстве ячеистых бетонов за рубежом // Строительные материалы. -1993. - № 8. - С. 18.
4. Кузнецов В.Д., Кузнецова И.А. Мелкозернистые и ячеистые бетоны на отходах дробления скальных пород // Строительные материалы. - 1994. - № 4. - С. 15-16.
5. Завадский В.Ф., Фомичева Г.Н., Камбалина И.В. Новый вид наполнителя для ячеистого бетона // Строительные материалы. - 2004. - № 7. - С. 60-61.
6. Долотова Р.Г., Смиренская В.Н., Верещагин В.И. Оценка активности низкокремнеземистого сырья и его пригодности в качестве заполнителя ячеистого бетона // Строительные материалы. - 2008. - № 1. - С. 40-42.
7. Моргун Л.В. Влияние дисперсного армирования на агрегатив-ную устойчивость пенобетонных смесей // Строительные материалы. - 2003. - № 1. - С. 33-35.
8. Сицина М.С., Лаукайтис А.А. Исследование влияния армирования на свойства пенобетона // Строительные материалы. -2003. - № 2. - С. 8-9.
9. Моргун Л.В. Теоретическое обоснование и экспериментальная разработка технологии высокопрочных фибробетонов // Строительные материалы. - 2005. - № 6. - С. 59-63.
10. Бутт Ю.М. Химическая технология вяжущих материалов. -М.: Высшая школа, 1980. - 472 с.
11. Горшков В.С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. - М.: Высшая школа, 1981. - 334 с.
Поступила 16.03.2011 г.
