CC BY
11УДК 666.965
В.В. НЕЛЮБОВА, канд. техн. наук, И.В. ЖЕРНОВСКИЙ, канд. геол.-мин. наук, В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, М.В. БЕЗРОДНЫХ, магистрант, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Силикатные материалы автоклавного твердения с наноструктурированным модификатором в условиях высокотемпературных воздействий
В настоящее время Россия занимает одно из лидирующих мест по темпам строительства, в том числе по возведению индивидуального жилья. В связи с этим испытыва-ется острая потребность в качественных и недорогих мелкоштучных материалах. При этом прессованные изделия автоклавного твердения по востребованности занимают третье место среди мелкоштучных стеновых материалов.
С каждым годом увеличивается количество пожаров, в частности в жилых домах. За прошедший год в городах России зарегистрировано более 150 тыс. пожаров. При этом прямой материальный ущерб составил 3,5 млрд р.
Согласно ГОСТ 30244—90 «Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть» силикатный кирпич относится к негорючим строительным материалам. Кроме того, по требованиям нормативной литературы максимальная температура его применения не должна превышать 550оС, однако для жилых домов и общественных зданий во время пожара температура внутри помещения достигает 800—900оС.
В связи с этим проблема повышения долговечности строительных материалов, в том числе силикатных автоклавных, при техногенных воздействиях все еще актуальна.
Учеными БГТУ им. В.Г. Шухова разработаны силикатные или алюмосиликатные вяжущие поликонден-сационно-полимеризационного типа твердения — на-ноструктурированные вяжущие. В настоящее время разработан комплекс материалов с использованием на-ноструктурированного вяжущего в качестве не только основного связующего компонента, но и эффективного наноструктурированного модификатора [1—5]. В частности, установлено [6], что введение до 10% нанострук-турированного вяжущего в качестве модифицирующей добавки в силикатные материалы качественно повышает их технико-эксплуатационные характеристики. Отмечается также повышение прочностных характери-
30 -25 -
§ 20 Ч
15 -10
5
28,03
21,56
12,86
19,52
14,65
10,69
7,2
2,32
200 550
Температура, оС
1000
Рис. 1. Изменение прочностных характеристик силикатных материалов в результате высокотемпературного воздействия: □ - экспериментальный образец; □ - контрольный образец
стик цементных материалов с использованием нано-структурированного модификатора в условиях длительного воздействия высокой температуры [7].
Целью настоящей работы было изучение поведения силикатных автоклавных материалов с использованием наноструктурированного модификатора в условиях высокотемпературных воздействий.
В качестве сырьевых компонентов использовали песок Разуменского месторождения (Белгородская обл.), известь негашеную и воду. Все сырьевые компоненты удовлетворяли соответствующим ГОСТам. Заформо-ванные образцы проходили стандартную автоклавную обработку при температуре 180оС и избыточном давлении пара 10 атм. Объектом исследования были образцы двух составов: контрольного, сырьевая смесь для изготовления которого полностью соответствовала заводскому составу, и экспериментального, в состав формовочной смеси которого взамен заполнителя вводили на-ноструктурированный модификатор в количестве 10%.
В связи с невозможностью полноценного испытания образцов на жаростойкость согласно ГОСТу была разработана специальная методика. Образцы нагревали до 200оС и выдерживали при этой температуре 30 мин, далее нагревали до 550оС и также выдерживали 30 мин, а затем нагревали до 1000оС по той же схеме. После полного остывания образцы испытывали на прочность. По результатам испытаний получены зависимости, представленные на рис. 1.
Анализ полученных результатов показал, что в случае частичной замены песка на наноструктурированный мо-
1
Л 2
, а2 а1 I ■ Цм МХШЖ 3
б 1
2
а1 А а2 3 3
800
1000 1200 Волновое число,см-1
1400 800
1000 1200 Волновое число, см-1
1400
Рис. 2. Эволюция ИК-спектров Са0^Ю2-Н20 вяжущих в интервале 800-1300 см-1 в зависимости от температуры эпикристаллизационной тепловой обработки: а - контрольный образец; б - экспериментальный образец; 1 - образец после автоклавирования; 2 - после нагрева при 200оС; 3 - после нагрева при 1000оС
0
0
научно-технический и производственный журнал ^ТРОУГ/^J\^)г\*^\~
сентябрь 2012 ~ Л1] ®
Рис. 3. Микроструктура силикатных образцов до температурного воз- Рис. 4. Микроструктура силикатных образцов после температурного действия: а - контрольный состав; б - экспериментальный состав. воздействия (1000оС): а - контрольный состав; б - экспериментальный Масштабные отрезки соответствуют 0,002 мм состав. Масштабные отрезки соответствуют 0,002 мм
дификатор прирост прочности образцов после выдерживания при температуре 200оС составил 30%, в то время как образцы на традиционном сырье упрочнились всего на 15%. Это можно объяснить тем, что при температуре около 200оС создаются условия, способствующие более полному связыванию гидроксида кальция с активным минеральным компонентом, в результате чего образуются дополнительные соединения. Наноструктурирован-ный модификатор обладает повышенной активностью по сравнению с традиционным сырьем, в связи с чем процессы химического взаимодействия компонентов протекают с большей интенсивностью.
При температуре 550оС, соответствующей разложению гидросиликатов кальция и несвязанной гашеной извести, у контрольных образцов наблюдается снижение прочности на 17%, тогда как образцы экспериментального состава потеряли менее 10% прочности.
Необходимо также отметить, что остаточная прочность контрольных образцов при температуре 1000оС практически в два раза ниже, чем у образцов, изготовленных с использованием модифицирующей добавки.
Для установления особенностей структурных поли-меризационных трансформаций кремнекислородного структурного мотива силикатной компоненты системы при термальных воздействиях применяли метод ИК-спектроскопии.
В результате разделения спектрального профиля на элементарные составляющие (рис. 2) была произведена идентификация выделенных профилей полос поглощения с характерными полосами поглощения Si—O структурных мотивов различной степени полимеризации. Анализ полученных данных показал, что с повышением температуры эпикристаллизационной тепловой обработки усиливаются полосы поглощения, характерные для Si—O цепей и диортогрупп — Q2 и Q1 соответственно.
Интерпретировать полученные изменения в ИК-спектрах можно следующим образом. Наблюдаемые полосы поглощения для лент и слоев в гидросиликатах с повышением температуры трансформируются в безводные цепочечные силикаты (волластонит), которые с дальнейшим повышением температуры могут переходить в силикаты с диортогруппами (ранкинит) или в ортосиликаты. В образцах с наноструктурированным модификатором больше аморфного кремнезема, поэтому образование гидросиликатов кальция идет более активно и также активнее происходит дегидратация. Следовательно, количество образованных гидросиликатов больше, чем в контрольных образцах, поэтому прочность при добавлении наноструктурированного модификатора увеличивается.
Анализ микроструктуры, проведенный на основе растровой электронной микроскопии, показал, что образцы контрольного состава представлены в основном глобулярными новообразованиями (рис. 3, а). Наблюдается незначительное количество гидросиликатов кальция с игольчатой морфологией, что может свидетельствовать о незавершенных процессах структуро- и фазообразования. Тогда как образцы силикатных материалов с использованием наноструктурированного мо-
дификатора представлены сеткой спутанно-волокнистых агрегатов, lD-наноразмерных новообразований, полностью покрывающих зерна заполнителя (рис. 3, б).
Основная масса гидросиликатных новообразований по результатам рентгенометрической диагностики представлена ксонотлитом — ленточным силикатом, являющимся продуктом трансформации 11А-тобер-морита. При этом максимальная длина новообразований составляет 8 мкм, ширина 0,5 мкм, а толщина не превышает 100 нм.
В образцах, которые были подвергнуты высокотемпературному воздействию при 1000оС, практически не наблюдается кристаллических форм новообразований, что объясняется трансформацией гидросиликатов кальция в ортосиликаты (рис. 4). В образцах с нанострукту-рированным модификатором образование гидросиликатов кальция и дегидратация идут активнее, чем в контрольных образцах. Это видно на микрофотоснимках и подтверждается данными ИК-спектроскопии.
Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009—2013 гг.) по проектам № 16.740.11.0770 и № 14.B37.21.0930.
Ключевые слова: силикатные материалы, температура, наноструктурированный, прочность.
Список литературы
1. Шаповалов Н.А., Строкова В.В., Череватова А.В. Оптимизация структуры наносистем на примере ВКВС // Строительные материалы. 2006. № 9. С. 16—18.
2. Павленко Н.В., Череватова А.В., Строкова В.В. Особенности получения рациональной поровой структуры пенобетона на основе наноструктурированного вяжущего // Строительные материалы. 2009. № 10. С. 105-106.
3. Мирошников Е.В., Строкова В.В., Череватова А.В., Павленко Н.В. Наноструктурированное перлитовое вяжущее и пенобетон на его основе // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 10-12.
4. Павленко Н.В., Строкова В.В., Череватова А.В., Жерновский И.В., Нелюбова В.В., Капуста М.Н. Эффективность применения наноструктурирован-ного вяжущего при получении ячеистых композитов // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 10-12.
5. Строкова В.В., Череватова А.В., Жерновский И.В., Войтович Е.В. Особенности фазообразования в композиционном наноструктурированном гипсовом вяжущем // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 9-12.
6. Нелюбова В.В. Повышение эффективности производства силикатных автоклавных материалов с применением нанодисперсного модификатора // Строительные материалы. 2008. № 9. С. 89-92.
7. Лесовик В.С., Потапов В.В., Алфимова Н.И., Ивашова О.В. Повышение эффективности вяжущих за счет использования наномодификаторов // Строительные материалы. 2011. № 12. С. 60-62.
h] ®
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2012
9
