CC BY
88УДК 691.5
Н.И. КОЖУХОВА, канд. техн. наук ([email protected]), Д.Н. ДАНАКИН, инженер
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Стабилизирующая добавка как способ оптимизации
поровой структуры легковесных композитов
*
на основе геополимерного вяжущего
При проектировании и производстве ячеистых композитов не зависимо от типа связующего компонента, одной из актуальных проблем является формирование равномерной поровой структуры, обеспечивающей оптимальные прочностные, а также теплофизические характеристики легковесного композита. Наиболее проблематично добиться правильной поровой структуры в системах в двух случаях: наличие низкоактивной связующей матрицы; длительные строки формирования прочности каркаса матрицы. В обоих случаях формирующаяся поровая структура на начальном этапе получения композита за счет отсутствия минимально достаточной ранней прочности каркаса, имеет тенденцию к разрушению, что ведет к ухудшению эксплуатационных характеристик конечного материала. В рамках работы проведены исследования по изучению возможности использования цементного вяжущего в качестве добавки, стабилизирующей поровую структуру в ячеистых композитах на основе геополимерных вяжущих. Установлено, что введение 10% портландцемента от массы вяжущего позволяет снизить плотность геополимерного пенобетона до 21% при одновременном увеличении прочности при сжатии до 8%.
Ключевые слова: зола-уноса, геополимерное вяжущее, стабилизация, поровая структура, пенобетон.
Для цитирования: Кожухова Н.И., Данакин Д.Н., Строкова В.В. Стабилизирующая добавка как способ оптимизации поровой структуры легковесных композитов на основе геополимерного вяжущего // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 33-35.
N.I. KOZHUKHOVA, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), D.N. DANAKIN, Engineer V.G. Shukhov Belgorod State Technological University (46, Kostyukova Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
A Stabilizing Additive as a Method for Optimization of Porous Structure of Lightweight Composites on the Basis of Geopolymeric Binder*
When designing and manufacturing cellular composites, independently on the type of a binding component, one of the relevant problems is the formation of a uniform porous structure providing the optimal strength and also thermal-physical characteristics of a lightweight composite. The most problematic is to achieve the correct porous structure in the systems in two cases: the presence of a low-active binding matrix and long lines of formation of the strength of a matrix framework. In both cases, the forming porous structure, at the initial stage of composite obtaining due to the absence of minimum required early strength of the framework, has the trend to the destruction that leads to worsening of operational characteristics of the final material. Within the work, research in the study of possibility to use the cement binder as an additive which stabilizes the porous structure in cellular composites on the basis of geopolymeric binders, has been conducted. It is established that the introduction of 10% Portland cement of the binder mass makes it possible to reduce the density of geopolymeric foam concrete up to 21% at simultaneous increase in the compression strength up to 8%.
Keywords: fly ash, geopolymeric binder, stabilization, porous structure, foam concrete.
For citation: Kozhukhova N.I., Danakin D.N., Strokova V.V. A Stabilizing Additive as a Method for Optimization of Porous Structure of Lightweight Composites on the Basis of Geopolymeric Binder. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 33-35. (In Russian).
Получение ячеистых бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками, сочетающими в себе высокие теплофизические и одновременно необходимые прочностные характеристики, на сегодняшний день является актуальной и в то же время довольно сложной задачей, которая достаточно успешно решается для материалов на основе цемента [1, 2].
В то же время при получении поризованных материалов на основе бесцементных вяжущих систем [3—13], в частности вяжущих щелочной активации, таких как геополимеры [14—18], возникает ряд трудностей. Для геополимерных систем проблема получения необходимой пористой структуры, обладающей однородностью, замкнутостью пор и их узким разбросом в размерном диапазоне, обусловлена спецификой синтеза вяжущего (химическая активация алюмосиликатного сырья в условиях высокощелочной среды) и механизма его твердения (полимеризационный).
Для формирования рациональной поровой структуры в первую очередь должны быть соблюдены следующие условия: 1. Короткие сроки схватывания и последующего твердения вяжущей матрицы (что характерно для систем на основе цемента).
2. Высокая устойчивость порообразующего агента и получаемой на его основе ячеистой массы в заданных условиях твердения.
Эти факторы в итоге обеспечивают в объеме композита сохранение исходной поровой структуры на всем протяжении твердения системы до момента ее консолидации и формирования прочного каркаса.
Известно, что в вяжущих системах щелочной активации на основе силикатов натрия, характеризующихся высоким рН-показателем реакционной среды (более 13), пенообразователи, как синтетические, так и протеиновые, демонстрируют низкую стойкость пены из-за высокой плотности щелочного компонента.
При этом существуют аналогичные вяжущие системы, где активатором выступает гидроксид натрия. В подобных системах доказана возможность получения стойкой пеномассы.
Однако в вяжущих системах щелочной активации большое значение имеют сроки набора минимальной прочности твердеющего ячеистого композита, достаточной для фиксации каркаса поровой структуры.
Среди основных видов сырья для синтеза вяжущих щелочной активации следует выделить алюмосиликат-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Департамента внутренней кадровой политики Белгородской области в форме гранта на проведение научно-исследовательских работ по приоритетным направлениям социально-экономического развития Белгородской области. Договор № 41-гр. от 19.10.2016; в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием оборудования на базе Центра Высоких Технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.
* The work has been executed at financial support of the Department of Internal and Staff Policy of the Belgorod Region in the form of grant for conducting research works relating priority directions of the social-economic development of the Belgorod Region. The Agreement of October 10, 2016 №41-gr within the realization of the Program of strategic development of the V.G. Shukhov BSTU with the use of equipment on the basis of the High Technologies Centre, BSTU named after V.G. Shukhov
Материалы с ячеистой структурой
Микроструктурного геополимерного пенобетона на пенообразователе ESAPON: а - без добавки-стабилизатора; б - с добавкой-стабилизатором в количестве 10%
ные компоненты природного и техногенного происхождения с широким разбросом в химическом составе и содержании щелочных оксидов, от кислых до основных алюмосиликатов [14—16]. Так, для алюмосиликатного сырья основного состава (базальты, доменные гранулированные шлаки, высококальциевые золы-уноса) отвердевание системы в процессе реакций гидратации происходит довольно быстро. В то же время вяжущие системы на основе кислого алюмосиликатного сырья (перлиты, низкокальциевые золы-уноса) характеризуются медленной скоростью набора прочности, что является губительным для пеномассы, входящей в состав композитов на основе данных веществ.
Анализ геополимерных вяжущих на основе низкокальциевых зол-уноса ТЭС как яркого примера техногенного алюмосиликатного сырья кислого состава показал, что, несмотря на формирование на их основе композитов с прочностью до 50 МПа [17], геополимерные вяжущие с использованием зол-уноса, обладающих низкой скоростью растворения даже в условиях высокощелочного воздействия, характеризуются длительным набором прочности [18].
В связи с этим в рамках исследования была рассмотрена возможность стабилизации пеномассы геополимерного пенобетонана основе кислой золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ с низкой реакционной активностью.
С целью обеспечения сравнительного анализа в качестве пенообразователей использовались синтетический — ESAPON и белковый — Вюйат.
В качестве стабилизатора был выбран портландцемент марки ЦЕМ1 42,5 (ОАО «Белгородский цемент»). Выбор данного типа стабилизатора обусловлен тем, что цементсодержащие системы, активированные щелочами или солями щелочных металлов, характеризуются ускоренным набором прочности и способны формировать прочный каркас матрицы на ранних сроках твердения. В связи с этим в рамках исследования выдвинута гипотеза, что добавка цемента к геополимерной ячеистой системе на начальных этапах структурообразования будет
Содержание компонентов в вяжущем, % Плотность Прочность
Biofoam ESAPON Цемент
0,5 - - 728,57 0,92
- 0,5 - 721,83 1,298
0,5 - 10 571,48 0,992
- 0,5 10 629,73 1,354
выступать в качестве ускорителя твердения всей системы в целом, обеспечивая тем самым фиксацию поровой структуры в более короткие сроки и сохраняя ее целостность на протяжении всего периода твердения.
Для подтверждения выдвинутой гипотезы были за-формованы составы геополимерного пенобетона на основе золы-уноса с различным содержанием добавки-стабилизатора (см. таблицу)
Результаты эксперимента, приведенные в таблице, показали, что пенобетонные образцы с использованием обоих типов пенообразователей, не содержащие в своем составе добавки-стабилизатора, характеризуются одинаковой плотностью. Однако на синтетическом пенообразователе ESAPON прочность при сжатии на 41% выше по сравнению с аналогичным составом на белковом пенообразователе Biofoam.
Введение цементной добавки-стабилизатора способствует снижению показателя плотности в составах геополимерного пенобетона на основе обоих пенообразователей, синтетического и белкового, в диапазоне от 12,7 до 21,5% соответственно. В то же время прочность при сжатии для обоих составов при введении добавки-стабилизатора увеличивается незначительно (в пределах от 4 до 8 %).
Анализ поровой структуры пенобетонных геополимерных образцов (см. рисунок), исследованных с использованием сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA 3 LMU (Германия)** , показал, что в образцах, содержащих добавку-стабилизатор в количестве 10%, наблюдается более равномерная поровая структура, состоящая преимущественно из замкнутых пор. При этом трещин и нарушений в межпоровых перегородках не наблюдается.
Таким образом, установлена возможность использования портландцемента в качестве добавки, стабилизирующей пеномассу на основе геополимерного вяжущего. Введение 10% портландцемента благоприятно сказывается на физико-механических характеристиках (плотность и прочность при сжатии), а также на формировании равномерной и бездефектной поровой структуры геополимерного пенобетона, что приводит к снижению плотности до 21% при сохранении или увеличении прочности при сжатии до 8% в зависимости от вида применяемого пенообразователя.
Список литературы
1. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А., Сулейманов К.А. Обобщенный анализ характера поровой структуры газобетонов неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 3. С. 75-79.
2. Suleymanova L.A., Lesovik V.S., Kondrashev K.R., Suleymanov K.A., Lukuttsova N.P. Energy efficient technologies of production and use non-autoclave aerated concrete // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. No. 5, pp. 12399-12406.
3. Voitovich E.V., Kozhukhova N.I. Cherevatova A.V., Zhernovsky I.V. Osadchaya M.S. Features of quality control
**Центр высоких технологий (ЦВТ) БГТУ им. В.Г. Шухова.
References
1. Suleymanova L.A., Pogorelova I.A., Suleymanov K.A., Generalized analysis of pore structure in non-autoclave gas concrete based on composite binders. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shu-hova. 2016. No. 3, pp. 75-79. (In Russian).
2. Suleymanova L.A., Lesovik V.S., Kondrashev K.R., Suleymanov K.A., Lukuttsova N.P. Energy efficient technologies of production and use non-autoclave aerated concrete. International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. No. 5, pp. 12399-12406.
3. Voitovich E.V., Kozhukhova N.I. Cherevatova A.V., Zhernovsky I.V. Osadchaya M.S. Features of quality control of free of cement binder of non-hydration type.
34
май 2017
of free of cement binder of non-hydration Type // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 724, pp. 39-43.
4. Береговой В.А., Снадин Е.В. Формирование ячеистой структуры кремнистой керамики // Региональная архитектура и строительство. 2016. № 2 (27). С. 55-59.
5. Береговой В.А. Эффективные пенокерамобетоны для жилищного и специального строительства // Строительные материалы. 2008. № 9. С. 93-96.
6. Фомина Е.В., Жерновский И.В., Строкова В.В. Особенности фазообразования силикатных ячеистых изделий автоклавного твердения с алюмосиликатным сырьем // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 38-39.
7. Жерновский И.В., Кожухова Н.И, Череватова А.В., Рахимбаев И.Ш., Жерновская И.В. Новые данные о на-норазмерном фазообразовании в вяжущей системе «гипс - известь» // Строительные материалы. 2016. № 7. C. 9-12.
8. Павленко Н.В., Строкова В.В., Череватова А.В. Пенобетон на основе наноструктурированного вяжущего. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. 77 с.
9. 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. 105-106.
10. Павленко Н.В., Капуста М.Н., Мирошников Е.В. Особенности армирования ячеистых бетонов неавтоклавного твердения на основе наноструктуриро-ванного вяжущего // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 1. С. 33-36.
11. Череватова А.В., Бурьянов А.Ф., Жерновский И.В., Кожухова Н.И., Алехин Д.А. Особенности комплексного механизма структурообразования в системе композиционного гипсокремнеземистого вяжущего // Строительные материалы. 2016. № 11. С. 12-16.
12. Кожухова Н.И., Войтович Е.В., Череватова А.В., Жерновский И.В., Алехин Д.А. Термостойкие ячеистые материалы на основе композиционных гипсо-кремнеземных вяжущих // Строительные материалы. 2015. № 6. С. 65-69.
13. Zhernovsky I.V., Cherevatova A.V., Voitovich E. V., Kozhukhova N.I., Evtushenko E.I. High-temperature phase transformations in CaO-SO3-SiO2-H2O system with nanosized component // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. No. 12, pp. 7732-7735.
14. Данакин Д.Н., Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Веприк А.А. Ячеистый геополимерный бетон - новый материал для экологического строительства// Сборник трудов Всероссийского совещания заведующих кафедрами материаловедения и технологии материалов «Междисциплинарные подходы в материаловедении и технологии. Теория и практика». Белгород, 2015. С. 102-110.
15. Бондарева Е.Н., Кожухова М.И., Кожухова Н.И. Перспективы получения ячеистых материалов на основе геополимеров // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Ресурсо- и энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона». Саратов: СГТУ, 2014. С. 31-33.
16. Бондарева Е.Н., Кожухова Н.И., Фомина Е.В. Разработка ячеистого бетона на основе щелочеактиви-рованного вяжущего // Сборник статей Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, 2014. С. 94-97.
17. Кожухова Н.И., Жерновский И.В. Геополимерное вяжущее и бетон на основе зол-уноса ТЭС. Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. 2015. 183 c.
18. Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Фомина Е.В. Фазообразование в геополимерных системах на основе зол-уноса Апатитской ТЭЦ // Строительные материалы. 2015. № 12. С. 85-88.
Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 724, pp. 39-43.
4. Bérégovoy V.A., Snadin E.V. Pore structure formation in silica ceramics. Regional'naya arkhitektura i stroitel'stvo. 2016. No. 2 (27), pp. 55-59. (In Russian).
5. Bérégovoy V.A. Effective foam ceramic concrete for housing and special construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 9, pp. 93-96. (In Russian).
6. Fomina E.V., Zhernovsky I.V., Strokova V.V. Features of phase formation of silicate cellular products of autoclave hardening with aluminosilicate raw materials. Stroitel 'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 9, pp. 38-39. (In Russian).
7. Zhernovsky I.V., Kozhukhova N.I., Cherevatova A.V., Rakhimbaev I.Sh., Zhernovskaya I.V. New data about nano-sized phase formation in binding system «gypsum — lime». Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 7, pp. 9-12. (In Russian).
8. Pavlenko N.V., Strokova V.V., Cherevatova A.V. Penobeton na osnove nanostructurirovannogo vyazhush-ego [Foam concrete based on nanostructured binder]. Belgorod: BSTU. 2011. 77 p.
9. Miroshnikov E.V., Strokova V.V., Cherevatova A.V. Nanostructured perlite binder and based foam concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 9, pp. 105-106. (In Russian).
10. Pavlenko N.V., Kapusta M.N., Miroshnikov E.V., Aspect of reinforcement of non-autoclave cellular concrete based on nanostructured binder. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2013. No. 1, pp. 33-36. (In Russian).
11. Cherevatova A.V., Burianov A.F., Zhernovsky I.V., Kozhukhova N.I., Alekhin D.A. Features of complex structure formation in composite gypsim-silica binder. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 11, pp. 12-16. (In Russian).
12. Kozhukhova N.I., Voitovich E.V., Cherevatova A.V., Zhernovsky I.V., Alekhin D.A. Heat-resistant cellular materials on the basis of composite gypsum-silica binders. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 6, pp. 65-69. (In Russian).
13. Zhernovsky I.V., Cherevatova A.V., Voitovich E. V., Kozhukhova N.I., Evtushenko E.I. High-temperature phase transformations in CaO-SO3-SiO2-H2O system with nanosized component. International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. No. 12, pp. 7732-7735.
14. Danakin D.N., Kozhukhova N.I., Zhernovsky I.V., Veprik A.A. Cellular geopolymer concrete - new material for green construction. «Interdisciplinary approaches in material science and technology. Theory and practice». Proceedings of All-Russian meeting of head of department of material science and material technology. Belgorod. 2015, pp. 102-110. (In Russian).
15. Bondareva E.N., Kozhukhova M.I., Kozhukhova N.I., Prospective of geoplymer based cellular material synthesis. Proceedings of International Research-to-Practice Conference «Source- and energy-saving technologies in construction complex of the region». Saratov: SGTU. 2014, pp. 31-33. (In Russian).
16. Bondareva E.N., Kozhukhova N.I., Fomina E.V. Design of cellular concrete based on alkali-activated binder. Proceedings of International Research-to-Practice Conference of Young Scientists from BSTU named after V.G. Shoukhov. Belgorod. 2014, pp. 94-97. (In Russian).
17. Kozhukhova N.I., Zhernovsky I.V. Geopolimernoe vyazhush-ee i beton na o osnove zol-unosa TES [Geopolymer binder and concrete based on fly ashes from power plants]. Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. 2015 183 p.
18. Kozhukhova N.I., Zhernovsky I.V., Fomina E.V. Phase formation in geo-polymer systems on the basis of fly ash of Apatity TPS. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 12, pp. 85-88. (In Russian).
