CC BY
13
УДК 620.1:691.3
Захарова Н.С., Клименко Н.Н.
ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕКОЛЬНОГО СВЯЗУЮЩЕГО НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЗОБЖИГОВЫХ ВЫСОКОКРЕМНЕЗЕМИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Захарова Наталия Сергеевна, студентка 4 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов; e-mail: ZakharovaNataliva2011@vandex.ru;
Клименко Наталия Николаевна - к.т.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе исследовано влияние плотности жидкостекольного связующего на физико-механические свойства безобжиговых высококремнезёмистых материалов на основе кварцевого песка Раменского ГОКа и доменного шлака ПАО «Тулачермет». Даны рекомендации по выбору плотности жидкого стекла, с целью максимального повышения свойств высококремнезёмистых материалов. Описан комплекс технологических мероприятий, направленных на упрочнение и уплотнение выскокремнеземистых материалов.
Ключевые слова: безобжиговые строительные материалы, высококремнеземистые материалы, кварцевый песок, доменный шлак, жидкое стекло, плотность.
THE INFLUENCE OF DENSITY OF LIQUID GLASS BINDER ON THE PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF LOW-TEMPERATURE CURING HIGH-SILICA MATERIALS
Zakharova N.S, Klimenko N.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The effect of the density of a liquid-glass binder on the physical and mechanical properties of loe-temperature curing high-silica materials based on the quartz sand of the Ramensky GOK and the blast-furnace slag of the PJSC "Tulachermet" was studied. Recommendations are given on the choice of the density of liquid glass, in order to maximize the properties of high-silica materials. A complex of technological measures aimed at strengthening and compacting high-siliceous materials is described.
Keywords: low-temperature curing building materials, high-silica materials, quartz sand, blast furnace slag, liquid glass, density.
В настоящее время одним из путей «устойчивого развития» является разработка эффективных строительных материалов. Актуальным трендом является расширение производства бесцементных вяжущих с низкими затратами энергетических и природных минеральных сырьевых ресурсов и использованием побочных продуктов и отходов промышленности [1]. Наиболее интенсивно ведутся исследования по разработке щелочеактивированных материалов, которые отличаются от клинкерных вяжущих химическим и минеральным составом; эффективностью в решении проблем ресурсо- и энергосбережения и отсутствием выбросов загрязняющих окружающую среду веществ, в том числе СО2; широким диапазоном сырьевой базы; повышенной стойкостью к воздействию атмосферной коррозии, химических сред, высокой температуры и радиации; широтой номенклатуры материалов на их основе и областей применения.
К перспективным ресурсо- и
энергоэффективным строительным материалам относятся безобжиговые высококремнезёмистые материалы (ВКМ) на основе отходов промышленности и жидкостекольного связующего, не требующие высокотемпературной обработки и дефицитных сырьевых материалов [2].
Цель настоящей работы - оценка прочности и долговечности разрабатываемых безобжиговых материалов на основе щелочеактивированных высококремнеземистых композиций; изучение способов упрочнения высококремнеземистых материалов путём формирование искусственного камня с повышенными физико-механическими свойствами и коррозионной устойчивостью за счёт оптимизации фазового состава и поровой структуры.
Долговечность материалов оценивают по степени изменения их структуры и свойств в результате длительного воздействия различных агрессивных факторов (механических, физических, химических и др.), имитирующих процесс эксплуатации [3]. Поэтому важнейшей задачей является не только достижение повышенных эксплуатационных свойств, но и сохранение уровня механической прочности, износостойкости, водостойкости, морозостойкости и коррозионной стойкости при продолжительном постоянном или циклическом воздействии агрессивных факторов, а также поиск новых эффективных методов и средств защиты безобжиговых материалов от коррозии в том числе еще на этапе разработки составов и технологии изготовления строительных материалов. Особенно актуальными являются исследования, направленные
на разработку комплексного подхода к повышению долговечности, включающего реализацию различных методов воздействия на свойства и структуру материала еще на стадии разработки, т.е. в предэксплуатационный период.
Согласно литературным данным [4, 5], один из серьезных недостатков традиционных цементных вяжущих - это повышенная капиллярная пористость цементного камня и его щелочность (рН > 13,0), которые создают условия для взаимодействия с окружающей средой (карбонизации, растворения), что может привести к разрушению цементного камня. На этом основании некоторые исследователи говорят о невысокой прочности и долговечности цементных вяжущих.
Одним из эффективных способов улучшения структуры материалов и, соответственно, повышения их долговечности является применение способа прессования для формования заготовок, при котором достигается максимально плотная упаковка частиц, образуются межзеренные связи и материал приобретает некоторую начальную прочность, что характерно для технологии контактно-конденсационного твердения. Принцип «контактного твердения» основан на способности дисперсных силикатных и алюмосиликатных веществ образовывать прочный и водостойкий материал, причем нарастание прочности происходит за счет сближения и уплотнения частиц. Это явление получило название «эффект упорядочения структуры минеральных веществ» [6]. В отличие от вяжущих гидратационного твердения для образования прочных контактов не всегда требуется связка. Обязательным условием является метастабильное аморфное состояние вещества и высокая дисперсность. Принцип контактного твердения применим к композициям на основе природных и техногенных минеральных материалов, получаемых методом прессования при оптимальной влажности, а также активированным вяжущими и щелочными добавками.
В данной работе с целью повышения прочности и снижения пористости безобжиговых высококремнезёмистых материалов на
жидкостекольном связующем выбран метод полусухого прессования, который позволяет максимально уплотнить частицы наполнителя, снизить расход связующего и избежать расслоения сырьевой смеси по сравнению с методом вибролитья. В качестве дополнительного способа повышения прочности и плотности высококремнезёмистых материалов использовали повышение плотности жидкого стекла, так как известно, что с повышением плотности жидкого стекла повышается его прочность как связующего.
Объектом исследования являются
высококремнеземистые композиционные материалы безобжигового твердения на основе природного кварцевого песка (Раменский ГОК; ГОСТ 8736-93), гранулированного доменного шлака (ПАО «Тулачермет»; ГОСТ 3476-74) и щелочного связующего - натриевого жидкого стекла (ООО «Быт
Сервис Аква»; ГОСТ 13078-81), синтезированные с использованием энергоэффективной безобжиговой технологии и комплексной активации сырьевых смесей (механической, химической, термической). С целью повышения технологических свойств сырьевой смеси в качестве модифицирующей добавки использовали Этилсиликат-40 (ООО «Пента-91» ГОСТ 6371-84).
Кварцевый песок и доменный шлак подвергались совместному сухому помолу в планетарной мельнице в соотношении 25:75 до удельной поверхности 3000 см2/г (по данным ПСХ-11 (БР) и среднего размера частиц 17 мкм (по данным лазерной гранулометрии Fritsch Апа^ейе 22 (рис. 1). Стадия совместного помола играет решающую роль в достижении гомогенности сырьевой смеси и является необходимым условием для получения материала с однородной структурой и, соответственно, изотропными физико-механическими свойствами. Совместный помол кварцевого песка и доменного шлака приводит к большей активации поверхности песка, поскольку увеличивается площадь контакта частиц и достигается более однородное перемешивание компонентов. Степень измельчения песка и шлака отличается из-за разной твердости материалов. Благодаря этому гранулометрический состав сырьевой смеси обладает выраженной бимодальностью, что увеличивает его полидисперсность и способствует более плотной упаковке частиц в процессе последующего прессования. Кроме того, при измельчении шлака возникает проблема получения тонкодисперсных порошков из-за агрегации частиц при помоле, что повышает энергозатраты на процесс измельчения. Совместный помол кварцевого песка и доменного шлака позволяет решить эту проблему.
[шп!
Рис. 1. Результаты гранулометрического анализа сырьевой смеси кварцевый песок - доменный шлак после совместного помола (лазерный гранулометр Fritsch АпаШеПе 22)
Для затворения сырьевых смесей использовались специально приготовленные путём выпаривания водные растворы силиката натрия плотностью 1300 кг/м3 (исходное жидкое стекло), 1380 кг/м3 и 1480 кг/м3. Отпрессованные образцы подвергались тепловлажностной обработке при температуре 95±5 °С в течение 5 часов. Для синтезированных образцов определили влияние плотности связующего (жидкого стекла) на их физико-механические свойства (табл. 1).
Таблица 1. Влияние плотности жидкого стекла на физико-механические свойства высококремнезёмистых материалов
—^^^ Плотность —-^^^жидкого стекла, кг/м3 Свойства ВКМ ^^^^^^^^ 1300 1380 1480
Предел прочности при сжатии, МПа 47 54 9
Предел прочности при изгибе, МПа 17 25 13
Водостойкость (коэфф. размягчения) 0,85 1 0,92
Плотность, г/см3 2,32 2,31 2,19
Пористость, % 16 14 19
Водопоглощение, % 7 6 10
Прочность материалов на жидкостекольном связующем зависит от многих факторов: природы заполнителя, физико-химических свойств жидкого стекла, времени твердения, количественного соотношения компонентов и др. Доменный шлак и кварцевый песок хорошо смачиваются жидким стеклом, что обусловливает повышенную адгезию связующего к зернам наполнителя в затвердевшем состоянии. Поэтому разрушение жидкостекольных композиций преимущественно носит когезионный характер и происходит по связующему. Повышение плотности жидкого стекла, согласно литературным данным [7], повышает прочность связующего и композиции в целом. Результаты эксперимента по установлению влияния плотности жидкого стекла на физико-механические свойства
высококремнеземистых материалов согласуются с литературными данными - повышение плотности жидкого стекла с 1300 до 1380 кг/м3 влечет за собой повышении прочности, плотности и водостойкости высококремнеземистых композиций. Однако дальнейшее повышение плотности жидкого стекла приводит к значительному снижению значений свойств, что можно объяснить возрастанием вязкости жидкого стекла, вследствие чего затрудняется равномерное распределение связующего в сырьевой смеси, а, следовательно, снижается однородность материала.
Еще одним фактором, снижающим прочность жидкого стекла, является пористость, образующаяся вследствие удаления воды в процессе твердения. При повышенной плотности и вязкости жидкого стекла сложно получить тонкую клеящую плёнку между зернами наполнителя. В результате образуется слой связующего, имеющего довольно большую толщину и, соответственно, невысокую механическую прочность из-за наличия крупных пор, возникающих за счет уменьшения объёма жидкого стекла в процессе испарения воды. То есть для повышения прочности материала следует стремиться к снижению толщины слоя связующего с целью создания в нём мелкопористой структуры, повышающей его прочность.
Таким образом, в ходе работы исследовано влияние плотности жидкостекольного связующего
на физико-механические свойства безобжиговых высококремнезёмистых материалов на основе кварцевого песка и доменного шлака. При выборе значений плотности жидкого стекла следует стремиться к максимально высокой плотности, при которой возможно получение однородной сырьевой смеси и создание тонкой плёнки связующего вокруг зёрен наполнителя.
Исследования выполнены на оборудовании кафедры химической технологии стекла и ситаллов и Центра коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева. Номер проекта 0272018.
Список литературы
1. Pacheco-Torgal F. Eco-efficient construction and building materials research under the EU Framework Programme Horizon 2020 //Construction and Building Materials. - 2014. - V. 51. - p. 151-162.
2. Клименко Н.Н., Колокольчиков И.Ю., Михайленко Н.Ю., Орлова Л.А., Сигаев В.Н. Новые строительные материалы с повышенной прочностью на основе отходов металлургии. // Стекло и керамика. - 2018. - № 5. - с. 44-48.
3. Zhang J. et al. Durability of alkali-activated materials in aggressive environments: A review on recent studies // Construction and Building Materials. 2017. Т. 152. P. 598-613.
4. Provis J. L. Alkali-activated materials //Cement and Concrete Research. - 2017.
5. Velandia D. F. et al. Optimum Green Concrete Using Different High Volume Fly Ash Activated Systems //Concrete Durability. - Springer International Publishing, 2017. - С. 145-153.
6. Глуховский В.Д., Вяжущие и композиционные материалы контактного твердения / В. Д. Глуховский, Р. Ф. Рунова [и др.]. Киев: Выща шк. - 1991. - 242 с.
7. Корнеев В.И., Жидкое и растворимое стекло / В. И. Корнеев, В. В. Данилов. - СПб.: Стройиздат, 1996. - 215 с.
