Влияние принудительной карбонизации на формирование структуры газобетона на основе известково-цементного вяжущего и карбонаткальциевого заполнителя Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.316

Н.В. ЛЮБОМИРСКИЙ, д-р техн. наук, профессор (niklub.ua@gmail.com),

Е.Ю. НИКОЛАЕНКО, канд. техн. наук (lesha29.04@mail.ru), В.В. НИКОЛАЕНКО, инженер,

А.С. БАХТИН, канд. техн. наук, Т.А. БАХТИНА, канд. техн. наук

Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского

(295007, Республика Крым, г. Симферополь, пр-т Академика Вернадского, 4)

Влияние принудительной карбонизации на формирование структуры газобетона на основе известково-цементного вяжущего и карбонатно-кальциевого заполнителя

Представлены результаты экспериментальных исследований по установлению возможности получения газобетона на основе известково-цементного вяжущего и карбонаткальциевого заполнителя (мраморовидного известняка), твердение которого организовано по гидратационному и карбонизационному типу. Выявлены особенности физико-химических превращений, протекающих в теле пористого материала при организации его твердения в средах с повышенной концентрацией углекислого газа. Установлено, что принудительная карбонизация способствует упрочнению кристаллического каркаса газобетона и повышению его прочности в сравнении с образцами гидратационного твердения в результате тепловлажностной обработки (ТВО). Показано, что при комбинированном (ТВО с последующей карбонизацией) способе твердения газобетонных образцов на основе смешанного вяжущего обеспечиваются условия как для протекания процессов гидратационного твердения цементных минералов, так и карбонатного твердения, что обуславливает появление максимального количества кристаллических гидратных и карбонатных новообразований и повышение прочности. Прочность при сжатии газобетона непосредственно после искусственного твердения при этом составляет 90% от прочности в возрасте 28 сут. Выявленные особенности физико-химических процессов позволят в дальнейшем оптимизировать условия получения теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных газобетонов с повышенными физико-механическими свойствами.

Ключевые слова: газобетон, карбонизация, микроструктура, известково-цементное вяжущее, энергоэффективность.

Для цитирования: Любомирский Н.В., Николаенко Е.Ю., Николаенко В.В., Бахтин А.С., Бахтина Т.А. Влияние принудительной карбонизации на формирование структуры газобетона на основе известково-цементного вяжущего и карбонатно-кальциевого заполнителя // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 48-51.

N.V. LYUBOMIRSKY, Doctor of Sciences (Engineering) Professor, (niklub.ua@gmail.com),

E.Yu. NIKOLAENKO, Candidate of Sciences (Engineering) (lesha29.04@mail.ru), V.V. NIKOLAENKO, Engineer,

A.S. BAKHTIN, Candidate of Sciences (Engineering), T.A. BAKHTINA, Candidate of Sciences (Engineering)

V.I. Vernadsky Crimean Federal University (4, Vernadskogo Prospekt, Simferopol, Republic of Crimea, 295007, Russian Federation)

Impact of Forced Carbonation on Formation of Gas Concrete Structure on the Basis of a Lime-Cement Binder and Carbonate-Calcium Filler

Results of the experimental study to establish the possibility of obtaining gas concrete on the basis of lime-cement binder and carbonate-calcium filler (marble-like limestone), hardening of which is arranged according to hydration and carbonation type, are presented. Features of physical-chemical transformations in the body of the porous material, when organizing its hardening in media with high concentration of carbon dioxide gas, are revealed. It is established that the forced carbonation contributes to the hardening of the crystalline skeleton of gas concrete and improving of its strength comparing with the samples of hydration hardening as a result of heat-humidity treatment (HHT). It is shown that the combined (HHT with subsequent carbonation) method of hardening of gas concrete samples on the basis of the mixed binder provides conditions both for process of hydration hardening of cement minerals and carbonate hardening that causes the appearance of the maximum amount of crystalline hydrate and carbonate new formations and improvement in the strength. The compression strength of gas concrete immediately after artificial hardening is 90% of the strength at age of 28 days. Revealed features of physical-chemical processes make it possible to optimize the conditions of production of heat-insulation and heat insulation-structural gas concretes with improved physical-mechanical properties

Keywords: gas concrete, carbonation, microstructure, lime-cement binder, energy efficiency.

For citation: Lyubomirsky N.V., Nikolaenko E.Yu., N.ikolaenko V.V., Bakhtin A.S., Bakhtina T.A. Impact of Forced Carbonation on Formation of Gas Concrete Structure on the Basis of a Lime-Cement Binder and Carbonate-Calcium Filler. Stroite'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 48-51. (In Russian).

Вопросы разработки технологии получения энергоэффективного теплоизоляционного бетона связаны прежде всего с применяемыми сырьевыми материалами. В современной практике производства ячеистых бетонов широкое применение нашел портландцемент. Однако в условиях постоянно возрастающей стоимости и низкой экологичности его производства актуальным становится вопрос частичной или полной его замены известью, которая в сравнении с цементом является экологически чистым вяжущим, способным приобретать прочность и водостойкость как за счет гидратаци-онного и гидросиликатного, так и за счет карбонизационного твердения. В связи с глобальными экологическими проблемами, связанными с ростом концентрации СО2 в атмосфере Земли, особую актуальность приоб-

ретает внедрение технологий производства строительных материалов карбонизационного твердения изделий и материалов за счет поглощения техногенного СО2 [1-4].

Карбонатное твердение осуществляется за счет поглощения и связывания углекислого газа материалом и в ряде случаев может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на физико-механические свойства строительных композитов, вызывая коррозию. Так, например, карбонизация композитов на основе гашеной извести за счет перекристаллизации ее в плотный и прочный СаСО3 повышает их механическую прочность и долговечность [5], а карбонизацию цементного камня в большинстве случаев воспринимают как фактор, негативно влияющий на долговечность и проч-

tjjfcj mS

m

■V <&4

ИМ4

Рис. 1. Микроструктура опытных образцов газобетона в возрасте 28 сут в зависимости от способов твердения: а - после пропаривания, при увеличении Х5000; б - после карбонизации, при увеличении Х3000; в - после пропаривания и карбонизации, при увеличении Х3000

ность строительных материалов на его основе [6, 7]. В то же время установлено [8, 9], что вторичный карбонат кальция, образующийся при взаимодействии углекислого газа и свободного гидроксида кальция, способствует повышению атмосферостойкости и таким образом положительно влияет на сроки эксплуатации цементных бетонов при условии отсутствия в них армирующих металлических изделий. Карбонизированный слой в этом случае выступает в качестве барьера на поверхности материала, уплотняющего поверхность бетона и уменьшающего его проницаемость.

Процесс карбонизации носит поверхностный характер и протекает не одновременно по всему объему материала, а проникает в него послойно [10, 11, 12]. Это связано с лимитированной диффузией углекислого газа от поверхности в глубь образца. Следовательно, чем больше площадь взаимодействия углекислого газа с известковой составляющей, тем выше процент образования вторичного карбоната кальция.

Исходя из вышеизложенного целесообразным является вопрос изучения влияния процесса принудительной карбонизации на структурообразование и физико-механические свойства ячеистых строительных материалов на основе известково-карбонатно-кальциевых систем с развитой поверхностью, например газобетона.

Целью настоящей работы стало установление возможности получения газобетона карбонизационного твердения путем исследования особенностей физико-химических превращений в теле газобетона на основе смешанного известково-цементного вяжущего и кар-бонатно-кальциевого заполнителя, твердеющего в специально созданных условиях с повышенной концентрацией СО2.

Изучение структуры и фазового состава исследуемых систем проводили с помощью растровой электрон-

ной микроскопии (электронный микроскоп РЕМ-106, SELMI) и рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН-3). Исследования проводились на опытных образцах газобетона марки D500 размером 100x100x100 мм, твердение которых было организовано различными способами: пропаривание, карбонизация (выдерживание в воздушно-газовой среде с повышенной концентрацией СО2) и комбинированное твердение (последовательное пропаривание и карбонизация). В качестве вяжущих компонентов использовали портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н производства АО «Бахчисарайский комбинат «Стройиндустрия» и кальциевую известь производства АО «Евпаторийский завод строительных материалов» активностью 80%. Соотношение извести и цемента в составе вяжущего — 1:1. Содержание вяжущего в сырьевой смеси составляло 50 мас. %. В качестве карбонатно-кальциевого заполнителя использовались отходы добычи мраморовидных известняков карьера «Мраморный» (с. Мраморное, Республика Крым). Содержание вяжущего в сырьевой смеси составляло 50 мас.%. Для вспучивания использовалась алюминиевая пудра ПАП-1. Тепловлажностная обработка проводилась в течение 8 ч при температуре 60°С. Карбонизация материала осуществлялась в условиях 30%-й концентрации СО2 в течение 2 ч. Прочность при сжатии образцов газобетона определялась в возрасте 1, 7, 14 и 28 сут после высушивания.

Исследования микроструктуры газобетона в возрасте 28 сут (рис. 1) показали, что послеформовочная обработка опытных образцов имеет существенное влияние на морфологию кристаллов новообразований, получаемых в процессе твердения газобетонного массива. В пропаренных образцах (рис. 1, а) структура материала в основном сложена ромбоэдрическими кристаллами известнякового заполнителя размером 4—6 мкм, ориен-

WD»16.£iLhni

ÎÛ.OIHcV

Wn»U.Bmm

lO.MtV ilJOk Ml uni

Рис. 2. Микроструктура опытных образцов газобетона после пропаривания и карбонизации в возрасте 1 сут, увеличение: а - Х500; б - Х1200

jj. ®

май 2017

49

Режим твердения Прочность при сжатии образцов газобетона, МПа

Время твердения, сут

1 7 14 28

Пропаривание 0,39 0,48 0,53 0,56

Карбонизация 0,49 0,57 0,62 0,63

Пропаривание + карбонизация 1 1,07 1,1 1,11

тированными вокруг них пластинчатыми кристаллами Са(ОН)2, кристаллами цементного клинкера и продуктов гидратации цемента с размером до 3 мкм. На некоторых участках различимы игольчатые кристаллы кальцита субмикроскопической величины, образовавшиеся при поглощении известью углекислого газа из атмосферы в процессе хранения.

На микрофотографиях структуры образцов, твердеющих в условиях повышенной концентрации углекислого газа (рис. 1, б), видны крупные ромбоэдрические кристаллы известнякового заполнителя, на поверхности которых наблюдаются группы сросшихся между собой кристаллов новообразованного кальцита микрометрического размера до 2 мкм. Эти группы кристаллов кальцита образуют пространственный карбонизированный каркас. При сравнении структуры материала межпоровых перегородок пропаренного газобетона и карбонизированного у последнего наблюдается увеличение твердой фазы и уплотнение материала.

Микроструктура образцов, подверженных пропа-риванию и последующей карбонизации (рис. 1, в), представлена крупными скаленоэдрическими и ромбоэдрическими кристаллами кальцита. На поверхности пор размеры кристаллов варьируются от 4 до 8 мкм, а в межпоровых перегородках — от 1 до 4 мкм.

Для определения природы образования кальцита подобной морфологии кристалла были выполнены микрофотографии структуры образцов газобетона комбинированного твердения в возрасте 1 сут (рис. 2). На микрофотографиях отчетливо видны крупные кристаллообразования размером до 50 мкм дендритно-сфероидолитовой текстуры, схожие с текстурой арагонита, которые образовались на границе раздела фаз межпоровой перегородки и пространства поры. Поскольку фаза арагонита в процессе образования карбоната кальция является неустойчивой, это обусловливает переход менее стабильной полиморфной модификации в более устойчивую — кальцит с триго-нальной сингонией.

Подобное явление может быть обосновано частичным разрушением гидратных соединений цементного камня под воздействием СО2 с последующим образованием модификаций карбоната кальция: ватерита, арагонита, кальцита. Согласно ранее проведенным исследованиям [7—9], среди гидратных соединений наименьшей устойчивостью к карбонизации обладают гидроалюминаты кальция, которые разлагаются с выделением карбоната кальция, гидроксида алюминия и

Список литературы

1. Михайлов Н.Н., Кузнецов А.М. Искусственная карбонизация как способ повышения активности доломитового вяжущего// Строительные материалы. 1960. № 9. С. 28-30.

2. Каминскас А.Ю., Матайтис А.И. Новый двухста-дийный способ твердения известково-песчаных изделий // Строительные материалы. 1970. № 6. С. 32-35.

воды, а также низкоосновные гидросиликаты кальция, разрушающиеся с образованием СаСО3 и гелеобразной аморфной кремнекислоты.

Исследование фазового состава опытных образцов газобетона различных способов твердения в возрасте 28 сут показало, что материал состоит в основном из продуктов гидратации цемента (d, нм = 0,419; 0,392; 0,377; 0,182) и кальцита (d, нм = 0,304; 0,224; 0,209;

0.205. вне зависимости от условий твердения. Ожидаемой характеристикой рентгенограмм является увеличение пиков кальцита с применением способов карбонизационного способа твердения опытных образцов газобетона. Наибольшее количество кальцит-ных новообразований наблюдается у образцов, после-формовочное твердение которых было организовано только в среде с СО2. У образцов комбинированного твердения интенсивность данных пиков меньше, что объясняется связыванием части гидроксида кальция в гидратные новообразования на этапе твердения при пропаривании.

Использование способов принудительного карбонизационного твердения повышает прочностные свойства газобетона. В таблице представлены опытные данные прочности при сжатии газобетонных опытных образцов в зависимости от способов организации их твердения, из которой видно, что карбонизация в течение 2 ч повышает прочность газобетона в сравнении с образцами, пропаренными в течение 8 ч, на 25%, а в возрасте 28 сут — на 12,5%.

При комбинированном режиме твердения, включающего пропаривание и последующую карбонизацию, прочность образцов газобетона в возрасте 1 сут в сравнении с прочностью пропаренных образцов выше в 2,6 раза, а через 28 сут твердения прочность повышается практически вдвое; в сравнении с образцами, подвергшимися только карбонатному твердению, превышение прочности составило соответственно в 2 и 1,8 раза. Необходимо отметить, что прочность при сжатии опытных образцов газобетона комбинированного твердения в первые сутки (непосредственно после искусственного твердения) составляет 90% от прочности после 28 сут твердения.

Таким образом, при комбинированном твердении газобетона на основе известково-цементного вяжущего и мраморовидного известняка, включающем пропари-вание и последующее выдерживание в среде с высокой концентрацией СО2, обеспечиваются условия для протекания как гидратационного, так и карбонизационного твердения, что обусловливает появление максимального количества кристаллических новообразований и повышение прочностных характеристик.

Выявленные особенности физико-химических процессов, протекающих в газобетоне на основе известко-во-цементного вяжущего и карбонатно-кальциевого заполнителя при воздействии на него высоких концентраций углекислого газа, позволят в дальнейшем оптимизировать условия твердения газобетона и получения на его основе изделий с повышенными физико-механическими свойствами.

References

1. Mikhaylov N.N., Kuznetsov A.M. Artificial carbonization as a way to increase the activity of dolomitic astringent. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 1960. No. 9, pp. 28-30. (In Russian).

2. Kaminskas A.Yu., Mataitis A.I. New two-stage way of concreting of limy and sand products. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 1970. No. 6, pp. 32-35. (In Russian).

3. Елькина И.И., Федоркин С.И. Влияние карбонизации на прочность прессованных образцов из отходов горных пород на цементном и известково-цемент-ном вяжущем // Строительство и техногенная безопасность. 2012. № 44. С. 41-45.

4. Польманн Х. Пути сокращения выбросов СО2 при производстве альтернативных цементов // Цемент и его применение. 2016. № 2. С. 89—93.

5. Федоркин С.И., Любомирский Н.В., Лукьянченко М.А. Системы на основе извести карбонизационного твердения // Строительные материалы. 2008. № И. С. 45-47.

6. Чижов С.В., Кузнецов С.А. Прогнозирование процесса карбонизации бетона // Перспективы науки. 2014. № И. С. 76-81.

7. Свит Т.Ф., Семин ДМИДЦ|2РЦ|£в£|Р9|2Нхз1уМы1Э дуктов гидратации цементДДвИэИшМшВИщк! 2006. № 2-2. С. 22(И»Я | I I

8. Аниканова Т.В., Рахимбаев Ш.М., Кафтаева М.В. К вопросу о механизме углекислотной коррозии строительных материалов // Фундаменталъные исследования. 2015. № 5. С. 19—26.

9. Рахимбаев Ш.М. Принци—ы выбора ц—ментов Д12 использивмния в всцоциех хвдхЕесцой агревсие /Р Известия вузов: Строительство. 1998. № 10. С. 65-68.

10. Чернышев Е.М., ПотамошневаН.Д.,Кукина О.Б. Портландитовые и портландито-карбонатные бесцементные системы твердения. Ч.2ТТСтроительнь/е материаыы, оборудование, технологмиееТХ1мека. 2002. № 5. С. Т-В.

11. ДворкинЛ.И.,Дтыдвин СТ.Тб. Строительные минеральные вяжущие матерталы. бС.: Инженеыия^ОП. 5ПИ с.

12. Функ А., СдптхУдмос К.М.,ВстцбитА.,МидпендтдфБ.

условиях низкой влажности /уМСепмиеми см пнименесиа.ВО 16. № 5. С. 88-92.

3. El'kina I.I., Fedorkin S.I. Influence of a carbonization on durability of the pressed exemplars from a wastage of rocks on cement and limy and cement knitting. Stroitel'stvo i tekhnogennaya bezopasnost'. 2012. No. 44, pp. 41—45. (In Russian).

4. Pol'mann Kh. The Ways to reduce CO2 emissions in the production of alternative cements. Tsement i ego primen-enie. 2016. No. 2, pp. 89-93. (In Russian).

5. Fedorkin S.I., Lyubomirskii N.V., Luk'yanchenko M.A. Systems based on lime of carbonization hardening. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2008. No. 11, pp. 45-47. (In Russian).

6. Chizhov S.V., Kuznetsov S.A. Prediction of process of a carbonization of concrete Perspektivy nauki. 2014. No. 11, pp. 76-81. (In Russian).

M nge of structure of prod-

¡Ty^lTPRfiTEgRHOI^iSï^nl. Polzunovskiy vestnik. 2006.

8. Anikanova T.V., Rakhimbaev Sh.M., Kaftaeva M.V. On the mechanism of carbon dioxide corrosion of building materials. Fundamental'nye issledovaniya. 2015. No. 5, pp. 19—a6. (ln Rassian).

9. fcikhimbaev Sh.M. Principlas of choosing cements for us9 in chemicol ag^ensioc. Izvtstiyn vunov. Stroitel'stvo. 1998.No.l0,pp.65-68.(InRussian).

10. ChcmyshevKM^PoOamostapva N.D., Kukina O.B.

ortlandite-carbonate cementless curing systems. Part. 2. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologiiXXIveka. 2002. No. 5, pp. 8-9. (In Russian).

11. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Stroitel'nye mineral'nye vy-azhushchie materialy [Building mineral knitting materi-als].Moscow:Infra-Inzheneriya. 2011. 544 p.

12. Funk A., Salakh Uddin K.M., Vettsel' A., Middendorf B. Carbonation of portlandite in low humidity conditions. Tsement i ego primenenie. 2016. No. 5, pp. 88-92. (In Russian).

МИНСТРОИ РОССИИ

(tf)

VrttlJr ROSENFELD VHP ENERGY ■ТЫЛ 0FFICIE7CY FUND

МИНИСТЕРСТРОСТРЫИТЕИГСТВА И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХЫЗЯИСРВАРФ НАУЧНО-РСВЛЕДЫВАТИЛГВВРЫ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬ ссяии ФИЗлКи ФОНДПО.ДЕРЖКУ И ЯТЗРРТРЯ ЭСЕРЯОЭФДЕКТРРСЫХ ТЫХСЫЛ ОСТИ А. РОЗЕСФЕЛЬДА

4-6 июля 2017 состоится Международная научная конференцес VIII Акадеоичеикие дкеаса, поро-щееныд ^îkys^tm гкко ,цекда1^т1 -ААЖТ1 Г.р. уСФ-ова «АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СТРОИТЕАОКДЙ Ф04ККИ. СИ771"ОККОЕ41С)1РЕОИЕ НАДСв40(Н7 ФТ707Д^ЛЬИ11^ КСУКСРЫКЦИЙ И 310170ГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСТНОСТЬ»

рсяысиса коеСОренцир:

• Энергосбережение в строительстве

• Строительная теотофозиаи

• Строительная и архитектурнояак^тхкк

■ Ститиытдьнаяииетоттхныяв

• Эитыыгта а еммиюнт^ыдсты^

■ Долговечность и пдотыдстастроитанинди к^ичметртмитй вимний

в сооруженмы

• Пробле/ы ссеничтского твт^те.ования

■ Ремонт и эксплуа/аист тдееяков сн1ьмуналиноыоиозсйстла

■ Е5ь.(Г(тсиае ссткииеныстси • На/рб£(я шктлс <лтв молодежи В рамках конференции .тесе троетдиитас ь0РКтцС, яакоторюмсотодые ученые, аспиранты и студеноы ысоитм птедсикиткс деои г^[ооекты и разработки:

1. На лучший дипломным гьтсеееь^ иеюпеесг^н^!^.! ратыол«игроительная физика»;

2. На лучшую работу по нaяpыь!кeнкю<<Пг■юыиельнвясетxитl(гняpнaяеluwтиa»;

3. На лучший доемяд в р>омкмх [35^4.011 лдетьт доя долодежи «Строительная физика, ЭE^оpгг(^(^^|lьькснlи еткoлoгичeилсяемьoпвcымеuи». Победителям присуждаетст премкя имтятс етадтыштс |TTCПЯ(ЯH я.Л. р)сиемис.

4. На лучшее решение задачи в области энергоэффективности и энер-гтстнрежааня. Победтрилямвьдчается медаль и премия имени лауреата лыжд^м^дной даeотртислaауД пр>емии «Глобальная энергия» 2011 г. -

а.

5. На самое оригинальное и талантливое решение акустической задачи. Призы от Генерального спонсора конференции - компании «Вгие1 & (Дания).

6. За оригинальный подход к решению задачи энергосбережения в зданиях. Призы от Генерального спонсора конференции - компании «Сен-еоОмеКясюяятсьиеиП родукция Рус».

7.Сведяысиие.В приз Ассоциации производителей керамических сте-еовдх материалов.

8. За значительный вклад в развитие строительной физики ведущим ученым и специалистам вручается Золотая медаль имени академика РААСН Г.Л. Осипова и памятный знак.

ЛДтя ыекскияяитифеаетдем етоымтдьмотспаедо 1 июня 2017 г. отправить ЗАЯВКУ на участие по адресу: org.com@list.ru или факсу +7(495) 482-40-60.

БОЛЕЕ ПОДРОБНУЮ ИНФОРМАЦИЮ О КОНФЕРЕНЦИИ И ФОРМУ ДИЯВТПиЮЖНО ПОСМОТРЕТЬ НА САЙТЕ: niisf.ru

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ

Тыл.: и» СДФКС ЫШВРФЕЫНЕСР^ АШКЛЖЕЬ! iist.ru сайт www.nnsf.rui

Ад^^^КСДФРСЕ-иИРДаКСРООмСДкЗьФнРСзФЕФвСнФзКДРСКРЗаСЗДДуКиЖДаЖшЭЕ н

ноууно-тежническжйижроизводственныйжурнал

&

Н^ОкЛУЕК jNO СЖЕ7 51