CC BY
20УДК 628.544
Д.Р. ХАЗЕЕВ, инженер (gism@istu.ru), А.Ф. ГОРДИНА, бакалавр,
И.С. МАЕВА, канд. техн. наук, Г.И. ЯКОВЛЕВ, д-р техн. наук, Ижевский государственный технический университет; А.Ф. БУРЬЯНОВ, канд. техн. наук (rga-service@mail.ru), Московский государственный строительный университет
Влияние техногенных дисперсных отходов на структуру и свойства композитов на основе сульфата кальция
Промышленное производство стали и некоторых сплавов сопровождается выбросами в атмосферу значительных объемов тонкодисперсных отходов. Любое металлургическое производство сопровождается накоплением в циклонах металлургической пыли, диапазон частиц которой колеблется от нескольких сотен нанометров до нескольких десятков микрометров. Развитая поверхность этих частиц предопределяет их высокую активность в различных средах, включая сульфатные.
Существует целый спектр вяжущих на основе сульфатов кальция, обладающих рядом недостатков (низкая водостойкость, недостаточная прочность, высокая пористость), которые можно улучшить за счет применения тонкодисперсных модификаторов с высокоразвитой активной поверхностью.
Для модификации свойств вяжущих на основе сульфата кальция использовалась дисперсная металлургическая пыль (колошниковая пыль) с предприятия ОАО «Ижсталь» (Ижевск), отобранная из циклонов, и комплексная добавка, включающая ультрадисперсный микрокремнезем и многослойные углеродные нано-трубки. Металлургическая пыль представляет собой дисперсный порошок со средним размером частиц 8—9 мкм (рис. 1). Рентгенофазовый анализ металлурги-
0
100
50
0
0,01 0,1 1 10 100 1000 3000
Рис. 1. Распределение частиц металлургической пыли по размерам
ческой колошниковой пыли (рис. 2) показал, что наибольшие по интенсивности линии соответствуют Fe2Oз
= 4,85; 2,96; 2,525; 1,70; 1,61; 1,48; 1,32; 1,27 А); присутствуют также N10 = 2,41; 2,08;1,48 А) и СгО. В качестве примесей пыль содержит MgS04 и SЮ2 в количестве 2—3%.
В качестве активатора сульфата кальция использовался гидросульфит натрия, который в контакте с оксидами металлов образует сульфаты, в том числе сульфаты железа. Известно, что сульфаты железа являются хорошими активаторами гидратации; в связи с этим можно предполагать, что совместное введение сульфатного активатора, оксидов железа и никеля вследствие проявления синергетического эффекта способно привести к существенной активации гидратации вяжущих на основе сульфата кальция при приготовлении гипсовых и ангидритовых композиций.
Результаты механических испытаний композиций на основе тонкомолотого природного ангидрита Ергачевского месторождения (Пермский край) с добавлением металлургической пыли на различных активаторах твердения (портландцемент — 5%, гидросульфит натрия — 1%) приведены на рис. 3.
Из рис. 3 можно сделать вывод, что при сульфатной активации вяжущего в сочетании с металлургической пылью происходит увеличение прочности при сжатии образцов на 72%, а при щелочной активации — на 54% при оптимальном содержании металлургической в количестве 3% от массы вяжущего. Проведенные исследования показывают, что оптимальные показатели прочности образцов достигаются при введении в состав композиции 3% металлургической пыли. Значительное повышение прочности связано с образованием сульфата железа (III), являющегося сильнейшим активатором,
10
=1 щ со г^ со & о. 5 ю
О н
^ й
ф о
ц; ш
Ф ш
9 -8 -7 -6 -
4 -3 -2 -1
Рис. 2. Минералогический состав металлургической пыли
0 1 2 3 4 5
Содержание пыли, %
-А- Предел прочности при сжатии при щелочной активации
-И- Предел прочности при сжатии при сульфатной активации
Рис. 3. Зависимость прочности ангидритовых композиций от различных активаторов (портландцемент и гидросульфит натрия)
4
2
5
0
научно-технический и производственный журнал ф'ГРОМТ^ Ш£1гШ@
июнь 2011
Рис. 4. Микроструктура образцов при 10000-кратном увеличении: а - контрольный образец; б - модифицированный образец УНТ+МК
который способствует повышению растворимости и увеличению концентрации раствора двуводного гипса в твердеющей композиции.
В то же время уровень дисперсности металлургической пыли не позволяет отнести ее к высокоактивным добавкам, к которым, как правило, относят ультра- и нанодисперсные системы [1, 2].
Известны работы, в которых приводятся результаты исследований по модификации вяжущих на основе сульфатов кальция ультрадисперсными добавками, например только углеродными нанотрубками [3] или только микрокремнеземом [4]. Известна работа, в которой описывается поведение двух этих добавок [5], за счет введения которых достигается синергетический эффект. Комплексная добавка, включающая микрокремнезем (МК-85 Липецкого металлургического комбината) и многослойные углеродные нанотрубки (корпорация Агкета) использовалась с учетом известных результатов исследований модификации вяжущего на основе полуводного сульфата кальция. Результаты испытаний образцов из такой композиции приведены в таблице.
Состав R ПизПи1б> Приращение R псжатие> Приращение
МПа прочности, % МПа прочности, %
Контрольный состав 2,254 0 7,64 0
Модифицированный состав 2,61 15,8 10,36 35,58
Анализ результатов испытаний показывает, что прирост прочности наблюдается при модификации гипса комплексной добавкой, содержащей микрокремнезем и многослойные углеродные нанотрубки. Кроме того, комплексная добавка улучшает показатели водопоглощения и коэффициента размягчения гипсовой композиции до 0,84.
Анализ микроструктуры модифицированной сульфатной матрицы с использованием комплексной добавки показал интенсификацию процесса структурообра-зования.
На снимках микроструктуры (рис. 4), полученных на растровом электронном микроскопе, видно, что модифицированный образец по сравнению с контрольным имеет более плотную и однородную структуру с меньшей пористостью.
При отсутствии добавок в составе гипсовой матрицы формируется неупорядоченная дефектная структура с крупными пластинчатыми кристаллами. Структура затвердевшего гипсового камня представляет собой удли-
ненные кристаллы дигидрата сульфата кальция, которые имеют малочисленные контакты с тенденцией к проскальзыванию и разрыву при небольших напряжениях, особенно при увлажнении. Полости между кристаллами ослабляют связи вследствие более интенсивного растворения кристаллогидратов, уменьшая прочность композиции. В конечном итоге такая структура приводит к снижению механических показателей.
При введении модифицирующей добавки формируется более однородная структура с более плотной упаковкой кристаллов, что обеспечивает гипсовой матрице повышение физико-механических показателей. Многослойные углеродные нанотрубки способствуют структурной ориентации гипсовой матрицы, благодаря чему образуются кристаллогидраты повышенной плотности.
Таким образом, металлургическая пыль может служить дополнительным источником активации ангидритового вяжущего, а применение комплексных добавок, сочетающих в себе нанодисперсные системы синтетического и техногенного происхождения, позволит улучшить физико-технические свойства изделий на основе двуводного гипса.
Ключевые слова: металлургическая пыль, микрокремнезем, углеродные нанотрубки, сульфат кальция, синерге-тический эффект, структура, комплексные добавки.
Список литературы
1. Metaxa Z.S., Konsta-Gdoutos M.S., Shah S.P. Carbon nanotubes reinforced concrete ACI Special Publications 267: Nanotechnology of concrete: The next big thing is small SP-267-2 (2009), pp. 11-20.
2. Токарев Ю.В., Яковлев Г.И. Влияние алюмосиликат-ных дисперсных наполнителей на свойства и структуру ангидритового вяжущего // Известия Казанского архитектурно-строительного университета. 2010. № 1. С. 357-363.
3. Яковлев Г.И., Первушин Т.Н., Маева И. С., Корженко А., Бурьянов А.Ф., Мачюлайтис Р. Модификация ангидритовых композиций углеродными нанотрубками // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 2-4
4. Ефимов П.А., Пустовгар А.П. Добавка для модификации гипсовых вяжущих, строительных растворов и бетонов на их основе // Патент РФ № 2260572 от 20.09.2005.
5. Hongfu Z., Chen Z., Hangquan L., ZhongjieD. Fabrication of silica nanoparticles on the surface of functionalized multi-walled carbon nanotubes // Carbon Volume 49, ISSUE 1, P. 126-132.
научно-технический и производственный журнал
июнь 2011
7
