Исследование кремнистых пород для производства ячеистого бетона


В статье рассматриваются результаты исследования материалов ячеистой структуры на основе опоки и диатомита. Установлено, что на основе опоки и жидкого стекла может быть получен теплоизоляционный строительный материал, не уступающий по соотношению прочности и плотности безавтоклавному ячеистому бетону на основе портландцемента.

Ключевые слова: диатомит, жидкое стекло, кремнистые породы, опока, ячеистый бетон

Производство ячеистых бетонов относится к числу перспективных направлений использования геополимерных вяжущих в строительстве [1]. Повышенная вязкость разрушения геополимеров в сравнении с цементным камнем, а также низкая энергоемкость технологии обеспечивают преимущества геополимерных вяжущих в сравнении с портландцементом для производства неавтоклавных ячеистых бетонов.

Наиболее энергоемкой технологической операцией в производстве геополимерных вяжущих является помол сырья [2]. В связи с этим при выборе сырьевых материалов должно отдаваться предпочтение дисперсным или легко измельчаемым материалам.

К числу наиболее перспективных видов минерального сырья для получения геополимерного вяжущего для производства теплоизоляционных материалов в Пензенской области относятся кремнистые осадочные горные породы - опока и диатомит [3]. Опоки - это легкие плотные тонкопористые породы, состоящие в основном из мельчайших частиц (менее 0,005-0,001 мм) опал-кристобалита.

Диатомит представляет собой слабосцементированные остатки кремнистых скелетов микроскопических водорослей с развитой внутренней поверхностью. Запасы этих горных пород в Пензенской области cоставляют сотни миллионов тонн.

В качестве дисперсного компонента для приготовления вяжущего для ячеистого бетона была использована Пензенская опока, измельченная до дисперсности 15000 и 22000 см2/г, а также Инзенский диатомит, измельченный до удельной поверхности 660...670 м2/кг.

Для получения ячеистой структуры применялся газообразователь (алюминиевая пудра марки ПАК-3), который вводился в смесь при перемешивании сухих компонентов.

В качестве модифицирующих добавок использовались доменный гранулированный шлак Новолипецкого комбината, измельченный до дисперсности 200...400 м2/кг, микрокремнезем (МК) Липецкого металлургического комбината.

Химический состав перечисленных выше материалов приводится в табл. 1.

Таблица 1 - Химический состав исследуемых материалов

Сырье

SiO2

CaO

MgO

Fe2O3

Feo

Al2O3

SO3

MnO

П. п.п

Опока Пензенская

81-85

0,8-1,4

< 1,2

<1,5

5,4-7,3

-

-

5,33

Инзенский диатомит

84,0

1,14

1,33

1,98

6,26

1,02

-

3,8

Шлак Новолипецкий

38,64

41,93

7,24
    0,19 0,69

8,81

0,14

1,06

1,3

Для активизации процесса твердения использовалось натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,70, и плотностью 1,47 г/см3, в которое вводился гидроксид натрия технический в количестве, обеспечивающем снижение силикатного модуля до 1,57. Кроме того, для приготовления некоторых составов использовались известь строительная и сода кальцинированная.

Для исследования измельчаемости горных пород и шлаков в экспериментах использовалась малая лабораторная шаровая мельница диаметром и длиной 150 мм. Масса мелющих тел во всех опытах была постоянной и составляла 1,5 кг. Продолжительность помола изменялась в зависимости от цели исследования. Измельчение велось в течение 10...20 минут. Затем из мельницы извлекались 3 пробы для определения удельной поверхности материала. После измерения дисперсности материала пробы возвращались в мельницу для продолжения помола. В течение каждого опыта проводилось 5...10 замеров удельной поверхности. По полученным результатам строилась зависимость удельной поверхности от времени измельчения. прочность портландцемент плотность безавтоклавный

Тонкость помола порошка оценивалась на приборе ПСХ-2. В связи с тем, что масса пробы материала для этого прибора зависит от его плотности, это свойство определялось для каждого исследуемого материала пикнометрическим методом.

При изготовлении ячеистого бетона сначала приготавливался активатор твердения: для этого щелочь растворялась в воде и к полученному раствору добавлялось растворимое стекло. На следующей стадии в течение 5 минут в шаровой мельнице или вручную производилось перемешивание сухих компонентов: опоки, диатомита, шлака, извести и микрокремнезема и т. д. до однородного состояния. Затем в чаше затворения перемешанный порошок разогревался при температуре 40-50°С для повышения активности горных пород. После этого разогретый порошок смешивался с активирующим раствором и укладывался в форму. Набор прочности ячеистого бетона или вяжущего проходил как в нормальных условиях, так и при термической обработке в термостате при температуре 60°С.

Опытным путем было подобрано количество воды необходимое для получения расплыва смеси около 180 мм на встряхивающем столике по ГОСТ 310.4-81. Было приготовлено 8 смесей, которые перемешивались с жидким стеклом в соотношении 1:1. Результаты определения расплыва смеси через различные промежутки времени приводятся в табл. 2.

Таблица 2 - Водопотребность и кинетика изменения расплывов смесей

Состав дисперсного наполнителя

Добавка воды в % от массы сухого вещества

Расплыв смеси, мм, через различные интервалы времени, мин

1

3

6

9

12

15

18

Опока

37,2

184

176

171

162

153

144

138

Опока+8% МК

40,2

178

160

151

142

128

110

-

Опока+15 % шлака

33,3

181

154

129

104

-

-

-

Диатомит

36,1

182

167

162

156

141

130

124

Диатомит+8% МК

41,2

177

162

142

129

113

100

-

Диатомит+15 % шлак

32,4

179

155

123

103

-

-

-

Опока+15 % Шлак+8% МК

42,7

177

142

115

-

-

-

-

Диатомит+15 % Шлак+8% МК

48,7

175

136

102

-

-

-

-

Как видно из данных в табл. 2 добавка шлака значительно снижает водопотребность смеси, а микрокремнезем повышает эту характеристику, что связано, вероятно, с дисперсностью этих материалов, требующих в первом случае меньше жидкости для смачивания поверхности частиц, а во втором - больше.

Введение добавки шлака и микрокремнезема ускоряет потерю подвижности смеси из-за более высокой (в сравнении с опокой и диатомитом) скорости взаимодействия с силикатом натрия. Проведенный эксперимент показал, что использование микрокремнезема в сырьевой шихте с точки зрения водопотребности и жизнеспособности смеси не оправдано. Составы на основе опоки дольше сохраняют подвижность, чем составы на основе диатомита, в связи с чем, для приготовления ячеистого бетона использовалась опока.

Для оценки влияния соотношения опоки и жидкого стекла, а также времени выдержки смеси был реализован двухфакторный план эксперимента. Пористая структура материала получалась за счет нагрева смеси до температуры кипения воды в микроволновой печи в течение 3 минут при мощности 800 Вт. Вспучивание смеси производилось в деревянной кубической форме с длиной ребра 50 мм. После вспучивания и остывания образца у него срезалась горбушка, затем он измерялся, взвешивался и испытывался на прочность при сжатии. Результаты испытания приводятся в табл. 3.

Таблица 3 - Влияние соотношения жидкое стекло:наполнитель и времени предварительной выдержки на свойства материала

№ опыта

Значение исследованных факторов

Свойства материала

Примечание

Соотношение жидкое стекло:опока

Предварительная выдержка, мин

Плотность, кг/м3

Прочность, МПа

1

1:3

5

-

-

После перемешивания получена рыхлая не связанная смесь

2

1:3

15

-

-

3

1:3

25

-

-

4

1:1

5

570

1,49

5

1:1

15

821

2,33

6

1:1

25

727

2,30

7

3:1

5

484

1,13

8

3:1

15

655

1,85

9

3:1

25

374

0,72

Составы 1-3 с низким содержанием жидкого стекла представляли собой после приготовления рыхлую массу, частицы которой не связаны между собой. Плотность составов при повышении времени выдержки с 5 до 15 мин возрастает, а затем, при увеличении продолжительности выдержки до 25 мин снижается. Дальнейшее увеличение продолжительности выдержки было невозможно потому, что смесь теряла пластичность и ее невозможно было уложить в форму.

Сравнение прочностных показателей и плотности полученных материалов с характеристиками других теплоизоляционных материалов (см. рис. 1) [4, 5] позволяет сделать вывод о том, что прочность исследованного материала не уступает прочности цементного неавтоклавного ячеистого бетона при равных значениях плотности.

зависимость прочности от плотности для исследуемого материала и других теплоизоляционных материалов

Рисунок 1 - Зависимость прочности от плотности для исследуемого материала и других теплоизоляционных материалов

Выводы. На основе опоки и жидкого стекла может быть получен теплоизоляционный строительный материал, не уступающий по соотношению прочности и плотности безавтоклавному ячеистому бетону на основе портландцемента.

Библиографический список

    1. Davidovits J. Geopolymer chemistry and applications. 3rd eddition. - France, Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2011. - 614 p. 2. Ерошкина Н. А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: моногр. / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин. - Пенза: ПГУАС, 2014. - 128 с. 3. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О., Полубаров Е. Н., Аксенов С. В. Теплоизоляционные геополимерные строительные материалы на основе опоки // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web. snauka. ru/issues/2015/04/51890 (дата обращения: 22.04.2015). 4. СНиП II-3-79* Строительная теплотехника. 5. Коровяков В. Ф. Эффективный теплоизоляционный материал "Эволит-термо" // Строительные материалы. - 2003. - № 3. - С. 14-15.

Похожие статьи




Исследование кремнистых пород для производства ячеистого бетона

Предыдущая | Следующая