Влияние модификатора из аморфизованного сырья на процессы поризации газобетонной смеси

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.1.230-237 УДК 546

В. В. Нелюбова, В. В. Строкова, А. А. Безродных

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород, Россия

ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАТОРА ИЗ АМОРФИЗОВАННОГО СЫРЬЯ НА ПРОЦЕССЫ ПОРИЗАЦИИ ГАЗОБЕТОННОЙ СМЕСИ

Аннотация. Изучено влияние минеральных модификаторов из аморфизованного сырья на реотехнологические параметры газобетонной смеси. Установлено увеличение вязкости систем при введении модифицирующих компонентов различного состава, что обусловлено высокой дисперсностью добавок и их физико-химической активностью по отношению к основным компонентам смеси. Доказаны высокие показатели по газоудерживающей способности смеси, что обеспечит формирование рациональной структуры композита с необходимыми эксплуатационными характеристиками готовых изделий.

Ключевые слова: газобетон, автоклавная обработка, модификатор, реология, поризация, опока, перлит.

V. V. Nelyubova, V. V. Strokova, A. A. Bezrodnykh

Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia

EFFECT OF THE AMPHORIZED RAW MATERIALS MODIFIER ON THE PROCESSES OF GAS-CONCRETE MIXTURE PORIZATION

Abstract. The paper studies the effect of mineral modifiers from amorphized raw materials on the rheo-technological parameters of a gas-concrete mixture. An increase in the viscosity of the systems with the introduction of modifying components of different composition, was established, which is due to the high dispersion of additives and their physicochemical activity with respect to the main components of the mixture. High performance on the gas-holding capacity of the mixture, which will ensure the formation of a rational structure of the composite with the necessary performance characteristics of the finished products, was shown.

Keywords: gas concrete, autoclave treatment, modifier, rheology, porisation, gaize, perlite.

Вследствие невысоких технико-эксплуатационных характеристик ячеистых бетонов автоклавного твердения сфера использования их в строительстве ограничивается лишь малоэтажным строительством и каркасной технологией, несмотря на многочисленные предложенные решения по повышению их эффективности [1, 2]. Технологические ограничения достижения высоких показателей прочности, морозостойкости и других критериев высокоэффективного материала связаны с большим количеством дефектов стенок силикатного камня, разделяющих воздушные ячейки, что связано с некачественной поризацией смесей. Это ставит задачи оптимизации процессов вспучивания и структурообразования системы.

Формирование свойств ячеистого бетона начинается с приготовления смеси с определенной подвижностью, обеспечивающей требуемую удобоукладываемость системы для качественной формовки изделий. Эти операции во многом определяют будущее качество готового продукта. Понимание происходящих в этот период процессов и свойств ячеистобетонной смеси даст возможность управлять процессами структурообразования в газобетоне, что обеспечит формирование массивов с заданными эксплуатационными характеристиками.

На свойства газобетонной смеси независимо от способа ее дальнейшего твердения оказывают влияние: В/Т, удельная поверхность компонентов, а также

изменение температуры во время ее приготовления [3, 4]. В случае отклонения этих параметров от оптимальных наблюдается нарушение микро- и макроструктуры готового продукта, приводящее к низким показателям технико-эксплуатационных характеристик. Так, например, температура смеси в процессе формования на предприятиях регулируется при помощи изменения соотношения горячей и холодной воды. Однако градиенты температур в массивах во время приготовления и вспучивания обусловлены, в первую очередь, процессом гашения извести, который нестационарен [5, 6]. Одним из способов контроля этого процесса является в том числе применение дисперсных компонентов, активно взаимодействующих с компонентами смеси и обеспечивающих стабильность начального структурообразования композита [7-9].

Минеральные модификаторы (ММ) в работе получали методом суспендирования, заключающимся в сухом помоле аморфизованного сырья до максимально возможной дисперсности, определяемой визуально по агрегации твердой фазы, с последующим доизмельчением в водной среде до достижения параметров: остаток на сите с размером ячейки 0,063 менее 1 %, концентрация твердой фазы 0,7, влажность не более 22 %. В качестве основы для получения модификатора использовали алюмосиликатное (перлит) и силикатное (опока) сырье как более активные компоненты по сравнению с полнокристаллическими породами типа кварцевый песок и гранит, эффективность которых как компонента ячеистобетонных смесей для получения бетонов различного твердения доказана ранее.

Известно, что введение даже незначительного количества высокодисперсного вещества приводит к изменению реологических характеристик системы, от которых напрямую зависят процессы поризации смеси: слишком подвижная смесь будет приводит к избыточному выходу газа из смеси и уплотнению материала в результате его оседания; при излишне жесткой смеси процесс вспучивания будет затруднен. В связи с этим на первоначальном этапе были проведены исследования по изучению влияния на реологию ячеистобетонной смеси присутствия аморфизованного минерального модификатора двух различных составов. Съемку реологических показателей осуществляли с помощью прибора Rheotest RN4.1.

Поскольку основным компонентом, выполняющим

структуроформирующую функцию в доавтоклавный период, в общем объеме смеси является цемент, в работе предложено ведение активного дисперсного компонента (ММ) взамен части цемента, в том числе с целью его экономии и снижения стоимости композита. Кроме того, ранее выполненными работами показано, что автоклавирование цементной системы приводит к формированию альфагидратадвухкальциевого силиката, «примесь» которого в общей массе кристаллических образований нежелательна, поскольку данное соединение является наименее стабильным веществом, подвергающимся фазовым и объемным трансформациям при малейших изменениях системы.

Расчет состава сырьевой смеси осуществляли в соответствии с СН 277-80, а также с учетом разработанных составов и требований к сырьевым компонентам, приведенным в технологическом регламенте на производство изделий завода ЗАО «Аэробел» (Белгород). Изучение реологических свойств осуществлялось на формовочных смесях без поризующей добавки с различным содержанием минеральных модификаторов различного состава: от 10 до 50 % с градацией в 10 и 100 % (полное исключение цемента из состава смеси).

Согласно полученным данным (рис. 1), как и в случае с исходными модификаторами, вязкость составов с добавкой из перлита в среднем в два раза превышает аналогичные показатели для смесей с добавкой из опоки.

Контроль

\ —•— 10%

Т —т— 20%

\ * 30%

40%

\ — 50%

100%

О 5 10 15 20 25

Градиент скорости сдвига, с'1 б

Рис. 1. Реология формовочных смесей в зависимости от их состава с минеральными модификаторами на основе: а — опоки; б — перлита Fig. 1. The rheology of molding mixtures depending on their composition with mineral modifiers based on: a — silica clay; б — perlite

Анализ полученных реограмм показал, что наибольшей начальной вязкостью отличаются составы с полной заменой цемента на ММ. Это объясняется, в первую очередь, более высокими показателями удельной поверхности модификатора в сравнении с цементом. При этом начальная вязкость бесцементного состава с модификатором на основе перлита более чем в 2 раза выше, чем у состава с аналогичным содержанием ММ на основе опоки, что объясняется большим количеством активных центров, способствующих образованию первичных соединений.

Стоит отметить, что большей начальной вязкостью (в случае с составами с добавлением ММ на основе опоки) в сравнении с контрольным обладает только суспензия с полной заменой цемента на модификатор, в то время как практически все значения начальной вязкости на реограмме газобетонных смесей с добавлением ММ на перлите лежат выше точки начальной вязкости, соответствующей контрольному составу, что также подтверждает большую активность ММ на основе перлита.

При увеличении нагрузки на систему и возрастании градиента скорости сдвига вязкость бесцементной смеси с ММ на основе опоки снижается более чем в 7 раз в сравнении с контрольным составом, а с ММ на основе перлита — в 14 раз, что объясняется малой прочностью образующихся контактных связей в объемной структуре суспензий.

На кривых течения суспензий с добавкой ММ на основе опоки фиксируются меньшие значения напряжения сдвига в сравнении с контрольным образцом и с образцами с использованием ММ на перлите, что свидетельствует о наличии большого количества воды, которая служит «смазкой» препятствующей трению между частицами во время движения. Характер течения практически всех систем идентичен за исключением образцов с содержанием опоки более 20 %. При увеличении градиента скорости сдвига происходит разрушение коагуляционной структуры систем, приводящее к падению напряжения сдвига и вязкости системы. В дальнейшем течение суспензий проходит при минимальных значениях вязкости системы, стремящихся к 0.

При этом в зависимости от вида сырья превалирующее значение имеют разные факторы. В случае опоки имеет место физический фактор воздействия на систему за счет высокой сорбирующей способности компонента; в случае перлита увеличение вязкости обуславливается химическим взаимодействием активной составляющей модификатора с компонентами смеси с формированием первичных новообразований и достаточно устойчивой коагуляционной структуры смеси.

Полученные значения начальной вязкости бесцементных составов позволяют прогнозировать более высокие показатели газоудерживающей способности смеси, поскольку между ними существует прямая зависимость.

Таким образом, показаны особенности реологических свойств формовочной смеси различного состава. Установлено увеличение начальной вязкости систем при введении модифицирующих компонентов различного состава, что обусловлено высокой дисперсностью модификаторов, их физико-химической активностью по отношению к основным компонентам смеси, а также процессами взаимодействия составляющих системы. Все это позволяет прогнозировать высокие показатели по газоудерживающей способности массивов и обеспечение формирования рациональной структуры композита с необходимыми эксплуатационными характеристиками готовых изделий.

Следующим этапом работы стало исследование процесса вспучивания (поризации) смеси в присутствии активных полидисперсных компонентов из аморфизованного сырья. Кинетику поризации смесей изучали с помощью газоволюметра в соответствии с методикой по ГОСТ 5494-95 «Пудра алюминиевая. Технические условия».

На основе полученных данных можно сделать вывод о том, что наличие модификатора в составе смеси способствует интенсификации процессов структурообразования газобетонного массива в доавтоклавный период. С увеличением концентрации модификаторов в системе наблюдается прирост объемов массивов по сравнению с исходным контрольным составом без добавки: до 60 % для модификатора из перлита и до 55 % для добавки из опоки (табл.).

Показатели кинетики вспучивания массивов The arrays expansion kinetics indicators

Содержание ММ, % Прирост объема смеси Коэффициент вспучивания

см3 %

0(контроль) 74 56,9 1,57

перлит опока перлит опока перлит опока

10 76 75 58,5 57,7 1,59 1,58

20 78 78 60,0 60,0 1,60 1,60

30 85 83 65,4 63,8 1,65 1,64

40 94 89 72,3 68,5 1,72 1,69

50 102 100 78,5 76,9 1,79 1,77

100 119 116 91,5 89,2 1,92 1,89

Отмечается увеличение коэффициента вспучивания составов с добавкой модификатора. При этом коэффициент вспучивания смеси бесцементного состава с модификатором из перлита выше аналогичного показателя для смесей с опокой. Прирост значения коэффициента вспучивания смесей с модификатором превышает аналогичное значение для контрольного состава без модификатора на 22 % при использовании алюмосиликатной добавки и на 20 % — при использовании силикатного модификатора.

Согласно полученным данным, введение добавок-модификаторов несколько интенсифицирует процессы вспучивания газобетонной смеси (рис. 2). Так, прирост объема смеси в первые 20 сек реакции газовыделения в смесях с модификатором выше в 1,2-2,1 раза в зависимости от концентрации добавки. Стоит отметить, что численная разница прироста объема в зависимости от состава модификатора незначительна (до 6-10 %). При этом введение модифицирующих компонентов обеспечивает сокращение вспучивания смесей при снижении доли цемента в составе смесей от 8 до 35 % в зависимости от состава смеси.

Полное исключение цемента из состава смесей с заменой на активные модифицирующие компоненты сокращает время реакции почти в два раза. Это создает предпосылки для снижения времени предварительной выдержки массивов, что обеспечит сокращение энергозатрат на производство ячеистых композитов.

Указанные факты объясняются свойствами модификаторов (активностью, дисперсностью), оптимизацией реологических характеристик системы в присутствии добавок, а также сокращением доли цемента. Так, наличие цемента в составе смесей, с одной стороны, гарантирует сокращение усадочных деформаций в процессе первичного структурирования системы до автоклавной обработки, а с другой — при повышенных температурах выдержки массивов (4050 оС) гидратация цемента ускоряется, что является структуросдерживающим фактором, т. е. газовыделение продолжается, однако прироста объема массива не наблюдается. В результате дальнейшее вспучивание происходит «вхолостую» с выходом газа в атмосферу и формированием дополнительных пор и пустот, обеспечивающих структурное несовершенство массива и снижение основных эксплуатационных показателей.

О 20 40 60 80 100

Время, мин

а

0 20 40 60 80 100

Время, сек б

Рис. 2. Кинетика газовыделения смесей в зависимости от состава в присутствии: а — ММ из перлита; б — ММ из опоки Fig. 2. Kinetics of gas evolution of mixtures depending on the composition in the

presence of:

a — perlite mineral modifier; б — silica clay mineral modifiers

Введение модификаторов (независимо от их состава) обеспечивает некоторое формирование необходимой вязко-пластичной системы, в которой реакция основного связующего с гидроксидом алюминия происходит при сохранении темпов и объемов выделяемого газа, однако некоторое загущение системы препятствует выходу сформированного газа из смеси, что обуславливает существенный прирост ее объема.

Таким образом, установлены особенности поризации ячеистобетонных смесей в присутствии модификаторов. Введение добавок обеспечивает

интенсификацию газовыделения и существенный прирост объема смеси. Это обусловлено свойствами модификаторов и сокращением доли клинкерной составляющей в составах смеси, что приводит к формированию системы с оптимальными вязко-пластичными свойствами. С технологической точки зрения введение модификаторов при производстве позволит снизить время созревания массива и расход газообразователя, а также позволит получать изделия более низкой плотности с сохранением прежних норм расхода алюминиевой пасты.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента для молодых кандидатов МК-5980.2018.8.

Литература

1. Володченко А. Н., Строкова В. В. Разработка научных основ производства силикатных автоклавных материалов с использованием глинистого сырья // Строительные материалы. 2018. № 9. С. 25-31.

2. Володченко А. Н., Строкова В. В. Повышение эффективности силикатных ячеистых материалов автоклавного твердения // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова. 2017. № 2 (58). С. 60-69.

3. Оптимизация рецептурно-технологических параметров изготовления ячеистобетонной смеси / Н. И. Алфимова и др. // Строительные материалы и изделия. 2018. Т. 1, № 2. С. 30-36.

4. Елистраткин М. Ю., Кожухова М. И. Анализ факторов повышения прочности неавтоклавного газобетона // Строительные материалы и изделия. 2018. Т. 1, № 1. С. 59-68.

5. Рахимбаев Ш. М., Кафтаева М. В., Рахимбаев И. Ш. Термодинамический анализ процесса гашения извести с применением цикла Борна — Габера // Техника и технология силикатов. 2015. Т. 22, № 1. С. 2-5.

6. Фомина Е. В., Строкова В. В., Кудеярова Н. П. Особенности применения предварительно гашеной извести в ячеистых бетонах автоклавного твердения // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. № 5 (653). С. 29-34.

7. Регулирование реологических характеристик смеси вяжущего при формовании ячеистой структуры изделий автоклавного твердения / Е. В. Фомина и др. // Строительные материалы. 2011. № 9. С. 33-35.

8. Реотехнологические свойства ячеистобетонной смеси с использованием наноструктурированного модификатора / В. В. Нелюбова и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2014. № 2. С. 58-61.

9. Механоактивация как способ управления процессами структурообразования автоклавных материалов на различных уровнях организации / В. В. Нелюбова и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2015. № 3. С. 7-9.

Сведения об авторах

Нелюбова Виктория Викторовна

кандидат технических наук, доцент, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород, nelubova@list.ru Строкова Валерия Валерьевна

доктор технических наук, профессор, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород, s-nsm@intbel.ru

Безродных Андрей Александрович

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород, s-nsm@intbel.ru

Nelyubova Viktoriya Viktirovna

PhD (Eng.), Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, Belgorod, nelubova@list.ru Strokova Valeriya Valerevna

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, Belgorod, s-nsm@intbel.ru Bezrodnykh Andrei Alexandrovich

Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, Belgorod, s-nsm@intbel.ru

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.1.237-243 УДК 669.048'776

А. В. Ниценко, Н. М. Бурабаева, Ф. Х. Тулеутай

Satbayev University, г. Алматы; АО «Институт металлургии и обогащения», г. Алматы, Казахстан

ТЕРМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СЕЛЕНИДОВ ПРИМЕСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ДИСТИЛЛЯЦИИ СЕЛЕНА

Аннотация. Методом построения диаграмм парциальных давлений прослежено поведение некоторых селенидов металлов в парообразном селене. Анализу подвергались температурные интервалы существования термически устойчивых фаз для условий дистилляционных процессов при атмосферном и низких давлениях: температура — от 763 до 945 К, давление — от 13 до 101325 Па.

Ключевые слова: селен, селенид, диаграмма парциальных давлений, дистилляция.

A. V. Nitsenko, N. M. Burabaeva, F. Kh. Tuleutai

Satbayev University, Almaty; Institute of Metallurgy and Ore Benefication, Almaty, Kazakhstan

THERMAL STABILITY OF SELENIDES OF IMPURITY ELEMENTS IN SELENIUM DISTILLATION

Abstract. We traced the behavior of some selenides of metals in vaporous selenium by the method of constructing partial pressures diagrams. The temperature ranges of the existence of thermally stable phases for conditions of distillation processes at atmospheric and low pressures, were studied: temperature — from 763 to 945 K, pressure — from 13 to 101325 Pa. Keywords: selenium, selenide, partial pressure diagram, distillation.

Селен, вследствие своей высокой химической активности, в сырье, как правило, присутствует в виде селенидов, в некоторых случаях также встречается и в элементном виде. Из-за наличия в селенсодержащих промпродуктах широкого спектра сопутствующих металлов и химических элементов создано довольно большое количество разнообразных способов переработки сырья. При этом принципиальные схемы получения селена из исходного сырья, обобщенные и приведенные в [1], основаны на больших величинах давления пара его диоксида,