Кинетика твердения геополимерного вяжущего на основе горных пород

Кинетика твердения геополимерного вяжущего на основе горных пород

Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза

Аннотация: Исследовано влияние различных факторов на кинетику твердения геополимерного вяжущего на основе измельченных отходов добычи и переработки магматических горных пород. В качестве факторов, определяющих темпы набора прочности, исследованы вид и дозировка минеральных добавок к вяжущему - доменный гранулированный шлак, а также состав активатора твердения, дисперсность компонентов и температура твердения. Получены аналитические зависимости, описывающие влияние исследованных факторов на прочность геополимерных вяжущих.

Ключевые слова: геополимер, кинетика твердения, отходы добычи и переработки магматических горных пород, доменный шлак.

Предложенный французским исследователем термин «геополимер» [1] означает неорганический полимерный материал, который получают в результате активации щелочными или кислотными компонентами алюмосиликатных или других сырьевых материалов. В качестве сырья для получения геополимеров используются шлаки, золы, метакаолин, полевошпатные породы [1, 2].

Одной из причин сдерживающих широкое применение этих вяжущих является недостаточно полное представление о процессах, протекающих в геополимерах при их твердении и эксплуатации [1, 3].

Важным аспектом структурообразования вяжущих считается кинетика их твердения. Исследование влияния различных факторов на кинетику твердения - один способов изучения процессов структурообразования [4]. Кроме того, темпы набора прочности являются основным технологическим свойством вяжущих и материалов на их основе.

Цель работы - исследование влияния различных факторов на прочность и кинетику твердения геополимерных вяжущих на основе измельченных отходов дробления гранита с добавкой гранулированного шлака.

Для исследований было использовано геополимерное вяжущее на основе измельченного отсева гранита с добавкой гранулированного шлака ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», которая измельчалась до различной удельной поверхности. В качестве активатора твердения применялось натриевое жидкое стекло с Мс=2,7, в которое вводилось различное количество КаОИ для снижения силикатного модуля.

Для изготовления бетона использовались отсев дробления гранитного щебня фракций 2,5-0,63 мм и кварцевый песок фракции 0,16-0,63 мм.

Анализ прочности при сжатии Я геополимерного вяжущего на основе измельченного гранита с 25 % добавкой шлака при различной удельной поверхности этих компонентов вяжущего (см. таблицу) показал, что кинетика твердения может быть описана уравнением вида Я = (ехр (а + Мп т)) , где а и Ь - эмпирические коэффициенты; т - продолжительность твердения, сут. Значения коэффициентов уравнений для вяжущих с различной удельной поверхностью приведены в таблице.

Таблица

Прочность растворов, приготовленных на вяжущих с различной удельной

поверхностью компонентов

№ состава Удельная поверхность компонентов, 2 м / кг Прочность при сжатии, МПа, при испытании в различные сроки Коэффициенты уравнения

гранит шлак 3 сут 7 сут 28 сут а Ь

1 200 200 6,4 11,8 29,8 0,350 0,546

2 200 300 7,8 13,6 33,4 0,321 0,676

3 200 400 9,5 16,1 35,9 0,301 0,793

4 300 200 7,3 12,9 31,4 0,327 0,640

5 300 300 9,8 16,1 33,8 0,290 0,806

6 300 400 12,4 18,4 38,6 0,260 0,963

7 400 200 7,6 13,4 31,3 0,322 0,665

8 400 300 10,1 16,0 36,2 0,286 0,834

9 400 400 12,5 20,1 41,0 0,255 0,997

Статистическая обработка совокупности значений удельных поверхностей гранита ЯуГд и шлака ЯуШ, а также коэффициентов а и Ь

позволила установить следующие зависимости:

а = 0,447 - 9,774 -10-4 Я™ +1,32 • 10-6 • Я™2;

Ь = 2,36 • 10-3ЯуШ + 6,69 • 10-4ЯуГд + 2,74 • 10-6 • ЯуГд • Я™ + 4 • 10-6 • Я™2

Полученные уравнения позволяют оптимизировать тонкость помола отсева дробления гранита и шлака с учетом заданной кинетики твердения геополимерного вяжущего с добавкой 25 % шлака. Для оптимизации дисперсности компонентов вяжущего с другой дозировкой шлака необходимо получение соответствующих экспериментальных данных.

Исследование влияния на прочность мелкозернистого геополимерного бетона варьирования доли шлака в вяжущем в интервале от 15 до 20 %, активатора твердения от 10 до 15 % в пересчете на сухое вещество и дополнительно количества щелочи в активаторе твердения в интервале от 3 до 5 % в пересчете на вяжущее позволило получить математические модели зависимости прочности при различных условиях твердения от перечисленных факторов:

Д60 = 17, 2+1, 4X1+2, 3Х2 - 0, 6Х3; Я80 =29,088+4, 5375X1+2, 2375X2, где Я60, Я80 - прочность мелкозернистого бетона, твердевшего в течение 16 часов при температуре 60 и 80 °С, соответственно;

Х1, Х2, Х3, - соответственно доля шлака в вяжущем, дозировка

активатора и количество щелочи в относительных единицах.

Кинетика твердения геополимерных материалов определяется скоростью деструкции сырьевых материалов в гиперщелочной среде и синтезом новой структуры полимерного типа [1]. Общепризнано, что на эти

процессы определяющее влияние оказывают рецептурный и температурный факторы. Однако структурообразование геополимерных и других видов вяжущих в значительной степени зависит от деструктивных процессов, которые протекают одновременно с геополимеризацией. Одна из возможных причин образования дефектов структуры - аутогенная усадка, которая в геополимерном вяжущем намного выше, чем в портландцементе [5, 6].

Дискуссия о сбросах прочности твердеющих вяжущих началась еще в 30-е годы прошлого столетия [7]. Однако, несмотря на значительный объем результатов системных исследований [8, 9], большинство исследователей не признают немонотонный характер твердения вяжущих, а колебания прочности объясняют неоднородной природой материала.

Исследования кинетики твердения геополимерного мелкозернистого бетона были проведены на мелкозернистом бетоне, образцы из которого испытывались в течение 28 суток каждые сутки. В каждый срок испытывалось по 2 образца. Результаты определения прочности и график изменения средних значений приведены на рисунке.

25

Продолжительность твердения, сут

0

0

28

56

Рис. - Прочность мелкозернистого геополимерного бетона и график

изменения средних значений

На рисунке видно, что немонотонный характер роста прочности геополимерного бетона нельзя объяснить только статистической погрешностью. Для объяснения немонотонного роста прочности возможно использование гипотезы циклического накопления макродефектов в геополимерной матрице в результате развития аутогенной усадки в стесненных условиях и роста внутренних напряжений с последующим «залечиванием» образовавшихся трещин за счет диффузионного переноса [10] в них цементирующего вещества.

Полученные аналитические зависимости, описывающие влияние исследованных факторов на прочность геополимерных вяжущих, позволяют формализовать требования к технологическим режимам производства геополимерных строительных изделий и конструкций.

Литература

1. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications, 4th edition. Saint Quentin, France: Geopolymer Institute, 2015. 644 p.

2. Muttashar M., Lokuge W., Karunasena W. Geopolymer concrete: the green

rd

alternative with suitable structural properties // 23 Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials. Byron Bay, Australia. 2014. pp. 101-106.

3. Шляхова Е.А., Акопян А.Ф., Акопян В.Ф. Применение метода рентгенофазового анализа для изучения свойств модифицированного шлакощелочного вяжущего // Инженерный Вестник Дона, 2012, №4, Ч.2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1395/.

4. Eroshkina N., Korovkin M. The Effect of the Mixture Composition and Curing Conditions on the Properties of the Geopolymer Binder Based on Dust Crushing of the Granite // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. pp. 1605-1609.

5. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Усадка геополимерного вяжущего на различных этапах его структурообразования // Инженерный вестник Дона, 2016, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3620.

6. Ерошкина H.A., Коровкин М.О. Влияние параметров состава минерально-щелочного вяжущего на прочность и усадку бетона // Вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. 2012. № 2V. С. V8-83.

V. Кинд А.В., Журавлев В.Ф. Электропроводность твердеющего цемента ll Цемент. 1932. № 9-10. C. 21-26.

8. Малинина Л.А., Залипаев И.В. Исследование кинетики роста прочности бетона в процессе пропаривания // Вопросы общей технологии и ускорение твердения бетона. М. : Стройиздат, 1969. С. 102-115.

9. Рост прочности бетона при пропаривании и последующем твердении / Под ред. С.А. Миронова. М.: Стройиздат, 19V3. 95 с.

10. Калашников В.И, Ананьев С.В., Калашников С.В. Структурно-топологический анализ композиционных вяжущих // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во ПДЗ, 2006. С. V8-84.

References

1. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications, 4th edition. Saint Quentin, France: Geopolymer Institute, 2015. 644 p.

rd

2. Muttashar M., Lokuge W., Karunasena W. 23 Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials. Byron Bay, Australia. 2014. pp. 101106.

3. Shlyakhova E.A., Akopyan A.F., Akopyan V.F. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4, Ch.2 URL: ivdon.rulmagazinelarchiveln4p2y2012l1395l.

4. Eroshkina N., Korovkin M. Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. pp. 16051609.

5. Eroshkina N.A., Korovkin M.O. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №1 URL: ivdon.rulrulmagazinelarchiveln2y2016l3620.

6. Eroshkina N.A., Korovkin M.O. Vestnik VolgGASU. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura. 2012. № 27. pp. 78-83.

7. Kind A.V., Zhuravlev V.F. Tsement. 1932. № 9-10. pp. 21-26.

8. Malinina L.A., Zalipaev I.V. Voprosy obshchey tekhnologii i uskorenie tverdeniya betona [Questions of general technology and the acceleration concrete hardening]. M.: Stroyizdat, 1969. pp. 102-115.

9. Rost prochnosti betona pri proparivanii i posleduyushchem tverdenii [The growth of concrete strength by steaming and later hardening]. Pod red. S.A. Mironova. M.: Stroyizdat, 1973. 95 p.

10. Kalashnikov V.I, Anan'ev S.V., Kalashnikov S.V. Novye energo- i resursosberegayushchie naukoemkie tekhnologii v proizvodstve stroitel'nykh materialov: materialy Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. Penza: Izd-vo PDZ, 2006. pp. 78-84.