Строительные материалы на основе активированного кварцевого песка

чивает дополнительный синтез низкоосновных гидросиликатов кальция.

3. Разработаны и оптимизированы составы на основе известково-диатомитового вяжущего и волластонита.

4. Исследовано влияние режима тепловлажностной обработки на свойства и структуру силикатных масс.

5. Сделан вывод о том, что использование воллас-тонита в качестве заполнителя силикатных масс улучшает его прочность и термостойкость.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Калугин В.Г., Костырев Ю.П., Куксин И.Г. Конструкционнотеплоизоляционные материалы и изделия на основе волласто-нита для алюминиевой промышленности // Новые огнеупоры. - 2004. - № 9. - С. 8-9.

2. Антипина С.А. Составы и технология термостойких материалов на основе композиций волластонита и известково-кремне-

земистых вяжущих: Дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2005. -178 с.

3. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г Методы физикохимического анализа вяжущих веществ. - М.: Высшая школа, 1981. - 334 с.

Поступила 04.03.2009г.

УДК 691.3

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АКТИВИРОВАННОГО КВАРЦЕВОГО ПЕСКА

Н.А. Митина, В.И. Верещагин

Томский политехнический университет E-mail: mitinana@yandex.ru

Показана возможность получения строительных материалов с высокими прочностными показателями на основе высококремнеземистого сырья Сибирского региона, что достигается с помощью тонкого помола кремнеземистого сырья и применением химических активаторов. Изделия, приготовленные из исследуемых композиций, имеют максимальную марку по прочности М300. Изделия cзаполнителем, в качестве которого используется немолотый природный кварцевый песок в соотношении вяжущее:за-полнитель=50:50, имеют марку МЮ0-150.

Ключевые слова:

Безобжиговые строительные материалы, высококремнезамистое сырье, кварцевый песок, щелочной компонент, активация, высококонцентрированные керамические вяжущие системы.

Одной из важнейших проблем при производстве строительных материалов является снижение энергозатрат и материалоемкости производства изделий и конструкций. Особое внимание уделяется получению материалов для строительства на основе местного сырья. Одним из таких сырьевых материалов является кварцевый песок.

Песок традиционно применяется как основной сырьевой компонент при производстве силикатных материалов - это силикатный кирпич, камень, газосиликатные теплоизоляционные и конструкционные изделия. Получение прочного материала

- силикатного камня основано на автоклавной тепловой обработке сформованных изделий при температуре 175...200 °С и давлении до 8 атм.

Известна технология получения материалов и изделий из кварцсодержащего сырья на основе высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий. Одним из основоположников данного направления является Ю.Е. Пивинский [1]. Высококонцентрированные керамические вяжущие суспензии - это минеральные водные суспен-

зии, получаемые преимущественно мокрым измельчением природных или техногенных материалов в условиях высокой концентрации твердой фазы, повышенной температуры и предельного разжижения. Эти условия способствуют получению диспергированием в системе определенного количества частиц коллоидной фракции, а также обеспечивают активацию частиц основной твердой фазы [1].

При получении высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий из высококремнеземистого природного сырья, активация кремнеземистой массы и получение вяжущего компонента связано с растворением SiO2 с поверхности и образованием кремнегеля, который составляет коллоидную основу высококонцентрированной керамической вяжущей суспензии. Твердение активированных кремнеземистых масс подобных суспензий обусловлено способностью кремнийсодержащих связок к полимеризации. В свою очередь полимеризация связана с образованием силоксановых связей: ^-О^= и последующим удалением воды.

Получение активированных кремнеземистых масс, как и получение высококонцентрированных вяжущих суспензий возможно двумя способами - с помощью мокрого измельчения и сухого помола. В случае сухого помола кремнеземсодержащего сырья активация тонкомолотой массы происходит за счет взаимодействия с химическими активаторами, в частности, со щелочами.

В качестве основы получаемого вяжущего были использованы кварцевые пески в сочетании с щелочным компонентом - раствором №ОН.

Механизм взаимодействия кремнеземистого и щелочного компонентов с последующим твердением вяжущей композиции можно условно разделить на следующие стадии.

В начальной стадии происходит растворение аморфного кремнезема под действием сильной щелочной среды с образованием молекул ортокрем-невой кислоты. В дальнейшем происходит образование геля поликремневой кислоты, обладающей вяжущими свойствами.

Последующая стадия заключается в старении геля за счет обезвоживания с образованием твердеющей структуры. При тепловой обработке в сухих условиях происходит кристаллизация геля по-ликремневой кислоты. Гель поликремневой кислоты находится в нестабильном состоянии и при повышенных температурах в щелочной среде стремится перейти в более устойчивые кристаллические формы. Скорость перехода возрастает с увеличением содержания ионов ОН- в растворе и повышением температуры [2].

Особое влияние на прочность образцов оказывает концентрация щелочи в растворе, которая обуславливает механизм твердения. При недостатке щелочи материал имеет низкую прочность, так как из-за низкой растворимости кремнезема при невысоких значениях рН среды образуются малые объемы геля поликремневой кислоты. При избыточном содержании щелочи образование геля поликрем-невой кислоты не происходит, и твердение будет происходить в основном за счет образования гидросиликатов щелочных металлов.

Учитывая вышеизложенное, целью данных исследований было установление возможности получения строительных изделий из высококремнеземистого природного сырья - песков без применения повышенных температур для обеспечения прочности изделий.

В основе проводимых исследований тонкое измельчение кремнеземистого сырья - механоактивация. Данный процесс способствует повышению значения полной свободной поверхностной энергии кварцевого песка (Ц), которая складывается из энергии Гиббса (единицы поверхности) и скрытой теплоты образования единицы новой поверхности [4]: иг = ст + = СЕ + Т ,

где а - удельная свободная поверхностная энергия, а=dG/dF, ¥ - площадь поверхности; 0Е -

энергия Гиббса единицы поверхности; qF - скрытая теплота образования единицы новой поверхности, qF=TSF; SF - избыточная энтропия единицы поверхности; Т - температура.

Избыток свободной поверхностной энергии тонкомолотого механоактивированного кварцевого песка обусловливает его высокую реакционную способность уже при низких температурах (до 90 °С).

В качестве основных компонентов кремнеземистого вяжущего использовались кварцевые пески Кудровского месторождения, химический состав представлен следующими оксидами, мас. %: SiO2 -

87.0...97.0; Fe2O3 - 0,8...1,7; Al2O3 - 1,0...5,5; CaO -0,8...1,7; MgO - 0,1...1,3; потери при прокаливании

- 0,9...1,9 %. По гранулометрическому составу песок относится к группе мелких песков, класс II, модуль крупности 1,5...2,0. Минералогический состав используемых песков представлен в основном минералами - ^-кварцем и биотитом.

Пески подвергались тонкому сухому помолу в шаровой мельнице совместно с негашеной известью до удельной поверхности 3300...3650 см2/г, что соответствует среднему размеру зерна около 6...7 мкм.

Тонкоизмельченная смесь затворялась раствором щелочи NaOH варьируемой концентрации от 5 до 30 % с шагом в 5 %, составы исследуемых смесей приведены в таблице. Далее формовались образцы размером 2x2x2 см, влажность формовочной смеси составляла 25...28 %. После набора начальной прочности образцы подвергались тепловлажностной обработке в лабораторной пропарочной камере при температуре насыщенного водяного пара

85...90 °С и атмосферном давлении. Результаты испытаний экспериментальных образцов на прочность при сжатии приведены в таблице и на рис. 1.

Данные по прочности образцов с нулевой концентрацией раствора щелочи, т. е. смесей вяжущих композиций, затворенных водой, не приводятся, т. к. образцы при тепловлажностной обработке в пропарочной камере разрушились.

0 5 10 15 20 25

С N804, %

Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии /?« экспериментальных образцов от концентрации щелочи С№0Н. Соотношение ПесокИзвесть: 1) 90:10; 2) 80:20; 3) 70:30

Таблица. Компонентный состав образцов

и результаты испытаний

Соотношение, % Песок:Известь Концентрация раствора №ОН, % Прочность при сжатии, Ясж

кгс/см2 МПа

5 119,3 11,9

10 143,8 14,4

90:10 15 241,8 24,2

20 326,6 32,7

25 253,0 25,3

5 56,2 5,6

10 14,5 1,4

80:20 15 15,6 1,6

20 47,5 4,8

25 49,7 4,9

5 251,2 25,1

10 103,2 10,3

70:30 15 106,8 10,6

20 110,0 11,0

25 72,9 7,3

Анализ полученных данных показывает, что образцы на основе кремнеземистого вяжущего имеют достаточно высокие прочностные показатели.

Из приведенных данных испытаний следует, что максимальной прочностью при сжатии Д,ж=326 кгс/см2, и, следовательно, большей активностью обладает вяжущая композиция, состоящая из 90 % песка и 10 % извести и затворенная 20 % раствором щелочи. При этом наблюдается плавный рост значений прочности с увеличением концентрации раствора №ОН. После максимума, который соответствует 20 % концентрации раствора щелочи, прочность образцов падает, что связано с негативным воздействием избытка щелочи на образование геля поликремневой кислоты. Максимальная прочность образцов с соотношением основных компонентов Песок:Известь=90:10 при за-творении 20 % раствором №ОН достигается за счет образования геля поликремневой кислоты при од-

новременном взаимодействии Са(ОН)2 с активным SiO2 с образованием гидросиликатов кальция.

Повышение содержания негашеной извести, больше 10 %, в составе образцов вяжущей композиции негативно влияет на прочность, так как сильная щелочная среда, создаваемая №ОН, препятствует образованию гидратов окиси кальция из СаО, следовательно, образование нерастворимых гидросиликатов кальция проходит менее интенсивно и в значительно меньших количествах. Однако при низкой концентрации раствора №ОН (5 %) и высоком содержании негашеной извести до 30 % при соотношении Песок:Известь=70:30 наблюдается высокое значение прочности при сжатии, которое затем падает с ростом концентрации раствора щелочи. Высокие показатели прочности в данном случае можно объяснить преобладающим процессом образования гидросиликатов кальция при взаимодействии образующейся Са(ОН)2 с активными частицами кремнезема. Дальнейшее снижение прочности связано с замедляющимся процессом гидратации СаО и незначительным образованием Са(ОН)2.

При рассмотрении механизма образования гидросиликатов кальция в изучаемой системе, учитывая теории твердения известково-кремнеземистых вяжущих различных ученых, приведенные в [3], ионы кальция из раствора гидрата окиси кальция адсорбируются в виде мономолекулярного слоя на поверхности кремнезема - геля поликрем-невой кислоты и вступают с ним в реакцию, образуя гидросиликаты типа CSH(B) в результате хемосорбции [3].

Для подтверждения полученных результатов исследования и идентификации полученных фаз был проведен рентгенофазовый анализ образца вяжущей композиции с соотношением основных компонентов Песок:Известь=90:10 в сочетании с 20 %

20, град

Рис. 2. Рентгенограмма образца вяжущей композиции на основе кварцевого песка состава Песок:Известь=90:10: 1) Р-кварц; 2) СаО-Б'^НОО); 3) СаО-Б^-^ОО)

раствором №ОН, которая имеет максимальную прочность при сжатии (Всж=326 кгс/см2). Рентгенограмма образца получена на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 с использованием излучения СиК, шаг сканирования 4 °/мин, время измерения интенсивности в точках сканирования 1 с, напряжение на трубке 35 кВ, сила тока 25 мА. Данные рентгенограммы показывают наличие фаз в-квар-ца, а также низкоосновных гидросиликатов кальция, обеспечивающих прочность образцов. Расшифровка рентгенограмм проводилась по стандартным идентификационным таблицам минералов [5].

На основе вяжущей композиции, характеризующейся максимальной активностью, соответствующей соотношению Песок:Известь=90:10, активированной 20 % раствором щелочи, были изготовлены образцы силикатного бетона. Изготовленные образцы подвергались 8-и часовой тепловлажностной обработке в пропарочной камере при 85...90 °С. Введение в композицию немолотого природного кварцевого песка позволяет получать изделия с

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и керамобетоны. -М.: Металлургия, 1990. - 270 с.

2. Калашников В.И., Нестеров В.Ю., Гаврилова Ю.В., Кузнецов Ю.С. Теоретические и технологические особенности получения высокопрочного силицитового геополимерного камня // Строительные материалы. - 2006. - № 5. - С. 60-63.

3. Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. - М.: Строй-издат, 1982. - 384 с.

маркой по прочности М100-М150 без использования высокотемпературной обжиговой технологии, а также автоклавной обработки материалов.

Выводы

Показана принципиальная возможность получения строительных материалов на основе активированного природного высококремнеземистого сырья без применения высокотемпературной обжиговой или автоклавной обработки.

Активация смесей на основе кварцевых песков в шаровой мельнице обеспечивает прочность бес-цементного вяжущего до 325 кгс/см2 и получение строительных блоков, тротуарных плиток марки М250-300.

Использование активированных смесей обеспечивает возможность получения наполненных бесцементных силикатных изделий с содержанием немолотого кварцевого песка до 50 % марки М100-150 (до 150 кгс/см2).

4. Лотов В.А. Нанодисперсные системы в технологии строительных материалов и изделий // Известия Томского политехнического университета. - 2007. - Т. 311. - № 3. - С. 84-88.

5. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г Методы физикохимического анализа вяжущих веществ. - М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.

Поступила 02.03.2009 г.