Строительные материалы на основе силикатов магния

УДК 691.43

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТОВ МАГНИЯ

Стрельников А.Н.

Тувинский государственный университет, Кызыл

BUILDING MATERIALS BASED ON SILICATE MAGNESIUM

Strelnikov A.N.

Tuvan state university, Kyzyl

Проведёно комплексное научное исследование применения силикатов магния (отходов асбестообогатительных фабрик) в качестве асбестового цемента при производстве строительных материалов.

Ключевые слова: серпентиновые минералы, асбестовый цемент, хризотил-асбест, лизардит, форстерит, энстатит, магнетит, свободная окись магния и аморфный кремнезем.

The complex scientific study is organized on using silicate magnesium (the departure asbesto enrichment factories) as asbestos cement at production of the building materials.

Key words: serpentinowye, minerals, asbestos cement, xrisotil-asbestos, lizardit, forsterit, enstatit, magnetite, free oxide magnesium and amorphous silica.

Научные разработки в области вяжущих свойств серпентинитов [1, 2, 3] послужили основой для разработки технологии получения асбестового цемента - вяжущего из отходов асбестообогатительных фабрик.

Исследования, проведенные кафедрой строительных материалов Санкт-Петербургского АСИ, показали, что на чистом асбестовом цементе в условиях интенсивной автоклавной обработки (давление 100-200 атм.) может быть получен материал с высокой механической прочностью [4].

В условиях действующего в промышленности строительных материалов технологического оборудования было предложено использование смешанного вяжущего -серпентинитового портландцемента [5].

Задачей настоящего исследования было получение листового материала на асбестовом цементе (без добавки портландцемента) в условиях автоклавной обработки, достижимых в промышленности (давление до 20 атм.).

Совместные исследования с Санкт-Петербургским ГАСУ проводились по следующим направлениям:

1. Уточнение режима обжига отходов асбестообогатительных фабрик с определением оптимального фракционного состава при помоле.

2. Изучение фазового состава отходов асбестообогатительных фабрик, вяжущего из отходов (асбестового цемента) и продуктов его гидратации в условиях автоклавной обработки до 200 атм.

3. Изучение влияния степени дисперсности асбестового цемента на свойства листового материала.

4. Подбор добавок, активизирующих процесс твердения асбестового цемента.

В качестве сырья были использованы рядовые не классифицированные отходы асбестообогатительной фабрики Ак-Довуракского месторождения.

В таблице 1 представлен состав необожженных рядовых отходов Ак-Довуракского месторождения.

Таблица 1

Гранулометрический состав необожженных рядовых отходов Ак-Довуракского месторождения_

Величинаячейки, мм 10 5 25 1,6 0,85 0,42 0,2 Прошло через сито №2

Остаток на сите, % 23 12 21 5,3 13,2 8,0 7,0 10,5

Химический состав необожженных рядовых неклассифицированных отходов Ак-Довуракского месторождения представлен (табл. 2).

Таблица 2

Химический состав необожженных рядовых неклассифицированных отходов Ак-Довуракского месторождения

Содержание оксидов, %

&02 МдО Fe2Oз М2О3 АО Na2O ДМпрк Сумма

39,26 39,01 7,2 1,6 0,93 0,24 11,54 99,78

Петрографический анализ необожженных отходов показал, что мелкозернистая масса представлена зернами серпентинита светло-желтого света с большим количеством включений окислов железа, обладающих слабым двойным лучепреломлением N =1,615. В отходах содержится значительное количество хризотил-асбеста Ng = 1,561; ^ = 1.555.

Рентгенограмма необожженных отходов представлена на рис. 1.

Рентгенографические исследования показали, что по фазовому составу необожженные отходы представлены группой серпентиновых минералов, состоящей из серпентинита ^ =7,36 А; 3,63А), лизардита ^ =2,51 А; 2,14 А; 1, 539А) , хризотил-асбеста ^ =7,36 А; 3,63 А; 1,515 А). Примесями являются магнетит ^ =2,96 А; 1,604 А; 1,476 А), магнезит ^ =2,75 А), брусит ^ =4,75 А; 1,787 А) .

Порошковые рентгенограммы отсняты на дифрактометре общего назначения ДРОН - 1.

Условия съемки: напряжение на медном аноде (С) 25 кВт, скорость съемки 1о в минуту, диапазон 1000 имп/сек.

Исследования показали, что оптимальной температурой обжига рядовых неклассифицированных отходов следует считать 780 - 800оС, с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа, что соответствует литературным данным.

С увеличением интенсивности обжига (повышением температуры и выдержки при заданной температуре) сроки схватывания полученного вяжущего замедляются, количество воды для получения теста нормальной густоты (водопотребность) уменьшается. Нормальная густота асбестового цемента колеблется в пределах от 35,5% до 31,5% и зависит от тонкости помола вяжущего. С увеличением дисперсности

водопотребность вяжущего из отходов асбестообогатительных фабрик снижается, тогда как для портландцемента наблюдается обратная зависимость.

Рентгенографические исследования фазового состава обожженных отходов асбестообогатительных фабрик показали, что основной фазой являются форстерит MgSiО4; межплоскостные расстояния трех главных линий 2,76 А; 2,5 А; 2,42 А;). В обожженных отходах также содержится магнетит 2,99 А; 1,614 А). В незначительном количестве присутствуют энстатит MgSi2О6 ^ =3,16 А;2,87 А) и свободная окись магния ^

=2,10 А).

Рентгенограмма обожженных отходов представлена на рис. 2.

В отходах, обожженных при температуре 80оС с выдержкой более 1 часа и при более высокой температуре, свободная окись магния не обнаруживается. По данным НИИЦемента, в обожженных отходах содержится значительное количество аморфного кремнезема.

С целью изучения фазового состава продуктов гидратации асбестового цемента в условиях автоклавной обработки формовались образцы из теста нормальной густоты и подвергались автоклавной обработке при давлении

Р = 20, 100, 200 атм. Образцы испытывались в возрасте 7 суток на сжатие. Результаты испытаний показали, что прочность образцов на асбестовом цементе увеличивается в 7 раз с увеличением давления в автоклаве от 20 до 200 атм. (после автоклавной обработки при 20 атм. Rcж = 46 МПа, после автоклавной обработки до 200 атмЯсж = 325 МПа).

На рис. 1 (в, г, д) представлены рентгенограммы порошков асбестового цемента, подвергнутого автоклавной обработке при давлениях 20, 100, 200 атм.

При обработке под давлением 20 и 100 атм. фазовый состав асбестового цемента почти не меняется, появляется небольшое количество брусита ^ = 4,752 А). После длительной выдержки (12 часов) образцов из чистого асбестового цемента в автоклаве под давлением 200 атм. Т = 350оС в образцах обнаружен минерал серпентиновой группы. На рентгенограммах порошка (рис.1,д) появились дифракционные пики ^ = 7,28 А; d =3,64А).

Рентгенографические исследования позволяют сделать вывод, что в результате длительной автоклавной обработки обожженных отходов асбестообогатительных фабрик при давлении 200 атм. и Т=350о С образуются минералы серпентиновой группы.

Твердение асбестового цемента в условиях автоклавной обработки под давлением 200 атм. происходит с образованием гидросиликатов магния, обеспечивающих рост прочности образцов.

С целью повышения активности асбестового цемента при твердении в нормальных условиях и в автоклавах при давлениях, достижимых в настоящее время в промышленности, было изучено влияние различных добавок на свойства асбестового цемента.

К обожженным отходам добавлялись следующие вещества:

1) химически чистая окись кальция

2) химически чистый гидрат окиси кальция

3) гашеная известь

4) химически чистая окись магния.

Свойства листового материала на вяжущем с различными добавками изучались на образцах размером 130х30 мм. Образцы формовались на насасывающей установке по методике НИИАсбестоцемента из 12 % суспензии. Содержание асбеста в смеске 14 % . Через сутки после изготовления образцы подвергались автоклавной обработке под давлением от 8 до 100 атм.

Физико-механические испытания образцов проводили в 7 - суточном возрасте.

Результаты испытаний показали, что наиболее эффективное действие на обожженные отходы в условиях автоклавной обработки при давлениях до 20 атм. оказывает добавка гидрата окиси кальция.

Добавка к асбестовому цементу гидрата окиси кальция в количестве 15 % (или 20% гашеной извести с содержанием активной окиси кальция 85 - 90 %) приводит к значительному увеличению прочности R изг листового материала (в 2,5 - 3,3 раза по сравнению с образцами на чистом вяжущем). Дальнейшее увеличение количества Са (ОН)2 до 25 % практически не дает прироста прочности. После автоклавной обработки под давлением 20 атм. прочности при изгибе (R изг в 7 - суточном возрасте образцов на асбестовом цементе с добавкой 15 % Са (ОН)2 , удельная поверхность Sуд= 6400 см2/г) составила 28 МПа. Ударная вязкость^ уд = 2,5 кгсм/ см2 объемный вес Y = 1,54 г/см3.

Для образцов на вяжущем без добавки извести получены следующие показатели: R изг = 8,3 МПа; R уд = 19 кгсм/ см2 Y = 1,5 г/смз. Значительный прирост прочности образцов на асбестовом цементе в условиях автоклавной обработки при низких давлениях (до 20 атм.) можно объяснить тем, что содержащийся на обожженных отходах аморфный кремнезем связывается гидратом окиси кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция СSН (В).

На рентгенограмме, представленной на рис. 2, а, появились дифракционные пики, характерные для СSН (В) ^ = 3,02А; =1,833А).

Активное действие на асбестовый цемент при твердении в нормальных условиях оказывает добавка окиси магния. Прочность образцов при изгибе в 7 - суточном возрасте на вяжущем из отходов с добавкой 25 % МдО после твердения в нормальных условиях увеличивается в 3 раза по сравнению с образцами на чистом вяжущем.

Для образцов на вяжущем с добавкой 25 % МдО получены следующие физико-механические показатели в 7 - суточном возрасте: прочность при изгибе R изг = 23,8 МПа,

ударная вязкость,^ уд = 2,1 кг-см/ см2; у = 1,7 г/см3, физико-механические показатели образцов на чистом вяжущем: 1 изг = 7,8 МПа;1 уд = 1,9кг-см/ см2; у = 1,53 г/смз. Значительный рост прочности образцов на вяжущем с добавкой окиси магния объясняется тем, что при твердении в нормальных условиях образуется брусит Мд(ОН)2. На рентгенограмме (рис. 2, б) появились характерные для брусита пики 4,76 А; 2,36 А; 1,791 А).

№ 5г11

67 63 59 55 51 47 43 39 35 31 27 23

I_I I I I_I I I I I I  I...........I—

гв

Рис. 2. Рост прочности образцов на вяжущем с добавкой

Физико-механические свойства образцов, изготовленных на асбестовом цементе, в значительной степени зависят от тонкости помола обожженных отходов. С повышением дисперсности асбестового цемента значительно возрастает прочность листового материала. Так, образцы, изготовленные на асбестовом цементе с удельной поверхностью Эуд= 6400 см2/г, имеют прочность (1 изг) в 1,4 раза больше по сравнению с образцами на вяжущем с удельной поверхностью Эуд= 3200 см2/г. Оптимальная дисперсность для асбестового цемента, содержащего 15 % Са (ОН)2, характеризуется остатком на сите № 008 5,2 %, удельной поверхностью Эуд= 6400 - 7000см2/г, содержанием фракций от 0 до 10 мк (не превышает 17 %).

Выводы

1. Отходы асбестообогатительных фабрик являются дополнительным источником сырья для промышленности строительных материалов. Необожженные отходы асбестообогатительных фабрик представляют собой многофазную систему, состоящую из группы серпентиновых минералов, в которую входят серпентин, лизардит, хризотил-асбест с примесью магнетита, брусита, магнезита.

2. В состав обожженных отходов входят форстерит, энстатит, магнетит, свободная окись магния и аморфный кремнезем.

3. Оптимальной температурой обжига отходов асбестообогатительных фабрик следует считать температуру 780 - 800о С с выдержкой не более 1 часа.

4. Оптимальная дисперсность для асбестового цемента характеризуется остатком на сите № 008 5,2%, удельной поверхностью Эуд= 6400 - 7000см2/г; содержащей фракций от 5 до 50 мк - 67%; содержанием фракций от 0 до 10 мк (не более 17 %).

5. Твердение асбестового цемента в условиях длительной автоклавной обработки при давлением 200 атм. происходит с образованием гидросиликатаов магния (минералов серпентиновой группы), обеспечивающих рост прочности образцов.

6. Добавка окиси магния значительно активизирует твердение асбестового цемента при нормальных условиях, что обусловлено образованием брусита.

7. Введение в асбестовый цемент добавки Са (ОН)2 приводит к повышению его активности в условиях автоклавной обработки под давлением до 20 атм., чтообъясняется образованием низкоосновных гидросиликатов кальция CSH (В).

8. Добавка к асбестовому цементу Са (Он)2 в количестве 15% позволяет значительно снизить давление в автоклаве и получить листовой материал, не уступающий по прочности асбестоцементу.

Библиографический список

1. Корнеев, В.И., Сизоненко, А.П., Медведева, И.Н., Новиков, Е.П. Особо быстротвердеющее магнезиальное вяжущее. Часть 1 // Цемент. 1997. № 2. С. 25-28.

2. Корнеев, В.И., Сизоненко, А.П., Медведева, И.Н., Новиков, Е.П. Особо быстротвердеющее магнезиальное вяжущее. Часть 2 // Цемент. 1997. № 4. С. 33-36.

3. Крамар, Л.Я., Королев, А.С., Горбаненко, В.М., Нуждин, С.В.. Бетоны на магнезиальных вяжущих для водостойких полов / Сб. докладов научно-практической конференции «Проблемы повышения надежности и качества строительства». Челябинск. 2003.

4. Ракицкая, З.Н.. Получение листовых материалов типа асбестоцементных на базе отходов асбестообогатительных фабрик. Канд. дисс., ЛИСИ, 1963.

5. Вареников, И.М. Листовые изделия на серпентиновом портландцементе. Канд. дисс., ЛИСИ, 1972.

Bibliograficheskiyspisok

1. Korneev, V., Sizonenko, A.P., Medvedeva, I.N., Novikov, E.P. Osobistegomagnesiabinder. Part 1 // Cement. 1997.№. 2.

S.25-28.

2. Korneev, V., Sizonenko, A.P., Medvedeva, I.N., Novikov, E.P. Osobistego magnesia binder. Part 2 // Cement. 1997. № 4. S. 33-36.

3. Kramar, L.Y., Korolev, S.A., Gorbarenko, V.M., Nuzhdin, S.V. Concrete magnesia binders for water-resistant floors / Sat. reports of scientific-practical conference "Problems of improving the reliability and quality of construction." Chelyabinsk. 2003.

4. Rakitskiy, Z.N. Receiving sheet materials type of asbestos waste materials asbestos-producing factories. Cand. Diss., LISI, 1963.

5. Dumplings, I.M. Sheet product serpentinum Portland cement. Cand. Diss., LISI, 1972.

Стрельников Александр Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ТувГУ, E-mail:

StrelnikovAlexander@mail.ru

Strelnikov Alexander - candidate of technical sciences, docent of the Tuvan State

University, Kyzyl, E-mail: StrelnikovAlexander@mail.ru

УДК 691+691.126:666.9.015.22+691.4

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ЧАСТИЦ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКОЙ МАССЫ

Чюдюк С.А.

Тувинский государственный университет, Кызыл

THE EFFECT OF CLAY PARTICLE CONTENT ON THE TECHNOLOGICAL PROPERTIES

OF THE CERAMIC MASS

Chyudyuk S.A. Tuvin state university, Kyzyl

В статье рассматривается влияние содержания глинистых частиц на технологические свойства обожженных керамических масс. Выявлено: чем больше в сырье глинистых частиц, тем выше пластичность массы, которая влияет на качество керамических изделий.