Микроструктура автоклавных газосиликатов и влияние на нее гипсового камня

http://vestnik-nauki.ru/

2015, Т 1, №3

УДК 691.316

МИКРОСТРУКТУРА АВТОКЛАВНЫХ ГАЗОСИЛИКАТОВ И ВЛИЯНИЕ НА

НЕЕ ГИПСОВОГО КАМНЯ

М.В. Кафтаева, Ш.М. Рахимбаев

AAC SILICATE PRODUCTS' MICROSTRUCTURE AND THE INFLUENCE

OF GYPSUM

M.V. Kaftaeva, Sh.M. Rakhimbaev

Аннотация. Авторами изучены влияние минералогического состава, степени кристаллизации и дисперсности новообразований гидротермального синтеза на структуру межпоровых перегородок. Исследования поводились электронно-микроскопическим анализом газосиликатных изделий заводского изготовления. Выявлены три типа структурных элементов: глобулярные образования, конденсационно-кристаллизационные и сетчатые. Сделаны выводы о влиянии на качественные показатели при сжатии газосиликатных изделий имеющих различную структуру. Установлено, что добавление гипса в состав газосиликатной смеси может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на свойства готовых изделий в зависимости от дозировки. Оптимальной является, дозировка гипса 1-2,5 %.

Ключевые слова: газосиликат; структура; состав; кристаллизация; дисперсность; автоклавная обработка.

Abstract. The authors studied the effect of mineral composition, the degree of crystallization and dispersion of new formations of hydrothermal synthesis on the structure of interporous partitions. The researches were made by electronic-microscopy analysis of AAC silicate products, manufactured at the AAC plant. Three types of structural elements were detected: globular formations, condensation-crystallization and mesh ones. The conclusions of the impact on quality indicators during compression the AAC silicate products having different structure were made. It is defined, that the addition of gypsum into the AAC silicate slurry can have both positive and negative effects on the properties of the final product depending on the dosage. The optimal dosage of gypsum is 1-2.5%.

Keywords: AAC silicate; structure; composition; crystallization; dispersion; autoclaving.

Структура газосиликатов характеризуется особенностями внутреннего строения материала, состоящего из межпоровых перегородок и порового пространства. Строение межпоровых перегородок определяют минералогический состав, степень кристаллизации и дисперсность новообразований гидротермального синтеза, поровое пространство характеризуется количеством и качеством микро- и макропор и их соотношением [1]. Исследования структуры газосиликата [2-6] показывают, что носителями прочности цементного камня являются два основных вида связей между гидратными частицами: коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные. В ходе изучения долговечности газосиликатов Е.М. Чернышов установил [4], что наиболее низкие физико-механические и эксплуатационные характеристики наблюдаются у того материала, цементирующие вещества которого представлены плохо закристаллизованной массой. Увеличение количества тоберморита в новообразованиях и повышение степени их кристаллизации приводит к росту качества газосиликатов.

В работе авторов [5] на основе просмотра многочисленных электронно-микроскопических снимков изделий заводского изготовления со средней плотностью 400 -

http://vestnik-nauki.ru/

600 кг/м установлено, что в газосиликатах можно выделить четыре типа структурных элементов: глобуляные образования, состоящие из более или менее изометрически крупных частиц, имеющих контакты по внешней поверхности (рис. 1), волокнистые частицы, на основе которых формируется конденсационная структура (рис. 2), кристаллы различной формы и размеров - кристаллизационная структура твердения (рис. 3) и участки, имеющие сетчатую структуру (рис.4), в которой стенки пор имеют идеально гладкую поверхность, образуя структуры срастания и прорастания. Частицы, из которых такие участки состоят, имеют преимущественно пластинчатую форму с очень гладкими базальными плоскостями. В целом отмечается чрезвычайно высокая регулярность этих участков и практическое отсутствие дефектов структуры. Форма пор большинства участков такой структуры близка к треугольной. По-видимому, эти частицы состоят из кристаллов тоберморита и ксонотлита.

Рисунок 1 - Глобулярные образования в межпоровой перегородке газосиликата

Рисунок 2 - Волокнистые волосовидные образования газосиликата конденсационной структуры

Достаточно совершенная сетчатая структура изделий свидетельствует о том, что она образовалась путем рекристаллизации вышеупомянутых термодинамически неустойчивых новообразований, отличающихся нерегулярным составом и структурой, а также повышенной растворимостью.

Обобщив результаты многолетних наблюдений, проведенных лабораторных и промышленных экспериментов авторов, а также других исследователей [2-4, 6-11],

http://vestnik-nauki.ru/

предлагаем следующую классификацию связей, действующих внутри различных видов структуры гидросиликатов кальция.

Рисунок 3 - Кристаллическая игольчатая и пластинчатая структура частиц

Рисунок 4 - Сетчатая структура газосиликата

Первые связи образуются между коллоидными частицами благодаря прослойкам молекул воды между ними, которые выполняют функции своеобразного клея. При этом основную роль играют дальнодействующие водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса между молекулами воды при участии поверхностных сил гидратных частиц. Такие связи в основном возникают в гелеобразных и слабозакристаллизованных низкоосновных гидросиликатах кальция, которые отличаются очень малой растворимостью, особенно по СаО (до 0,1 - 0,3 г/л при 25 оС).

Двухосновные гидросиликаты кальция С2БН2, С28И(Л), С2БН(В) устойчивы лишь в насыщенных растворах гидроксида кальция. Они имеют повышенную равновесную растворимость в поровой жидкости вяжущих систем и образуют более закристаллизованные волокнистые и пластинчатые микрокристаллы, которые, срастаясь и переплетаясь, формируют структуру твердения. Связи, которые возникают между этими частицами при их срастании, называются кристаллизационными [2, 4, 6]. Несросшиеся частицы, переплетаясь между собой, как шерстинки в войлоке, образуют конденсационную структуру. Кристаллизационные и конденсационные связи действуют только на очень малых расстояниях. Таким образом, если обеспечить очень плотную упаковку частиц из высокоосновного вяжущего, можно резко повысить прочность камня из него.

http://vestnik-nauki.ru/

Газосиликатные изделия, в которых преобладает сетчатая структура, имеют повышенные показатели прочности при сжатии. Так, изделия марки по средней плотности Б 500, в которых наблюдалась преимущественно сетчатая структура, имели прочность при сжатии 4,33 МПа, против 3,37 МПа базовых образцов. Создание таких структур может быть обеспечено оптимизаций составов заливочных смесей и применением двух типов добавок: готовых центров кристаллизации в виде аддитива и небольшого количества электролитов, повышающих растворимость гидросиликатной связки в данной среде, к которым относится гипсовое вяжущее. Применение гипса в газосиликатах известно достаточно давно - еще с начала прошлого века. Имеется много публикаций о роли гипса в газосиликате [12-15], однако сих пор нет единства мнений в этом вопросе.

Авторами установлено, что наиболее легким способом получения сетчатой структуры, является добавление в состав газосиликатной смеси двуводного гипса [5]. Для подтверждения этого были проведены эксперименты по определению оптимального количества Са8042Н20 для получения преимущественно сетчатой бездефектной структуры газосиликата.

В составе газосиликатов использовались следующие материалы:

- цемент производства ООО «Топкинский цемент», хим. состав клинкера которого приведен в табл. 1;

- известь производства ООО «Фельс Известь», из п. Товарково Калужской обл., 2-го сорта. Характеристики извести приведены в табл. 2.

- Кварцевый песок Андреевского месторождения Тюменской обл., химический состав которого приведен в табл. 3.

Таблица 1 - Химический состав клинкера

опкинского завода

Наименование цемента 2 О Й 3 О п < 3 О и Рн Са0 М§0 3 О со О ° £ * £ + и о 0 а С О п с п

Топкинский 20,39 5,1 4,23 62,7 1,8 2,9 0,88 0,33 0,01 1,88

Таблица 2 - Химический состав извести

Наименование показателя Ед. измерения Значение показателя

Активные СаО + М§0, не менее % 86,45

Активный М§0, не более % 0,95

Содержание С02, не более % 3,1

Время гашения мин t60c=9,67

Таблица 3 - Химический состав песка

Наименование

песка п.п.п 2 О Са0 М§0 т г ) 0с 2и <и И Рн 3 Бе0 (закис. 3 О п < 2 О Н Мп0 «о 0 2 РМ 0 2 СЗ £ 0 СЯ * 3 О со

Песок Содержание в % на высушенное при 110^ С вещество

Андреевского 0.57 95.0 0.55 0.14 0.34 0.07 2.02 0.22 <0.1 0.02 0.45 0.98 <0.10

месторождения

Содержание органических примесей 0.15%

Содержание слюды 0.01%

Контрольный (базовый) состав газосиликатов, используемых в экспериментах, следующий: цемент- 84 кг/м3; известь - 56 кг/м3; песок - 221 кг/м3; аддитив - 45 кг/м3;

Вестник науки и образования Северо-Запада России

http://vestnik-nauki.ru/ -------

~~^ --2015, Т. 1, №3

обратный шлам - 89 кг/м ; алюминиевая паста - 0,383 кг/м3; В/Т = 0,44; расплыв по Суттарду 17 - 18 см; температура заливки - 36-36,5 °С.

Кроме контрольного (бездобавочного) состава, были изготовлены несколько партий с добавлением различного количества двуводного гипса: 1%, 2%, 2,5% и 12%. Ниже (рис. 5 -рис. 9) приведены рентгенограммы исследованных составов.

ё 0.

£ ....... о 0 1 о _______о. ка О "Ё........... о. О |........... & ш 1£|

О г О. Ш 10 О .........а"; СЧ1

о Г— >л ____п..... со 5 р

со со со _А, о* - « ^ г?..«......ч?_ в !<в # Л « - - $ 2 «  ^ м М 1 со I \ ~ £ , N Г- "V '"Л" " с^г - Л' " ,<-• г- 1 еч 1 в о Ал л Iе4'  о 1 т- СО 11 «СО II

13 15 Я 25 30 35 40 « 50 55 СО

Рисунок 5 - Рентгенограмма газосиликата марки по средней плотности Б 500 без добавления гипса

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Рисунок 6 - Рентгенограмма газобетона с добавлением 1 % гипса

10 Ч Ю !Е 5« 3$ 40 45 И $5 50

Рисунок 7 - Рентгенограмма газосиликата с добавлением 2 % гипса

Рисунок 8 - Рентгенограмма газосиликата с добавлением 2,5 % гипса

http://vestnik-nauki.ru/

Рисунок 9 - Рентгенограмма газосиликата с добавлением 12 % гипса

Как можно видеть из приведенных микрофотографий и рентгенограмм, гипс интенсифицирует кристаллообразование в структуре газосиликатов. Так, по мере увеличения содержания в газосиликатной смеси двуводного гипса от 1 до 2,5 % интенсивность кристаллообразования в гидросиликатной связке возрастает. Дальнейшее повышение его количества до 12 % приводит к снижению интенсивности пиков низкоосновных гидросиликатов тоберморитового ряда (11,3 АП, 3,08 АП, 2,97 АП). Повышенное отношение ширины пиков к высоте на рентгенограмме, приведенной на рис. 9, свидетельствует о плохой закристаллизованности и неоднородном составе тоберморита (11,3 АП) и других минералов тоберморитового ряда.

Основные результаты, полученные в эксперименте, приведены в табл. 4. и они подтверждают наше предыдущее утверждение.

Таблица 4 - Технологические и технические показатели исследованных составов газосиликатов

Наименование состава газосиликата Температура на выходе из зоны ферментации, ПС Пластическая прочность при резке, ед. Время созревания, час Прочность при сжатии, МПа

Контрольный состав 88,8 - 92 3,8 3,5 3,6 - 3,8

Состав с гипсом (1 %) 88,1 3,2 3 3,05

Состав с гипсом (2 %) 88,3 - 88,6 3,5 - 3,6 3 3,33

Состав с гипсом (2,5 %) 88,0 - 88,1 3,8 - 4 3 3,6

Состав с гипсом (12 %) 70 - 72 3,2 6 3,03

Из результатов, приведенных в табл. 4 видно, что при добавлении в газосиликатные смеси двуводного гипса в количестве до 2,5 % снижается время выдержки до полного созревания массива в камерах ферментации и температура гашения извести в сырце, наблюдается рост прочности газобетона после автоклавной обработки, но при дальнейшем повышении содержания гипса в составе смеси до 12 %, температуры внутри массивов значительно снижаются и, соответственно, замедляются процессы твердения газосиликата. снижается прочность готового газосиликатного бетона. По-видимому, избыток гипса затрудняет образование гидросиликатов кальция, снижая рН среды.

Замечено так же, что повышенное количество гипса способствует появлению пятен «непропаров» после автоклавной обработки (рис. 10).Такая продукция обычно отличается пониженной прочностью.

Рисунок 10 - «Непропары» на изделиях после автоклавной обработки газосиликата

Изложенное показывает, что:

- имеющиеся структуры гидросиликатной связки могут быть классифицированы не только по виду, но и по действующим в них внутренним связям;

- наиболее прочной является хорошо сформированная микрокристаллическая сетчатая структура гидросиликатов кальция;

- добавление гипса в состав газосиликатной смеси может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на свойства готовых изделий в зависимости от дозировки. Оптимальной является, дозировка гипса 1-2,5 %.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Антипина С. А., Смиренская С. А. Роль волластонита в формировании структуры газосиликата // Сб. тр. III всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (2-4.09.2004). Томск: ТПИ, 2004. С. 6-8.

2. Сегалова Е.Е., Ребиндер П.А. Возникновение кристаллизационных структур твердения в условиях развития их прочности // Новое в химии и технологии цемента. М.: Госстройиздат, 1962. С. 131-137.

3. Сулейманова Л.А., Кара К. А. Оптимизация состава неавтоклавного газобетона на композиционном вяжущем // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, 2012. №2. С. 28-30.

4. Чернышов Е.М. Управление процессами структурообразования и качеством силикатных автоклавных материалов (вопросы методологии, структурное материаловедение, инженерно-технологические задачи): автореф. дисс. ... д-ра техн. наук: 05.23.05 -Строительные материалы и изделия; ВГАСУ. Воронеж, 1988. 45 с.

5. Кафтаева М.В. Теоретическое обоснование совершенствования автоклавной технологии производства энергоэффективных газосиликатов: дисс. ... д-ра техн. наук: 05.17.11 - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов; БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2014. 299 с.

6. Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. Л.: Стройиздат, 1978. 368 с.

7. Бородянская М.В., Зильберфарб П.М. Влияние минералогического состава сырья на физико-механические свойства автоклавных бетонов // Сб. Автоклавные бетоны и изделия на их основе. Л.: ВНИИСТРОМ, 1972. С. 20-25.

8. Штейерт Н.П. Роль заполнителей в формировании прочности автоклавного цементного бетона // Цемент, 1952. №1. С. 6-8.

9. Гаевой А.Ф., Качура Б.А. Качество и долговечность ограждающих конструкций из ячеистого бетона / // Харьков: Изд-во «Вища школа», 1978. 224 с.

Вестник науки и образования Северо-Запада России

http://vestnik-nauki.ru/ -------

~~^ --2015, Т. 1, №3

10 Строкова В. В. Влияние генетических особенностей кварца на синтез новообразований в системе СаО-НгО-БЮг: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.05 -Строительные материалы и изделия; МИКХиС. Москва, 1997. 22 с.

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

12. Паримбетов Б.П., Куатбаев К.К. Влияние некоторых добавок на свойства известково-силикатных материалов из барханного песка // Сб. тр. ин-та строительства и сройматериалов. Алма-Ата, 1958. Т.1. С. 16-27.

13. Кржеминский С.А., Кройчук Л.А., Котикова З.П. и др. Влияние гипса на скорость связывания окиси кальция при автоклавной обработке силикатных материалов и на их прочность // Сборник трудов ВНИИСТРОМ. М., 1972. № 24 (52). С. 15-22.

14. Мещеряков Ю.Г., Климина О.М. Влияние условий твердения на прочность цементного камня в зависимости от минералогического состава портландцемента и добавки гипса // Строительные материалы из попутных продуктов промышленности. Межвуз. тематич. сбор. труд. Л.: ЛИСИ,1978. С. 80-85.

15. Бочерова Л.И. Влияние природного гипса на производство и свойства автоклавного газобетона // Сб. тр. научно-практической конференции «Современное производство автоклавного газобетона». Краснодар, 2013. С. 104-106.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кафтаева Маргарита Владиславна ФГОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», РФ, г. Белгород, кафедра Городского кадастра и инженерных изысканий, д-р техн. наук, доцент.

E-mail: kaftaeva61@yandex.ru

Kaftaeva Margarita Vladislavna FSEI HPE «Belgorod State Technological University, named after V.G. Shukhov», Belgorod, Russia, department of the Municipal Cadastre and Engineering Researches, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor. E-mail: kaftaeva61@yandex.ru

Рахимбаев Шарк Матрасулович ФГОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», РФ, г. Белгород, Россия, кафедра Строительного материаловедения, изделий и конструкций, д-р техн. наук, профессор. E-mail: i_rahim@mail.ru

Rakhimbaev Shark Matrasulovic FSEI HPE «Belgorod State Technological University, named after V.G. Shukhov», Belgorod, Russia, department of Construction Materials, Doctor of Technical Sciences, Professor. E-mail: i_rahim@mail.ru

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова д.36А, кв.38, Кафтаева М.В.

+7 9202055226.