Влияние активных минеральных наполнителей на формирование структуры и свойств энергоэффективных строительных композитов

ВЛИЯНИЕ АКТИВНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ

Рассматриваются механизмы повышения эксплуатационных характеристик теплоизоляционных материалов на основе силикатнатриевого стекла за счёт модифицирования системы алюминиевой пудрой, бурой и портландцементом при отверждении композиции в СВЧ-поле.

Теплоизоляционные материалы, жидкое стекло, модифицирование, структурообразование

A.V. Strakhov, N.A. Ivashchenko, D-К. Timokhin IMPACT OF ACTIVE MINERAL FILLERS ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF ENERGY-EFFICIENT BUILDING COMPOSITES

The article presents the mechanisms for improving the performance of insulation materials based on sodium silicate glass by modification of aluminum powder, brown and cement curing composition in a microwave field.

Insulation materials, water glass modification, structure

Рассматриваемые поризованные материалы являются продуктами термического вспучивания гидратированного силикатнатриевого стекла, представляющими собой неорганические полимеры [1, 2].

Основным из эксплуатационных свойств поризованного материала на основе жидкого стекла является его отношение к действию воды. Повышение водостойкости достигается: 1) использованием полимерных добавок и активных наполнителей; 2) управлением окислительно-восстановительными механизмами структурирования вяжущей матрицы; 3) параметрами и режимами термообработки.

Доказано, что одним из эффективных способов повышения водостойкости является применение веществ - структурообразователей, содержащих ионы Si'; Ca2+; Zn2+; Al3+; B2+. Химический механизм структурирования связан со способностью атомов Zn; Al; B и др. замещать атомы кремния в кремнекислородных тетраэдрах, составляющих основу структуры силикатнатриевого стекла [1]. При этом образуются кислотные центры с присоединенными одним (модификация бором или алюминием) или двумя (модификация цинком) катионами натрия:

=O3Si-O-Na+ + M

=O3Si-O-Na+ + M

Комплексы «кислотный центр-катион натрия» ведут себя подобно нерастворимой в воде натриевой соли сильной кислоты; в отличие от силикатного такой натрий не способен к гидролитическому выщелачиванию водой, что способствует повышению водостойкости материала. В комплексе «основные центры-катион натрия» структурирование протекает за счет обменных реакций [3].

В исследованиях вяжущей матрицей служил полученный одностадийным способом силикат-натриевый продукт с модулем n=1,2-1,6 и плотностью р=1550 кг/м3 [4].

Применяемые наполнители представлены фосфогипсом, цементом, гидратной известью, бурой, алюминевой пудрой и ультрадисперсными углеродсодержащими отходами.

Термическую обработку отформованных и подсушенных гранул производили СВЧ излучением на частоте в интервале от 2,2 до 2,6 ГГц в течение 1^2 минут при мощности СВЧ излучения 80^100 Вт (температура 80-90оС). Затем увеличивали мощность СВЧ-излучения и производили вспучивание полуфабриката на той же частоте в течение 3^5 минут при мощности СВЧ излучения 400^500 Вт (температура 240-250оС). Термическая обработка в два этапа проводилась для стабилизации и упрочнения поверхности гранул.

По результатам экспериментов был проведен анализ соотношения теплопроводности, плотности, прочности и коэффициента водостойкости в зависимости от степени наполнения и вида наполнителя-модификатора при температуре отверждения Тотв= 250°С. Показано, что в образцах, где в качестве наполнителя-модификатора использовался цемент в количестве 1-20 масс.ч, теплопроводность изменялась от 0,052 до 0,071 Вт/(м°С); плотность от 100 до 410 кг/м3; прочность от 0,13 до 1,04 МПа; а коэффициент водостойкости от 0,72 до 1,05. При содержании извести в количестве 1-10 масс.ч. теплопроводность изменялась от 0,054 - 0,074 Вт/(м°С); плотность от 120 до 460 кг/м3; прочность от 0,28 228

до 0,97 МПа; а коэффициент водостойкости - от 0,96 до 0,75. При использовании извести расход наполнителя по сравнению с цементом уменьшается при сохранении той же плотности и увеличении прочности образцов. Это объясняется тем, что гашеная известь переводится в различные соли (согласно данным РФА, в соответствующие карбонаты, гидросиликаты кальция).

Исследование динамики увеличения и потери массы в зависимости от времени выдержки в воде показало, что в зависимости от времени выдержки в воде и вида модификатора в течение 12-24 часов масса образцов теплоизоляционного материала (ТИМ) увеличивалась (коэффициент водостойкости, Кв ~ 1), однако после выдерживания в воде в течение 24 - 96 часов масса начинала снижаться (Кв < 1).

Совместное применение алюминиевой пудры и буры позволило повысить прочность и водостойкость материалов (Кв24= 1,01 и Кв96= 0,91; где 24,96 - время выдержки образцов в воде в часах (К-сж = 0,85 МПа; р = 180 кг/м3)). В композиции, содержащей 3 масс.ч. гашеной извести и 5 масс.ч. буры, водостойкость оказалась аналогичной ((Кв24 = 1,03 Кв96= 0,93) Ксж = 0,6 МПа; р = 250 кг/м3).

Наиболее высокие значения предела прочности при сжатии характерны для ТИМ, полученных при термической обработке в СВЧ-установке. Прочностные характеристики, равные 0,44-1,47 МПа, соответствовали известным аналогам, в то время как характеристики материалов, получаемых другими способами, были значительно меньше (0,035-0,054 МПа), что существенно сужает область их применения.

Экспериментально подобраны оптимальные режимы термообработки ТИМ. Общий анализ полученных данных (термообработка материалов проходила в интервале от 120 до 500°С) позволил сделать вывод, что наиболее приемлемым температурным режимом получения теплоизоляционного материала на основе жидкого стекла (ТИМ-ЖС) является режим 200-300°С, позволяющий получать материалы с плотностью 150-210 кг/м3, прочностью 0,28-0,44 МПа и теплопроводностью 0,05-0,063 Вт/(м°С). Анализ энергозатрат на получение ТИМ, а также анализ температурных режимов работы существующего оборудования позволил сделать вывод: наиболее эффективной для получения ТИМ-ЖС является температура 250°С.

Проведен анализ изменения теплопроводности, плотности, прочности и времени отверждения в зависимости от температуры отверждения ТИМ-ЖС (120-350°С), содержащих 5 масс.ч. цемента. При повышении температуры следующие характеристики материала уменьшались: теплопроводность от 0,104 до 0,041 Вт/(м°С), плотность с 1230 до 70 кг/м3, прочность от 9,04 до 0,18МПа и время отверждения композиций с 205 до 40 мин. Необходимо отметить, что наибольшее изменение прочности и плотности наблюдается при Т = 120-150°С (Ксж = 9,04-0,7 МПа; р = 1230-290 кг/м ), что указывает на целесообразность термообработки всех видов ТИМ-ЖС при температурах выше 150°С.

С целью изучения процессов структурообразования модифицированных ТИМ-ЖС и физикохимических свойств модификаторов были проведены термографический анализ (ТГА) и дифференциально-термический анализ (ДТА) некоторых исходных композиций и материалов после термообработки. Исходные композиции на основе ЖС, независимо от вида модификатора, при нагревании в интервале температур от 100-120°С первоначально изменялись по массе за счет выхода (испарения) неструктурной воды, сопровождаемого четким эндотермическим эффектом на кривых ДТА. Потеря массы исходных композиций в этом интервале температуры практически не зависела от вида модификатора и составляла 55-58%. Влияние модификаторов на скорость протекания процессов отверждения ТИМ прослеживалось в интервале температур 240-600°С в виде экзотермических эффектов на ДТА-кривых, имеющих пологий максимум в области 340-380°С.

Анализ кривых ТГА и ДТА образцов ТИМ, термообработанных при 250°С, позволил сделать вывод о том, что в полученных материалах остается химически связанная вода. Данные РФА подтверждают присутствие в структуре жидкостекольных композитов ряда кристаллогидратов. Наличие пологих максимумов на ДТА-кривых, расположенных в интервале температур от 250 до 600°С, по-видимому, свидетельствует о продолжении процессов отверждения теплоизоляционных материалов, а убыль массы в размере 8-11% указывает на протекание процесса выхода воды из структуры образовавшегося материала. Менее всего, судя по малой интегральной величине экзоэффекта, доотвержда-ются материалы, содержащие известь.

С целью установления конечных продуктов отверждения был проведен РФА модифицированных ТИМ-ЖС. Данные РФА позволили сделать вывод о том, что наиболее эффективными в плане повышения водостойкости композициями будут являться системы, которые уменьшают вероятность образования при отверждении кристаллической щелочи и способствуют образованию нерастворимых и малорастворимых соединений (поликремниевых кислот и смешанных силикатов, карбонатов, алюминатов различного строения: СаВ281208; А128Ю5; КаСа4А13815019; СапВ2814022; Са28Ю4 и других).

Таким образом, установлено, что модифицирование силикатнатриевой связки активными наполнителями направленно влияет на формирование структуры и свойств силикатнатриевых композиций, повышая технико-эксплуатационные показатели изделий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Корнеев В.И. Растворимое и жидкое стекло / В.И. Корнеев, В.В. Данилов. СПб.: Стройиздат, 1996. 216 с.

2. Сычев М.М. Неорганические клеи / М.М. Сычев. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1986. 152 с.

3. Малявский Н.И. Щелочносиликатные утеплители. Свойства и химические основы производства / Н.И. Малявский // Российский химический журнал (Журнал Рос. хим. общ-ва им Д.И. Менделеева). 2003. ХЬУШ. № 4. С. 39-45.

4. Павлова И.Л. Перспективы использования местного силицитового сырья в производстве строительных материалов / И.Л. Павлова, А.В. Страхов, Н.А. Иващенко // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сб. статей Между-нар. науч.-техн. конф. Пенза: ПДЗ, 2008. С. 68-69.

Страхов Александр Владимирович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и технологии»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Иващенко Наталья Александровна -

инженер кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Тимохин Денис Константинович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и технологии»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 03.05.12, принята к опубликованию

Alexander V. Strakhov -

Ph. D., Associate Professor Department of Building Materials and Technologies

Gagarin Saratov State Technical University

Natalya A. Ivashchenko -Engineer

Department of Building Materials and Technologies

Gagarin Saratov State Technical University

Denis K. Timokhin -

Ph. D., Associate Professor Department of Building Materials and Technologies

Gagarin Saratov State Technical University