Разработка технологий производства эффективных композиционных зольных вяжущих и бетонов на основе золыуноса ТЭЦ и силикатов натрия с использованием гидромеханоактивации
Содержание
Введение
1.
Состояние проблемы и задачи исследований
1.1
Перспективность использования золы для производства вяжущих веществ
1.2
Твердение щелочно-силикатных и щелочно-алюмосиликатных вяжущих при повышенных температурах
1.3
Опыт и перспективы использования силикатов натрия для производства вяжущих веществ
1.4
Интенсификация процессов твердения вяжущих веществ и бетонов с использованием механохимической активации
1.5
Основная гипотеза и задачи исследований
2.
Характеристика исходных материалов и методов исследований
2.1
Характеристика исходных материалов
2.2
Методы исследований
3.
Физико-химические основы получения активированных композиционных зольных вяжущих
3.1.
Влияние механохимической активации на процесс растворения силикат-глыбы
3.2.
Оптимизация параметров режима активации композиционных зольных вяжущих
3.2.1.
Оптимизация времени активации КЗВ
3.2.2.
Оптимизация водовяжущего отношения при гидромеханической активации
3.3.
Влияние механической активации на механизм гидратации и свойства композиционных зольных вяжущих
3.4.
Влияние механохимической активации на кинетику гидратации композиционных зольных вяжущих
4.
Исследование возможности получения ячеистого бетона на основе гидроактивированного композиционного зольного вяжущего
4.1.
Составы и основные свойства газозолобетона
4.2
Технологическая схема производства стеновых блоков
Заключение
Литература
Нормативные ссылки
ГОСТ 473.1-83, Силикат глыбас кремнеземистым модулем 2,7 - 2,9. Стандартинформ. 2007, 5 с.
ГОСТ 25818-91. Золы-уноса тепловых электростанций для. М.: Стандартинформ. 2003, 12 с.
ГОСТ 23732 - 2011. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические. М.: Стандартинформ. 2012, 12 с.
ГОСТ 30459-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Методы определения эффективности. М.: Стандартинформ. 2008, 24 c.
ГОСТ 10181-2014. Смеси бетонные. Методы испытаний. М.: Стандартинформ. 2015, 28 с.
ГОСТ 10181-2000 Смеси бетонные. Методы испытаний
ГОСТ 10060-2012. Межгосударственный стандарт. Бетоны. Методы определения морозостойкости.
ГОСТ 12730.1-78. Бетоны. Методы определения плотности. М.: Стандартинформ. 2007, 5 с.
ГОСТ 12730.0-78. Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости. М.: Стандартинформ. 2007, 3 с.
ГОСТ 12730.3-78. Бетоны. Метод определения водопоглощения. М.: Стандартинформ. 2007, 4 с.
ГОСТ 12730.2-78. Бетоны. Метод определения влажности. М.: Стандартинформ. 2007, 4 с.
ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. М.:
Стандартинформ. 2007, 12 с.
ГОСТ 12730.4-78. Бетоны. Методы определения показателей пористости. М.:
Стандартинформ. 2007, 7 с.
ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний. М.: Стандартинформ. 2018, 109 с.
ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Стандартинформ. 2013, 35 с.
ГОСТ 27677-88. Защита от коррозии в строительстве. Бетоны. Общие требования к проведению испытаний. М.: Стандартинформ. 2004, 7 с.
ГОСТ 56687-2015. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Метод определения сульфатостойкости бетона. М.: Стандартинформ. 2015, 8 с.
ГОСТ 24544-81*. Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести. М.: Стандартинформ. 1986, 26 с.
ГОСТ 25094-2015. Добавки активные минеральные для цементов. Метод определения активности. М.: Стандартинформ. 2016, 7 с.
Определения
Адгезия частиц - взаимодействие частиц и твердой поверхности стенок аппарата, рабочих органов аппарата и т. п. когезия - это связь между молекулами, приводящая к образованию единого твердого тела (возникает в месте контакта взаимодействующих тел
Агломерация - процесс слипания мелких частиц друг с другом, в результате которого образуются более крупные соединения частиц, агломераты, что облегчает растворение порошка в воде.
Гидратация - процесс связывания частиц растворимого в воде вещества с молекулами воды. Механизм и работа диспергирования. При диспергировании твердых тел в жидкой среде наблюдаются два противоположных процесса уменьшение размеров частиц дисперсной фазы вследствие их разрушения внешней силой и процесс укрупнения тонко-дисперсных частиц в результате самопроизвольных или вызываемых внешними силами явлений флокуляции, агломерации и агрегации
Эффект механоактивации компонентов бетонной смеси - заключается в переходе пассивной (неактивной) поверхности как вяжущих, так и инертных материалов к химически активному состоянию, которое выражается в повышенной способности к реакциям в ходе последующих технологических операций.
Золы состоят из неорганической и органической фаз. Неорганическая фаза включает аморфную и кристаллическую составляющие. Аморфная составляющая может быть представлена стеклом и аморфизованным глинистым веществом.
Кристаллическая составляющая включает, во-первых, слабоизмененные зерна минералов исходного топлива (кварц, полевые шпаты и другие термически устойчивые минералы), а во-вторых, кристаллические новообразования, возникшие при сжигании топлива (муллит, гематит, алюминат кальция и др.).
Стекло в золах может быть силикатного, алюмосиликатного, иногда железистоалюмосиликатного состава. В зависимости от состава стекло может быть бесцветным, желтым, бурым и даже черным.
Вид аморфной фазы (метакаолинит, слабоспекшееся аморфизованное глинистое вещество, спекшееся и частично остеклованное стекло) определяет химическую активность золы, форму и характер поверхности зольных частиц.
Изотермическое исследование - метод рассмотрения изменений, происходящих в системе при постоянной температуре, но при переменном составе.
Метастабильная фаза - состояние вещества, характеризующееся ограниченной устойчивостью в определенных условиях.
Полиморфизм - способность некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических формах одного и того же химического состава, но отличающихся кристаллической структурой и физическими свойствами;
Система - одно тело или такая совокупность тел, в которой между телами возможен теплообмен, а также диффузия хотя бы одного из веществ.
Компонент - составная часть системы.
Фаза - любая физическая гомогенная часть системы, ограниченная поверхностью фазового раздела так, что она механически (в принципе) может быть обособлена от других частей.
Катализатор - вещество, которое или резко меняет скорость реакции, или вызывает ее, если она не идет, но принципиально осуществимо.
Обозначения и сокращения
СГ - силикат глыба
СНКВ - силикат натриевое композиционное вяжущее
КЗВ - композиционное зольное вяжущее
ШЩВ - шлакощелочные вяжущие
ЗЩВ - золощелочных вяжущих
ВКВС - водные керамические вяжущие суспензии
ПАВ - поверхностно-активные вещества
ГМА - гидромеханохимическая активация
СА - сухая активация
ТО - тепловой обработки
заключение;
список использованных источников;
Введение
Актуальность темы. Приоритетными направлениями развития промышленности строительных материалов является обеспечение качества и конкурентоспособности продукции, снижение энергоемкости технологического процесса получения, использование местных сырьевых ресурсов, а также увеличение объема их производства, более полного использования потенциальных возможностей местного минерального сырья и отходов промышленности для производства эффективных строительных материалов. Перспективными в этом плане являются строительные материалы на основе шлакощелочных вяжущих (ШЩВ).
Производство таких материалов за счет использования промышленных отходов приводит к экономии природных ресурсов и к снятию экологической напряженности. Актуальность вопроса расширения сырьевой базы для производства ШЩВ вызвана тем, что огромные количества золы и шлака скопились в отвалах, занимающих ценные земельные угодья. Содержание золошлаковых отвалов требует значительных затрат. В то же время золы и шлаки являются материалами, прошедшими высокотемпературную обработку и получившими специфические свойства, предопределяющие возможность их эффективного использования в производстве различных строительных материалов, что подтверждается научными исследованиями и практическим опытом.
Степень изученности темы. Известные труды В.Д.Глуховского, В.А.Ракша, Л.А. Маясовой, Р.Ф. Руновой и других в области комплексного использования золы показал перспективность ее применения в качестве алюмосиликатного компонента бесклинкерных вяжущих.
Целью настоящей работы является разработка технологий производства эффективных композиционных зольных вяжущих и бетонов на основе золы-уноса ТЭЦ и силикатов натрия с использованием гидромеханоактивации. В связи с этим основными направлениями исследований были выбраны следующие:
- разработка и оптимизация составов эффективных композиционных зольных вяжущих на основе золы-уноса и твердых силикатов натрия; исследование закономерностей гидратационного твердения композиционных зольных вяжущих, полученных совместным помолом золы-уноса и силикат-глыбы при различных показателях дисперсности, параметрах гидромеханоактивации и режимах тепловой обработки;
- изучение механизма, кинетики процесса гидратации и твердения композиционных зольных вяжущих, идентифицирование фазового состава новообразований;
- разработка составов и технологии производства коррозионостойких и ячеистых бетонов на основе гидромеханоактивированных композиционных зольных вяжущих.
Объект и предмет исследования. Стеновой материал на композиционном зольном вяжущем (КЗВ), полученным путем совместного помола золы-унос и силиката натрия в условиях гидромеханохимической активации. Исследование физико-химических и физико-механических свойств сырьевых материалов и стенового материала.
Методы исследования. Физико-механические свойства образцов определяли по известным методикам на стандартном оборудовании.
Связь данной работы с другими научно-исследовательскимиэкспериме нтально-исследовательскими работами. Данная работа выполнялась в соответствии с программой госбюджетных исследовании ТарГУ им. М.Х.Дулати (2018 - 2020 г.).
Положения выносимые на защиту. Целью работы является разработка составов и технологии композиционных зольных вяжущих и материала на их основе
Для реализации поставленной цели в работе решены следующие научно-технологические задачи, выносимые на защиту:
представления о природе, механизме поведения золы и твердых силикатов натрия в гидроактивированных композиционных зольных вяжущих и бетонах.
составы и технология производства гидроактивированных композиционных зольных вяжущих твердеющих в условиях сушки.
Новизна, научная и практическая значимость исследования.
Научная новизна состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности применения разработаных составов гидромеханоактивированных композиционных зольных вяжущих и бетонов на их основе, эффективно твердеющих в условиях сушки.
предложены теоретические положения по ускоренному синтезу композиционных зольных вяжущих на основе золы и силиката-натрия в условиях совместной гидромеханоактивации, при которой существенно активизируются процессы диссоциации исходных компонентов, в результате чего ускоряются процессы гидратации и твердения вяжущих в целом.
подтверждена научная гипотеза о возможности получения эффективных композиционных зольных вяжущих и бетонов на основе золы и силиката натрия в условиях гидромеханоактивации и сушки.
Разработана энергосберегающая технология производства неавтоклавных эффективных композиционных зольных вяжущих путем совместного помола в присутствии воды, золы и силиката натрия. Гидромеханоактивация вяжущих, позволяет снизить технологические энергозатраты на их производство.
1. Состояние проблемы и задачи исследований
Дефицит материальных и энергетических ресурсов требует более полного использования потенциальных возможностей местного минерального сырья и отходов промышленности для производства эффективных строительных материалов.
В обозримой перспективе в промышленности строительных материалов и стройиндустрии должны произойти существенные изменения как технологического, так и организационного характера. Скорее всего сохранится тенденция к регионализации рынков основных видов строительных материалов и изделий. Первоочередными вопросами являются оптимизация мощностей предприятий- производителей отдельных видов строительных материалов и их диверсификация с учетом структуры строительства и строительной активности в регионе. Это связано с тем, что перевозки большинства видов строительных материалов с низким отношением цены к массе даже на сравнительно небольшие расстояния резко повышает себестоимость строительства. В будущем должна сложится тенденция к формированию региональных строительных комплексов, контролирующих как строительные организации, так и производителей строительных материалов.
Разработка и внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий производства строительных материалов, в первую очередь цемента и стекла, керамического кирпича и др. является одной из важнейших составляющих промышленности строительных материалов. В этом направлении интерес представляет производство эффективных строительных материалов на основе малоклинкерных и бесклинкерных вяжущих с использованием побочных продуктов и отходов промышленности, в частности золошлаковых отходов теплоэнергетики.
Одним из приоритетных направлений Стратегии развития Казахстана до 2030 года признано жилищное строительство, наряду с развитием гражданского, промышленного и специального строительства.
Главная составляющая строительной отрасли экономики - промышленность строительных материалов. Являясь основой материальной базой для строительства, она существенно влияет на темпы роста в других отраслях экономики и социальное состояние общества в целом.
Согласно прогнозам Мирового энергетического агентства в ближайшие десятилетия мир не откажется от угольной энергетики, и она сохранит важную роль в Европе и во всем мире. Сегодня в Казахстане 80% энергии вырабатывается на угольных станциях. Поэтому основным источником энергии в стране в ближайшее время будут теплоэлектростанции.
Использование традиционного процесса тонкого измельчения для получения бесклинкерных вяжущих веществ на основе золы ТЭЦ позволяет использовать термодинамическую неустойчивость последних, высвобождая часть внутренней энергии вещества, реализуемой в последующих процессах твердения. Это позволяет сократить режим тепловой обработки (ТО) строительных материалов и изделий на основе золы при сохранении высоких механических свойств материалов; расширить сырьевую базу и снять экологическую напряженность, что является одной из актуальных задач в современном производстве строительных материалов.
Как известно, механоактивация материалов в сухом виде характеризуется повышенными пылеуносом и энергетическими затратами по сравнению с гидромеханоактивацией материалов. Поэтому повышение активности бесклинкерных вяжущих на основе золы теплоэнергетики гидромеханоактивацией представляет практический интерес и позволяет заменить дорогостоящий портландцемент.
Возросшие в последние годы инвестиционные возможности отдельных предприятий, изменение тенденций рынка, введение в действие новых, более жестких норм для вновь возводимых и реконструируемых зданий привели к повышению спроса на эффективные стеновые и другие строительные материалы. Опыт развития мировой цементной науки и промышленности свидетельствует, что одним из основных направлений современных разработок по химии и технологии новых и перспективных цементов является снижение энергоемкости и себестоимости производства портландцемента путем перехода от чисто клинкерных к современным многокомпонентным цементам или к бесклинкерным вяжущим [1]. Перспективными в этом плане являются строительные материалы на основе шлакощелочных вяжущих (ШЩВ). Производство таких материалов за счет использования промышленных отходов' приводит к экономии природных ресурсов и к снятию экологической напряженности. Актуальность вопроса расширения сырьевой базы для производства ШЩВ вызвана тем, что известные и широко используемые доменные, электротермофосфорные, ваграночные и прочие шлаки имеют недостаточную распространенность на территории Казахстана. Источником местного альтернативного им сырья являются золошлаковые отходы ТЭЦ.
Объемы отвальных золошлаковых смесей растут год от года. Между тем, они представляют собой доступное, дешевое и недефицитное алюмосиликатное сырье, имеющее невысокий модуль основности. До 80-85% золошлаковых отходов составляет зола-унос - продукт сжигания топлива при температуре 1200-1700°С.
Используемая сейчас в подавляющем большинстве случаев система гидрозолоудаления экономически невыгодна (растут расходы на содержание золошлакоотвалов) и экологически нецелесообразна. Экологический вред связан с отчуждением значительных площадей, засорением естественных водоемов, запылением прилегающих территорий.
Привлекательность системы пневмозолоудаления состоит в возможности выдачи сухой золы потребителям, организации сбора и сортировки золы по фракциям, снижении водопотребления на удаление золы. Переход на сухое складирование золы превращает ее из экологически вредного побочного продукта тепловой энергетики в товар, который может продаваться заинтересованным предприятиям строительной индустрии.
Отечественная и зарубежная практика свидетельствует об огромных возможностях применения золы сухого отбора в качестве ценного сырья для производства высококачественных и дешевых строительных материалов и изделий широкой номенклатуры.
Золы используются для производства вяжущих веществ различных типов: известково-зольные [2,3,4,5], золощелочные [6], вяжущие низкой водопотребности [7], тонкомолотые многокомпонентные цементы и др. Перспективность использования золы-уноса обусловлена ее распространенностью и химической активностью.
Использование традиционного процесса тонкого измельчения для получения бесклинкерных вяжущих веществ на основе золы позволяет использовать термодинамическую неустойчивость последних, высвобождая часть внутренней энергии вещества, реализуемой в последующих процессах твердения. Это позволяет сократить режим тепловлажностной обработки (ТВО) строительных материалов и изделий на основе золы при сохранении высоких механических свойств материалов; расширить сырьевую базу, что является одной из актуальных задач в современном производстве строительных материалов.
1.1 Перспективность использования золы в производстве вяжущих веществ.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также данные практического применения показывают, что минеральная часть топливосодержащкх отходов энергетической промышленности обладает уникальными свойствами и, как было указано, золы теплоэнергетики являются сырьем для производства эффективных строительных материалов и изделий.
Преимущественным использованием золы с экономической точки зрения является ее повсеместная распространенность, обусловленная наличием электростанций во всех районах страны, что сводит к минимуму транспортные расходы по доставке золы к месту строительства. На рис. 1. показаны основные направления использования зол для производства строительных материалов.
Рисунок 1. Основные направления использования золы для производства строительных материалов.
Использование золы при производстве цемента: Золы используют в качестве тонкомолотой добавки для снижения расхода цемента и тепловыделения в изделиях для гидротехнических сооружений, заменяя часть цемента золой, а также в тех случаях, когда по прочности бетона требуется меньший расход цемента, чем минимально допустимый по условию получения плотного бетона.
Топливные золы и шлаки как компонент цементной сырьевой смеси. На ряде цементных заводов доменные гранулированные шлаки применяются в качестве сырья. Топливные шлаки также могут быть введены в состав сырьевой цементной шихты либо непосредственно, либо при вдувании размолотого шлака с горячего конца вращаюшейся печи. Особенность использования топливных гранулированных шлаков состоит, прежде всего, в том, что они не должны размалываться и практически не содержат несгоревших частиц топлива. Наличие частиц угля в золошлаковых отходах, применяемых в качестве сырьевого компонента цементной шихты, является положительным фактором. В состав портландцементных сырьевых смесей на основе доменного шлака необходимо вводить корректирующие добавки (железо- и кремнеземсодержащую) из-за практически полного отсутствия в доменных шлаках окислов железа и недостатка SiO2. Содержание сланцевого шлака в сырьевой смеси может составлять 40-65 % (в зависимости от чистоты карбонатного компонента). Для сравнения количество доменного шлака в составе цементной сырьевой смеси обычно не превышает 35-45%, а глины - 18-22%. Расчеты показывают, что при использовании сланцевого шлака может быть получено (по сравнению с сырьевой шихтой на глине): во-первых, снижение расхода известняка на 1 тонну клинкера примерно на 40%, следовательно, снижение удельного расхода тепла на обжиг сырьевой смеси; во-вторых, повышение выхода клинкера из 1 тонны сырья примерно на 15-20%, следовательно, заметное увеличение производительности печи. Топливные гранулированные шлаки используются, как активная добавка к цементам.
Использование золы при производстве пористых заполнителей: Золы используют для приготовления искусственных пористых заполнителей; аглопоритового и зольного гравия. Аглопоритовый гравий из зол ТЭС готовят методом спекания сырцовых гранул на решетках агломерационных машин. Пористые зольные заполнители приближаются по своим свойствам к керамзиту, но дешевле его. На пористых зольных заполнителях можно получать эффективные легкие бетоны. Золы можно использовать также для приготовления безобжигового зольного гравия. Сразу после грануляции прочность гравия составляет 0,6-1 МПа. После кратковременной тепловой обработки (2-Зч) гравий приобретает прочность 1-2МПа и используется для приготовления бетона. Дальнейшее твердение гравия происходит непосредственно в массе бетона, что обеспечивает высокую монолитность материала. Безобжиговый зольный гравий имеет плотность 600-900кгм[3] и прочность 4,5-6МПа (после нормального твердения в течение 28 суток). Из зольных гранул можно получать бетоны плотностью 900-2000кгм[3] и с прочностью 5-40МПа. Для облегчения гравия в него вводят отходы ячеистого бетона и другие пористые материалы. Безобжиговый зольный гравий получают при меньших затратах топлива, чем обжиговые заполнители (25-30кг, условного топлива и 40-60 Квт*ч электроэнергии на 1м гравия вместо 90-110 кг). Для изготовления безобжигового гравия помимо золы можно использовать различные тонкомолотые отходы промышленного производства. Поскольку для приготовления безобжигового гравия идет вяжущее вещество, его применение должно в каждом конкретном случае обосновывать технико-экономическим расчетом.
Использование золы при производстве ячеистых бетонов: Ячеистые бетоны, приготовленные с использованием золы до 60-80% золы по массе, как правило, также эффективны, как и ячеистые бетоны на тонкомолотом кремнеземистом заполнителе. Прочность автоклавного (Рисунок 2.) золобетона обычно составляет 3-6МПа при плотности 600 кгм[3]; 5-10МПа при 800 кгм[3] и 12-24МПа при 1100 кгм[3]. В строительстве наибольшее применение находят ячеистые золобетоны с плотностью 600... 1000 кгм[3].
Использование золы при производстве керамического кирпича: Одним сульфатом натрия и хлоридом кальция.
Рисунок 2. Влияние температуры на растворимость кремнезема 1 - зола с известью; 2 - зола без извести; 3 - кристаллический кварц
Под руководством Руновой Р.Ф. [8] исследованы процессы гидратации высококальциевых золошлаковых смесей и дисперсных композиций на их основе, выявлены контактно-кондесационные свойства продуктов гидратации.
Изучен механизм отвердевания таких систем, позволяющий предложить технологию переработки зол по мокрому способу. В этом случае открывается возможность получения из гидроотвальных золошлаков искусственного камня за более короткий период времени при меньших энергозатратах.
Аналогично известковой активизации зол возможна их щелочная (R20) активизация, позволяющая получать вяжущие, аналогичные щелочно - силикатным и щелочно-алюмосиликатным системам. Кроме того, кислый характер зол вызывает необходимость использования щелочного компонента. Исследования показали [9], что прочность при сжатии гидравлических вяжущих, представляющих собой смесь едких щелочей с различными аморфизированными веществами: цемянкой, дегидратированными глинистыми минералами, топливными шлаками и др., находится в пределах 50 - 100 МПа. Руновой Р.Ф. [10] показано, что в щелочно-щелочноземельных алюмосиликатных вяжущих на основе топливных зол частицы несгоревшего угля (содержание до 40%) вносят конструктивный вклад в процессы структурообразования за счет упрочнения связи между продуктами гидратации и такими частицами, поляризация поверхности которых увеличивается в щелочной среде с образованием на ней кальциевых солей.
А.Катц [11] в своих работах изучил механизм активации золы-уноса при затворении ее раствором СаОН различной концентрации, при различных водовяжущих отношениях и условиях температурной обработки. Автор показал, что с увеличением концентрации щелочи в растворе и увеличением температуры хранения образцов до 90°С и выше, реактивность золы-уноса увеличивается, повышается прочность золощелочного вяжущего.
Таким образом, одним из перспективных направлений производства эффективных бетонов (бетонов повышенной стойкости в агрессивных средах, ячеистых бетонов, идущих на производство стеновых материалов и изделий, и др.) является их производство на основе золощелочных вяжущих (ЗЩВ). Интерес представляет рассмотрение фазового состава продуктов твердения данных вяжущих, полученных по типу шлакощелочных вяжущих, определяющего основные строительно-технические свойства строительных материалов на их основе. Шлакощелочное вяжущее представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом металлургических шлаков и затворением их растворами соединений щелочных металлов, дающих в водных условиях щелочную реакцию [12,13].
1.2 Твердение щелочно-силикатных и щелочно-алюмосиликатных вяжущих при повышенных температурах.
Одной из разновидностей щелочно-силикатных вяжущих является кремнецемент и кремнебетон на его основе, предложенный Кирилишиным В.П. [14-16]. Кирилишин В.П. и другие показали возможность получения кремнебетона вследствие так называемого эффекта кристаллизационного твердения стеклообразного кремнезема. В качестве теоретической основы синтеза вяжущего для получения этого бетона выдвинут эффект кристаллизационного твердения стеклообразного кремнезема. Действие эффекта, по данным авторов [14-16], заключается в том, что в процессе изотермической выдержки при автоклавировании смеси аморфного кремнезема и тонкодисперсного кварца в присутствии щелочного компонента, происходит, ввиду растворения аморфной составляющей, пересыщение раствора кремнеземом, который осаждается на микрочастицах кварца, как на подложке. Процесс последовательно повторяется до полного растворения и кристаллизации стеклообразного кремнезема вне занимаемого ранее собственного объема на микрочастицах кварца-затравки [15,16]. Это ведет к образованию монолитных кристаллических сростков из микрочастиц затравочного кварца, окруженного оболочками кварцевых образований - кремнецемента.
Как указывается в работе [16], значительное влияние на прочностные показатели кремнецемента и изделий на его основе оказывает процесс гидротермальной обработки. Для получения наиболее плотного и устойчивого камня она должна составлять (1,5-2)+(18-20)+(1,5-2) ч при давлении пара 1,3-1,6 МПа. В результате, по данным автора, синтезируется камень, обладающий хорошими показателями прочности, морозостойкости, химической стойкости в щелочных и кислотных средах, но не достаточно устойчивый к действию воды. Как отмечает автор, коэффициент размягчения находится в пределах 0,48-0,63 и зависит от содержания щелочи в системе [96]. Действительно щелочь, входящая в состав стекла, выполняет на стадии структурообразования положительную роль - повышает растворимость стекла, а, следовательно, концентрацию кремнезема в растворе, ведущую к наиболее полному его переходу из стекла на кварцевые подложки, с последующим процессом кристаллизации и цементации. Однако в итоге процесса структурообразования щелочь остается связанной только в виде неводостойких щелочных гидросиликатов общего вида R2О х nSiO2 х шН2О, ибо иных соединений, с которыми бы она образовала устойчивые новообразования, в составе кремнецемента нет.
Таким образом, с целью получения на основе высококремнеземистого сырья водостойких изделий необходимо дополнительное введение в систему извне компонентов, способных связать щелочь в устойчивые новообразования.
В.Д.Глуховским впервые была раскрыта возможность создания гидравлических вяжущих, описывающихся системой окислов R 2О - R 2О3 - SiO2, где: R 2О - щелочные окислы (Li 2О, Na 2О, К 2О, Rb 2О, Sr 2О), R2O3 - амфотерные (А12О3, Fe 2О3, Сг2 Оз и т.п.), т.е. отличающиеся от предыдущей системы наличием R2O3 [52 - 69].
Данные гидравлические щелочные алюмосиликатные вяжущие вещества - это дисперсные системы, получаемые путем тонкого помола стекол, спеков, горных пород и др., взятых в соотношениях R 20:R 2О3: Si02=1:1:(2-4) [12,17,18]. Процессы гидратации и твердения таких вяжущих в определенной мере сходны с процессами, протекающими в портландцементе, и при химическом выветривании горных пород содержащих щелочные соединения, в частности полевые шпаты [54, 56]. Их сущность сводится к гидратации безводного щелочного алюмосиликата, диспергации вещества и кристаллизации на его основе водных щелочных алюмосиликатов.
Опираясь на полученные данные, автор заключил, что существенное влияние на условия твердения оказывает основность среды. Так, высокоосновные стекла твердеют в обычных условиях, а низкоосновные проявляют гидравличность только в условиях автоклавной обработки [18, 19,20,21,22,], при этом фазовый анализ обнаруживает в синтезируемом камне ряд цеолитоподобных минералов. В пропаренных образцах вяжущего нефелинового состава на воде, а также на гидроокиси и карбонате натрия отмечена кристаллизация цеолита с межплоскостными расстояниями dn=7,07; 4,04; 3,18; 2,68 А, относимых к нефелин-гидрату.
В автоклавированных образцах продукты твердения представлены анальцимом. В пропаренных образцах с силикатным модулем 0,12 -0,19. кристаллизуются цеолитоподобные минералы типа натролита. Продукты твердения стекол альбитового состава, гидратация которых происходила в условиях избытка щелочи, имеют кристаллизационную структуру с межплоскостными расстояниями dn=6,16; 3,60; 2,72; 2,55; 2,08. А и. относятся к натриевым цеолитам типа нефелин- гидрата.
Дальнейшие исследования [17, 23, 24, 25, 26, 27, 28] показали, что в условиях тепловлажностной обработки мономинеральные и полиминеральные глины (каолин, бентонит) вступают в интенсивное взаимодействие с щелочами. В результате этого взаимодействия, которое сопровождается процессом химической гидратации минералов щелочными растворами, возникают гидроалюмосиликатные новообразования типа анальцима, гидронефелина, калиевого гидроалюмосиликата состава К2ОхЗА120з х 6SiO2 х 2Н2О2.
Также уточняется, что соединения типов анальцима и калиевого гидроалюмосиликата возникают при запаривании или длительном пропаривании. Результатом взаимодействия указанных глин со щелочами, при обычной обработке (пропаривание в течение 16 ч) является возникновение соединений, подобных гидронефелину. Автором предлагается, что в тех случаях, когда не наблюдается образование К2ОхЗА120з х 6SiO2 х 2Н2О2, необходимо вводить извне дополнительные компоненты. В качестве таких компонентов предполагается применять глины и другие минеральные вещества, богатые глиноземом, или доменные гранулированные шлаки [ 28]. В этом случае достигается
значительный прирост прочности за счет взаимодействия избыточной щелочи и вводимого извне алюмосиликатного компонента.
Работы [28, 29] обосновывает термодинамическим методом стадийность процессов силикатообразования в смесях на основе глин различных структурных типов с соединениями щелочных металлов при различных температурах и фазовый состав возникающих при этом новообразований. Выявлено, что глины трех структурных типов (I, II, III), затворенные растворами щелочи NаОН, в условиях автоклавирования образуют в составе синтезированного камня фазу анальцима, в условиях пропаривания - натролит, гидронефелин, анальцим. При нагревании полученного камня до 90°С наблюдается переход через промежуточную фазу в нефелин. При дальнейшем подъеме температуры до 95°С и выдержке при ней в течение 3 ч взаимодействует остальная часть кремнезема и в результате происходит кристаллизация с образованием У альбита. Установлено, что на всех этапах изменения кристаллической структуры синтезированные новообразования проявляют вяжущие свойства.
Аналогичные исследования с применением в качестве щелочного компонента соединения калия выполнены Р.С.Жуковой [30, 31], подтвердившей возможность синтеза водостойкого искусственного камня, прочность которого обусловлена формированием новообразований в виде калиевых гидроалюмосиликатов. Исследования [32,33,34] позволили получить конкретные данные о характере взаимодействия и природе новообразований, возникающих на основе глинистых породообразующих минералов и карбонатов Nа и К.
Условия обработки исследуемых вяжущих были представлены семью циклами автоклавирования; по мнению автора, данная продолжительность обеспечивает достаточно полное прохождение реакции гидратации [34].Взаимодействие каолинита с карбонатом натрия ведет к образованию мелкодисперсных кристаллов в виде сферолитов, близких по структуре к содалиту, а более точно - к карбонат-содалиту. Помимо этого, обнаружен нефелин-гидрат II. Монтмориллонит, гидрослюда с карбонатом натрия образуют новообразования, близкие к анальциму. На основе гидрослюды и К2СОз помимо образований цеолитного характера кристаллизуется слоистое вещество, близкое к фенгиту. Проведенные автором термодинамические расчеты реакции взаимодействия указанных выше компонентов подтверждают возможность протекания их не только в условиях автоклавирования, но и пропаривания и в естественных условиях с образованием стабильных продуктов типа калиофелита и анальцима.
В исследованиях [9,19,35,36] использовались низкоосновные стекловидные алюмосиликаты модели мариоуполита, альбита и ортоклаза. Экспериментальные данные показывают, что низкоосновные стекла исследуемых составов гидратируются водой слабо с образованием камня весьма незначительной прочности. Значительно увеличиваются прочности образцов при затворении стекол растворами едких щелочей: до 50-70 МПа на образцах из теста нормальной густоты и 40-50 МПа на растворе состава 1:3 после пропаривания. Этими данными еще раз подтверждается положение о влиянии на активность щелочных алюмосиликатных вяжущих основности среды затворения [12, 21].
Синтез прочности камня объясняется характером новообразований, так при взаимодействии стекла мариуполитового состава со щелочью в условиях пропаривания образуется высококремнеземистый цеолит типа Na2O х AI2ОЗ х 4SiO2 х 2Н2О и нефелин-гидрат I. С течением времени автором отмечается перекристаллизация фаз в сторону их стабилизации: после трехмесячного хранения возникает фаза анальцима Na2O х AI2ОЗ х 4SiO2 х 2Н2О и гидронефелина Na2O х AI2ОЗ х 2SiO2 х 2Н2О, отличающихся, как известно [54, 55,154], устойчивостью и долговечностью.
При нагревании продуктов гидратации и твердения до 900°С наблюдается перекристаллизация в безводные щелочные алюмосиликаты соответствующего состава.
Таким образом, из работ Р.Ф. Руновой следует, что щелочные алюмосиликатные стекла, полученные плавлением горных пород, природных стекол и др. в сочетании с щелочным затворителем в виде растворов едких щелочей могут рассматриваться как цементы гидратационного твердения, свойства которых определяют возникающие гидратные новообразования, аналогичные природным минералам типа цеолитов [33, 34].
В работах [37,38,39] исследовалась композиция на основе природных алюмосиликатных стекол - эффузивных горных пород и щелочных затворителей. Установлено, что активность взаимодействия пород с растворами щелочей зависит от химического состава и физического состояния эффузивных пород и возрастает с увеличением концентрации растворов одних щелочей и продолжительности обработки. Так, например, обработка эффузивных стеклоподобных пород типа перлита, базальта 20%-ным раствором едкого натра в течение 6 ч приводит к образованию кристаллических продуктов - цеолитов типа гидросодалита [40]. С увеличением закристаллизованное пород, т.е. перехода от кислых к средним, степень их гидратации снижается. В процессе щелочной обработки средних и основных пород автором обнаружено также возникновение фаз типа содалита и натролита. Установлено, что эффузивные породы могут гидратироваться не только щелочами, но и солями щелочных металлов, дающими в водных растворах щелочную реакцию. Продукты твердения в данном-случае не отличаются от образований при гидратации растворами щелочей, но отмечается, что скорость твердения несколько снижается.
П.А.Иващенко [41], получая на основе алюмосиликатного (перлит, трепел) и щелочного компонентов искусственный камень с прочностью 48,5 МПа, отмечают наличие в нем после автоклавирования щелочных поровых растворов в виде силикатов натрия. Для нейтрализации их они вводят 0,5-1 % боксита, содержащего активный глинозем, который связывает избыточный щелочной силикатный раствор в устойчивые щелочные гидроалюмосиликаты - аналоги природных цеолитов.
В работах А.П. Меркина и М.И. Зейфмана [42] доказано, что вулканические высококремнеземистые стекла алюмосиликатного состава при затворении слабыми растворами едких щелочей или солей щелочных металлов при последующей тепловлажностной обработке проявляют способность к гидратационному твердению. Авторы утверждают, что гидравлическая активность вулканических пород зависит от величины реакционной поверхности, расхода щелочного компонента и параметров тепловлажностной обработки. Наиболее высокой гидравлической активностью, как указано в результатах исследований, обладают стекла эффузивного генезиса, расположенные в областях кайнозойского вулканизма [42]. Установлены рациональные значения технологических параметров, обеспечивающих на основе перлита и обсидиана вяжуще с прочностью на сжатие 40-60 МПа при испытании в растворах 1:3. Фазовый состав формируемого камня представлен щелочными гидроалюмосиликатами и выделяющимся гелем кремнекислоты. Состав цементирующего вещества, обладающий помимо когезионной прочности также высокой адгезией к заполнителю, обусловливает получение на его основе высокопрочного (до 100 МПа), водо- и морозостойкого бетона [43, 44].
Исследования по использованию высококремнеземистых природных стекол получили дальнейшее развитие в работе Ю.В.Сычева [45, 46]. Автор при рассмотрении путей модифицирования существующих кремнеземистых вяжущих находит возможность получения водостойких изделий с использованием в качестве аморфных высококремнеземистых составляющих природных стекол щелочного алюмосиликатного состава. Это позволяет ему синтезировать автоклавным способом искусственный камень, обладающий достаточной прочностью (до 25 МПа), водостойкостью и при добавлении глинозема высокой огнеупорностью (до 1800°С). Водостойкость разработанного вяжущего и бетонов в целом объясняется фазовым составом возникающих новообразований, представленных в структуре камня в виде цеолитоподобных минералов и кремнегеля.
Из всего вышеизложенного следует, что щелочные алюмосиликатные вяжущие позволяют получать на их основе изделия с высокими показателями основных и специальных свойств. Видно также, что значительную роль при выборе наиболее эффективных условий твердения независимо от вида алюмосиликатного компонента. Играет основность среды твердения.
Щелочные алюмосиликатные вяжущие на основе кремнеземнистых стекол (перлитовые породы) твердеют с образованием прочного и водостойкого камня только в автоклавных условиях, а вяжущее, более основное твердеет, кроме того, в условиях пропаривания и естественного хранения вяжущего.
Вяжущие могут быть одно-, двух- и более компонентными [26, 27, 28, 47, 48]. В качестве основного кальциевого алюмосиликатного компонента используются доменные гранулированные шлаки [2, 32, 33 41], термофосфорные [ 49, 45], ваграночные шлаки [6, 46,] и другие виды отходов промышленных производств [ 32,33,34,47].
В работе [47] развивается положение о возможности получения вяжущих гидратационного твердения из кислых доменных шлаков и доказывается, что малокальциевые магнезиальные, титанистые шлаки (Мо=0,8-0,92) при сочетании с соединениями щелочных металлов, в частности с метасиликатом натрия, едкой щелочью или ее комбинациями с содой, проявляют гидравлические свойства и обеспечивают получение вяжущих с активностью 30-80 МПа, бетонов с прочностью 20-100 МПа и морозостойкостью в 1000 циклов.
Работой [32] установлено, что разработанные шлакощелочные вяжущие на основе кислых и нейтральных шлаков твердеют с образованием в структуре искусственного камня преимущественно низкоосновных гидросиликатов кальция, щелочноземельных и щелочных гидроалюмосиликатов. Показано, что вяжущие на основе кислых и средних шлаков по характеру новообразований и физико-механическим свойствам близки к вяжущим на основных шлаках и отличаются только способностью твердеть в естественных условиях, которая замедляется с уменьшением основности шлака.
Интенсификации твердения можно добиться, по мнению автора, введением щелочного компонента в большем количестве - до 6-7 % в пересчете на Na2O3.
В.В.Чиркова [48,49] указывает, что активная составляющая вяжущих на основе бескальциевых алюмосиликатов (золы ТЭС, горные породы) может быть представлена в виде:
1 - портландцемента в сочетании с соединениями натрия, не дающими щелочную реакцию (NaС1, Na2SO4),
2 - доменного гранулированного шлака в сочетании с соединениями щелочных металлов, дающими щелочную реакцию (NaOH, Na2SiO3, Na2CO 3).
Количественное содержание стеклоподобных бескальциевых алюмосиликатов в вяжущем, как показывают результаты исследований, зависит от природы щелочного компонента. Применение Na2С03 позволяет вводить без изменения свойств вяжущего до 25% бескальциевых алюмосиликатов, а применение гидроокиси или метасиликата натрия позволяет еще более расширить пределы соотношений компонентов [26, 27, 28].
Как указано в работе [28], продукты твердения щелочно-щелочноземельных алюмосиликатных вяжущих с использованием горных пород в естественных условиях и при тепловлажностной обработке представлены натриевыми гидроалюмосиликатами общего вида: R2O::AI2О3::nSiO2::mH2О, содалит, анальцим. По данным термодинамического расчета наиболее стабильной фазой при обычных температурах ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Введение
1.
Состояние проблемы и задачи исследований
1.1
Перспективность использования золы для производства вяжущих веществ
1.2
Твердение щелочно-силикатных и щелочно-алюмосиликатных вяжущих при повышенных температурах
1.3
Опыт и перспективы использования силикатов натрия для производства вяжущих веществ
1.4
Интенсификация процессов твердения вяжущих веществ и бетонов с использованием механохимической активации
1.5
Основная гипотеза и задачи исследований
2.
Характеристика исходных материалов и методов исследований
2.1
Характеристика исходных материалов
2.2
Методы исследований
3.
Физико-химические основы получения активированных композиционных зольных вяжущих
3.1.
Влияние механохимической активации на процесс растворения силикат-глыбы
3.2.
Оптимизация параметров режима активации композиционных зольных вяжущих
3.2.1.
Оптимизация времени активации КЗВ
3.2.2.
Оптимизация водовяжущего отношения при гидромеханической активации
3.3.
Влияние механической активации на механизм гидратации и свойства композиционных зольных вяжущих
3.4.
Влияние механохимической активации на кинетику гидратации композиционных зольных вяжущих
4.
Исследование возможности получения ячеистого бетона на основе гидроактивированного композиционного зольного вяжущего
4.1.
Составы и основные свойства газозолобетона
4.2
Технологическая схема производства стеновых блоков
Заключение
Литература
Нормативные ссылки
ГОСТ 473.1-83, Силикат глыбас кремнеземистым модулем 2,7 - 2,9. Стандартинформ. 2007, 5 с.
ГОСТ 25818-91. Золы-уноса тепловых электростанций для. М.: Стандартинформ. 2003, 12 с.
ГОСТ 23732 - 2011. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические. М.: Стандартинформ. 2012, 12 с.
ГОСТ 30459-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Методы определения эффективности. М.: Стандартинформ. 2008, 24 c.
ГОСТ 10181-2014. Смеси бетонные. Методы испытаний. М.: Стандартинформ. 2015, 28 с.
ГОСТ 10181-2000 Смеси бетонные. Методы испытаний
ГОСТ 10060-2012. Межгосударственный стандарт. Бетоны. Методы определения морозостойкости.
ГОСТ 12730.1-78. Бетоны. Методы определения плотности. М.: Стандартинформ. 2007, 5 с.
ГОСТ 12730.0-78. Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости. М.: Стандартинформ. 2007, 3 с.
ГОСТ 12730.3-78. Бетоны. Метод определения водопоглощения. М.: Стандартинформ. 2007, 4 с.
ГОСТ 12730.2-78. Бетоны. Метод определения влажности. М.: Стандартинформ. 2007, 4 с.
ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. М.:
Стандартинформ. 2007, 12 с.
ГОСТ 12730.4-78. Бетоны. Методы определения показателей пористости. М.:
Стандартинформ. 2007, 7 с.
ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний. М.: Стандартинформ. 2018, 109 с.
ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Стандартинформ. 2013, 35 с.
ГОСТ 27677-88. Защита от коррозии в строительстве. Бетоны. Общие требования к проведению испытаний. М.: Стандартинформ. 2004, 7 с.
ГОСТ 56687-2015. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Метод определения сульфатостойкости бетона. М.: Стандартинформ. 2015, 8 с.
ГОСТ 24544-81*. Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести. М.: Стандартинформ. 1986, 26 с.
ГОСТ 25094-2015. Добавки активные минеральные для цементов. Метод определения активности. М.: Стандартинформ. 2016, 7 с.
Определения
Адгезия частиц - взаимодействие частиц и твердой поверхности стенок аппарата, рабочих органов аппарата и т. п. когезия - это связь между молекулами, приводящая к образованию единого твердого тела (возникает в месте контакта взаимодействующих тел
Агломерация - процесс слипания мелких частиц друг с другом, в результате которого образуются более крупные соединения частиц, агломераты, что облегчает растворение порошка в воде.
Гидратация - процесс связывания частиц растворимого в воде вещества с молекулами воды. Механизм и работа диспергирования. При диспергировании твердых тел в жидкой среде наблюдаются два противоположных процесса уменьшение размеров частиц дисперсной фазы вследствие их разрушения внешней силой и процесс укрупнения тонко-дисперсных частиц в результате самопроизвольных или вызываемых внешними силами явлений флокуляции, агломерации и агрегации
Эффект механоактивации компонентов бетонной смеси - заключается в переходе пассивной (неактивной) поверхности как вяжущих, так и инертных материалов к химически активному состоянию, которое выражается в повышенной способности к реакциям в ходе последующих технологических операций.
Золы состоят из неорганической и органической фаз. Неорганическая фаза включает аморфную и кристаллическую составляющие. Аморфная составляющая может быть представлена стеклом и аморфизованным глинистым веществом.
Кристаллическая составляющая включает, во-первых, слабоизмененные зерна минералов исходного топлива (кварц, полевые шпаты и другие термически устойчивые минералы), а во-вторых, кристаллические новообразования, возникшие при сжигании топлива (муллит, гематит, алюминат кальция и др.).
Стекло в золах может быть силикатного, алюмосиликатного, иногда железистоалюмосиликатного состава. В зависимости от состава стекло может быть бесцветным, желтым, бурым и даже черным.
Вид аморфной фазы (метакаолинит, слабоспекшееся аморфизованное глинистое вещество, спекшееся и частично остеклованное стекло) определяет химическую активность золы, форму и характер поверхности зольных частиц.
Изотермическое исследование - метод рассмотрения изменений, происходящих в системе при постоянной температуре, но при переменном составе.
Метастабильная фаза - состояние вещества, характеризующееся ограниченной устойчивостью в определенных условиях.
Полиморфизм - способность некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических формах одного и того же химического состава, но отличающихся кристаллической структурой и физическими свойствами;
Система - одно тело или такая совокупность тел, в которой между телами возможен теплообмен, а также диффузия хотя бы одного из веществ.
Компонент - составная часть системы.
Фаза - любая физическая гомогенная часть системы, ограниченная поверхностью фазового раздела так, что она механически (в принципе) может быть обособлена от других частей.
Катализатор - вещество, которое или резко меняет скорость реакции, или вызывает ее, если она не идет, но принципиально осуществимо.
Обозначения и сокращения
СГ - силикат глыба
СНКВ - силикат натриевое композиционное вяжущее
КЗВ - композиционное зольное вяжущее
ШЩВ - шлакощелочные вяжущие
ЗЩВ - золощелочных вяжущих
ВКВС - водные керамические вяжущие суспензии
ПАВ - поверхностно-активные вещества
ГМА - гидромеханохимическая активация
СА - сухая активация
ТО - тепловой обработки
заключение;
список использованных источников;
Введение
Актуальность темы. Приоритетными направлениями развития промышленности строительных материалов является обеспечение качества и конкурентоспособности продукции, снижение энергоемкости технологического процесса получения, использование местных сырьевых ресурсов, а также увеличение объема их производства, более полного использования потенциальных возможностей местного минерального сырья и отходов промышленности для производства эффективных строительных материалов. Перспективными в этом плане являются строительные материалы на основе шлакощелочных вяжущих (ШЩВ).
Производство таких материалов за счет использования промышленных отходов приводит к экономии природных ресурсов и к снятию экологической напряженности. Актуальность вопроса расширения сырьевой базы для производства ШЩВ вызвана тем, что огромные количества золы и шлака скопились в отвалах, занимающих ценные земельные угодья. Содержание золошлаковых отвалов требует значительных затрат. В то же время золы и шлаки являются материалами, прошедшими высокотемпературную обработку и получившими специфические свойства, предопределяющие возможность их эффективного использования в производстве различных строительных материалов, что подтверждается научными исследованиями и практическим опытом.
Степень изученности темы. Известные труды В.Д.Глуховского, В.А.Ракша, Л.А. Маясовой, Р.Ф. Руновой и других в области комплексного использования золы показал перспективность ее применения в качестве алюмосиликатного компонента бесклинкерных вяжущих.
Целью настоящей работы является разработка технологий производства эффективных композиционных зольных вяжущих и бетонов на основе золы-уноса ТЭЦ и силикатов натрия с использованием гидромеханоактивации. В связи с этим основными направлениями исследований были выбраны следующие:
- разработка и оптимизация составов эффективных композиционных зольных вяжущих на основе золы-уноса и твердых силикатов натрия; исследование закономерностей гидратационного твердения композиционных зольных вяжущих, полученных совместным помолом золы-уноса и силикат-глыбы при различных показателях дисперсности, параметрах гидромеханоактивации и режимах тепловой обработки;
- изучение механизма, кинетики процесса гидратации и твердения композиционных зольных вяжущих, идентифицирование фазового состава новообразований;
- разработка составов и технологии производства коррозионостойких и ячеистых бетонов на основе гидромеханоактивированных композиционных зольных вяжущих.
Объект и предмет исследования. Стеновой материал на композиционном зольном вяжущем (КЗВ), полученным путем совместного помола золы-унос и силиката натрия в условиях гидромеханохимической активации. Исследование физико-химических и физико-механических свойств сырьевых материалов и стенового материала.
Методы исследования. Физико-механические свойства образцов определяли по известным методикам на стандартном оборудовании.
Связь данной работы с другими научно-исследовательскимиэкспериме нтально-исследовательскими работами. Данная работа выполнялась в соответствии с программой госбюджетных исследовании ТарГУ им. М.Х.Дулати (2018 - 2020 г.).
Положения выносимые на защиту. Целью работы является разработка составов и технологии композиционных зольных вяжущих и материала на их основе
Для реализации поставленной цели в работе решены следующие научно-технологические задачи, выносимые на защиту:
представления о природе, механизме поведения золы и твердых силикатов натрия в гидроактивированных композиционных зольных вяжущих и бетонах.
составы и технология производства гидроактивированных композиционных зольных вяжущих твердеющих в условиях сушки.
Новизна, научная и практическая значимость исследования.
Научная новизна состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности применения разработаных составов гидромеханоактивированных композиционных зольных вяжущих и бетонов на их основе, эффективно твердеющих в условиях сушки.
предложены теоретические положения по ускоренному синтезу композиционных зольных вяжущих на основе золы и силиката-натрия в условиях совместной гидромеханоактивации, при которой существенно активизируются процессы диссоциации исходных компонентов, в результате чего ускоряются процессы гидратации и твердения вяжущих в целом.
подтверждена научная гипотеза о возможности получения эффективных композиционных зольных вяжущих и бетонов на основе золы и силиката натрия в условиях гидромеханоактивации и сушки.
Разработана энергосберегающая технология производства неавтоклавных эффективных композиционных зольных вяжущих путем совместного помола в присутствии воды, золы и силиката натрия. Гидромеханоактивация вяжущих, позволяет снизить технологические энергозатраты на их производство.
1. Состояние проблемы и задачи исследований
Дефицит материальных и энергетических ресурсов требует более полного использования потенциальных возможностей местного минерального сырья и отходов промышленности для производства эффективных строительных материалов.
В обозримой перспективе в промышленности строительных материалов и стройиндустрии должны произойти существенные изменения как технологического, так и организационного характера. Скорее всего сохранится тенденция к регионализации рынков основных видов строительных материалов и изделий. Первоочередными вопросами являются оптимизация мощностей предприятий- производителей отдельных видов строительных материалов и их диверсификация с учетом структуры строительства и строительной активности в регионе. Это связано с тем, что перевозки большинства видов строительных материалов с низким отношением цены к массе даже на сравнительно небольшие расстояния резко повышает себестоимость строительства. В будущем должна сложится тенденция к формированию региональных строительных комплексов, контролирующих как строительные организации, так и производителей строительных материалов.
Разработка и внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий производства строительных материалов, в первую очередь цемента и стекла, керамического кирпича и др. является одной из важнейших составляющих промышленности строительных материалов. В этом направлении интерес представляет производство эффективных строительных материалов на основе малоклинкерных и бесклинкерных вяжущих с использованием побочных продуктов и отходов промышленности, в частности золошлаковых отходов теплоэнергетики.
Одним из приоритетных направлений Стратегии развития Казахстана до 2030 года признано жилищное строительство, наряду с развитием гражданского, промышленного и специального строительства.
Главная составляющая строительной отрасли экономики - промышленность строительных материалов. Являясь основой материальной базой для строительства, она существенно влияет на темпы роста в других отраслях экономики и социальное состояние общества в целом.
Согласно прогнозам Мирового энергетического агентства в ближайшие десятилетия мир не откажется от угольной энергетики, и она сохранит важную роль в Европе и во всем мире. Сегодня в Казахстане 80% энергии вырабатывается на угольных станциях. Поэтому основным источником энергии в стране в ближайшее время будут теплоэлектростанции.
Использование традиционного процесса тонкого измельчения для получения бесклинкерных вяжущих веществ на основе золы ТЭЦ позволяет использовать термодинамическую неустойчивость последних, высвобождая часть внутренней энергии вещества, реализуемой в последующих процессах твердения. Это позволяет сократить режим тепловой обработки (ТО) строительных материалов и изделий на основе золы при сохранении высоких механических свойств материалов; расширить сырьевую базу и снять экологическую напряженность, что является одной из актуальных задач в современном производстве строительных материалов.
Как известно, механоактивация материалов в сухом виде характеризуется повышенными пылеуносом и энергетическими затратами по сравнению с гидромеханоактивацией материалов. Поэтому повышение активности бесклинкерных вяжущих на основе золы теплоэнергетики гидромеханоактивацией представляет практический интерес и позволяет заменить дорогостоящий портландцемент.
Возросшие в последние годы инвестиционные возможности отдельных предприятий, изменение тенденций рынка, введение в действие новых, более жестких норм для вновь возводимых и реконструируемых зданий привели к повышению спроса на эффективные стеновые и другие строительные материалы. Опыт развития мировой цементной науки и промышленности свидетельствует, что одним из основных направлений современных разработок по химии и технологии новых и перспективных цементов является снижение энергоемкости и себестоимости производства портландцемента путем перехода от чисто клинкерных к современным многокомпонентным цементам или к бесклинкерным вяжущим [1]. Перспективными в этом плане являются строительные материалы на основе шлакощелочных вяжущих (ШЩВ). Производство таких материалов за счет использования промышленных отходов' приводит к экономии природных ресурсов и к снятию экологической напряженности. Актуальность вопроса расширения сырьевой базы для производства ШЩВ вызвана тем, что известные и широко используемые доменные, электротермофосфорные, ваграночные и прочие шлаки имеют недостаточную распространенность на территории Казахстана. Источником местного альтернативного им сырья являются золошлаковые отходы ТЭЦ.
Объемы отвальных золошлаковых смесей растут год от года. Между тем, они представляют собой доступное, дешевое и недефицитное алюмосиликатное сырье, имеющее невысокий модуль основности. До 80-85% золошлаковых отходов составляет зола-унос - продукт сжигания топлива при температуре 1200-1700°С.
Используемая сейчас в подавляющем большинстве случаев система гидрозолоудаления экономически невыгодна (растут расходы на содержание золошлакоотвалов) и экологически нецелесообразна. Экологический вред связан с отчуждением значительных площадей, засорением естественных водоемов, запылением прилегающих территорий.
Привлекательность системы пневмозолоудаления состоит в возможности выдачи сухой золы потребителям, организации сбора и сортировки золы по фракциям, снижении водопотребления на удаление золы. Переход на сухое складирование золы превращает ее из экологически вредного побочного продукта тепловой энергетики в товар, который может продаваться заинтересованным предприятиям строительной индустрии.
Отечественная и зарубежная практика свидетельствует об огромных возможностях применения золы сухого отбора в качестве ценного сырья для производства высококачественных и дешевых строительных материалов и изделий широкой номенклатуры.
Золы используются для производства вяжущих веществ различных типов: известково-зольные [2,3,4,5], золощелочные [6], вяжущие низкой водопотребности [7], тонкомолотые многокомпонентные цементы и др. Перспективность использования золы-уноса обусловлена ее распространенностью и химической активностью.
Использование традиционного процесса тонкого измельчения для получения бесклинкерных вяжущих веществ на основе золы позволяет использовать термодинамическую неустойчивость последних, высвобождая часть внутренней энергии вещества, реализуемой в последующих процессах твердения. Это позволяет сократить режим тепловлажностной обработки (ТВО) строительных материалов и изделий на основе золы при сохранении высоких механических свойств материалов; расширить сырьевую базу, что является одной из актуальных задач в современном производстве строительных материалов.
1.1 Перспективность использования золы в производстве вяжущих веществ.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также данные практического применения показывают, что минеральная часть топливосодержащкх отходов энергетической промышленности обладает уникальными свойствами и, как было указано, золы теплоэнергетики являются сырьем для производства эффективных строительных материалов и изделий.
Преимущественным использованием золы с экономической точки зрения является ее повсеместная распространенность, обусловленная наличием электростанций во всех районах страны, что сводит к минимуму транспортные расходы по доставке золы к месту строительства. На рис. 1. показаны основные направления использования зол для производства строительных материалов.
Рисунок 1. Основные направления использования золы для производства строительных материалов.
Использование золы при производстве цемента: Золы используют в качестве тонкомолотой добавки для снижения расхода цемента и тепловыделения в изделиях для гидротехнических сооружений, заменяя часть цемента золой, а также в тех случаях, когда по прочности бетона требуется меньший расход цемента, чем минимально допустимый по условию получения плотного бетона.
Топливные золы и шлаки как компонент цементной сырьевой смеси. На ряде цементных заводов доменные гранулированные шлаки применяются в качестве сырья. Топливные шлаки также могут быть введены в состав сырьевой цементной шихты либо непосредственно, либо при вдувании размолотого шлака с горячего конца вращаюшейся печи. Особенность использования топливных гранулированных шлаков состоит, прежде всего, в том, что они не должны размалываться и практически не содержат несгоревших частиц топлива. Наличие частиц угля в золошлаковых отходах, применяемых в качестве сырьевого компонента цементной шихты, является положительным фактором. В состав портландцементных сырьевых смесей на основе доменного шлака необходимо вводить корректирующие добавки (железо- и кремнеземсодержащую) из-за практически полного отсутствия в доменных шлаках окислов железа и недостатка SiO2. Содержание сланцевого шлака в сырьевой смеси может составлять 40-65 % (в зависимости от чистоты карбонатного компонента). Для сравнения количество доменного шлака в составе цементной сырьевой смеси обычно не превышает 35-45%, а глины - 18-22%. Расчеты показывают, что при использовании сланцевого шлака может быть получено (по сравнению с сырьевой шихтой на глине): во-первых, снижение расхода известняка на 1 тонну клинкера примерно на 40%, следовательно, снижение удельного расхода тепла на обжиг сырьевой смеси; во-вторых, повышение выхода клинкера из 1 тонны сырья примерно на 15-20%, следовательно, заметное увеличение производительности печи. Топливные гранулированные шлаки используются, как активная добавка к цементам.
Использование золы при производстве пористых заполнителей: Золы используют для приготовления искусственных пористых заполнителей; аглопоритового и зольного гравия. Аглопоритовый гравий из зол ТЭС готовят методом спекания сырцовых гранул на решетках агломерационных машин. Пористые зольные заполнители приближаются по своим свойствам к керамзиту, но дешевле его. На пористых зольных заполнителях можно получать эффективные легкие бетоны. Золы можно использовать также для приготовления безобжигового зольного гравия. Сразу после грануляции прочность гравия составляет 0,6-1 МПа. После кратковременной тепловой обработки (2-Зч) гравий приобретает прочность 1-2МПа и используется для приготовления бетона. Дальнейшее твердение гравия происходит непосредственно в массе бетона, что обеспечивает высокую монолитность материала. Безобжиговый зольный гравий имеет плотность 600-900кгм[3] и прочность 4,5-6МПа (после нормального твердения в течение 28 суток). Из зольных гранул можно получать бетоны плотностью 900-2000кгм[3] и с прочностью 5-40МПа. Для облегчения гравия в него вводят отходы ячеистого бетона и другие пористые материалы. Безобжиговый зольный гравий получают при меньших затратах топлива, чем обжиговые заполнители (25-30кг, условного топлива и 40-60 Квт*ч электроэнергии на 1м гравия вместо 90-110 кг). Для изготовления безобжигового гравия помимо золы можно использовать различные тонкомолотые отходы промышленного производства. Поскольку для приготовления безобжигового гравия идет вяжущее вещество, его применение должно в каждом конкретном случае обосновывать технико-экономическим расчетом.
Использование золы при производстве ячеистых бетонов: Ячеистые бетоны, приготовленные с использованием золы до 60-80% золы по массе, как правило, также эффективны, как и ячеистые бетоны на тонкомолотом кремнеземистом заполнителе. Прочность автоклавного (Рисунок 2.) золобетона обычно составляет 3-6МПа при плотности 600 кгм[3]; 5-10МПа при 800 кгм[3] и 12-24МПа при 1100 кгм[3]. В строительстве наибольшее применение находят ячеистые золобетоны с плотностью 600... 1000 кгм[3].
Использование золы при производстве керамического кирпича: Одним сульфатом натрия и хлоридом кальция.
Рисунок 2. Влияние температуры на растворимость кремнезема 1 - зола с известью; 2 - зола без извести; 3 - кристаллический кварц
Под руководством Руновой Р.Ф. [8] исследованы процессы гидратации высококальциевых золошлаковых смесей и дисперсных композиций на их основе, выявлены контактно-кондесационные свойства продуктов гидратации.
Изучен механизм отвердевания таких систем, позволяющий предложить технологию переработки зол по мокрому способу. В этом случае открывается возможность получения из гидроотвальных золошлаков искусственного камня за более короткий период времени при меньших энергозатратах.
Аналогично известковой активизации зол возможна их щелочная (R20) активизация, позволяющая получать вяжущие, аналогичные щелочно - силикатным и щелочно-алюмосиликатным системам. Кроме того, кислый характер зол вызывает необходимость использования щелочного компонента. Исследования показали [9], что прочность при сжатии гидравлических вяжущих, представляющих собой смесь едких щелочей с различными аморфизированными веществами: цемянкой, дегидратированными глинистыми минералами, топливными шлаками и др., находится в пределах 50 - 100 МПа. Руновой Р.Ф. [10] показано, что в щелочно-щелочноземельных алюмосиликатных вяжущих на основе топливных зол частицы несгоревшего угля (содержание до 40%) вносят конструктивный вклад в процессы структурообразования за счет упрочнения связи между продуктами гидратации и такими частицами, поляризация поверхности которых увеличивается в щелочной среде с образованием на ней кальциевых солей.
А.Катц [11] в своих работах изучил механизм активации золы-уноса при затворении ее раствором СаОН различной концентрации, при различных водовяжущих отношениях и условиях температурной обработки. Автор показал, что с увеличением концентрации щелочи в растворе и увеличением температуры хранения образцов до 90°С и выше, реактивность золы-уноса увеличивается, повышается прочность золощелочного вяжущего.
Таким образом, одним из перспективных направлений производства эффективных бетонов (бетонов повышенной стойкости в агрессивных средах, ячеистых бетонов, идущих на производство стеновых материалов и изделий, и др.) является их производство на основе золощелочных вяжущих (ЗЩВ). Интерес представляет рассмотрение фазового состава продуктов твердения данных вяжущих, полученных по типу шлакощелочных вяжущих, определяющего основные строительно-технические свойства строительных материалов на их основе. Шлакощелочное вяжущее представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом металлургических шлаков и затворением их растворами соединений щелочных металлов, дающих в водных условиях щелочную реакцию [12,13].
1.2 Твердение щелочно-силикатных и щелочно-алюмосиликатных вяжущих при повышенных температурах.
Одной из разновидностей щелочно-силикатных вяжущих является кремнецемент и кремнебетон на его основе, предложенный Кирилишиным В.П. [14-16]. Кирилишин В.П. и другие показали возможность получения кремнебетона вследствие так называемого эффекта кристаллизационного твердения стеклообразного кремнезема. В качестве теоретической основы синтеза вяжущего для получения этого бетона выдвинут эффект кристаллизационного твердения стеклообразного кремнезема. Действие эффекта, по данным авторов [14-16], заключается в том, что в процессе изотермической выдержки при автоклавировании смеси аморфного кремнезема и тонкодисперсного кварца в присутствии щелочного компонента, происходит, ввиду растворения аморфной составляющей, пересыщение раствора кремнеземом, который осаждается на микрочастицах кварца, как на подложке. Процесс последовательно повторяется до полного растворения и кристаллизации стеклообразного кремнезема вне занимаемого ранее собственного объема на микрочастицах кварца-затравки [15,16]. Это ведет к образованию монолитных кристаллических сростков из микрочастиц затравочного кварца, окруженного оболочками кварцевых образований - кремнецемента.
Как указывается в работе [16], значительное влияние на прочностные показатели кремнецемента и изделий на его основе оказывает процесс гидротермальной обработки. Для получения наиболее плотного и устойчивого камня она должна составлять (1,5-2)+(18-20)+(1,5-2) ч при давлении пара 1,3-1,6 МПа. В результате, по данным автора, синтезируется камень, обладающий хорошими показателями прочности, морозостойкости, химической стойкости в щелочных и кислотных средах, но не достаточно устойчивый к действию воды. Как отмечает автор, коэффициент размягчения находится в пределах 0,48-0,63 и зависит от содержания щелочи в системе [96]. Действительно щелочь, входящая в состав стекла, выполняет на стадии структурообразования положительную роль - повышает растворимость стекла, а, следовательно, концентрацию кремнезема в растворе, ведущую к наиболее полному его переходу из стекла на кварцевые подложки, с последующим процессом кристаллизации и цементации. Однако в итоге процесса структурообразования щелочь остается связанной только в виде неводостойких щелочных гидросиликатов общего вида R2О х nSiO2 х шН2О, ибо иных соединений, с которыми бы она образовала устойчивые новообразования, в составе кремнецемента нет.
Таким образом, с целью получения на основе высококремнеземистого сырья водостойких изделий необходимо дополнительное введение в систему извне компонентов, способных связать щелочь в устойчивые новообразования.
В.Д.Глуховским впервые была раскрыта возможность создания гидравлических вяжущих, описывающихся системой окислов R 2О - R 2О3 - SiO2, где: R 2О - щелочные окислы (Li 2О, Na 2О, К 2О, Rb 2О, Sr 2О), R2O3 - амфотерные (А12О3, Fe 2О3, Сг2 Оз и т.п.), т.е. отличающиеся от предыдущей системы наличием R2O3 [52 - 69].
Данные гидравлические щелочные алюмосиликатные вяжущие вещества - это дисперсные системы, получаемые путем тонкого помола стекол, спеков, горных пород и др., взятых в соотношениях R 20:R 2О3: Si02=1:1:(2-4) [12,17,18]. Процессы гидратации и твердения таких вяжущих в определенной мере сходны с процессами, протекающими в портландцементе, и при химическом выветривании горных пород содержащих щелочные соединения, в частности полевые шпаты [54, 56]. Их сущность сводится к гидратации безводного щелочного алюмосиликата, диспергации вещества и кристаллизации на его основе водных щелочных алюмосиликатов.
Опираясь на полученные данные, автор заключил, что существенное влияние на условия твердения оказывает основность среды. Так, высокоосновные стекла твердеют в обычных условиях, а низкоосновные проявляют гидравличность только в условиях автоклавной обработки [18, 19,20,21,22,], при этом фазовый анализ обнаруживает в синтезируемом камне ряд цеолитоподобных минералов. В пропаренных образцах вяжущего нефелинового состава на воде, а также на гидроокиси и карбонате натрия отмечена кристаллизация цеолита с межплоскостными расстояниями dn=7,07; 4,04; 3,18; 2,68 А, относимых к нефелин-гидрату.
В автоклавированных образцах продукты твердения представлены анальцимом. В пропаренных образцах с силикатным модулем 0,12 -0,19. кристаллизуются цеолитоподобные минералы типа натролита. Продукты твердения стекол альбитового состава, гидратация которых происходила в условиях избытка щелочи, имеют кристаллизационную структуру с межплоскостными расстояниями dn=6,16; 3,60; 2,72; 2,55; 2,08. А и. относятся к натриевым цеолитам типа нефелин- гидрата.
Дальнейшие исследования [17, 23, 24, 25, 26, 27, 28] показали, что в условиях тепловлажностной обработки мономинеральные и полиминеральные глины (каолин, бентонит) вступают в интенсивное взаимодействие с щелочами. В результате этого взаимодействия, которое сопровождается процессом химической гидратации минералов щелочными растворами, возникают гидроалюмосиликатные новообразования типа анальцима, гидронефелина, калиевого гидроалюмосиликата состава К2ОхЗА120з х 6SiO2 х 2Н2О2.
Также уточняется, что соединения типов анальцима и калиевого гидроалюмосиликата возникают при запаривании или длительном пропаривании. Результатом взаимодействия указанных глин со щелочами, при обычной обработке (пропаривание в течение 16 ч) является возникновение соединений, подобных гидронефелину. Автором предлагается, что в тех случаях, когда не наблюдается образование К2ОхЗА120з х 6SiO2 х 2Н2О2, необходимо вводить извне дополнительные компоненты. В качестве таких компонентов предполагается применять глины и другие минеральные вещества, богатые глиноземом, или доменные гранулированные шлаки [ 28]. В этом случае достигается
значительный прирост прочности за счет взаимодействия избыточной щелочи и вводимого извне алюмосиликатного компонента.
Работы [28, 29] обосновывает термодинамическим методом стадийность процессов силикатообразования в смесях на основе глин различных структурных типов с соединениями щелочных металлов при различных температурах и фазовый состав возникающих при этом новообразований. Выявлено, что глины трех структурных типов (I, II, III), затворенные растворами щелочи NаОН, в условиях автоклавирования образуют в составе синтезированного камня фазу анальцима, в условиях пропаривания - натролит, гидронефелин, анальцим. При нагревании полученного камня до 90°С наблюдается переход через промежуточную фазу в нефелин. При дальнейшем подъеме температуры до 95°С и выдержке при ней в течение 3 ч взаимодействует остальная часть кремнезема и в результате происходит кристаллизация с образованием У альбита. Установлено, что на всех этапах изменения кристаллической структуры синтезированные новообразования проявляют вяжущие свойства.
Аналогичные исследования с применением в качестве щелочного компонента соединения калия выполнены Р.С.Жуковой [30, 31], подтвердившей возможность синтеза водостойкого искусственного камня, прочность которого обусловлена формированием новообразований в виде калиевых гидроалюмосиликатов. Исследования [32,33,34] позволили получить конкретные данные о характере взаимодействия и природе новообразований, возникающих на основе глинистых породообразующих минералов и карбонатов Nа и К.
Условия обработки исследуемых вяжущих были представлены семью циклами автоклавирования; по мнению автора, данная продолжительность обеспечивает достаточно полное прохождение реакции гидратации [34].Взаимодействие каолинита с карбонатом натрия ведет к образованию мелкодисперсных кристаллов в виде сферолитов, близких по структуре к содалиту, а более точно - к карбонат-содалиту. Помимо этого, обнаружен нефелин-гидрат II. Монтмориллонит, гидрослюда с карбонатом натрия образуют новообразования, близкие к анальциму. На основе гидрослюды и К2СОз помимо образований цеолитного характера кристаллизуется слоистое вещество, близкое к фенгиту. Проведенные автором термодинамические расчеты реакции взаимодействия указанных выше компонентов подтверждают возможность протекания их не только в условиях автоклавирования, но и пропаривания и в естественных условиях с образованием стабильных продуктов типа калиофелита и анальцима.
В исследованиях [9,19,35,36] использовались низкоосновные стекловидные алюмосиликаты модели мариоуполита, альбита и ортоклаза. Экспериментальные данные показывают, что низкоосновные стекла исследуемых составов гидратируются водой слабо с образованием камня весьма незначительной прочности. Значительно увеличиваются прочности образцов при затворении стекол растворами едких щелочей: до 50-70 МПа на образцах из теста нормальной густоты и 40-50 МПа на растворе состава 1:3 после пропаривания. Этими данными еще раз подтверждается положение о влиянии на активность щелочных алюмосиликатных вяжущих основности среды затворения [12, 21].
Синтез прочности камня объясняется характером новообразований, так при взаимодействии стекла мариуполитового состава со щелочью в условиях пропаривания образуется высококремнеземистый цеолит типа Na2O х AI2ОЗ х 4SiO2 х 2Н2О и нефелин-гидрат I. С течением времени автором отмечается перекристаллизация фаз в сторону их стабилизации: после трехмесячного хранения возникает фаза анальцима Na2O х AI2ОЗ х 4SiO2 х 2Н2О и гидронефелина Na2O х AI2ОЗ х 2SiO2 х 2Н2О, отличающихся, как известно [54, 55,154], устойчивостью и долговечностью.
При нагревании продуктов гидратации и твердения до 900°С наблюдается перекристаллизация в безводные щелочные алюмосиликаты соответствующего состава.
Таким образом, из работ Р.Ф. Руновой следует, что щелочные алюмосиликатные стекла, полученные плавлением горных пород, природных стекол и др. в сочетании с щелочным затворителем в виде растворов едких щелочей могут рассматриваться как цементы гидратационного твердения, свойства которых определяют возникающие гидратные новообразования, аналогичные природным минералам типа цеолитов [33, 34].
В работах [37,38,39] исследовалась композиция на основе природных алюмосиликатных стекол - эффузивных горных пород и щелочных затворителей. Установлено, что активность взаимодействия пород с растворами щелочей зависит от химического состава и физического состояния эффузивных пород и возрастает с увеличением концентрации растворов одних щелочей и продолжительности обработки. Так, например, обработка эффузивных стеклоподобных пород типа перлита, базальта 20%-ным раствором едкого натра в течение 6 ч приводит к образованию кристаллических продуктов - цеолитов типа гидросодалита [40]. С увеличением закристаллизованное пород, т.е. перехода от кислых к средним, степень их гидратации снижается. В процессе щелочной обработки средних и основных пород автором обнаружено также возникновение фаз типа содалита и натролита. Установлено, что эффузивные породы могут гидратироваться не только щелочами, но и солями щелочных металлов, дающими в водных растворах щелочную реакцию. Продукты твердения в данном-случае не отличаются от образований при гидратации растворами щелочей, но отмечается, что скорость твердения несколько снижается.
П.А.Иващенко [41], получая на основе алюмосиликатного (перлит, трепел) и щелочного компонентов искусственный камень с прочностью 48,5 МПа, отмечают наличие в нем после автоклавирования щелочных поровых растворов в виде силикатов натрия. Для нейтрализации их они вводят 0,5-1 % боксита, содержащего активный глинозем, который связывает избыточный щелочной силикатный раствор в устойчивые щелочные гидроалюмосиликаты - аналоги природных цеолитов.
В работах А.П. Меркина и М.И. Зейфмана [42] доказано, что вулканические высококремнеземистые стекла алюмосиликатного состава при затворении слабыми растворами едких щелочей или солей щелочных металлов при последующей тепловлажностной обработке проявляют способность к гидратационному твердению. Авторы утверждают, что гидравлическая активность вулканических пород зависит от величины реакционной поверхности, расхода щелочного компонента и параметров тепловлажностной обработки. Наиболее высокой гидравлической активностью, как указано в результатах исследований, обладают стекла эффузивного генезиса, расположенные в областях кайнозойского вулканизма [42]. Установлены рациональные значения технологических параметров, обеспечивающих на основе перлита и обсидиана вяжуще с прочностью на сжатие 40-60 МПа при испытании в растворах 1:3. Фазовый состав формируемого камня представлен щелочными гидроалюмосиликатами и выделяющимся гелем кремнекислоты. Состав цементирующего вещества, обладающий помимо когезионной прочности также высокой адгезией к заполнителю, обусловливает получение на его основе высокопрочного (до 100 МПа), водо- и морозостойкого бетона [43, 44].
Исследования по использованию высококремнеземистых природных стекол получили дальнейшее развитие в работе Ю.В.Сычева [45, 46]. Автор при рассмотрении путей модифицирования существующих кремнеземистых вяжущих находит возможность получения водостойких изделий с использованием в качестве аморфных высококремнеземистых составляющих природных стекол щелочного алюмосиликатного состава. Это позволяет ему синтезировать автоклавным способом искусственный камень, обладающий достаточной прочностью (до 25 МПа), водостойкостью и при добавлении глинозема высокой огнеупорностью (до 1800°С). Водостойкость разработанного вяжущего и бетонов в целом объясняется фазовым составом возникающих новообразований, представленных в структуре камня в виде цеолитоподобных минералов и кремнегеля.
Из всего вышеизложенного следует, что щелочные алюмосиликатные вяжущие позволяют получать на их основе изделия с высокими показателями основных и специальных свойств. Видно также, что значительную роль при выборе наиболее эффективных условий твердения независимо от вида алюмосиликатного компонента. Играет основность среды твердения.
Щелочные алюмосиликатные вяжущие на основе кремнеземнистых стекол (перлитовые породы) твердеют с образованием прочного и водостойкого камня только в автоклавных условиях, а вяжущее, более основное твердеет, кроме того, в условиях пропаривания и естественного хранения вяжущего.
Вяжущие могут быть одно-, двух- и более компонентными [26, 27, 28, 47, 48]. В качестве основного кальциевого алюмосиликатного компонента используются доменные гранулированные шлаки [2, 32, 33 41], термофосфорные [ 49, 45], ваграночные шлаки [6, 46,] и другие виды отходов промышленных производств [ 32,33,34,47].
В работе [47] развивается положение о возможности получения вяжущих гидратационного твердения из кислых доменных шлаков и доказывается, что малокальциевые магнезиальные, титанистые шлаки (Мо=0,8-0,92) при сочетании с соединениями щелочных металлов, в частности с метасиликатом натрия, едкой щелочью или ее комбинациями с содой, проявляют гидравлические свойства и обеспечивают получение вяжущих с активностью 30-80 МПа, бетонов с прочностью 20-100 МПа и морозостойкостью в 1000 циклов.
Работой [32] установлено, что разработанные шлакощелочные вяжущие на основе кислых и нейтральных шлаков твердеют с образованием в структуре искусственного камня преимущественно низкоосновных гидросиликатов кальция, щелочноземельных и щелочных гидроалюмосиликатов. Показано, что вяжущие на основе кислых и средних шлаков по характеру новообразований и физико-механическим свойствам близки к вяжущим на основных шлаках и отличаются только способностью твердеть в естественных условиях, которая замедляется с уменьшением основности шлака.
Интенсификации твердения можно добиться, по мнению автора, введением щелочного компонента в большем количестве - до 6-7 % в пересчете на Na2O3.
В.В.Чиркова [48,49] указывает, что активная составляющая вяжущих на основе бескальциевых алюмосиликатов (золы ТЭС, горные породы) может быть представлена в виде:
1 - портландцемента в сочетании с соединениями натрия, не дающими щелочную реакцию (NaС1, Na2SO4),
2 - доменного гранулированного шлака в сочетании с соединениями щелочных металлов, дающими щелочную реакцию (NaOH, Na2SiO3, Na2CO 3).
Количественное содержание стеклоподобных бескальциевых алюмосиликатов в вяжущем, как показывают результаты исследований, зависит от природы щелочного компонента. Применение Na2С03 позволяет вводить без изменения свойств вяжущего до 25% бескальциевых алюмосиликатов, а применение гидроокиси или метасиликата натрия позволяет еще более расширить пределы соотношений компонентов [26, 27, 28].
Как указано в работе [28], продукты твердения щелочно-щелочноземельных алюмосиликатных вяжущих с использованием горных пород в естественных условиях и при тепловлажностной обработке представлены натриевыми гидроалюмосиликатами общего вида: R2O::AI2О3::nSiO2::mH2О, содалит, анальцим. По данным термодинамического расчета наиболее стабильной фазой при обычных температурах ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
