Реферат: Геополимерные вяжущие материалы

Но есть и затруднительные моменты в этой теории.

Великая пирамида весит 6-7 миллионов тонн. При строительстве в течение 20 лет по методу Давидовица нужно ежедневно размалывать в порошок почти тысячу тонн известняка. Производительность современного горнорудного комбината! И это - примитивными инструментами типа каменной кирки, долота и кувалды! А далее - замешивать, поднимать, разливать в формы (которые тоже надо готовить). Так в чем состоит облегчение работ? Даже снимая проблему подъема громадных блоков на высоту (и то не полностью, так как вопрос с гранитными блоками так и не решен) теория геополимерных блоков известняка задает другую проблему - производство посредством ручного труда неимоверного количества исходных материалов для изготовления геополимеров. И еще спорный вопрос: какую из проблем разрешить труднее.

Сакуйи Йошимура из университета Васеда в Токио, приехавший по приглашению в Гизу, провел дополнительное сканирование тела пирамиды аппаратурой, действующей направленными электромагнитными импульсами, которые вырисовывали на экране контур предметов, скрытых несколькими метрами толщи. Разрешающая способность аппаратуры позволяла зафиксировать лишь сам факт наличия в открытых нишах инородных тел. Были более четко определены масштабы и формы пустот.Как показывают фотографии из книг Давидовица, порой встречаются стыки двух соседних блоков, которые имеют форму волнистой линии весьма нерегулярного свойства. Как можно было изготовить в каменоломне второй блок, грань которого в точности повторяла бы все выступы и впадины неровной поверхности первого блока?

Египтологи считают, что гигантская пирамида “Хеопса” была построена в период “четвертой” династии (из аккуратных больших точно пригнанных блоков), а уже следующая династия строила небольшие пирамиды. Некоторые из них - это примитивнейшие пирамиды из грубо вырубленных в каменоломнях блоков нерегулярного размера, которые никак не соединялись друг с другом и не пригонялись один к другому. Этот стиль строительства можно назвать примитивно-мегалитическим.

Еще один хронологический парадокс: египтяне Древнего Царства, в распоряжении которых были только примитивные, в основном каменные, орудия труда, строили пирамиды якобы из сравнительно твердого известняка, а в период Среднего Царства, когда уже широко применялись бронзовые инструменты, основным строительным материалом стал сравнительно мягкий песчаник.

Однако в случае применения технологии бетонирования объяснение обвальному уменьшению объемом пирамид легко найти: истощение месторождений цементирующих добавок. В качестве таковых использовались негашеная известь и сода (она же натр или углекислый натрий). Немецкий геохимик Д. Д. Клетт, проводивший подробные исследования залежей полезных ископаемых и древних построек в Египте в конце 80-х - начале 90-х годов ХХ в., пришел к выводу, что запасы негашеной извести были истощены в конце “пятой” династии, так что в Египте в это время практически исчез строительный раствор, содержащий известь. Дело в том, что сода встречается в Египте в виде минеральных отложений, а известью Египет крайне беден и для добычи оной использовалась зола из печей, в которых египтяне пекли хлеб. По всей стране проводился ее сбор с целью доставки к строительным площадкам пирамид и в образцах из блоков пирамид 3-5 династий (но не 6-й династии) найдены не только сода, но и негашеная известь. А без извести прочных бетонных блоков большого размера производить не удавалось. Природные запасы необожженной извести в Египте ничтожно малы, а использование обожженной, как считают, началось лишь в эпоху Птолемеев. Клетт считает, что исчезновение извести было связано с длительным голодом в Египте, очевидно, в результате засухи или неурожаев, вызванных экологической катастрофой из-за интенсивной эксплуатации полей и сжигания соломы. Не исключено, что именно строительство пирамид привело к экологической катастрофе и голоду в Египте, ибо необходимые полям в качестве удобрений солома и зола использовались для получения извести[5].

Анализируя данные факты, могу предположить, что при строительстве пирамид использовались каменные блоки в сочетании с геополимерным бетоном.

2. Геополимерные материалы из горных пород, активизированные малыми добавками шлака и щелочей

В последнее десятилетие разработаны минерально-шлаковые вяжущие, активируемые малыми добавками щелочей, содержание шлака в которых составляет 40-60%, а массовая доля щелочей не превышает 2-3% [6-9].

Результаты последних исследований позволили выявить ряд горных пород осадочного происхождения, которые под действием малых добавок шлака, не превышающих 20%, и низких количеств щелочей NaОН или КОН, способны к формированию контактно-метасоматических структур [9, 10].

На свойства силицитового геополимерного камня оказывают влияние химико-минералогический и фазовый состав песчаника, тонина его помола, вид и количество химических добавок - активаторов процесса твердения, а также вид, дисперсность*, активность и количественное содержание минеральных добавок-модификаторов.

К числу основных факторов, определяющих прочность получаемого материала, относится, в частности, прочность каркаса из кремнеземистого компонента, сцементированного гелем кремневой кислоты. На прочность каркаса оказывают влияние прочностные свойства нерастворимых гидросиликатных новообразований. -[11]

Прочность силицитового геополимерного камня также зависит от плотности и пористости, на величину которых влияет гранулометрический состав исходного компонента - песчаника, степень и способ уплотнения смеси, содержание в ней воды. Уменьшение пористости достигается ограниченным содержанием воды, а также оптимальными режимами прессования.

Определенную роль в формировании прочности силицитового геополимерного камня играет его морфология, зависящая от условий твердения. Оптимизация режимов тепловой обработки (ТО) является важным фактором формирования структуры силицитового вяжущего. Причиной снижения прочности может быть применение нерациональных режимов тепловой обработки, вызывающих возникновение дефектов структуры в процессе кристаллизации из-за действия значительных внутренних напряжений. Они возникают при значительных температурных и влажностных перепадах внутри материала. Кроме того, внутренние напряжения возникают в процессе температурного и влажностного деформирования на границе зон, коэффициент температурного расширения и модуль упругости которых различны. Поэтому особое внимание необходимо обратить на повышение степени однородности структуры силицитового геополимерного камня, что достигается качественным перемешиванием компонентов исходной смеси.

Принципиальная технологическая схема производства прессованного безобжигового материала включает подготовку сырьевых материалов, помол, перемешивание компонентов, прессование и тепловую обработку изделий. Помол песчаника может производиться как отдельно, так и совместно со специальными добавками-модификаторами[12].

Повышенные показатели -прочности имеют вибропрессованные образцы или образцы, отформованные при силовом прессовании под давлением 5-25 МПа. Особенностью новых вяжущих и композиционных материалов на их основе является способность многократного повышения прочности в условиях термической активации при температуре 150-350°С.

Номенклатура минеральношлаковых вяжущих расширилась за счет использования полевошпатовых, силицитовых, глауконитовых пород, самостоятельно не твердеющих при малых количествах щелочи. Вяжущие на их основе в большей степени подвержены упрочнению при низкотемпературной термической активации, нежели карбонатно-шлаковые.

Оценка степени термохимического упрочнения осуществлялась на образцах, изготовленных из гравелито-шлакового вяжущего. В качестве основного компонента вяжущего применялись гравий (полевошпатово-кварцевый гравелит), отсеянный от песчаной фракции и размолотый до удельной поверхности Sуд = 630 м2/кг, и гранулированный липецкий шлак, измельченный до Sуд = 340 м2/кг.

Прочность в 28-суточном возрасте, МПа..............21,8

Плотность в 28-суточном возрасте, кг/м3.............1987

Прочность после прогрева, МПа

при 150°С..........................................94,4

при 250°С........................................101,8

при 300°С........................................117,8

Плотность после прогрева, кг/м3

при 150°С ......................................1798

при 250°С........................................1796

при 350°С .....................................1770

Потеря массы образцов в пересчете на абсолютно сухое вещество составила, %: 0; 0,16; 1,5 после прогрева при 150, 250 и 350°С соответственно.

Как следует из данных, приведенных выше, гидратное твердение в течение 28 суток позволило получить невысокие прочностные показатели. Аналогичные значения прочности имели минерально-шлаковые вяжущие, в которых содержалось 10% шлака и 90% молотого глауконитового песчаника. Образование минеральных связок между частицами породы происходит в результате диффузионного перемещения продуктов гидратации шлака в ионной форме и взаимодействия их с продуктами гидроксилирования поверхности гравелитовых частиц щелочью NаОН. Этот процесс образования связки, по нашему мнению, аналогичен метасоматическому микроповерхностному замещению отдельных минеральных образований у горных пород. Наличие большого числа контактов между частицами горной породы, ионов шлакового вяжущего и щелочи способствует образованию щелочных контактно-метасоматических композитов.

Термическая обработка образцов с прочностью 21,8 МПа повышает их прочность в 4,3; 4,7 и в 5,4 раза при температурах изотермической выдержки 150, 250 и 350°С соответственно. Важно, что такие значения прочности получены у образцов с невысокой средней плотностью. Истинная плотность затвердевшего вяжущего, прогретого при температурах 250 и 350°С, оказалась соответственно 2520 и 2485 кг/м3, а его пористость 28,7 и 29%.

Важно выявить механизм микроповерхностного синтеза вяжущего вещества на частицах гравелитовых, глауконитовых и силицитовых пород в присутствии ионов шлака и щелочи с целью получения высокой прочности при достаточно мягком термическом воздействии. Как следует из приведенных данных, уже при температуре 150°С прочность возрастает четырехкратно. Если принять во внимание повышение концентрации щелочи при испарении воды, низкую температуру плавления NаОН (t пл = 320°С) и ее низшего гидрата NаОН*Н20 (t пл - 64,3°С), то становится понятным активирующее действие горячей щелочи и ее высокомолярных растворов. Можно полагать, что, начиная с температуры 105-110°С и до температуры 150°С (предельная растворимостьNaОН в воде 3370 г/л) высокомолярный кипящий раствор щелочи начинает растворять поверхностные реликты отдельных минералов полевошпатовой породы. Диффузия ионов шлакового вещества в контактные зоны частиц с наименьшей кривизной менисков жидкости способствует зарождению предшественников новой фазы из продуктов реакции ионов шлака и ионов породы, растворенных в щелочном раствореNaОН. С повышением температуры до 200-250°С могут образовываться эвтектические смеси с растворимыми веществами полевошпатовой породы и шлака, что понижает температуру плавления NaОН. Микрокапельки расплава инициируют процесс конденсации (спекания) продуктов реакции вследствие пересыщения раствора.

Такой механизм цементации частиц справедлив и для тех пород, которые в чистом виде не затвердевают в присутствии добавок щелочи NaОН ни в нормальных условиях, ни при последующем температурном воздействии (гравелиты, глаукониты, силициты и др.). Таким образом, шлак является необходимым и наиболее важным компонентом даже в таком минимальном количестве, которое не в состоянии выполнить функцию основного цементирующего вещества для получения высоких значений прочности материала. На основании топологических расчетов установлено, что шлаковые частицы не в состоянии образовать перколяционный каркас в структуре композиционного вяжущего, когда матрица формируется из частиц минеральной породы.

Показательным для обоснования высокой инициирующей функции шлака является сравнение минерально-шлаковых и минерально-цементных композиций. Гравелито-цементные композиции с соотношением цемент:гравелит = 1:9 после 28 сут нормального твердения имели прочность при сжатии 32 МПа. После прогрева при 250°С их прочность возросла до 53 МПа, что практически в 2 раза ниже гравелито-шлаковых.

Более высокие показатели прочности гравелито-шлаковых композиций получены при повышении содержания шлака до 20%. При этом прочность возрастает пропорционально плотности. Гравелито-шлаковые формовочные смеси с соотношением шлак.травий = 1:4, с формовочной влажностью 12% и добавкой щелочи ИаОН в количестве 2% прессовались при удельных давлениях: 5, 10, 15 и 25 МПа. Кинетика нарастания прочности в воздушно-влажностных условиях и после сухого прогрева образцов с 28-суточной прочностью при 250°С представлена в табл. 1.

Таблица 2.1

Как следует из табл. 1, прирост прочности после термообработки не превышает во всех случаях четырехкратного значения (3,1-3,5). Однако абсолютные значения прочности образцов, прессованных при давлении 25 МПа, существенно увеличились. Для этих образцов объемное водопоглощение при средней плотности композита 1810 кг/м3 составило 32%. Если принять, что пористость равна объемному водопоглощению, то приведенная прочность в условно-плотном состоянии ориентировочно равна 203 МПа, что сопоставимо с прочностью высокопрочных горных пород. Для сравнения приведем значения прочности цементного камня, полученного при полусухом прессовании цемента М500 ДО при давлении 500 МПа и влажности 9,8%. Через 28 сут нормального твердения прочность при сжатии составила 267 МПа. Можно полагать, что при таком давлении и влажности гравелито-шлаковые композиты могут иметь прочностные показатели, близкие к цементному камню.

Приведенные результаты значительного повышения прочности гравелито-шлаковых композиций относятся к мягкому термическому воздействию на образцы после 28-суточного твердения. Естественно, что такой сложный технологический процесс получения геошлаковых полимеров не может быть реализован на практике. Для практической реализации технологии необходим предварительный ускоренный режим тепловлажностной обработки композиционных материалов при температуре 70-90°С. Экспериментальные результаты свидетельствуют, что гравелито-шлаковые образцы (шлак:гравий = 1:4) при всех аналогичных рецептурных и технологических параметрах изготовления после пропаривания при температуре 80°С по режиму 4+3+остывание имели прочность 20,5 МПа. После сушки при 105-110°С прочность повысилась до 89,9 МПа, а после прогрева при 250°С - до 108,8 МПа.

Таким образом, технология изготовления высокопрочных геошлаковых полимеров сводится к двухстадийной тепловой обработке: тепловая обработка в гидротермальных условиях для протекания гидратационного твердения, последующая сушка при 105-110°С или сухой прогрев при 150-250°С, что может быть реализовано в одном тепловом аппарате.

Высокие прочностные показатели достигаются не только на прессованных, но и на виброуплотненных композициях. Снижение прочности неизбежно, если в минерально-шлаковое вяжущее вводятся заполнители. В табл. 2 представлены результаты испытания песчаных бетонов на двух минерально-шлаковых вяжущих. Водовяжущее отношение во всех составах было 0,25, массовая доля щелочи 2%. Использовались молотые глауконитовый песчаник с Sуд = 1300 м2/кг, гравий с Sуд = 910 м2/кг, шлак с Sуд = 440 м2/кг. Мелким заполнителем служил сурский песок. Образцы формовались на виброплощадке.

Результаты испытаний (табл. 2) свидетельствуют, что с увеличением содержания шлака в смеси с 10-20 до 60% образцы из смешанного вяжущего имеют высокие показатели прочности через 28 сут нормального твердения, хотя пористость их ниже, чем прессованных.

Эффективность сухого прогрева при 105°С снижается, хотя прочность при сжатии превышает 100 МПа. В песчаных бетонах состава 1:1 и 1:2 нормального твердения прочность понижается не столь значительно по сравнению с понижением прочности высушенных образцов. Сильно наполненные, наиболее экономичные песчанистые бетоны состава 1:3 после прогрева обладают достаточно высокой прочностью, не уступающей прочности песчанистого бетона состава 1:3 на цементном вяжущем.