Реферат: Геополимерные вяжущие материалы

Представляет интерес проанализировать кинетику нарастания прочности минерально-шлаковых вяжущих, изготовленных на различных породах осадочного происхождения в зависимости от их дисперсности. Композиты изготовлялись методом прессования при давлении 15 МПа из следующих составов: порода:шлак = 40:60, массовая доля щелочи 2%; формовочная влажность смесей составляла 12%. Результаты (табл. 3) свидетельствуют о том, что для всех пород с увеличением их дисперсности прочностные показатели при воздушно-влажностном твердении увеличиваются. Более заметный прирост прочности характерен после прогрева образцов при 150°С. Из исследованных пород наиболее активны глауконитовый песчаник и полиморфная модификация кварца - халцедон.

Таким образом, показана возможность получения принципиально новых видов высокопрочных вяжущих из модифицированных дисперсных горных пород. Вследствие совместного каталитического воздействия малых добавок шлака и щелочи №ОН в количестве 2% при повышении температуры выше температуры кипения предельно-насыщенного в микрокапиллярах раствора щелочи (150°С) ускоренно протекает синтез высокопрочных цементирующих соединений. При этом проявляется радикальная активирующая роль шлака в отвердевании предельно-наполненных горными породами композиций. Поэтому отношение к шлаку как активирующему началу для создания геополимеров из горных пород должно быть пересмотрено. И чем быстрее произойдет такая позитивная переоценка, тем значительнее будет вклад в экономику строительной индустрии.

прогрессирующим накоплением минеральных отходов горно-добывающих и рудно-обогатительных производств;

достаточным количеством шлаков, которые оказывают в малом количестве инициирующее действие на процессы отвердевания горных пород в минерально-шлаковых композициях;

минимальным расходом щелочных активаторов;

улучшением отдельных физико-технических и функциональных свойств в сравнении со шлакоще-лочными вяжущими с большими дозировками щелочных активаторов;

возможностью замены щелочей путем проведения в объеме композиционных шлаковых вяжущих реакций каустификации соды известью;

возможностью снижения содержания шлака до 10-20% в минерально-шлаковом вяжущем при оптимальном химико-минералогическом соотношении шлака и горной породы;

малыми затратами тепла по сравнению с расходами его при производстве извести и цемента;

высокими физико-механическими свойствами. [11]

.1 Активация электромагнитным полем

В развитие известных разработок в области получения бесклинкерных вяжущих на основе вулканических шлаков была сформулирована гипотеза о возможности создания эффективных шлакосиликатных вяжущих (ШСВ), полученных путем электромагнитной активации вяжущих, состоящих из вулканических шлакюв и силикат-глыбы, в жидкой среде. Твердение вяжущих осуществлялось в условиях сушки при I = 80, 150 и 200°С, время термообработки 1,5+т+1,5 ч, где т - переменная продолжительность изотермической выдержки, равная 1; 1,5; 2 и 3 ч.

С увеличением степени дисперсности силикат-глыбы, активированной электромагнитным полем, постепенно увеличивается растворимость силикат-глыбы (рис. 1). При диспергировании* силикат-глыбы происходит не только ее интенсивное измельчение, но и изменение физико-химического состояния и структуры, то есть повышение реакционной способности. Эффект электромагнитной активации не пропорционален приросту удельной поверхности и связан с необратимыми деформациями, происходящими при разрушении материала.

При сравнении способа активации силикат-глыбы (рис. 1) очевидна эффективность электромагнитной активации: 95-98% растворимость твердых силикатов натрия наблюдается при измельчении в присутствии воды

при 8уд = 350-400 м2/кг, при температуре тепловой обработки 150°С. Повышение растворимости силикат-глыбы, а следовательно, физико-химической активности ШСВ за счет электромагнитной активации происходит в результате повышения физико-химической активности среды, приводящей к увеличению активной поверхности твердых компонентов вяжущих.

Рис. 2.1. Исследование растворимости силикат-глыбы, активированной различными способами (3 = 400 м2/кг): 1 - сухая механоактивация; 2 - гидромеханоактивация; 3 - электромагнитная активация

Диспергация частиц зерен вяжущих веществ происходит за счет взаимодействия активных форм молекул воды (радикалов ) образующихся при резонансном поглощении водой электромагнитных колебаний в области частот 13-20 кГц.

В условиях тепловой обработки повышенная температура и щелочная среда способствуют растворению. с поверхности вулканического шлака частиц аморфного кремнезема, находящегося в тонкодисперсном состоянии. В результате чего образуется раствор орто-кремниевой кислоты и частично жидкое стекло.

Наличие в составе шлака оксида кремния приводит к локальному изменению рН на границе раствор - зерно, вследствие чего жидкое стекло гидролизуется и на поверхности частиц стекла образуется гель кремниевой кислоты. В момент образования дисперсной фазы происходит реакция поликонденсации с образованием геля кремниевой кислоты, который склеивает в монолит отдельные нерастворившиеся частицы стекла и шлака. А использование некондиционного заполнителя* увеличивает прочность бетона в среднем на 10-20% в зависимости от расхода вяжущего (рис. 2.2, 2.3).

Рис. 2.2, 2.3

Результаты исследований подтверждают гипотезу о том, что гидроалюмосиликаты глинистых примесей в сочетании с щелочными компонентами вяжущего образуют дополнительно гидратные новообразования в виде гидроалюмосиликатов натрия типа натролита.

В результате исследований определены все основные свойства разработанных шлакосиликатных бетонов.

Таблица 2.3

*БЦБ - бесцементный бетон; **ЦШБ - цеменгный шлакобетон.

Анализ основных физико-технических свойств разработанных шлакосиликатных бетонов показывает их преимущества перед известными бетонами по конструктивным свойствам и долговечности, что позволяет их рекомендовать для изготовления штучных стеновых материалов и изделий[13].

3. Оценка экологичности геополимерных вяжущихна основе низкокальциевой золы-уноса

Возрастающая утилизационная роль отрасли строительных материалов, вызванная интенсификацией использования техногенного минерального сырья, представляющего собой отходы металлургии (доменные и сталелитейные шлаки), энергетики (золы-уноса), горнодобывающей промышленности и других отраслей, способствует существенному снижению техногенного прессинга на экосферу среды обитания и жизнедеятельности в системе человек - материал - среда обитания [14].

Однако техногенные отходы, являющиеся продуктом глубокой переработки природного минерального сырья, особенно с высокотермальными этапами их технологической истории, способны концентрировать низкокларковые, как правило, тяжелые элементы в химически несвязанной форме. Строительные материалы, изготовленные на основе такого техногенного сырья, могут оказывать различные виды негативного воздействия (канцерогенное, аллергенное и др.) на биологические индивиды. В связи с этим актуализируется требование к биологической позитивности техногенного минерального сырья и материалов на его основе.

В особой степени это относится к новым видам вяжущих - геополимерам, получаемым при щелочной активации алюмосиликатного сырья. Эти вяжущие представляют собой перспективный класс наноструктурированных материалов, имеющих перспективы применения в композиционных материалах как альтернатива портландцементу. Одним из применяемых для получения геополимерных вяжущих техногенного алюмосиликатного сырья является низкокальциевая зола-уноса ТЭЦ, получаемая как отход при сжигании каменного угля [15].

Цель данного исследования - сравнительный анализ степени экологической безопасности геополимерного вяжущего на основе золы-уноса ТЭЦ и традиционного цементного вяжущего. Для проведения эксперимента применена методика фитотестирования вяжущих на основе техногенного сырья на семенах высших растений. Используемый, в настоящей работе фитотест является унифицированным методом, в соответствии с которым установление класса опасности и уровня безвредности отхода по фитотоксическому действию осуществляется по определенным параметрам фитотоксичности *[16].

Для проведения сравнительного анализа в качестве исследуемых материалов использовали цементное вяжущее, твердевшее в стандартных условиях (ЦВ), геополимерное вяжущее, подвергнутое в процессе твердения температурной обработке при 80°С (ГВ 80) и твердевшее при комнатной температуре (ГВ 25).

В качестве исходных материалов использовали портландцемент ЦЕМ1 42,5 и золу-уноса ТЭЦ. В качестве исходного экспериментального материала использовали образцы вяжущих в возрасте 28 сут[15].

Пробоподготовку исследуемых материалов проводили в соответствии с методическими рекомендациями [16]. Перед началом испытания образцы вяжущих были измельчены до грубодисперсного состояния. Для определения диапазона фитотоксического действия приготовлены рабочие растворы путем последовательного разбавления нативных экстрактов вяжущих дистиллированной водой в соотношениях 1:10, 1:100 и 1:1000.

В качестве контрольной среды для проращивания тест-культуры использовали дистиллированную воду.

Для полученных рабочих растворов были определены значения рН на различных стадиях их выдержки (см. таблицу).

Таблица 3.4

*Под контрольным замером в данном случае понимается измерение длины корней и проростков зерна тест-культуры, причем измерение должно осуществляться для максимально длинных порослей.

Рабочие растворы выдерживали в течение 2 сут, затем помещали в чашки Петри (по 5 мл каждого раствора) с фильтровальной бумагой по всей поверхности дна, совместно с тест-культурой. В качестве последней были использованы неповрежденные семена овса (по 25 зерен для каждой пробы) с предварительно определенной всхожестью, составляющей не менее 95%. После приготовления образцы помещались в термостат на 7 сут.

В течение всего эксперимента было осуществлено два контрольных замера* в возрасте 3 и 7 сут.

Проявление степени фитоэффекта на тест-культуре в зависимости от используемого экстракта вяжущего представлено на рис. 1.

На основании визуального оценивания можно предположить, что наиболее благоприятной средой для прорастания зерен тест-культуры является водный раствор ГВ 80.

Для расчетной оценки фитоэффекта исследуемых материалов использована методика, основанная на экспериментально установленной зависимости величины фитотоксического эффекта от степени разбавления водного экстракта. В качестве выходного параметра выступает величина Ет (эффект торможения), рассчитываемая по формуле: