Кинетика твердения геополимерного вяжущего на основе горных пород

Аннотация

Исследовано влияние различных факторов на кинетику твердения геополимерного вяжущего на основе измельченных отходов добычи и переработки магматических горных пород. В качестве факторов, определяющих темпы набора прочности, исследованы вид и дозировка минеральных добавок к вяжущему — доменный гранулированный шлак, а также состав активатора твердения, дисперсность компонентов и температура твердения. Получены аналитические зависимости, описывающие влияние исследованных факторов на прочность геополимерных вяжущих. геополимерный вяжущий прочность кинетика.

Ключевые слова: геополимер, кинетика твердения, отходы добычи и переработки магматических горных пород, доменный шлак.

Предложенный французским исследователем термин «геополимер» [1] означает неорганический полимерный материал, который получают в результате активации щелочными или кислотными компонентами алюмосиликатных или других сырьевых материалов. В качестве сырья для получения геополимеров используются шлаки, золы, метакаолин, полевошпатные породы [1, 2].

Одной из причин сдерживающих широкое применение этих вяжущих является недостаточно полное представление о процессах, протекающих в геополимерах при их твердении и эксплуатации [1, 3].

Важным аспектом структурообразования вяжущих считается кинетика их твердения. Исследование влияния различных факторов на кинетику твердения — один способов изучения процессов структурообразования [4]. Кроме того, темпы набора прочности являются основным технологическим свойством вяжущих и материалов на их основе.

Цель работы — исследование влияния различных факторов на прочность и кинетику твердения геополимерных вяжущих на основе измельченных отходов дробления гранита с добавкой гранулированного шлака.

Для исследований было использовано геополимерное вяжущее на основе измельченного отсева гранита с добавкой гранулированного шлака ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», которая измельчалась до различной удельной поверхности. В качестве активатора твердения применялось натриевое жидкое стекло с Мс=2,7, в которое вводилось различное количество NaOH для снижения силикатного модуля.

Для изготовления бетона использовались отсев дробления гранитного щебня фракций 2,5−0,63 мм и кварцевый песок фракции 0,16−0,63 мм.

Анализ прочности при сжатии R геополимерного вяжущего на основе измельченного гранита с 25% добавкой шлака при различной удельной поверхности этих компонентов вяжущего (см. таблицу) показал, что кинетика твердения может быть описана уравнением вида R = (exp (a + b*ln ф))2, где, а и b — эмпирические коэффициенты; ф — продолжительность твердения, сут. Значения коэффициентов уравнений для вяжущих с различной удельной поверхностью приведены в таблице.

Таблица.

Прочность растворов, приготовленных на вяжущих с различной удельной поверхностью компонентов.

Статистическая обработка совокупности значений удельных поверхностей гранита и шлака, а также коэффициентов a и b позволила установить следующие зависимости:

;

Полученные уравнения позволяют оптимизировать тонкость помола отсева дробления гранита и шлака с учетом заданной кинетики твердения геополимерного вяжущего с добавкой 25% шлака. Для оптимизации дисперсности компонентов вяжущего с другой дозировкой шлака необходимо получение соответствующих экспериментальных данных.

Исследование влияния на прочность мелкозернистого геополимерного бетона варьирования доли шлака в вяжущем в интервале от 15 до 20%, активатора твердения от 10 до 15% в пересчете на сухое вещество и дополнительно количества щелочи в активаторе твердения в интервале от 3 до 5% в пересчете на вяжущее позволило получить математические модели зависимости прочности при различных условиях твердения от перечисленных факторов:

R60 = 17, 2+1, 4X1+2, 3X2 — 0, 6Х 3;

R80 =29,088+4, 5375X1+2, 2375X2,.

где R60, R80 — прочность мелкозернистого бетона, твердевшего в течение 16 часов при температуре 60 и 80 °C, соответственно;

Х 1, Х 2, Х 3, — соответственно доля шлака в вяжущем, дозировка активатора и количество щелочи в относительных единицах.

Кинетика твердения геополимерных материалов определяется скоростью деструкции сырьевых материалов в гиперщелочной среде и синтезом новой структуры полимерного типа [1]. Общепризнано, что на эти процессы определяющее влияние оказывают рецептурный и температурный факторы. Однако структурообразование геополимерных и других видов вяжущих в значительной степени зависит от деструктивных процессов, которые протекают одновременно с геополимеризацией. Одна из возможных причин образования дефектов структуры — аутогенная усадка, которая в геополимерном вяжущем намного выше, чем в портландцементе [5, 6].

Дискуссия о сбросах прочности твердеющих вяжущих началась еще в 30-е годы прошлого столетия [7]. Однако, несмотря на значительный объем результатов системных исследований [8, 9], большинство исследователей не признают немонотонный характер твердения вяжущих, а колебания прочности объясняют неоднородной природой материала.

Исследования кинетики твердения геополимерного мелкозернистого бетона были проведены на мелкозернистом бетоне, образцы из которого испытывались в течение 28 суток каждые сутки. В каждый срок испытывалось по 2 образца. Результаты определения прочности и график изменения средних значений приведены на рисунке.

Рис. — Прочность мелкозернистого геополимерного бетона и график изменения средних значений

На рисунке видно, что немонотонный характер роста прочности геополимерного бетона нельзя объяснить только статистической погрешностью. Для объяснения немонотонного роста прочности возможно использование гипотезы циклического накопления макродефектов в геополимерной матрице в результате развития аутогенной усадки в стесненных условиях и роста внутренних напряжений с последующим «залечиванием» образовавшихся трещин за счет диффузионного переноса [10] в них цементирующего вещества.

Полученные аналитические зависимости, описывающие влияние исследованных факторов на прочность геополимерных вяжущих, позволяют формализовать требования к технологическим режимам производства геополимерных строительных изделий и конструкций.

• 1. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications, 4th edition. Saint Quentin, France: Geopolymer Institute, 2015. 644 p.
• 2. Muttashar M., Lokuge W., Karunasena W. Geopolymer concrete: the green alternative with suitable structural properties // 23rd Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials. Byron Bay, Australia. 2014. pp. 101−106.
• 3. Шляхова Е. А., Акопян А. Ф., Акопян В. Ф. Применение метода рентгенофазового анализа для изучения свойств модифицированного шлакощелочного вяжущего // Инженерный Вестник Дона, 2012, № 4, Ч.2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1395/.
• 4. Eroshkina N., Korovkin M. The Effect of the Mixture Composition and Curing Conditions on the Properties of the Geopolymer Binder Based on Dust Crushing of the Granite // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. pp. 1605−1609.
• 5. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Усадка геополимерного вяжущего на различных этапах его структурообразования // Инженерный вестник Дона, 2016, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3620.
• 6. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Влияние параметров состава минерально-щелочного вяжущего на прочность и усадку бетона // Вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. 2012. № 27. С. 78−83.
• 7. Кинд А. В., Журавлев В. Ф. Электропроводность твердеющего цемента // Цемент. 1932. № 9−10. C. 21−26.
• 8. Малинина Л. А., Залипаев И. В. Исследование кинетики роста прочности бетона в процессе пропаривания // Вопросы общей технологии и ускорение твердения бетона. М.: Стройиздат, 1969. С. 102−115.
• 9. Рост прочности бетона при пропаривании и последующем твердении / Под ред. С. А. Миронова. М.: Стройиздат, 1973. 95 с.
• 10. Калашников В. И, Ананьев С. В., Калашников С. В. Структурно-топологический анализ композиционных вяжущих // Новые энергои ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: материалы Междунар. науч.-техн. конф. — Пенза: Изд-во ПДЗ, 2006. С. 78−84.

References

• 1. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications, 4th edition. Saint Quentin, France: Geopolymer Institute, 2015. 644 p.
• 2. Muttashar M., Lokuge W., Karunasena W. 23rd Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials. Byron Bay, Australia. 2014. pp. 101−106.
• 3. Shlyakhova E.A., Akopyan A.F., Akopyan V.F. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4, Ch.2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1395/.
• 4. Eroshkina N., Korovkin M. Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. pp. 1605−1609.
• 5. Eroshkina N.A., Korovkin M.O. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3620.
• 6. Eroshkina N.A., Korovkin M.O. Vestnik VolgGASU. Seriya: Stroitel’stvo i arkhitektura. 2012. № 27. pp. 78−83.
• 7. Kind A.V., Zhuravlev V.F. Tsement. 1932. № 9−10. pp. 21−26.
• 8. Malinina L.A., Zalipaev I.V. Voprosy obshchey tekhnologii i uskorenie tverdeniya betona [Questions of general technology and the acceleration concrete hardening]. M.: Stroyizdat, 1969. pp. 102−115.
• 9. Rost prochnosti betona pri proparivanii i posleduyushchem tverdenii [The growth of concrete strength by steaming and later hardening]. Pod red. S.A. Mironova. M.: Stroyizdat, 1973. 95 p.