УДК 691.3

ЭФФЕКТИВНЫЕ ГЛИНОШЛАКОВЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛИНЫ ЮЖНО-БАШМАКОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Калашников Владимир Иванович1, Мороз Марина Николаевна2, Саденко Сергей Михайлович3, Белякова Елена Александровна4, Москвин Роман Николаевич5, Белякова Варвара Сергеевна6
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, д.т.н.
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, к.т.н.
3Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, к.т.н.
4Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, к.т.н.
5Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, к.т.н.
6Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, студент

Аннотация
В статье приведены основные физико-технические свойства глиношлаковых строительных материалов на основе Южно-Башмаковской глины Пензенской области. Получены водостойкие, морозостойкие, трещиностойкие глиношлаковые материалы, которые можно использовать для производства эффективной безобжиговой декоративной фасадной плитки, стеновых материалов и черепицы.

Ключевые слова: безобжиговая технология, глина, дисперсность, долговечность, прочность, шлак, эффективность


EFFECTIVE CLAY-SLAG BUILDING MATERIALS USING CLAY SOUTH-BASHMAKOVO FIELD

Kalashnikov Vladimir Ivanovich1, Moroz Marina Nikolaevna2, Sadenko Sergey Mikhailovich3, Belykova Elena Аleksandrovna4, Moskvin Roman Nikolaevich5, Belykova Varvara Sergeevna6
1Penza State University of Architecture and Construction, doctor of technical sciences
2Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of technical sciences
3Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of technical sciences
4Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of technical sciences
5Penza State University of Architecture and Construction, сandidate of technical sciences
6Penza State University of Architecture and Construction, student

Abstract
The article describes the basic physical and technical properties clay-slag building materials using clay South-Bashmakovo field of Penza region. The obtained water-resistant, frost-resistant, crack resistant clay-slag building materials that can be used to produce effective decorative facade tiles, wall materials and shingles without burning.

Библиографическая ссылка на статью:
Калашников В.И., Мороз М.Н., Саденко С.М., Белякова Е.А., Москвин Р.Н., Белякова В.С. Эффективные глиношлаковые строительные материалы с использованием глины Южно-Башмаковского месторождения // Современная техника и технологии. 2015. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/02/5636 (дата обращения: 04.10.2017).

В настоящее время а кафедре ”Технологии строительных материалов и деревообработки” Пензенского государственного университета архитектуры и строительства (ПГУАС) (“Технологии бетонов керамики и вяжущих” до 2013 года) ведутся исследования по созданию минеральношлаковых вяжущих и строительных материалов на их основе с использованием дисперсных горных пород осадочного и вулканического происхождения: глины, известняка, доломита, молотого гравия, кремнеземистых и глауконитовых песчаников, базальта, диабаза, гранита, сиенита, диорита.

Низкощелочные минеральношлаковые композиционные строительные материалы и, в частности, геошлаковые композиты должны получить в будущем значительное развитие. Это обусловлено следующими факторами:

– минимальным расходом щелочных активизаторов, не превышающим 2-3% от массы композиционного минеральношлакового вяжущего, что существенно повышает его экономическую эффективность;

– значительным потреблением дисперсных горных пород – глины, известняка, базальта, гранита, диорита, сиенита, габбро, кремнистых пород, многие из которых активизируются щелочными активизаторами шлака;

– улучшением отдельных физико-технических и функциональных свойств в сравнении с традиционными «чистыми» шлакощелочными вяжущими и бетонами с высокими дозировками щелочных активизаторов;

– возможностью снижения содержания шлака до 10-20% при получении геошлаковых композитов при оптимальном сочетании химико-минералогического состава шлака, горных пород и корректирующей добавки;

– возможностью проведения в объеме композиционных шлаковых материалов реакций каустификации соды [1], которая в будущем, по нашему мнению, должна получить статус вяжущего (при утилизации углекислотных выбросов) для отверждения геополимеров.

Изучены минерально-шлаковые вяжущие, такие как глиношлаковые, карбонатношлаковые, доломитошлаковые, гравелитошлаковые, глауконитошлаковые, в которых доля наполнителей варьировалась от 40 до 80% при содержании активизаторов щелочи или соды, не превышающем 2-3% от массы композиционного шлакового вяжущего [2, 3, 4].

Разработанные нами низкощелочные композиционные минеральношлаковые и геошлаковые вяжущие существенно расширили сырьевую базу для их производства и позволили сократить расходы шлака в 1,5-2,0 раза и щелочных активизаторов NaOH, KOH, Na2CO3, K2CO3 в 2-4 раза по сравнению с шлакощелочными вяжущими.

При этом прочностные показатели этих вяжущих, прессованных и виброуплотненных материалов на их основе практически не ухудшились по сравнению со шлакощелочными с высокими расходами активизаторов. Например, глиношлаковые вяжущие являются высокотрещиностойкими, обладают «безопасной» усадкой, выдерживают без образования трещин 25-30 циклов попеременного увлажнения-высушивания при температуре 105ºС с повышением прочности и модуля упругости [5] . Шлакощелочные вяжущие и цементы разрушаются через 2-5 циклов попеременного высушивания-увлажнения.

Рассматривался фактор наполнения не только с позиции экономии шлака как вяжущего с высокой реакционной активностью в смеси со многими породами, но и как вариант существенного повышения доли щелочных активизаторов, приходящихся на шлаковое вяжущее в минеральношлаковой системе при общем низком их количестве в последней. Так, при 70%-ном содержании наполнителя и 30%-ном содержании шлака и дозировке активизатора от массы смеси 3% на долю шлака придется 10%. Если наполнитель не реакционно активен по отношению к активизатору и не реагирует с ним с образованием новой фазы, то весь он будет связываться со шлаком с образованием продуктов гидратации шлака, которые цементируют частицы наполнителя вследствие экспериментально подтвержденного ионно-диффузионного механизма твердения. При соотношении «шлак/наполнитель» 1/4 и 2%-ном содержании активизатора на долю шлака приходится 10% активизатора. В этом случае частицы шлака расположены локально в дисперсной матрице из частиц минеральной породы. Шлак в этом случае справедливо назвать реакционно-активным наполнителем в нетвердеющей основной минеральной матрице.

Диапазон горных пород для создания минерально-шлаковых вяжущих и материалов на их основе чрезвычайно широк и разнообразен по химико-минералогической природе. В этот диапазон входят породы осадочного происхождения: карбонаты, глины, суглинки, силициты, гравелиты и др.; вулканического происхождения: граниты, сиениты, диориты, базальты, габбро и др.

Учитывая широкое разнообразие щелочных шлаковых вяжущих, как чистых, так и композиционных, Калашниковым В.И. предложена классификация [6], в основу которой положены критерии количества шлака, минеральной добавки и щелочного активизатора в составе композиционных вяжущих.

Предлагаемая классификация является наиболее компактной и емкой, учитывающая все известные на данный момент виды шлаковых вяжущих, активируемых щелочами и щелочными солями. При этом «родное» название шлакощелочного вяжущего по В.Д. Глуховскому сохраняется.

Для оценки кинетики формирования прочности глиношлакового вяжущего были проведены следующие эксперименты. В качестве основных сырьевых материалов использовались молотый гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического завода с удельной поверхностью Sуд = 370 м2/кг в комплексе с Южно-Башмаковской глиной с Sуд = 550 м2/кг при различном соотношении “шлак:глина” – «60:40», «70:30» и «80:20» по массе.

Водо-твердое отношение составляло 0,14. В качестве активизатора твердения использовали щелочь NaOH в количестве 3% от массы вяжущего. Для предварительного анализа были отформованы образцы методом прессования при Р = 25 МПа. Образцы подвергались тепло-влажностной обработке по режиму: 3 часа – подъем температуры, 5 часов – изотермическая выдержка при температуре 80ºС, и естественное остывание. Часть образцов хранилась в нормально-влажностных условиях при относительной влажности воздуха более 90% в течение 28 суток, затем подвергалась испытанию на прочность при сжатии. Далее образцы подвергались водонасыщению в течение 10 суток. Периодически производился контроль водопоглощения по массе. Результаты исследований представлены в таблице.

Таблица.  Физико-технические свойства глиношлакового вяжущего на основе Южно-Башмаковской глины

п/п

Состав

минерально-

шлакового

вяжущего

Щелочь NaOH

Содержание воды, %

от массы сухих.
компонентов

Плотность, кг/м3

Прочность на осевое
сжатие после ТВО, МПа

Прочность на сжатие
после сушки при 100 Сº образцов
после ТВО, МПа

Прочность на осевое
сжатие образцов, хранившихся в нормальных условиях, МПа, через:

Коэффициент
размягчения

Водопоглощение по массе,
%,

через:

Морозостойкость, циклы

Циклы увлажнения-высушивания

1 сутки

3 суток

14 суток

28 суток

2 суток

10 суток

шлак

глина

Са(ОН)2

1

80

20

3

14

2,24

17,2

22,24

3,5

8,2

16,8

18,3

0,7

7,8

8,0

2

60

40

3

14

2,25

33,4

37,4

9,9

14,6

22,9

30,3

0,76

7,02

7,32

Более 300

 Более 100

3

70

30

3

14

2,30

13,3

18,1

3,1

7,3

15,2

16,6

0,69

7,2

7,9

4

60

40

6

1,5

10

2,22

30,2

35,5

3,25

30,2

0,50

8,5

9,6

Как видно из таблицы, при соотношении компонентов глиношлакового вяжущего «шлак:глина» – «60:40», была получена самая высокая прочность на осевое сжатие (состав 2 таблица): после тепловлажностной обработки она составила 33,4 МПа, через 28 суток нормально-влажностного твердения – 30,3 МПа. При соотношении «шлак:глина» «80:20» и «70:30» прочность на осевое сжатие после тепловлажностной обработки составила 17,2 и 13,3 МПа, соответственно. Последующее высушивание образцов после ТВО способствует повышению прочности на сжатие для состава 2 в 1,12 раза – 37,4 МПа. Водопоглощение по массе образцов глиношлакового вяжущего при оптимально-подобранном соотношении «шлак:глина» – «60:40» через 10 суток составила 7,32 %.

Кроме того, следует отметить, что глиношлаковые материалы имеют достаточно высокие прочностные показатели, при этом предел прочности на сжатие, средняя плотность образцов, а также формовочная влажность возрастают с уменьшением формовочной влажности смеси до оптимального значения.

Введение извести в качестве активизатора твердения при снижении количества щелочи приводит к замедлению набора прочности в нормальных условиях, но в условиях тепловлажностной обработки кинетика роста прочности аналогична образцам, активируемым при повышенном содержании щелочи (состав 4 таблица).

Добавка к глиношлаковому вяжущему наполнителя – тонкомолотого известняка – вызывает увеличение прочности в нормативные сроки на 20% и прочности после ТВО – на 11%.

Коэффициент размягчения, находящийся в пределах от 0,5 до 0,76, ниже, чем у бетонов на портландцементном вяжущем. Однако процесс твердения образцов в воде практически идентичен твердению в нормально-влажностных условиях; при этом не наблюдается размучивание образцов в воде после суточной воздушно-влажной выдержки, не происходит снижение прочности, а в составах с Са(ОН)2 она даже выше на 15% по сравнению с прочностью образцов нормального твердения.

Все это позволяет отнести глиношлаковое вяжущее при оптимально-подобранном соотношении «шлак:глина» – «1,5:1» к классу гидравлических вяжущих веществ с учетом медленного, но стабильного длительного гидратационного твердения во времени.

В процессе попеременного увлажнения-высушивания поведение глиношлаковых образцов в течение 20-25 циклов отличается от классического – плавного падения динамического модуля упругости, вызываемого расшатыванием структуры, характерного для цементных бетонов. Образующиеся от усадки трещины не только залечиваются с полным восстановлением исходной стабильной структуры по значениям модуля упругости, но эта структура постоянно упрочняется за счет гидратации клинкерного фонда в процессе «отдыха» при водонасыщении образцов или других, пока не изученных, процессов в полиструктуре.

В процессе испытаний наблюдалась постоянная гидратация глиношлакового вяжущего. Микроскопическая оценка с помощью отсчётного микроскопа МПБ-2 с ценой деления 50 мкм, не позволило обнаружить наличие волосяных трещин на поверхности глиношлаковых образцов, что характеризует их как высокотрещиностойкие композиционные материалы.

Таким образом, установлена хорошая совместимость минералов глины с компонентами шлака в щелочной среде с формированием нормативной прочности до 33 МПа. Получены водостойкие, морозостойкие, малоусадочные и трещиностойкие глиношлаковые материалы, которые можно использовать для производства эффективной декоративной фасадной плитки, стеновых материалов и черепицы.


Библиографический список
  1. Москвин Р.Н. Каустифицированные композиционные минеральношлаковые вяжущие и строительные материалы на их основе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пенза. 2005.
  2. Карташов А.А. Низкощелочные композиционные минеральношлаковые вяжущие с использованием отдельных пород осадочного происхождения и строительные материалы на их основе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пенза. 2005 г.
  3. Хвастунов В.Л., Калашников В.И., Хвастунов А.В. Безобжиговые малощелочные минерально-шлаковые вяжущие и бетоны на их основе // Технологии бетонов. 2007. №1. С.8.
  4. Хвастунов В.Л., Москвин Р.Н., Хвастунов А.В., Краснощеков А.А. Влияние рецептурных, структурных и технологических факторов на основные свойства минеральношлаковых вяжущих//Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сборник статей Международной научно-технической конференции. Пенза, 2005. – с. 194-204.
  5. Глиношлаковые строительные материалы/В.И. Калашников, В.Ю. Нестеров, В.Л. Хвастунов и др.; Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В.И. Калашникова. – Пенза: ПГАСА, 2000. – 207 с.: ил.
  6. Калашников В.И. К вопросу классификации минеральношлаковых вяжущих // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения отделения строительных наук РААСН. – Самара: СамГАСУ. 2004. – С. 201-204.


Все статьи автора «Мороз Марина Николаевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: