Введение
Впервые геополимеры были получены Д. Давидовичем в 1976 году, гидротермальным синтезом из алюмосиликатных минералов на основе промышленных отходов [1]. Эти материалы обладают высокой, прочностью, плотностью, водостойкостью, тепло- и термостойкостью [2]. Материалы на основе геополимеров применяются сегодня в опытно-промышленных масштабах для изготовления жаростойких бетонов, низкообжиговой керамики, а также строительных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах [2]. Основные центры исследования и применения геополимеров находятся во Франция, Австралии, Японии и Германии. Ведутся работы в этом направлении и в нашей стране [3-6].
В качестве сырья для геополимерных материалов в настоящее время используются термически обработанные алюмосиликатные материалы природного и искусственного происхождения – каолины, граниты, шлаки, золы, кварц, микрокремнезём, коордиерит и др. [2]. Особый интерес для получения геополимерных материалов представляют отходы камнедробления и рудообогащения, в связи с большими объёмами их образования.
В данной работе приводятся результаты исследований по получению геополимеров на основе различных изверженных горных пород.
Методы и материалы
В качестве исходного сырья для приготовления вяжущего в исследованиях были использованы изверженные горные породы измельчённые до удельной поверхности Sуд=600 м2/кг – гранит Капустинского и Павловского карьеров, аплит-гранит, дацит, габбро-диабаз, а также модифицирующая добавка – доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината с Sуд=380 м2/кг. Для активизации процесса твердения использовались NaOH и жидкое стекло.
Для исследований с помощью прессованиям под давлением 25 МПа были изготовлены образцы цилиндрической формы диаметром и высотой 20 мм из формовочной смеси с влажностью 13-14 %.
Твердение образцов проходило в нормальных условиях и при тепловой обработке по трёх- или четырёхстадийному режиму при температуре 80-330 °С с выдержкой на каждом этапе в течение 4 часов.
Результаты и их обсуждение
На основании данных приведенных в табл. 1, 2 можно отметить, что основными приёмами позволяющими повысить прочность вяжущих является использование добавки шлака и применение тепловой обработки, ускоряющей образование геля кремниевой кислоты. При повышении температуры от 80 до 200 °С во всех составах отмечается повышение прочности (см. рис.1). Повышение температуры до 330 °C приводит к снижению прочности.
Таблица 1 – Плотность и водостойкость вяжущих, полученных прессованием (без модифицирующей добавки шлака)
№ состава |
Горная порода |
Плотность, кг/м3 |
Коэффициент размягчения после тепловой обработки при tи=330 °С |
1 |
Гранит |
1837 |
0,58 |
2 |
Аплит-гранит |
1860 |
0,62 |
3 |
Габбро-диабаз |
2147 |
0,80 |
Рисунок 1 – Зависимость прочности геополимерных вяжущих, полученных прессованием от температуры твердения и горной породы, используемой в качестве сырья: 1 – гранит, 2 – аплит-гранит, 3 –габбро-диабаз
Рисунок 2 – Прочность геополимерных вяжущих на основе различных горных пород с 15 % добавкой шлака при твердении образцов в нормальных условиях: 1- гранит, 2 –аплит-гранит, 3 –габбро-диабаз
Таблица 2 – Влияние добавки шлака и температуры твердения на свойства геополимерных вяжущих
№ состава |
Горная порода |
Содержание шлака, % от массы вяжущего |
Физико-механические характеристики после тепловой обработки при температуре |
|||||
tиз=80°C |
tиз=200°C |
tиз=330°C |
||||||
ρ, кг/м3 |
P, МПа |
ρ, кг/м3 |
P, МПа |
ρ, кг/м3 |
P, МПа |
|||
1 |
Гранит |
10 |
1848 |
19,4 |
1867 |
48,4 |
1890 |
40,9 |
2 |
15 |
1875 |
23,4 |
1902 |
58,6 |
1925 |
47,0 |
|
3 |
Дацит |
10 |
2005 |
34,0 |
2157 |
85,0 |
2174 |
75,2 |
4 |
15 |
2015 |
46,1 |
2200 |
115,3 |
2228 |
127,1 |
Рисунок 3 – Коэффициент размягчения геополимеров при экспонировании их в воде (обозначения по табл. 2)
При термической обработке согласно рис. 1 наибольшей активностью обладают вяжущие, полученные на основе излившихся пород: из дацита – 127 МПа и габбро-диабаза – 90 МПа. Составы на основе глубинных пород характеризуются меньшими значениями прочности: аплит-гранит – 66,5 МПа и гранит – 57,6 МПа.
Составы, твердевшие без прогрева, имеют более низкую прочность (рис. 2). Наибольшую прочность – 38 МПа при таком режиме твердения показал состав на основе диабаза с 15 % добавкой шлака.
Как видно в табл. 1 и рис. 3, геополимерные вяжущие без добавки шлака и с добавкой шлака до 10 % обладают небольшой водостойкостью, не превышающей значение по коэффициенту размягчения 0,75 (Кр). В отсутствие добавки шлака коэффициент размягчения свыше 0,75 (Кр=0,8) достигается при использовании в качестве сырья для получения вяжущего измельченного габбро-диабаза. С увеличением дозировки шлака с 10 до 15 % водостойкость вяжущих изготовленных по прессовой технологии в зависимости от вида горной породы составляет через 2 суток выдерживания в воде 0,8-1,07. При длительном выдерживании в воде (10 месяцев) Кр вяжущего на граните Павловского месторождения увеличился до – 1,2 и уменьшается до 0,92 у вяжущего на основе дацита.
Выводы
Были исследованы геополимерные вяжущие из изверженных горных пород, полученные по прессовой технологии. Установлен оптимальный режим твердения (до 200°С), при котором вяжущие обладают наибольшей прочностью. Присутствие добавки шлака обеспечивает его твердение в нормальных условиях, а также повышение водостойкости. При твердении в нормальных условиях прочность вяжущих возрастает в ряду: аплит-гранит, гранит и габбро-диабаз от 24 до 38 МПа. Коэффициент размягчения вяжущих с добавкой шлака через 10 месяцев выдержки в воде составляет от 0,9 до 1,25.
Библиографический список
- Davidovits J. Soft Mineralurgy and Geopolymers. In proceeding of Geopolymer 88 International Conference, the Université de Technologie, Compiègne, France. 1988. – P. 49-56.
- Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. Saint Quentin, France: Geopolymer Institute, 2008. 585 p.
- Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих / В.И.Калашников // Современные состояние и перспективы развития строительных материаловедения: Материалы VIII Академических чтений. – Самара, 2004. – С. 193-197.
- Ерошкина Н.А., Калашников В.И., Коровкин М.О. Минерально-щелочные вяжущие. Монография. М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования «Пензенский гос. ун-т архитектуры и стр-ва». Пенза, 2012.
- Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Сурков А.Н. Оценка магматических горных пород в качестве сырья для получения геополимерных вяжущих // Молодой учёный. 2014. № 20 (79). C. 120-123.
- Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Механизм твердения геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 3. С. 50-55.