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 S_уд=600 м²/кг – гранит Капустинского и Павловского карьеров, аплит-гранит, дацит, габбро-диабаз, а также модифицирующая добавка – доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината с S_уд=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)

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

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.