1896

Коэффициенты регрессии этого уравнения свидетельствуют о том, что основное влияние на прочность вяжущего оказывают содержание в смеси шлака и давление прессования, при котором формуются образцы. С увеличением расхода шлака и давления прессования повышается прочность минерально-щелочного вяжущего. Эта закономерность наглядно проиллюстрирована на графике (рис. 4.7,а), из которого видно, что более значительно прочность возрастает с повышением расхода шлака в пределах от 20 до 26 % и давления от 20 до 91,2 МПа. За счет увеличения расхода

Рис. 4.7. Прочность вяжущего при сжатии в зависимости от содержания шлака и давления прессования (а), а также содержания силиката натрия (б)

Меньшее влияние на прочность минерально-щелочного вяжущего, формуемого прессованием, как следует из уравнения и графика, представленного на рис. 4.7,б, оказывает содержание в составе вяжущего силиката натрия. Двукратное увеличение силиката натрия дает меньший эффект по прочности, чем увеличение расхода шлака. В связи с этим исключается необходимость введения в состав вяжущего, формуемого прессованием, повышенного содержания силиката натрия.

Плотность минерально-щелочного вяжущего, как следует из графика (рис. 4.8) и уравнения

y= 2164,3+29,68·X2+9,15·X3–6,01·X1·X2–11,28·X1·X3+12,37·X22,

внаибольшей степени зависит от давления формования и расхода силиката

натрия; с увеличением числовых значений указанных параметров плотность возрастает с 2120 до 2220 кг/м3.

Проведенные эксперименты позволили установить, что вяжущие, имеющие различную консистенцию (от прессованных до литьевых), твердеют в нормальных условиях только при использовании добавки шлака. При твер-

91

Проведенные исследования подтвердили возможность получения минерально-щелочного вяжущего на основе тонкоизмельченных магматических горных пород из прессованных смесей с небольшим расходом активатора и из виброуплотненных смесей с высоким расходом активатора. Показано, что повышение водостойкости таких систем происходит за счет введения добавки шлака. Существующие заводские технологии производства строительных материалов больше ориентированы на виброуплотненные изделия. Поэтому в настоящем и последующих подразделах будут рассмотрены минерально-щелочные вяжущие и бетоны, полученные из пластичных смесей по технологии вибрирования.

Продолжением исследований стало изучение влияния содержания комплексного активатора твердения и добавки шлака на свойства вяжущего; в качестве комплексного активатора изучалось влияние NaOH и натриевого жидкого стекла с Мс=2,7, плотностью 1,47 г/см3, в котором содержание силиката натрия составляло 50 %. Были проведены сравнительные исследования с применением методов математического планирования эксперимента по двухфакторному композиционному ортогональному плану для вяжущего на основе гранита Павловского с добавкой доменного шлака в количестве 12,5 и 25 % при соотношении активизирующий раствор/порошок,

92

равном 0,32. Основными факторами были: Х1 – содержание жидкого стекла (15±5) % и Х2 – содержание гидроксида натрия (4±2) %. Оценивалось влияние факторов на следующие свойства вяжущего: прочность при сжатии, водостойкость и коэффициент размягчения (табл. 4.7).

Таблица 4.7 Свойства минерально-щелочного вяжущего с добавкой 12,5 % шлака

Исследование прочности, водостойкости осуществлялось в соответствии с методиками ГОСТ 310.4–81 и ГОСТ 9758–86* на затвердевших образцахкубиках размерами 2×2×2 см, изготовленных из теста минеральнощелочного вяжущего. Водопоглощение образцов определялось по изменению их массы в высушенном и водонасыщенном состоянии в течение нескольких дней до полного насыщения по ГОСТ 12730.3–78.

Результаты, представленные в табл. 4.7, свидетельствуют о том, что при небольшом расходе добавки шлака (12,5 %) с увеличением расхода силиката натрия и щелочи с 2 до 4 % прочность вяжущего повышается. При увеличении расхода щелочи до 6 % наблюдается снижение прочности. Полученные вяжущие обладают прочностью в пределах от 18 до 36,8 МПа и коэффициентом размягчения от 0,63 до 1,0. При этом водостойкость минерально-щелочного вяжущего в большей степени зависит от содержания в составе вяжущего жидкого стекла, чем от содержания щелочи.

В наибольшей степени повысить прочность вяжущего позволяет увеличение дозировки шлака до 25 %, что видно из графиков, представленных на рис. 4.9. При температуре 60 С график зависимости прочности подчиняется уравнению

у = 44,367+7,183·X1–2,617·X2–2,65·X12,

из которого следует, что увеличение количества жидкого стекла и уменьшение содержания NaOH приводят к повышению прочности до

93

45…50 МПа (рис. 4.9, а). После тепловой обработки при 80 С прочность вяжущих увеличивается еще на 20…30 % в соответствии с уравнением

у=55,083+6,917·X1–6,458·X2 (рис. 4.9, б). На рис. 4.9, в представлена графи-

ческая модель, построенная по уравнению

у=72,267+4,717·X1–5,683·X2–4,717·X22

и демонстрирующая процесс твердения вяжущего в нормально-влаж- ностных условиях в течение 60 суток. Из уравнения видно, что интенсивнее набирают прочность вяжущие с высоким расходом щелочных активаторов.

94

4.2.4. Влияние термической активации сырья на прочностные свойства вяжущих

Разработчик геополимеров J. Davidovits рассматривает предварительную термическую обработку сырьевых материалов как эффективный способ повышения активности вяжущих. Для получения геополимерных вяжущих производят термическую обработку минералов природного и

искусственного происхождения при температуре 750…850 С. При этом предпочтительны алюмосиликаты полевошпатовой группы и золошлаковые минералы. В соответствии с экспериментами [132], активация способствует ускорению реакций образования прочных полимерных структур, подобных природным цеолитам.

Были проведены сравнительные испытания эффективности применения для получения вяжущих термически активированных магматических горных пород [19]. Изучение прочностных свойств осуществлялось на растворных смесях при соотношении вяжущее: песок = 1:1.

В качестве основного компонента вяжущего исследовались прошедшие термическую активацию при температуре 800 С магматические породы – гранит Павловского месторождения, базальт (Кемеровская область) и габбро-диабаз Орского месторождения, измёльченные до Sуд =350 м2/кг, а также те же самые горные породы, не прошедшие термоактивацию. Для улучшения свойств вяжущего вводилась добавка доменного шлака Новолипецкого комбината в количестве 10 и 25 % от массы горной породы. Роль активатора процесса твердения вяжущего выполняло комплексное соединение силиката натрия и гидроксида натрия при их соотношении 12,5:3 % от веса вяжущего. Влажность формовочных смесей составляла 40 %.

Сравнительные исследования (табл. 4.8) позволили установить, что термическая активация алюмосиликатного сырья дает эффект только при твердении вяжущих в нормальных условиях. Величина прироста прочности для вяжущих составляет примерно 5…18 %, в зависимости от вида горной породы.

Таблица 4.8 Прочностные свойства минерально-щелочных вяжущих, полученных

сиспользованием магматических горных пород, подвергшихся

ине подвергшихся термической обработке

95

Окончание табл. 4.8

Таким образом, в ходе проведенных исследований выявлено, что для получения минерально-щелочных вяжущих из магматических горных пород алюмосиликатного состава их нерационально подвергать термической активации.

4.2.5. Влияние дисперсности горной породы на физико-механические свойства минерально-щелочных вяжущих

Самой энергоемкой операцией при производстве минерально-щелоч- ных вяжущих является помол горных пород. Увеличение дисперсности приводит к улучшению физико-механических свойств портландцемента за счет разрушения структурных связей в материале и образования дефектных участков. Вследствие большой энергии взаимодействия дефектных частиц ускоряется гидратация клинкерных минералов и увеличивается прочность цемента. Очевидно, что данная закономерность будет действовать при помоле необожженных горных пород.

Применяемые в качестве сырья для получения минерально-щелочного вяжущего магматические горные породы, как следует из рис. 4.10, обладают различной истинной плотностью, от которой во многом зависит измельчаемость горной породы. Наиболее высокой плотностью (2900…2970 кг/м3) характеризуются породы основного и ультраосновного состава – перидотит, базальт. Средними по плотности (2620…2735 кг/м3) оказались глубинные породы кислого состава с повышенным содержанием одного из минералов (роговая обманка, плагиоклаз, биотит) – граниты. Наименее плотной породой является гранит розовый.

Результаты исследований измельчаемости различных видов магматических горных пород, представленные на рис.4.11, получены при измельчении материала в металлической мельнице объемом 1,5 л.

При соотношении параметра измельчаемости горной породы с её плотностью установлено, что наиболее продолжительное измельчение характерно для самых плотных горных пород – базальта, перидотита, меньше по времени измельчаются граниты.

Эксперименты по оценке влияния дисперсности горных пород на свойства вяжущих проводились на составах смесей, полученных вибриро-

96

ванием, при содержании силиката Na – 12,5 %, NaOH – 3 % , воды – 25 % и оптимальном количестве добавки доменного шлака – 25 % от массы вяжущего. В опытах дисперсность горной породы изменялась от 350 до 650 м2/кг, а дисперсность шлака составляла Sуд=380 м2/кг.

Рис. 4.11. Размалываемость горных пород. Обозначения по рис.4.10

Как видно из данных, приведенных на рис. 4.12, прочность минераль- но-щелочных вяжущих с добавкой шлака возрастает на 10…58 % с уве-

97

личением дисперсности горной породы с 350 до 650 м2/кг, что объясняется повышением реакционной способности горных пород к щелочам. Наиболее высокую реакционную активность проявляют перидотит, базальт, дацит, гранит розовый. Увеличение тонкости помола горных пород также способствует повышению водостойкости вяжущих (рис.4.13) до Кразм=1…1,4.

Рис. 4.12. Прочность вяжущих с 25 % добавкой шлака в зависимости от дисперсности горной породы

Рис. 4.13. Водостойкость вяжущих через 75 суток в зависимости от дисперсности горной породы

98

Таким образом, результаты исследований позволяют утверждать, что повышение дисперсности магматических горных пород с 350 до 650 м2/кг при помоле приводит к 1,5…2-кратному увеличению прочности вяжущих.

Всостав минерально-щелочного вяжущего наряду с измельченной горной породой должна входить добавка шлака, оказывающая значительное воздействие на свойства получаемого композита. Наличие добавки шлака предполагает проведение комплексного исследования, направленного на изучение совместноговлияниядисперсностигорнойпородыидобавкишлаканасвойства получаемого вяжущего. Подбор оптимальной тонкости помола компонентов позволитснизитьэнергоемкостьпроизводстваистоимостьвяжущего.

Для исследования влияния дисперсности компонентов, входящих в состав минерально-щелочного вяжущего, была составлена двухфакторная

матрица планирования эксперимента, в которой варьировались: X1 – дисперсность гранита и X2 – дисперсность шлака с интервалами варьирования (300±100) м2/кг. Неизменным параметром в матрице оставался состав вяжущего, который во всех опытах был следующий: 75 % – горной породы, 25 % – шлака, 12,5 % – силиката натрия, 3 % – гидроксида натрия и 25 % – воды по массе.

Вданном опыте помимо прочности вяжущего оценивалась также удобоукладываемость смеси по расплыву стандартного конуса на встряхивающем столике. В результате получено уравнение

y=171,87+10,295·X1+6,523·X2+12,082·X12 ,

из которого следует, что увеличение дисперсности шлака и гранита приводит к улучшению удобоукладываемости смеси (рис. 4.14,а).

На процесс твердения вяжущего, как видно из рис. 4.14,б, построен-

ного по уравнению y=9,66 + 1,33·X1 + 2,35·X2 + 0,5·X1·X2 – 0,76·X12 , наиболь-

шее влияние оказывает дисперсность шлака. На 3 сутки при использовании грубомолотого гранита и тонкодисперсной добавки шлака возможно получение вяжущего прочностью 9…11 МПа. С увеличением удельной поверхности горной породы до 325…400 м2/кг прочность вяжущих возрастает до

13 МПа.

На 28-е сутки прочность в зависимости от дисперсности шлака и гранита описывается уравнением вида y = 43,79 + 3,23·X1 + 7,12·X2 и изменяется в пределах от 33 до 56 МПа (рис.4.14,в). При тепловой обработке прочность вяжущего при дисперсности шлака менее 280 м2/кг мало зависит от дисперсности горной породы, а при дисперсности горной породы свыше 300 м2/кг наблюдается значительный прирост прочности с повышением дисперсности шлака, что видно из графика (рис. 4.14, г), построенного по уравнению

y=39,92 + 4,03·X1 + 6,21·X2 + 2,57·X12 – 4,33·X 22 .

99

Прочность вяжущих, твердевших при тепловой обработке, на 10…20 % ниже, чем их прочность при твердении в нормальных условиях.

Рис. 4.14. Влияние удельной поверхности компонентов вяжущего на расплыв смеси (а), прочность через 3 суток (б), через 28 суток (в)

и после ТВО при 80 С (г)

Проведенные исследования свидетельствуют о возможности получения вяжущих на основе сырьевых компонентов с невысокой удельной поверхностью. При производстве таких материалов необходимо учитывать, что входящий в состав вяжущего грубодисперсный шлак отличается меньшей реакционной способностью, чем тонкоизмельченный шлак, а это, в свою очередь, сказывается на степени и скорости его взаимодействия со щелочным активатором. Таким образом, применение грубомолотой добавки шлака предполагает использование более сильного щелочного активатора.

100