close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Особенности синтеза геополимерных вяжущих на основе перлита

код для вставкиСкачать
1
На правах рукописи
ЧИЖОВ РОСТИСЛАВ ВАЛЕРЬЕВИЧ
ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ГЕОПОЛИМЕРНЫХ
ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ПЕРЛИТА
Специальность 05.17.11 – Технология силикатных и тугоплавких
неметаллических материалов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Белгород – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования
«Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Научный руководитель:
Строкова Валерия Валерьевна
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Кривобородов Юрий Романович
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры химической технологии
композиционных и вяжущих материалов
ФГБОУ ВО «Российский химикотехнологический университет
им. Д.И. Менделеева»
Гончарова Маргарита Александровна
доктор технических наук, доцент,
заведующий кафедрой строительного
материаловедения и дорожных технологий
ФГБОУ ВО «Липецкий государственный
технический университет»
Ведущая организация:
ФГБУН «Институт химии и технологии
редких элементов и минерального сырья
им. И.В. Тананаева», г. Апатиты
Защита состоится «22» июня 2018 г. в 1100 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.014.05, созданного на базе ФГБОУ ВО
«Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.
Шухова» по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.
Шухова» и на сайте http://gos_att.bstu.ru/dis/сhizhov.
Автореферат разослан « 15 »
Ученый секретарь
диссертационного совета
мая
2018 г.
Е.А. Дороганов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Расширение спектра технологических решений и сырьевой базы производства щелочеактивированных вяжущих стало весьма актуальным в последние десятилетия в связи с реализацией концепции Международного союза лабораторий и экспертов в области строительных
материалов, систем и конструкций (RILEM), что, в свою очередь, соответствует приоритетам Стратегии развития промышленности строительных
материалов на период до 2020 года. Это может быть достигнуто в результате активной реализации направления по разработке и внедрению новых
энергосберегающих «зеленых» технологий получения композитов, позволяющих обеспечивать крупномасштабное использование промышленных
отходов, а также маловостребованных видов природного сырья.
Одним из перспективных направлений является синтез геополимерных
систем. При этом, наиболее распространенным сырьем для геополимеров на
сегодняшний день являются отходы топливно-энергетической (золы-уноса
ТЭС) и металлургической (шлак) промышленностей. Однако, неоднородность физико-химических и структурных особенностей техногенного сырья
создает ряд технологических проблем при производстве качественных композитов.
В связи с этим актуальным является расширение сырьевой базы для получения геополимерных вяжущих за счет использования природных
алюмосиликатов. Это позволит: получать качественные материалы с более
высокой стабильностью свойств; расширить спектр технологий, использующих крупнотоннажное природное сырье; снизить экологический прессинг
на экосферу путем внедрения атермальных технологий производства вяжущих.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках: государственных заданий № 11.1550.2014/к
(2014–2016 гг.) и № 7.872.2017/4.6 (2017–2019 гг.); программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова (2012–2016 гг.).
Степень разработанности темы. Основные принципы формирования
геополимерных систем, а также теоретическая возможность использования
в них алюмосиликатов различной природы довольно широко представлены
в отечественной и, в большей степени, зарубежной литературе.
Ранее была доказана эффективность практического использования низкокальциевых промышленных отходов топливной промышленности – золуноса ТЭС при получении геополимерных композитов с эксплуатационными характеристиками, сопоставимыми с аналогами на основе цемента. Изучены особенности геополимеризации на основе алюмосиликатов преимущественно стекловатой структуры. Рассмотрены технологические особенности
производства аналогичных вяжущих на основе полнокристаллических магматических пород.
При этом исследования по вопросам получения геополимеров на основе
4
природного скрытокристаллического алюмосиликатного сырья в литературных источниках практически отсутствуют.
Цель работы. Разработка геополимерного вяжущего (ГПВ) и мелкозернистого бетона на его основе с учетом фазовых и структурных особенностей перлита как сырья для производства вяжущего и заполнителя.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– изучение состава и свойств перлита с целью возможности его
использования в качестве реакционно-активного компонента при получении
геополимерных вяжущих и композитов на их основе;
– подбор эффективного способа активации перлита как основного
компонента в геополимерной вяжущей системе;
– установление особенностей структурообразования геополимерной вяжущей системы с учетом химических и структурно-морфологических особенностей перлита;
– разработка составов и изучение основных эксплуатационных характеристик перлитового ГПВ и мелкозернистого бетона на его основе;
– подготовка комплекта нормативных документов, позволяющих реализовать результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Внедрение результатов исследований.
Научная новизна работы. Выявлены закономерности щелочной активации эффузивного алюмосиликатного сырья кислого состава со скрытокристаллической структурой при получении геополимерных вяжущих, заключающийся в частичном растворении алюмосиликатного компонента,
формировании коллоидного раствора Na(K)2O-алюмосиликатного геля, с
последующим физико-химическим взаимодействием с поверхностью нерастворенных частиц вещества, что способствует образованию системы «гелеобразный слой – нерастворенная частица». При этом, чем выше разница
между средним размером образующейся системы после активации и частиц
алюмосиликата до активации, тем выше активность геополимерного вяжущего.
Установлены особенности изменения концентрации щелочного активатора при изменении дисперсности алюмосиликатного компонента, заключающиеся в снижении оптимального количества щелочного активатора,
вводимого извне в вяжущую систему, за счет растворения перлита и высвобождения присутствующих в алюмосиликатном материале катионов щелочных металлов при повышении длительности механоактивационного воздействия.
Установлен эффект влияния металлического железа в твердеющей перлитовой геополимерной системе, сформированного в результате намола в
мелющем агрегате, обусловленный тем, что образующиеся в процессе твердения плотной геополимерной системы Fe-содержащие гидратные образования типа берналита Fe(OH)3(H2O)0,25, имеют удельный объем в 4,5 раза
превышающий эту величину в металлическом железе. Это приводит к
5
нарушению целостности формирующейся структуры, вызывая снижение
прочностных характеристик геополимерного камня.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретически
обоснована и экспериментально подтверждена эффективность использования перлита в качестве основного алюмосиликатного компонента при получении геополимерного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе.
Расширена номенклатура сырья для получения геополимерных систем за
счет применения природных алюмосиликатов в виде перлита МухорТалинского месторождения в качестве основного вяжущего компонента, а
также как эффективного мелкого заполнителя в геополимербетонных композитах.
Предложена методика прогнозной оценки реакционной активности эффузивного алюмосиликатного сырья кислого состава со скрытокристаллической структурой в геополимерных системах, заключающиеся в оценке
количественного изменения среднего размера частиц твердой фазы в составе алюмосиликата в процессе щелочной активации.
Разработаны составы перлитовых геополимерных вяжущих с пределами
прочности при сжатии 29,9–36,7 МПа и пределами прочности на растяжение при изгибе 2,3–3,2 МПа. Определена оптимальная концентрация щелочного компонента в зависимости от типа щелочного активатора: для
NaOH – 4,7 %, для KOH – 5 %.
Предложены составы и технология производства мелкозернистого бетона на основе разработанного геополимерного вяжущего из перлита, позволяющие получать изделия с прочностью на сжатие 18,9–31,2 МПа, марками
по морозостойкости F50–F100.
Методология и методы исследования. Методологической основой работы является принцип структурообразования щелочеалюмосиликатной
вяжущей системы по геополимеризационному механизму в процессе щелочной активации твердой алюмосиликатной компоненты кислого состава.
Основные физико-механические показатели сырьевых материалов, вяжущих систем и мелкозернистого бетона определялись с использованием
стандартных методик. Для оценки удельной поверхности и гранулометрического состава алюмосиликатного компонента использовались ПСХанализ и метод лазерной гранулометрии. Рентгенофазовый, рентгенофлуоресцентный анализы и растровая электронная микроскопия использованы
для изучения структурно-морфологических характеристик исходного
алюмосиликатного сырья, а также механизмов фазо- и структурообразования геополимерной системы.
Положения, выносимые на защиту:
– теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования перлита в качестве основного алюмосиликатного
компонента при получении геополимерного вяжущего и мелкозернистого
бетона на его основе;
6
– закономерности щелочной активации эффузивного алюмосиликатного
сырья кислого состава со скрытокристаллической структурой при получении геополимерных вяжущих;
– особенности изменения концентрации щелочного активатора при изменении дисперсности алюмосиликатного компонента;
– эффект влияния Fe-содержащих гидратных образований в твердеющей
перлитовой геополимерной системе на формирование структуры;
– методика прогнозной оценки реакционной активности эффузивного
алюмосиликатного сырья кислого состава со скрытокристаллической структурой в геополимерных системах;
– составы и свойства геополимерного вяжущего и мелкозернистого бетона на основе перлита;
– технология производства геополимерного вяжущего из перлита и камней стеновых на его основе. Результаты апробации.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается: методически обоснованным комплексом испытаний сырьевых материалов,
вяжущего и мелкозернистого бетона на основе стандартных измерений, а
также с использованием современного оборудования и методов научных
исследований. Полученные результаты не противоречат существующим
теоретическим концепциям и данным других авторов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований прошел апробацию в промышленных условиях.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на Всероссийских и Международных научно-практических конференциях, конкурсах и семинарах: «ЛОМОНОСОВ–
2013» (Москва, 2013); «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2013); «Инновационные материалы и технологии для
строительства в экстремальных климатических условиях» (Архангельск
2014); «Междисциплинарные подходы в материаловедении и технологии.
Теория и практика» (Белгород, 2015); XXII научные чтения «Наукоемкие
технологии инновации» (Белгород, 2016).
Внедрение результатов исследований. Апробация технологии производства мелкозернистого бетона на основе перлитового ГПВ в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Композит» Белгородской области. Для внедрения результатов диссертационной работы
разработаны следующие нормативные документы: рекомендации по применению перлита для производства геополимерного вяжущего; стандарт организации СТО 02066339-035-2016 «Перлитовое геополимерное вяжущее.
Технические условия»; стандарт организации СТО 02066339-036-2017
«Камни стеновые на основе перлитового геополимерного вяжущего. Технические условия»; технологический регламент на производство камней стеновых на основе перлитового геополимерного вяжущего.
Теоретические положения, результаты научно-исследовательской рабо-
7
ты и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Химическая технология»
и «Строительство».
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 15 научных публикациях, в
том числе в 3-х статьях в журналах, входящих в перечень рецензируемых
научных изданий, рекомендованных ВАК РФ; 4-х статьях в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, 1 монографии. Состав
и способ получения геополимерного вяжущего защищены 2 ноу-хау.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, основной части, включающей пять глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, включающего 49 рисунков, 42 таблицы, 6 приложений. Список
литературы состоит из 275 источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Одним из наиболее развитых, глубоко изученных и технически оснащенных направлений строительного материаловедения является производство минеральных вяжущих веществ и материалов на их основе. В современной строительной практике применяются вяжущие вещества различных
типов и механизмов твердения. При этом, активно проявляется интерес
строительной индустрии к вяжущим системам, получаемым на основе альтернативного и некондиционного в классическом представлении сырья, к
которым следует отнести геополимерные вяжущие.
Согласно существующим представлениям о протекании процессов геополимеризации, основными критериями эффективности применения сырья
являются: алюмосиликатный состав, содержание оксидов щелочеземельных
металлов менее 10 %; наличие рентгеноаморфной алюмосиликатной составляющей не менее 50 %. Этим критериям, помимо рассмотренных ранее
отходов промышленности, соответствует ряд горных пород различных генетических типов.
В связи с этим рабочей гипотезой исследований стало предположение о
том, что скрытокристаллические алюмосиликатные эффузивные породы
кислого состава в силу генетических особенностей (состава и структуры) и
имеющихся запасов являются перспективным сырьем для производства
геополимерных вяжущих, позволяющим повысить эффективность технологического процесса путем воздействия на такие технологические переделы
как: подбор щелочного активатора и соотношения сырьевых компонентов,
подготовка сырья, условия и режим твердения.
Для апробации рабочей гипотезы в работе использовался перлит МухорТалинского месторождения. Для сравнения и отработки методики прогнозной оценки реакционной активности использовались природные алюмосиликаты с различной структурой: отсев гранита Павловского месторождения
– полнокристаллическая интрузивная порода; обсидиан (месторождение
8
Сортавала) – скрытокристаллическая эффузивная порода. При получении
вяжущего в качестве щелочного активатора использовались гидроксиды
NaOH и КОН, натриевое жидкое стекло (Na2SiO3) и кальцинированная сода
(Na2CO3). При получении мелкозернистого бетона в качестве мелкого заполнителя использовались: перлитовый песок Мухор-Талинского месторождения и кварцевый песок Корочанского месторождения.
Согласно данным химического состава перлит характеризуется низким
содержанием оксида кальция СaO (1,07 %), что удовлетворяет рекомендациям для сырья в геополимерной системе. Содержание щелочных оксидов
K2O и Na2O в объеме породы превышает 9 %. Это является положительным
моментом с экономической точки зрения, поскольку наличие собственных
щелочных составляющих в составе алюмосиликатов позволяет снизить количество необходимого щелочного активатора, дополнительно вводимого
извне в процессе получения вяжущего.
После дробления в щековой дробилке (предварительное измельчение
исходной породы) перлит характеризуется наличием преимущественно угловатых зерен с широким разбросом по размерам частиц от пылевидных до
крупных в размерном диапазоне от 500 мкм до 1500 мкм (рисунок 1). При
этом крупноразмерная фракция составляет порядка 40 %.
Микроструктура
Гранулометрия
Рисунок 1 – Характеристики перлита после дробления
Согласно данным рентгенофазового анализа, в составе исследуемого
перлита содержится от 3 до 5 % кристаллической фазы, состоящей из низкотемпературного кварца, кристобалита и анортоклаза. Однако бóльшая
часть перлита (более 95 %) представлена скрытокристаллической (рентгеноаморфной) составляющей. Этот факт также указывает на потенциальную
реакционную активность перлита как основного компонента в геополимерных системах.
Следующим этапом работы было изучение размолоспособности перлита
на различных типах помольного оборудования. Исследование производилось при использовании трех типов мелющих агрегатов: с траекторией движения мелющих тел, обеспечивающих истирательный эффект – вибрационный истиратель и планетарная мельница, и ударно-истирательный –
шаровая валковая мельница (рисунок 2).
9
Эффективная длительность помола, в течение которого имеют место
значительные изменения в показателях удельной поверхности составляет 2–
2,5 часа; минимальной энергией активации по отношению к перлиту обладает шаровая мельница, обеспечивающая удельную поверхность материала
после 2,5 часов помола, равную 590 м 2/кг. В то же время, размолоспособность перлита в планетарной мельнице и вибрационном истирателе значительно выше. При этом, удельная поверхность после помола в планетарной
мельнице в течение 2,5 часа обеспечивает наиболее высокое значение –
1090 м2/кг, что в два раза превышает величину удельной поверхности, обеспечиваемой шаровой мельницей. В вибрационном истирателе, при прочих
равных условиях, данный показатель составляет 900 м2/кг, что на 17,4 %
ниже по сравнению аналогичным показателем, полученным на планетарной
мельнице.
Рисунок 2 – Зависимость удельной поверхности перлита
от длительности помола и типа мельницы
Таким образом, в лабораторных условиях выявлена эффективность производства перлитового геополимерного вяжущего с использованием помольного агрегата с траекторией движения мелющих тел, обеспечивающих
истирательный эффект – планетарной мельницы; эффективная длительность
помола составляет 2–2,5 часа.
Сравнительный анализ гранулометрических характеристик алюмосиликатов различной кристалличности с показателями прочности отливок ГПВ
на их основе позволил установить следующую зависимость: прочность на
сжатие отливок ГПВ на перлите пропорциональна изменению размера и
удельной поверхности твердой фазы и обратно пропорциональна степени
кристалличности структуры используемого алюмосиликата: чем ниже степень кристалличности алюмосиликата, т.е. более высокое содержание
аморфной составляющей, тем выше прочностные показатели вяжущего на
его основе при прочих равных условиях (рисунок 3).
Учитывая, что такие параметры как изменение размера и удельной по-
10
верхности могут быть определены количественно, они могут использоваться как показатели реакционной активности кислых алюмосиликатов со
скрытокристаллической структурой.
На
основании
установленных закономерностей изменения гранулометрических характеристик в
условиях щелочной
активации,
предложена феноменологическая модель формирования системы
«гелеобразный слой –
нерастворенное зерно
материала» в про- Рисунок 3 – Влияние гранулометрических характеристик
и степени кристалличности алюмосиликатов кислого
цессе щелочной актисостава на их реакционную активность в условиях
вации алюмосиликащелочной активации: 1 – гранит (полнокристаллическая
тов кислого состава
структура); 2 – перлит (скрытокристаллическая);
(рисунок 4).
3 – обсидиан (стекловатая структура)
Согласно
данной модели в
условиях высокощелочной среды происходит
одновременно 2
процесса:
растворение алюмосиликатной составляющей
и
формирование
гелеобразной
Рисунок 4 – Модель формирования системы
щелочеалюмо«гелеобразный слой – нерастворенное зерно материала»
в процессе щелочной активации
силикатной субстанции; химическое взаимодействие Na(K)2O-алюмосиликатного геля с
частицами нерастворенного алюмосиликата с образованием комплексов
«гелеобразный слой – нерастворенное зерно материала». Чем ниже степень
кристалличности алюмосиликата, тем интенсивнее процесс растворения
алюмосиликатных частиц, и тем больше толщина поверхностного гелеобразного слоя в образующемся комплексе, как вяжущего компонента, формирующего структуру геополимера.
В рамках диссертационной работы было выявлено, что наиболее эффективными щелочными активаторами для перлита являются NaOH и КОН.
11
Таким образом, с учетом характеристик перлитового сырья, а также особенностей его щелочной активации как породы со скрытокристаллической
структурой, с использованием метода математического планирования эксперимента разработаны рациональные составы и получены образцы из отливок ГПВ с пределами прочности при сжатии 29,9 и 36,7 МПа и на растяжение при изгибе 3,18 и 2,25 МПа на щелочных активаторах NaOH и КОН,
соответственно (таблица 1).
Таблица 1 – Свойства перлитовых ГПВ в зависимости от состава
Состав вяжущего, %
Характеристики перлитовых ГПВ
Щелочной
Средняя
Предел
Предел прочно№
активатор
плотпрочности сти на растяжеп/п Перлит
Вода
ность*, при сжатии, ние при изгибе,
NaOH KOH
кг/м3
МПа
МПа
1 76,75
4,7
– 18,55
1725
36,7
3,18
2
75,5
–
5
19,5
1719
29,2
2,25
* Средняя плотность отливок из перлитовых ГПВ
Установлены закономерности изменения концентрации щелочного активатора при изменении дисперсности алюмосиликатного компонента, заключающиеся в снижении оптимального количества щелочного активатора,
вводимого извне в вяжущую систему, за счет высвобождения уже присутствующих в алюмосиликатном материале катионов щелочи при повышении
длительности механоактивационного воздействия (таблица 2).
Активатор
Таблица 2 – Влияние времени измельчения перлита на количество
необходимого щелочного активатора
Время измельчения перлита, ч
1,5
2
2,5
Прочность
Концентрация
водного
раствора
щелочного
на сжатие и
активатора, %
изгиб, МПа
12
15
18
12
15
18
12
15
18
Rcж.ср
21,4 23,3 23,9 25,7 36,7 32,7
18
18,34 17,6
Rизг.ср
1,43 1,52 1,76 1,96 2,73 2,27
2,1
2,24 2,25
Rcж.ср
16,6 20,1 21,7
Rизг.ср
0,67 0,85 0,86 0,94 2,13
NaOH
18
29,2 20,1 15,6 15,1 14,6
KOH
1,2
1,1
1,40
1,3
Микроструктурные особенности оптимальных составов перлитового
ГПВ с использованием как NaOH, так и КОН в качестве щелочного компонента в возрасте 28 суток показали наличие отдельных участков плотной
монолитной структуры с отсутствием кристаллических образований, харак-
12
теризующихся наличием аморфной субстанции растворенной в щелочи
алюмосиликатной составляющей, подтверждающих протекание геополимеризационных процессов и формирование прочной структуры (рисунок 5 а, б).
а
б
в
Рисунок 5 – Микроструктура перлитового ГПВ в возрасте 28 сут на основе:
а – NaOH; б – КОН; в – микроструктура ГПВ в возрасте 1 года
Кроме того, в структуре вяжущей матрицы наблюдаются округлые частицы не полностью прореагировавшего перлита с практически неразличимой зоной контакта на границе раздела «новообразовавшаяся фаза – зерно
перлита», что говорит о двух фактах:
– незавершенный процесс полимеризации – растворения алюмосиликатного компонента (перлита) с последующим образованием стекловидной
щелочеалюмосиликатной субстанции;
– наличие адгезии физико-химической природы между новообразующимися фазами и непрореагировавшими частицами алюмосиликатного компонента, что обеспечивает высокие показатели прочности и низкие значения
водопоглощения затвердевшего геополимерного камня.
Для
подтверждения
протекания
процессов
геополимеризации в системе «перлит – щелочной активатор» был проведен
анализ
минерального
состава
кристаллических новообразованных фаз в полученном геополимерном
камне с помощью полноРисунок 6 – Количественный РФА
профильного
количеперлитового ГПВ в возрасте 1 года
ственного РФА (рисунок
6). Ввиду медленной скорости фазообразования в геополимерных вяжущих
на основе алюмосиликатов, использовался образец перлитового ГПВ в возрасте 1 года (рисунки 5 в, 6).
13
Проведенная диагностика позволила установить присутствие следующих
кристаллических минеральных компонентов геополимерного камня: натрит
(Na2CO3) – карбонизовавшаяся непрореагировавшая щелочь, α-кварц, альбит, вюстит и техногенное железо (намол от помольного агрегата).
С учетом особенностей формирования геополимерной структуры и генетических особенностей используемых минеральных компонентов, установлен механизм формирования структуры в системе «перлитовое ГПВ – заполнитель» с
использованием кварцевого и перлитового заполнителя, заключающийся в
следующем: формирующийся в условиях высокощелочной среды Na(K)2Oалюмосиликатный гель вступает с частицами заполнителя в химическое
взаимодействие, формируя на границе раздела фаз «вяжущее – заполнитель» промежуточную субстанцию из новообразований, монолитизирующую между собой разнородные фазы поликомпонентной системы. Благодаря наличию химического сродства и, как следствие, химической природе
взаимодействия вяжущей матрицы и заполнителя (в большей степени, при
использовании перлитового заполнителя), четкая граница раздела между
заполнителем и гелеобразным слоем отсутствует, а в объеме твердеющего
многокомпонентного композита постепенно формируется монолитная
структура (рисунок 7).
Данный механизм наблюдается
как на начальной стадии структурообразования в процессе полимеризации алюмосиликатного геля, так и
на финальном этапе формирования
структуры в процессе консолидации
системы (рисунок 5).
Установлено негативное влияние
железосодержащего компонента в
составе перлитового ГПВ, образующегося в качестве намола в процессе
измельчения перлита на формирование целостной структуры и, как
следствие, показателей прочности
перлитовой геополимерной системы.
Рисунок 7 – Контактная зона
Это обусловлено тем, что металли«ГПВ – перлитовый заполнитель»
ческое железо, содержащийся в составе полученного вяжущего, в процессе щелочной активации активно
вступает во взаимодействие с молекулами воды или гидроксид ионом OH – с
образованием гидратных фаз типа берналита Fe(OH)3(H2O)0,25, объем элементарной ячейки которого, в 4,5 раз превышает объем исходной ячейки
металлического железа (таблица 3), нарушая целостность формирующегося
Na(K)2O-алюмосиликатного каркаса и разрушая структуру геополимерного
вяжущего в целом. Это инициирует снижение прочностных характеристик
14
геополимерного камня.
Таблица 3 – Кристаллографические особенности Fe-содержащих фаз
Параметры кристаллической решетки
Вид
Объем элементарной
Число
Объем элементарной
Fe-компонента
ячейки, Feатомов
ячейки приходящийся
содержащей фазы, Å3 в ячейке
на 1 атом Fe, Å3
α-Fe
23,55
2
12
Берналит
431,5
8
53,9
Fe(OH)3(H2O)0,25
С учетом характеристик перлита, а также установленных в работе особенностей его поведения в различных условиях активации были разработаны составы мелкозернистого бетона для стеновых камней со средней плотностью 1722–1917 кг/м3; классами по прочности В12,5–В22,5; марками по
морозостойкости F50–F100 (таблица 4).
22,5 1,6
22,8 –
–
1,9
Марка по
морозостойкости
На кварцевом заполнителе
8,4
67,5
1730
18,9
8,7
66,6
1722
20,5
На перлитовом заполнителе
3 22,5 2,2
–
7,8
67,5
1917
26,4
4 22,8 –
2,4
6,5
68,3
1831
31,2
Согласно ГОСТ 6433-99
1
2
Класс по
прочности
Предел
прочности
при сжатии,
МПа
Средняя
плотность*,
кг/м3
Заполнитель
Вода
KOH
NaOH
Перлит
№ п/п
Таблица 4 – Свойства мелкозернистого бетона на основе ГПВ
в зависимости от состава
Характеристики мелкозернистого
Состав сырьевой смеси, %
бетона на основе перлитовых ГПВ
Щелочной
активатор
В15
В12,5
F50
F50
В22,5
В20
>12,5
F100
F75
>15
* Средняя плотность затвердевшего цементно-песчаного раствора
Предложена технология производства геополимерного вяжущего из перлита и стеновых камней на его основе, учитывающая особенности исходного состояния перлитовой породы. Производственная технология рекомендуется к местному применению в районах, близлежащих к месторождениям
перлитовой породы.
Экономическая эффективность производства и применения геополимерного вяжущего из перлита в районах локализации месторождений обусловлена доступностью сырья, заменой дорогостоящего цементного вяжущего
при сохранении прочностных характеристик. Промышленная апробация
15
осуществлена на предприятии ООО «Композит» (Белгородская область) при
производстве стеновых камней.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования перлита в качестве основного алюмосиликатного компонента при получении геополимерных вяжущих.
Выявлены закономерности щелочной активации эффузивного алюмосиликатного сырья кислого состава со скрытокристаллической структурой при
получении геополимерных вяжущих, заключающийся в частичном растворении алюмосиликатного компонента, формировании коллоидного раствора
Na(K)2O-алюмосиликатного геля, с последующим физико-химическим взаимодействием с поверхностью нерастворенных частиц вещества, что способствует образованию системы «гелеобразный слой – нерастворенная частица». При этом, чем выше разница между средним размером
образующейся системы после активации и частиц алюмосиликата до активации, тем выше активность геополимерного вяжущего.
Установлены особенности изменения концентрации щелочного активатора при изменении дисперсности алюмосиликатного компонента, заключающиеся в снижении оптимального количества щелочного активатора,
вводимого извне в вяжущую систему, за счет растворения перлита и высвобождения присутствующих в алюмосиликатном материале катионов щелочных металлов при повышении длительности механоактивационного воздействия.
Установлен эффект влияния металлического железа в твердеющей перлитовой геополимерной системе, сформированного в результате намола в
мелющем агрегате, обусловленный тем, что образующиеся в процессе твердения плотной геополимерной системы Fe-содержащие гидратные образования типа берналита Fe(OH)3(H2O)0,25, имеют удельный объем в 4,5 раза
превышающий эту величину в металлическом железе. Это приводит к
нарушению целостности формирующейся структуры, вызывая снижение
прочностных и ухудшение эксплуатационных характеристик геополимерного камня.
Предложена методика прогнозной оценки реакционной активности эффузивного алюмосиликатного сырья кислого состава со скрытокристаллической структурой в геополимерных системах, заключающиеся в оценке
количественного изменения среднего размера частиц твердой фазы в составе алюмосиликата в процессе щелочной активации.
Разработаны составы перлитовых ГПВ с пределами прочности при сжатии 29,9–36,7 МПа и пределами прочности на растяжение при изгибе 2,3–
3,2 МПа. Определена оптимальная концентрация щелочного компонента в
зависимости от типа щелочного активатора: для NaOH – 4,7 %, для KOH – 5
%.
16
Предложены составы и технология производства мелкозернистого бетона на основе разработанного ГПВ из перлита, позволяющие получать изделия со средней плотностью 1722–1917 кг/м3; классами по прочности В12,5–
В22,5; марками по морозостойкости F50–F100.
Предложена технология производства камней стеновых на основе перлитового ГПВ. С целью внедрения полученных результатов исследования
разработаны следующие нормативные документы: Рекомендации по применению перлита для производства геополимерного вяжущего; Стандарт организации СТО 02066339-035-2016 «Перлитовое геополимерное вяжущее.
Технические условия»; Стандарт организации СТО 02066339-036-2017
«Камни стеновые на основе перлитового геополимерного вяжущего. Технические условия»; Технологический регламент на производство камней стеновых на основе перлитового геополимерного вяжущего.
Расширена номенклатура сырья для получения геополимерных систем за
счет применения природных алюмосиликатов в виде перлита МухорТалинского как основного вяжущего компонента, а также в качестве эффективного мелкого заполнителя в геополимербетонных композитах.
Исследования геополимерных вяжущих и композитов производились с
использованием оборудования ЦВТ на базе БГТУ им. В.Г Шухова. Апробация получения перлитового ГПВ и мелкозернистого бетона на его основе
осуществлялась в промышленных условиях на базе предприятия ООО
«Композит». Разработанные камни стеновые были применены при возведении стены хозяйственной постройки в пос. Разумное Белгородского р-на.
Теоретические положения, результаты научно-исследовательской работы и промышленного внедрения могут быть рекомендованы для внедрения
на предприятиях по производству изделий из бетона в регионах, обладающих необходимой минерально-сырьевой базой, а также в учебный процесс
при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Химическая технология» и «Строительство».
Перспективы дальнейших исследований целесообразно рассматривать в направлении расширения номенклатуры строительных композитов,
как общего, так и специального назначения на основе ГПВ с использованием природного алюмосиликатного сырья.
СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, В КОТОРЫХ ИЗЛОЖЕНЫ
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ
В журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий,
рекомендованных ВАК
1. Чижов, Р.В. Фазообразование и свойства алюмосиликатных вяжущих негидратационного типа твердения с использованием перлита / Р.В.
Чижов, Н.И. Кожухова, И.В. Жерновский, Д.Н. Коротких, Е.В. Фомина,
М.И. Кожухова // Строительные материалы. – 2015. – № 3. – С. 34–36 (ИФ –
0,512).
17
2. Чижов, Р.В. Алюмосиликатные бесклинкерные вяжущие и области
их применения / Р.В. Чижов, Н.И. Кожухова, В.В. Строкова, И.В. Жерновский // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2016. – № 4. – С. 6–10 (ИФ –
0,432).
3. Кожухова, Н.И. Особенности структурообразования геополимерной
вяжущей системы на основе перлита с использованием различных видов
щелочного активатора / Н.И. Кожухова, Р.В. Чижов, И.В. Жерновский, В.И.
Логанина, В.В. Строкова // Строительные материалы. – 2016. – № 3. – С. 61–
64 (ИФ – 0,512).
В изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science
4. Kozhuhova, N.I. Revisiting a selection of natural and technogenic raw materials for geopolymer binders / N.I. Kozhuhova, I.V. Zhernovskiy, M.S.
Osadchaya, V.V. Strokova, R.V. Tchizhov // International Journal of Applied
Engineering Research (IJAER). – 2014. – Vol. 9. – P. 16945–16955.
5. Kozhuhova, N.I. On the Question of the Choice of Natural and Man-Made
Materials for Geo-Polymer Binders / N.I. Kozhuhova, I.V. Zhernovskiy, M.S.
Osadchaya, V.V. Strokova, R.V. Tchizhov// Research Journal of Applied Science. – 2014. – Vol. 9(12). – P. 1034–1039.
6. Kozhukhova, N.I. The utilization efficiency of natural alumosilicates in
composite binders / N.I. Kozhukhova, E.V. Fomina, I.V. Zhernovsky, V.V.
Strokova, R.V. Chizhov // Applied Mechanics and Materials. – 2014. – Vol. 670.
– P. 182–186.
7. Kozhukhova, N.I. Structure formation of geopolymer perlite binder vs.
type of alkali activating agent / N.I. Kozhukhova, R.V. Chizhov, I.V.
Zhernovsky, V.V. Strokova // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. – 2016. – Vol. 11. – №. 20. – P. 12275–12281.
В сборниках трудов конференций
8. Чижов, Р.В. Влияние особенностей сырья на свойства геополимерных материалов / Р.В. Чижов, Н.И. Кожухова // Материалы XVI Международной межвузовской научно-практической конференции молодых учёных,
аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва, 24–26 апреля. 2013 г. / Моск. гос. строит. у-т. –
Москва: МГСУ. – 2013.– С. 566–567.
9. Чижов, Р.В. Геополимерное вяжущее на основе перлита / Р.В. Чижов
// Сборник Международной научно-технической конференции молодых
ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, посвященная 160-летию со дня рождения
В.Г. Шухова. – 2013. – С. 309–312.
10. Чижов, Р.В. Влияние механо- и хемоактивационных процессов на
эксплуатационные характеристики геополимерных вяжущих / Р.В. Чижов,
Н.И. Кожухова, Е.Н. Бондарева, В.А. Калашникова, Д.Н. Данакин // Юбилейная Международная научно-техническая конференция молодых ученых,
посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 8–9 октября. 2014
18
г. / Белгор. гос. технолог. ун-тим. В.Г. Шухова. – Белгород: Изд-во БГТУ. –
2014. – С. 435–440.
11. Чижов, Р.В. Алюмосиликаты – источник сырья для получения эффективных бесцементных вяжущих / Р.В. Чижов, Д.О. Бондаренко, Н.И.
Кожухова // I Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Инновационные материалы и технологии для строительства в экстремальных климатических условиях», Архангельск, 2–4 декабря.
2014 г. / Сев. (Арктич.) федер. ун-т. – Архангельск: Изд-во САФУ. – 2014. –
C. 207–212.
12. Чижов, Р.В. Оценка влияния механоактивации на физикомеханические свойства алюмосиликатного сырья / Р.В. Чижов // Сборник
VII Международного молодежного форума «Образование, наука, производство» Белгородский государственный технологический университет им.
В.Г. Шухова. – 2015. – С. 883–885.
13. Чижов, Р.В. Зависимость прочностных характеристик геополимерного камня от условий набора прочности / Р.В. Чижов// V Международный
семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области
вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей: сборник докладов, СанктПетербург, 29 ноября – 1 декабря. 2015 г. – СПб.: Издательство «АлитИНформ». – 2015. – С. 100–106.
14. Кожухова, Н.И. Особенности структурообразования щелочеактивированных алюмосиликатных материалов со скрытокристаллической структурой / Н.И. Кожухова, Р.В. Чижов, А.А. Веприк, Е.В. Войтович // Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии и
инновации» (XXII научные чтения), Белгород, 6–7 октября. 2016 г. / Белгор.
гос. технолог. ун-т им. В.Г. Шухова. – Белгород: Изд-во БГТУ. – 2016. – С.
198–202.
Монография
15. Кожухова, Н.И. Геополимерное вяжущее и мелкозернистый бетон на
основе перлита: монография / Н.И. Кожухова, В.В. Строкова, Р.В. Чижов –
Белгород: БГТУ. – 2017. – 130 с.
Ноу-хау
16. Ноу-хау № 20150003. Алюмосиликатное вяжущее / Строкова В.В.,
Жерновский И.В., Кожухова Н.И., Чижов Р.В.; правообладатель – БГТУ
им. В.Г. Шухова; дата регистрации – 24.02.2015 г.
17. Ноу-хау № 20160018 Способ получения алюмосиликатного вяжущего
на основе перлита / Кожухова Н.И., Чижов Р.В., Строкова В.В.; правообладатель – БГТУ им. В.Г. Шухова; дата регистрации – 26.09.2016 г.
19
ЧИЖОВ РОСТИСЛАВ ВАЛЕРЬЕВИЧ
ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ГЕОПОЛИМЕРНЫХ ВЯЖУЩИХ
НА ОСНОВЕ ПЕРЛИТА
Специальность 05.17.11 – Технология силикатных и тугоплавких
неметаллических материалов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 11.04.2018 г. Формат 6084/16.
Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ
Отпечатано в Белгородском государственном
технологическом университете им. В.Г. Шухова
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
907 Кб
Теги
особенности, геополимерное, перлита, синтез, основы, вяжущие
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа