Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Опыт использования электромагнитной активации в технологии бетона 12
ГЛАВА 2. Обоснование возможности повышения эксплуатационных свойств бетонов и снижения энергозатрат при их получении электромагнитной активацией вяжущих 64
ГЛАВА 3. Характеристика сырья и методы исследования 119
3.1. Сырьевые материалы 119
3.2. Минералогическая и химическая характеристика эффузивных пород 120
3.3. Характеристика компонентов бесцементных вяжущих веществ и бетонов 141
3.4. Методы исследований вяжущих веществ и бетонов 148
3.5. Методы статистической обработки результатов исследований и планирования экспериментов 155
ГЛАВА 4. Гидратация и твердение вяжущих активированных электромагнитным воздействием и энергетические затраты на получение малоэнергоемких вяжущих и бетонов на их основе 58
4.1. Физико-химические процессы гидратации и твердения малоэнергоемких активированных вяжущих на основе эффузивных пород 158
4.2. Кинетика и механизм гидратации малоэнергоемких активированных вяжущих 179
4.3. Прочность камня малоэнергоемких активированных вяжущих 185
4.4. Управление энергетическими затратами в технологии вяжущих и бетонов 194
4.5. Энергетические затраты на получение и твердение малоэнергоемких вяжущих и бетонов 199
4.6. Энергетические затраты на активацию вяжущих их производство и использование 214
ГЛАВА 5. Физико-механические свойства малоэнергоемких вяжущих и бетонов на основе эффузивных пород и технология их изготовления 232
5.1. Технология и свойства автоклавных малоэнергоемких силикатных бетонов 232
5.2. Технология и свойства малоэнергоемких конструкционных и теплоизоляционных бетонов 260
5.3. Технология и свойства специальных бетонов 327
5.4. Производство малоэнергоемких вяжущих и бетонов на основе эффузивных пород 339
5.5. Технико-экономическая эффективность производства малоэнергоемких вяжущих и бетонов 357
Основные выводы 365
Библиография 369
Приложения 397
- Минералогическая и химическая характеристика эффузивных пород
- Методы статистической обработки результатов исследований и планирования экспериментов
- Кинетика и механизм гидратации малоэнергоемких активированных вяжущих
- Технология и свойства малоэнергоемких конструкционных и теплоизоляционных бетонов
Введение к работе
Актуальность. Повышение эксплуатационных свойств бетонных и железобетонных изделий в современном строительстве, особенно в суровых климатических условиях, является актуальной задачей. Одним из путей решения этой задачи является использование в технологии бетона механохимической активации вяжущих композиций, которая может осуществляться в сухом виде в традиционных помольных агрегатах либо в жидкой среде в различных мельницах и роторно-пульсационных аппаратах.
Однако эти способы требуют применения специального дорогостоящего оборудования и достаточно высоких энергозатрат.
Решение проблемы повышения эффективности вяжущих композиций W связано с целесообразностью их модифицирования малоэнергоемкой направленной электромагнитной активацией в жидкой среде. Наиболее перспективным является активация малоэнергоемких бесцементных вяжущих с широким использованием местных эффузивных пород и отходов промышленности.
Работа выполнена в соответствии с комплексной программой НИР 4]. 1.3.13.9 от 10.02.03 Российской академии архитектуры и строительных наук W (РААСН), межотраслевой программой сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федеральной службы специального строительства РФ на 2001-2005 г. «Наука, инновации и подготовка кадров в строительстве» (шифр 01.02-07), тематическим планом НИР Восточно-Сибирского государственного технологического университета (ВСГТУ) в составе единого заказ-наряда Министерства образования и науки РФ, а также региональной научно-технической программе «Бурятии. Наука. Технологии и инновации».
Цель и задачи работы. Основной целью диссертации является разработка ресурсосберегающей технологии бетонов с использованием электромагнитной активации вяжущих.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- разработать теоретические положения повышения эксплуатационных свойств бетонов и снижения энергозатрат при их получении путем электромагнитной активации вяжущих;
разработать ресурсосберегающую технологию получения эффективных бетонов на основе активированных вяжущих композиций.
Научная новизна. Разработаны теоретические положения направленного структурообразования и повышения эксплуатационных свойств бетонов путем электромагнитной активации вяжущих композиций в жидкой среде, направленной на измельчение зерен компонентов вяжущего, что способствует повышению гидравлической активности, увеличению степени гидратации и образованию устойчивых новообразований.
Установлено, что увеличение удельной поверхности и ускорение гидратации вяжущих при электромагнитной активации происходит за счет образования активных форм воды (радикалов Н202,, НОг, ОН): образование парогазовых пузырьков воды вызывает возникновение кавитации в порах зерен вяжущего за счет резонансного поглощения энергии электромагнитного поля с частотой 20 кГц, что приводит к росту объема воды в порах и схлопыванию кавитационных пузырьков, приводящему к разрыву межмолекулярных (водородных, Ван-дер-Ваальсовых) связей зерен v вяжущих.
Показано, что электромагнитная активация вяжущих композиций является менее энергоемкой по сравнению с механохимической активацией, что связано с увеличением химической активности компонентов вяжущих композиций.
С помощью методов ДТА и РФА установлено, что вяжущие системы «перлитовая порода - ЫагО - Si02 - Н2О» , подвергнутые электромагнитной Ш активации образуют устойчивые фазы щелочных гидросиликатов и низкотемпературного кристобалита.
Установлена зависимость свойств бетонных смесей и бетонов от вида вяжущей композиции, состава, параметров электромагнитной активации, условий твердения, необходимых для организации технологии производства бетонных и железобетонных изделий. Лі Практическая значимость работы. Разработана технология производства бетонных и железобетонных изделий с применением электромагнитной активации вяжущих систем с широким использованием местных эффузивных пород и техногенных отходов.
Установлены оптимальные значения элетромагнитного поля с частотой релаксации 20 кГц и минимальной напряженностью 130-140 В/м.
Оптимизированы составы малоэнергоемких тяжелого и легкого силикатного автоклавных и пропаренных бетонов со следующими эксплуатационными характеристиками:
- конструкционные класса В22,5 - В25 со средней плотностью 1700-1800 кг/м и морозостойкостью 150 циклов;
- конструкционно-теплоизоляционные класса В3,5 — В7,5 со средней плотностью 1100-1200 кг/м и морозостойкостью 25 циклов;
- теплоизоляционные класса В2 со средней плотностью 450-600 кг/м и теплопроводностью 0,1 -0,12 В т/м °С.
Внедрение результатов работы. Разработаны малоэнергоемкие вяжущие вещества и бетоны на основе эффузивных пород, которые обеспечивают снижение энергетических затрат на 35-40 % и себестоимости на 15-20%.
Результаты работы внедрены на предприятиях строительной индустрии Республики Бурятия, ОАО «Завод железобетон», МУП «Улан-Удэнский домостроительный завод», ОАО «Завод бетонных блоков» для производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций жилых и промышленных зданий.
Разработана нормативно-технологическая документация, которая применяется при производстве стеновых изделий из малоэнергоемких вяжущих и бетонов на основе эффузивных пород.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, инженеров и магистров, в курсовом и дипломном проектировании в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете.
Апробация работы. Результаты работы доложены на 7 международных, 4 всесоюзных, 9 российских, 9 республиканских, 10 университетских научных конференциях и 3 научных сессиях Бурятского научного центра СО РАН в том числе: на 22 Международной научной конференции в области бетона и железобетона (Иркутск, 1990), 6,7 Российско-польских научных семинарах «Теоретические основы строительства», (Варшава 1997, 1998), Международной конференции «Долговечность и защита конструкций от коррозии» (Москва, 1999), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Благовещенск, 1999), Межрегиональной научно-практической конференции «Строительный комплекс Востока России» (Улан-Удэ, 1999), Всероссийской научно-практической конференции БНЦ СО РАН «Энергобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона: Современное состояние и перспективы» (Улан-Удэ, 2000), Международной научно-практической конференции «Качество, безопасность, энерго-ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительства на пороге XXI века» (Белгород, 2000), Международной научной конференции «Современные технологии в строительстве» (МНР Улан-Батор, 2001), Международной научно-практической конференции МГСУ «Строительство в XXI веке. Проблемы и перспективы» (Москва, 2001), Международной научной конференции
«Человек и общество на рубеже тысячелетия» (Воронеж, 2002), Международном научном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003), Международной научной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность материалов» (Воронеж, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в условиях экологических ограничений» (Улан-Удэ, 2004).
На защиту выносятся. Теоретические положения создания малоэнергоемких вяжущих веществ и бетонов на основе эффузивных пород с использованием электромагнитной активации вяжущих систем.
Механизм повышения физико-химической активности среды гидратации малоэнергоемких вяжущих веществ. Математические модели направленной электромагнитной активации вяжущих веществ и бетонов.
Физико-химические аспекты резонансного воздействия электромагнитной активации на твердение вяжущих веществ на основе эффузивных пород.
Анализ энергетических затрат на производство и использование малоэнергоемких вяжущих веществ и бетонов на основе эффузивных пород.
Характеристики составов и свойств малоэнергоемких вяжущих и бетонов и технология их изготовления.
Результаты внедрения по повышению эффективности и эксплуатационных свойств различных видов бетонов с использованием эффузивных пород.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, включая 1 монографию, научные статьи и доклады, патенты, в том числе 7 по перечню ВАК России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений, содержит 401 страниц текста, 80 рисунков и 52 таблицы. Список литературы включает 262 наименования.
Минералогическая и химическая характеристика эффузивных пород
Следовательно, в липаритах имеет место широкое упорядочение структуры и значительная индивидуализация кварца и полевого шпата. Общее содержание кристаллических фаз от 90 до 95 %.
Одновременно с увеличением кристаллических фаз от перлита до липарита происходит уменьшение содержания воды.
При визуальном осмотре перлита стекловидного Холинского месторождения можно обнаружить в сравнении с перлитами Мухор-Талы большую полосчатость, флюидность. Наиболее близки по составу и виду к Мухор-Талинским перлитам "массивные камнеподобные" перлиты зеленого и темно-зеленого цвета, размещенные в небольшом количестве на территории участка "Центральный". Перлиты слагают периферийную часть и нижнюю стекловатую зону растекающегося купола липаритов. Поэтому выходы перлитов на данном месторождении закартированы в виде отдельных изолированных тел.
Контакт между перлитами и вышележащими липаритами повсеместно представлен зоной дробленного перлита почти нацело замещенным монтмориллонитом, содержащего обломки фельзитов и фельзооферолитовые включения.
Наряду с мелкими 2-3 мм сферолитами в стеклах отмечаются крупные фельзосферолиты 5-20 мм, отдельные до 0,5 мм в диаметре. Процесс девитрификации продолжающейся в полосе остывания вулканического стекла, вызвал переход некоторых стекол в крипто- и микрофельзитовый агрегат. Гомогенное стекло постепенно заменяется фельзитом, само же сохраняясь в форме реликтов. Под микроскопом данные перлиты обнаруживают структуру стекла с характерными округлыми трещинами сжатия. Наряду с перлитами в них наблюдается флюидальность, подчеркнутая ориентированным расположением кристаллов. На некоторых участках в поле шлифа их содержание доходит до 35 %. Среднее содержание кристаллических фаз в перлитах находится в пределах 20-30%. Продукты изменения стекла занимают очень незначительную часть. Они представлены минералами групп монтмориллонита, располагающимися иногда по трещинам перлитовых отдельноетей и по трещинкам с ровными ограничениями. На кривых ДТА (рис.3.1,кривая 6) перлит дает один эндоэффект дегидратации стекла при 150-450С с максимумом около 350С, общая потеря массы при 1000С составляет 6,5 %. На рентгенограмме (рис.3.2, кривая 6) в интервале от 4 до 30 он дает несколько пиков (d/n = 3,29)- минерал санидин, (d/n = 2,99; 3,72) - минералы тридимит-кристобалитового ряда, что, несомненно, указывает на некоторое наличие упорядоченности в структуре перлитов. ИК-спектроскопия перлитов (рис.3.3, кривая 6) указывает, что имеются полосы поглощения у частот 3360-3140 см , соответствующие валентным колебаниям молекулярной воды, а у 1680-1640 см"1- деформационным колебаниям. Водородная связь характеризуется наличием полос поглощения у 2850 и 2920 см"1, которая может быть образована гидроксилами, связанными с атомами кремния. Полоса поглощения у 1050 см" указывает на наличие кремнекислородной связи. Присутствие кристаллических модификаций кремнезема подтверждается наличием полос поглощения 790 см 1 и 465 см"1.
Микроскопия перлитовой породы Богопольского месторождения позволяет заключить, что текстура массивная, псевдофлюидальная структура - цементопепловая, стекловатая. Средняя величина обломков, занимающих 65-70 % объема, составляет 0,5-1,5 мм. Однако встречаются единичные крупные обломки до 80 мм. Внутри обломков стекла часто сохраняется флюидальная микроструктура. В части обломков стекла отмечается перлитовая отдельность, по перлитовым трещинам развивается глинистый минерал и опаловидный кварц. В отдельных обломках стекло раскристаллизовано в фельзитовую массу. Цемент, соединяющий и заполняющий пустоты между обломками, пепловый, стекловатый. Общее содержание стекла в перлитовых туфах Богопольского месторождения составляет 70-75 %.
На кривых ДТА (рис.3.1, кривая 7) видны эффекты в интервале 180-330С, а также около 610 С, указывающие на удаление физически и физико химически связанной воды, а также на наличие минералов группы полевых шпатов, общие потери массы составляют 6,6%.
Рентгенограммы (рис.3.2, кривая 7) свидетельствуют о некоторой упорядоченности структуры с наличием в ней минералов группы полевых шпатов, анорит, альбит (d/n = 2,96, 3,30), минералов группы кварца (d/n = 2,42, 2,12; 1,812) и др.минералов, представленных в небольшом количестве. Анализ ИК-спектров перлитовой породы в области деформационных колебаний связей О - Н позволяет предполагать по максимуму у 1650 см"1 наличие молекулярной воды (рис.3.3, кривая 7). Полоса поглощения у 1050 см"1 указывает на наличие силоксановой связи. Присутствие различных модификаций кварца обнаруживается полосами с максимумом у 790 см"1, 465 см"1, что в то же время указывает на наличие минералов группы полевых шпатов.
Перлитовые породы Арагацкого месторождения обладают плотной флюидальной текстурой. Содержание вкрапленников минералов и кристаллизация пород незначительны - содержание чистого стекла достигает 97-98% [13 9]. На кривых ДТА (рис.3.1, кривая 8) отмечается один эндоэффект в области 180-320С с максимумом 250С, характеризующий дегидратацию стекла, общая потеря массы прокаливания при 1000 С составляет 6,1 %. На рентгенограммах породы (рис.3.2, кривая 8) в интервале 4 - не отличается наличие структурных мотивов, за исключением незначительных пиков в районе d/n = 1,83; 3,8, характерных для минералов полевошпатового ряда. Икспектроскопия (рис.3.3,кривая 8) перлитовых пород показывает наличие полос поглощения в области 3500 см"1, относимых к валентным колебаниям гидроксильных групп, 1060 см"1, указывает на силоксановые связи и спектров в области 810 см" , 700 см"1 присутствие модификаций кремнезема.
Таким образом, химический состав исследованных перлитовых пород идентичен, вместе с тем проявляется весьма существенное различие в минералогическом составе и микроструктуре эффузивных пород особенно в содержании стекловидной фазы и минеральном составе кристаллитов.
Методы статистической обработки результатов исследований и планирования экспериментов
Дальнейший рост кристаллогидратов и образование новых приводит к заполнению межзернового пространства коагуляционным контактом новообразований, переходящим в кристаллизованный. Об этом свидетельствует рост вязкости системы, регистрируемый ростом скорости ультразвука от 0,05 до 0,35 м/с к 6 ч ТВО.
В целом гидратация вяжущего приводит к падению рН - среды до 10-10,5, повышению вязкости системы в 9-10 раз и увеличению степени гидратации до 0,7 к 8 ч. ТВО (рис.4.9).
Вышеуказанный механизм гидратации активированных вяжущих на основе эффузивных пород с большим содержанием стеклофазы характерен тем, что он протекает практически по всей поверхности зерен породы, а с участием закристаллизованных пород развивается локально, преимущественно по активным участкам поверхности зерен. Следствием этого является более медленное развитие процесса гидратации вяжущих на основе закристаллизованных эффузивных пород, о чем свидетельствуют результаты измерений изменения рН - среды, степени гидратации и вязкости системы.
Как известно, прочность цементного камня зависит от его структуры, вещественного и фазового состава новообразований. В свою очередь, структура цементного камня определяется его пористостью и характеристиками новообразований. Так для получения высокопрочного цементного камня, по данным многих исследователей [226, 230], необходимо создание у него структуры с минимальным содержанием пор, особенно капиллярных и пор с замещенным воздухом. При этом твердая фаза камня должна быть составлена преимущественно слабозакристаллизованной массой гидратов - тоберморитоподобным гелем, связывающим непрогидратированные ядра вяжущих и крупные кристаллы гидратов.
Уменьшение же пористости цементного камня происходит при увеличении содержания прогидратированной фазы вяжущего, что напрямую зависит от степени гидратации вяжущего.
Для выявления особенностей процесса формирования искусственного камня алюмосиликатных вяжущых проведены исследования, в которых изменяли состав вяжущего, вид эффузивной пород, условия гидратации и твердения вяжущих. Дисперсность вяжущего принята постоянной 350±10 м /кг. Как показывают исследования (рис.4.5), степень гидратации вяжущего (а) растет с повышением энергетических затрат при постоянной температуре ТВО 85С. Практически полная гидратация вяжущего (C/S=l) наступает с наименьшими энергозатратами (350-380 кДж/кг) на основе стекловидных эффузивных пород (Ссф 95-100%). Увеличение содержания активной CaO (C/S 1) в идентичных условиях пассивирует процесс синтеза камня, т.к. для достижения а=0,9, требуется уже 690-700 кДж/кг. Аналогичное затруднение процесса гидратации, выражающееся в увеличении необходимых энергозатрат, наблюдается при понижении C/S 1. Исследования с помощью микроскопии процесса гидратации вяжущего показывают, что пассивация процесса при C/S 1 объясняется образованием массивного адсорбционного слоя из гидратов Ca-Si-Al на поверхностях зерен эффузивных пород, затрудняющего дальнейший процесс их гидратации, во втором случае (C/S 1) - недостаточный диссоциирующей способностью среды гидратации вяжущего из-за пониженной ионной силы водного раствора Са(ОН)2. Во всех случаях увеличение закристаллизованности эффузивных пород накладывает дополнительный рост энергозатрат примерно в 1,5-2 раза, причем абсолютная разница в энергозатратах растет с повышением степени гидратации.
Достигнутые значения степени гидратации вяжущих на основе различных эффузивных пород и состава вяжущего обеспечивает примерное равенство прочностных показателей (рис.4.11) и практически прямую зависимость между прочностью и степенью гидратации вяжущих что наблюдается в цементных системах по данным Ф.Лоуренса, А.В.Волженского, К.Рицмана и др. [41,47,61]. Не пропорциональный рост показателей прочности искусственного камня с повышением температуры ТВО сверх 85 С и даже падение прочности на 25 -28% при t=250C при постоянных значениях а объясняется изменением структуры искусственного камня. При повышенных температурах твердая фаза камня представлена крупнокристаллическими новообразованиями в виде низкоосновных гидросиликатов типа CSH(B)2, C2SH(A), NaS4H2, незначительного количества крупных кристаллов Са(ОН)2 с минимальным содержанием гелевидной
Кинетика и механизм гидратации малоэнергоемких активированных вяжущих
Известно, что активация веществ сопровождается значительными изменениями в их структуре, химическом и фазовом составе, приводящими к повышению их физико-химической активности [1,2, 170, 222].
Исследования физико-химических превращений в бесцементных вяжущих в процессе их электромагнитной активации проведены в установках [75].
Алюмосиликатные вяжущие активированные претерпевают фазовые изменения, выражающиеся в аморфизации входящих эффузивных пород, образовании безводных силикатов и алюмосиликатов кальция. Так, по данным РФА вяжущих, активированных до дисперсности 610 м /т, отмечается значительное уменьшение интенсивности пиков, относимых к исходным минералам кварц-полевошпатового ряда (рис.4.17). При этом одновременно наблюдается возникновение в незначительном объеме новых фаз типа моно- и оргосиликатов кальция CS, CS2, моноалюмината кальция С А, смешанных типа геленита CAS3 (рис 4.17). Более отчетливо данный эффект проявляется на рентгенограммах вяжущих активированных. Образование указанных новых фаз объясняется с позиций активации веществ по модели «магма-плазма» [2, 222].
Наблюдаемый процесс аморфизации закристаллизованных эффузивных пород в процессе активации, по данным дисперсной теории (Ван-Бюрен X., Точицкий Э.И., Ухара Г. и др.) [2, 3], вызван движением, генерированием и резонансом (взаимодействием) дислокаций. Кроме того, следует отметить значительное влияние на указанный процесс деполимеризации каркаса породы = Si - О - Si = . На Si - и -O-Si = (Бенсон Ж., Кастл И. [2]) изоморфных замещений Si4+, Na на Са2+, А13+идр. Активация алюмосиликатных вяжущих приводит к иным изменениям, обусловленным протеканием процессов гидратации вяжущих и растворения составляющих. По данным РФА, отмечается интенсивное гидратообразование от гашения RO до образования гидратосиликатных, гидроалюмосиликатньк гелей, состоящих из субмикрокристаллических фаз типа C2SH8, C2SH(A) и др. (рис.4.19). Определенная оптическим способом степень гидратации вяжущего составляет 0,55-0,6 после активации. Столь высокая скорость гидратации при ЭМА, согласно теории короткоживущих центров (Бутягин П.Ю., Берлин АА и др. [2,222]), вызвана чрезвычайной термодинамической неустойчивостью, образующихся поверхностных активных центров на эффузивных породах, стремящихся к «гибели» -нейтрализации за счет взаимодействия с Са2, ОН" и др. водного раствора.
Сопоставление энергозатрат на активацию вяжущих показывает безусловное преимущество электромагнитной активации. Так, энергозатраты на ЭМА в данном случае в 2-3 раза ниже, чем по известному способу. Эта меньшая энергоемкость процесса активации, по мнению Ходакова ГС. и др. [222,260], объясняется диссоциирующим эффектом водной среды и исключением агрегатирования частиц вяжущего.
Как известно компонент - щелочь - вводится через водный раствор. Физико-химические превращения эффузивных пород в процессе активации выражаются в виде их аморфизации. По данным РФА при активации до дисперсности 650 м /кг закристаллизованных пород степень их аморфизации приближается к стекловидным, о чем свидетельствует значительное падение интенсивности пиков на рентгенограммах. Химический анализ пород показывает незначительное изменение при ЭМА в химическом составе пород в виде снижения содержания окислов в щелочных и щелочноземельных металлов с 8,2% до 6,7% и с 1% до 0,46% соответственно. Данное происходит вследствие испарения указанных подвижных соединении из высокотемпературных контактных зон «магма-плазма». Активация данных вяжущих приводит к интенсификации взаимодействия эффузивной породы с щелочным раствором. При ЭМА достигается значение степени гидратации вяжущего равной 0,45-0,5. При этом фазовый состав новообразований, по данным РФА и ДТА (рис.4.20),представлен щелочными гидроалюмосиликатами переменного состава (R2O Al2O3 nSi02 xH2O) гидросиликатами натрия (Na20 xSi02 H20), отмечаемых характерными рефлексами на рентгенограммах (cd/n = 2,89; 3,15; 3,40; 3,98; и с d/n = 3,45; 4,92) и эндоэффектами при 250С и 760С, экзоэффектом при 950-980С.
Таким образом, как показывают исследования, бесцементные вяжущие претерпевают значительные изменения в процессе их активации. Глубина и масштабность этих превращений зависит от многих факторов, включая исходное физическое состояние компонентов, способа активации, типа активаторов, продолжительности и др. В результате ЭМА во всех разновидностях разработанных бесцементных вяжущих отмечены структурные и химические превращения.
Вышеустановленные превращения в бесцементных вяжущих при их активации, очевидно, являются причиной благоприятных последствий в виде снижения дальнейших технологических энергозатрат и повышения скорости твердения вяжущих.
Технология и свойства малоэнергоемких конструкционных и теплоизоляционных бетонов
Таким образом, для получения бетона с прочностью 15 МПа и объемной массой 1300 - 1350 кг/м на основе вулканических шлаков и бесцементного вяжущего, предлагается следующий состав на 1 м бетона: вулканический шлаковый песок - 0,52 м , вулканический шлаковый щебень - 0,78 м ; вяжущее - 200 кг; вода - 205 л.
Разработаны теплоизоляционные бетоны средней плотностью менее 500 кг/м3 и прочностью при сжатии 0,5 -1,5 МПа на основе вспученного перлитового песка и щелочного алюмосиликатного вяжущего, которое в данном случае было представлено смесью тонкомолотого перлитового порошка (вспученного перлита, перлита-сырца, циклонной пыли от производства вспученного перлита) и щелочного компонента в виде низкомодульного жидкого стекла. Характер процессов и продукты структурообразования в данной вяжущей системе изучены методами рентгенофазового и дифференциально-термического анализа (рис.5.17).
Как видно из приведенных результатов исследований, процесс твердения в разработанной вяжущей системе мало, чем отличается от ранее изученной системы "перлит - Na20 - Н20". Так, например, в условиях низкотемпературной обработки на обоих видах щелочных компонентов (чистой щелочи и силиката натрия) синтезируется искусственный камень, имеющий в своем составе, в основном, высококремнистый цеолит (д/п 2,89; 3.15; 3,40; 3,98) и дополнительное вещество в виде рентгеноаморфного геля кремниевой кислоты (рис.5.17, кривая 3). При дальнейшей обработке вяжущей системы с щелочным компонентом в виде силиката натрия автоклавировании при 1,6 МПа наблюдается снижение силикатного модуля щелочных новообразований, результатом которого является образование цеолитоподобных минералов типа: NAS4H2 (с d/n = 1,75; 1,91; 3,45; 3,70) . Кроме того, отмечается образование кристаллических фаз в виде кремнезема формы а - кристобалит (рис.5.16, кривая 4), (d/n = 2,44; 2,53; 2,85; 4,15; эндоэффект при 250 - 280С), образующегося, как известно [111], в результате кристаллизации геля кремниевой кислоты, которая при повышенной температуре и щелочной среде стремится перейти в более устойчивое состояние". Аналогичное образование кристаллических форм кремнезема при автоклавной обработке смесей из перлита-сырца и щелочного раствора отмечается в работах проф. Меркина А.П. и его сотрудников [149, 150].
Таким образом, результатом процессов твердения этой щелочной алюмосиликатной вяжущей системы являются образование устойчивых фаз щелочных гидроалюмосиликатов и низкотемпературного кристобалита.
Необходимо отметить, что вышеприведенные результаты исследований процессов твердения характерны для вяжущего состава, в % по массе: 65 - 70 - молотый перлитовый компонент; 30 - 35 - жидкое стекло (силикатный модуль - 1,5, плотность - 1,25 г/см ), обеспечивающего получение искусственного камня наибольшей прочности и водостойкости (RcK = 40-42 МПа, Краш = 0,75 - 0,82).
На основе разработанного вяжущего проведены исследования по разработке теплоизоляционного перлитобетона. В качестве заполнителя использован вспученный перлитовый песок Улан-Удэнского домостроительного завода.
Разработка теплоизоляционных бетонов осуществлена на основе щелочного алюмосиликатного вяжущего, которое в данном случае было представлено в виде двух подгрупп, включающих, в % по массе: а) молотый перлит - 65 - 70; жидкое стекло Ml- 1,5; плотность 1,25 - 30,5 - 35; б) молотый перлит - 65 - 70, жидкое стекло М 3,3 - 3,5; плотность 1,25-30-35.
Указанные вяжущие системы отличаются друг от друга основностью, а отсюда и условиями твердения. Вяжущая система "а", как показали исследования, твердеет как в условиях ТВО, так и сушки, вяжущая система "б" только в условиях медленной сушки и то с образованием неводостойкого камня.
Подбирали оптимальное содержание вяжущего в бетонных смесях, которое обеспечивало получение теплоизоляционного бетона с требуемыми показателями (средняя плотность 500 кг/м , прочность при сжатии 0,5 - 1,5 МПа). Из исследуемых масс готовили образцы 10 х 10 х 10 см виброуплотнением с пригрузом в 30 -50 г/см . Часть образцов, изготовленных на вяжущей системе "а", подвергали пропариванию по режиму 2+ (6 + 8) - 2, а другую, на основе вяжущей системы "б", сушили по режиму 3 + 4 + 1,5 ч при температуре 180 + 10С. При этом расход заполнителя вспученного перлитового песка с насыпной плотностью 200 кг/м составлял - 1,3 м /м , молотого вспученного перлита изменялся от 75 -225 кг/м , жидкого стекла от 150 до 170 л/м . После обработки образцы испытывали на прочность при сжатии (рис.5 Л 8).
Из данных видно, что средняя плотность бетона находится в прямой зависимости от содержания вяжущего и эта зависимость справедлива для бетонов на обоих вяжущих.
