Повышение эффективности использования закристаллизованных перлитов в технологии легких бетонов

Повышение эффективности использования закристаллизованных перлитов, попутно добываемых при добыче кондиционных стекловидных перлитов и составляющих до 70% от общего объема добываемого перлитового сырья Забайкалья, остается весьма актуальной проблемой. Решение этой проблемы в настоящей работе связано с целесообразностью активации некондиционного перлитового сырья с целью создания бесклинкерных вяжущих и бетонов на их основе. Исследования, проведенные по данному направлению, базируются на теоретических предпосылках о возможности снижении материальных и топливно-энергетических затрат при производстве бетонных и железобетонных изделий за счет применения новых видов вяжущих из недефицитного сырья, увеличения активности и скорости твердения этих вяжущих благодаря использованию низкотемпературных и других энергосберегающих технологий.

Сырьевые материалы и методика исследований

В исследованиях использовали эффузивные породы Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия двух разновидностей: закристаллизованные и стекловидные перлиты (табл. 1). Вспученные перлиты использованы в качестве заполнителей в легких бетонах. Известь негашеная (ГОСТ 9179-74) применяется в качестве компонента бесцементного вяжущего (табл. 2). В составе вяжущих используется щелочной компонент (NaOH, KOH).

Химико-минералогический состав перлитов

Таблица 1

Разновидности перлита	Содержание стеклофазы, мас. %	Содержание оксидов, мас. %
		iO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	FeO	CaO	MgO	R 2 O	П.П.П
Стекловидный	95-97	71,74	12,6	1,17	1,46	0,72	0,35	6,5	6,16
Закристаллизованный	20-40	73,13	11,7	1,08	1,71	0,55	0,30	6,40	7,65

Таблица 2

Химический состав и свойства негашеной извести

Содержание активных окислов, %	Скорость гашения, мин	Температура гашения, °С	Содержание негасившихся частиц, мас. %	П.П.П в % при температуре
				500 °С	1000 °С
80-82	18-19	65-67	10-10,5	2,5-3	7-7,2

К особенностям эффузивных пород Забайкалья относится относительно стабильный химический состав при широком разнообразии энергетического (термодинамического) состояния [1]. В данной работе указанная особенность относится к различию фазового состава стекловидного и закристаллизованного перлитов. Повышенное содержание кристаллических фаз (полевых шпатов, кварца и его модификаций) в закристаллизованном перлите не позволяет широко вовлекать его в сферу промышленного применения. Отсюда возникает интерес к вопросу повышения активности закристаллизованного перлита.

Ранее проведенными исследованиями было показано, что электронными пучками, которые относятся к чистым безынерционным источником нагрева с высокой (>109) удельной мощностью, технически, экономически и экологически выгодно плавить и рафинировать тугоплавкие, жаропрочные и химически активные металлы, сплавы и специальные конструкционные стали. Электронная плавка обеспечивает особую чистоту получаемого расплава и значительно превосходит другие индукционные и дуговые виды вакуумной плавки благодаря точной дозировке и высокой концентрации энергии [2].

В настоящей работе методика повышения активности закристаллизованного перлита состояла в обработке перлитовой породы в электронно-лучевой установке. Электронный поток, сформированный в пушке электронно-лучевой установки, с помощью электромагнитной ленты в луч (развертку) направлялся через ускоритель на исследуемое активируемое вещество. Образцы для активации получены прессованием таблеток из закристаллизованного перлита, предварительно измельченного до порошкообразного состояния.

Природа активационных и аморфизационных явлений, наблюдаемых при электронно-лучевой активации закристаллизованных перлитов, заключается в воздействии потоком быстродвижущихся направленных электронов на кристаллическую решетку породы. В результате возмущающих эффектов элементарные частицы кристаллической решетки пород отходят от устойчивых положений равновесия в «узлах» в межузловое пространство, искажая упорядоченное исходное строение решетки.

В наших исследованиях электронная пушка работает при извлекающем напряжении до 10 кВ с током электронного пучка до 10-1 А. Общая потребляемая мощность электронно-лучевой установки составляет от 5,5 до 6,0 кВт. Продолжительность активации – в пределах 4 с при толщине слоя активируемого за это время вещества (закристаллизованного перлита) 5 мм. Для чистоты экспериментов исследования по активации проведены в вакууме.

Результаты исследований и обсуждение

На рисунках 1 и 2 показано изменение степени аморфизации закристаллизованного перлита при электронно-лучевой активации в зависимости от параметров обработки.

С

масса пробы 2000 г масса пробы 500 г масса пробы 1000 г

Рис. 1. Изменение степени аморфизации ( С а ) закристаллизованного перлита

масса пробы 500 г масса пробы 1000 г

Рис. 2. Изменение степени аморфизации ( С а ) закристаллизованного перлита в зависимости от величины тока электронно-лучевого потока I

Нами были исследованы перлитовые породы трех разновидностей (закристаллизованной, закристаллизованной активированной и стекловидной), которые размалывались до порошкообразного состояния с удельной поверхностью 300, 350, 400, 450 м²/кг. Порошки перлитов помещали в водный раствор CaO различной концентрации. Анализ показал, что гидравлическая активность активированного закристаллизованного и стекловидного перлитов практически одинакова, а у неактивированного закристаллизованного перлита гидравлическая активность на 20-25 % ниже. Оптические наблюдения за процессом гидратации перлитов показали интенсивный рост микроскопических хлопьевидных образований и новых фаз на стекловидных и активированных закристаллизованных перлитах. Рентгеноструктурные и термографические исследования показали наличие в бескликерных вяжущих системах низкоосновных гидросиликатов кальция, количество которых растет с увеличением содержания СаО до 30%. Стекловидный и активированный закристаллизованных перлиты при пропаривании твердеют с образованием преимущественно микрокристаллического низкоосновного гидросиликата кальция CSH(B) и 2основного C 2 SH(А), тогда как закристаллизованный перлит твердеет с образованием в основном C 2 SH(А).

Для установления оптимального состава вяжущего системы «порода-СаО-Н 2 О» в работе использован метод математичекого планирования эксперимента. В качестве факторов были выбраны расходы воды (Х 1 ), оксида кальция (Х 2 ) и перлита (Х 3 ). Уравнение, адекватно описывающее активность бесклин-керного вяжущего, имеет вид:

R = 57,54 + 0,01 X 1 - 0,016 X 2 + 0,022 X 3 + 0,025 X 1 X 2 - 0,018 X 1 X 2 +

+ 0,015 X 2 X 3 + 0,07 X ,2 - 0,132 X 22 - 0,013 X 32 .

На рисунке 3 показаны диаграммы состояния бесклинкерных вяжущих с использованием перлитов трех вышеуказанных разновидностей.

а                                  б

Рис. 3. Диаграммы состояния бесклинкерных вяжущих (БВ) на основе: а – закристаллизованного перлита; б – стекловидного или активированного закристаллизованного перлита

На рисунке 3 плоскость I соответствует БВ с удельной поверхности S уд. =250 м²/кг; плоскость II – S уд. = 300 м²/кг; плоскость III – S уд. = 350 м²/кг; плоскость IV – S уд. = 400 м²/кг; плоскость V – S уд. = 450 м²/кг.

Анализ изменения степени гидратации, фазового состава новообразований, пористости твердеющих бесклинкерных вяжущих в условиях термовлажностной обработки при температуре t = 85 ÷ 185 °С показал, что оптимальное содержание компонентов, обеспечивающих максимальную прочность камня, находится в пределах в мас. %: извести – 20÷27, перлита – 40÷45 и воды – 34 ÷ 36.

Физико-химические исследования гидратации разработанных вяжущих, фазового состава цементного камня, их свойств показали целесообразность использования бесклинкерных вяжущих в теплоизоляционных бетонах на пористых заполнителях. Этому способствует преобладание в микроструктуре цементного камня гелеобразных, мелкокристаллических новообразований, которые предпочтительны для обеспечения эффективной теплоизоляции.

Следует отметить, что общая пористость зерен вспученного перлита, используемого в качестве пористого заполнителя, составляет от 25 до 85%, при этом на открытую пористость приходится до 30% от общей. Для сокращения содержания открытой пористости, более рационального использования вяжущего и повышения эффективности теплоизоляционных бетонов производилась модификация вспученного перлита путем окатывания их во вращающихся барабанах в сухой среде, в воде и водном растворе щелочи. Обработка вспученного перлита в 5%-ном водном растворе щелочи позволила уменьшить открытую пористость заполнителя до 60%. При этом соотношение объемов заполнителя и барабана составляло 1/5, водотвердое отношение – 0,2-0,25, а продолжительность модификации – 25 мин. Бетонные смеси на модифицированных пористых заполнителях имели лучшую удобоукладываемость.

С помощью метода математического планирования эксперимента получена зависимость, адекватно описывающая влияние содержания (мас. %) воды затворения (х 1 ), вспученного модифицированного перлитового песка (х 2 ) и вяжущего (х 3 ) на прочность теплоизоляционного бетона на основе разработанного бесклинкерного вяжущего и модифицированного пористого заполнителя:

R = 6,2 + 0,1 х 1 - 0,5 х ₂ + 0,23 х ₃ + 0,01 х 1 х ₂ + 0,015 х 1 х ₃ +

+ 0,015 х 1 х ₃ + 0,018 х 2 х ₃ + 0,06 х 1 ² + 0,08 х ₂ ² - 0,17 х ₃².

В результате систематизированных исследований были установлены оптимальные составы разработанных теплоизоляционных перлитобетонов, которые имели среднюю плотность – 450 ÷ 550 кг/м3, прочность при сжатии – 1,2 ÷ 1, 25 МПа, водопоглощение – 12 ÷ 14 % и теплопроводность – 0,1÷0,12 Вт/м∙°С. По сравнению с обычными теплоизоляционными перлитобетонами они имеют большую водостойкость и низкую теплопроводность. Разработанные технические решения по активации закристаллизованного перлита защищены патентом [3].