Повышение прочности доломитощелочных систем за счет введения солеобразующих оксидов

Современный рынок строительных материалов представлен значительным количеством различных вяжущих веществ, применяемых при производстве современных строительных материалов. В то же время, актуальной является задача создания композиционных материалов на основе отходов промышленности [1]. Одним из эффективных вяжущих, способным заменить цемент, является гранулированный доменный шлак.

Доменный гранулированный шлак представляет собой продукт обработки огненно-жидких металлургических шлаков водой, образующийся при резком охлаждении расплава шлака и его грануляции-дробления на мелкие частицы. Такие шлаки обладают вяжущими свойствами и способны твердеть под действием активизирующих добавок, таких как щелочь, известь, сульфат кальция и др. Гидравлическая активность шлака также зависит и от дисперсного состояния, минералогического и фазового состава. Научные исследования в области шлакощелочных вяжущих [2] показали, что основными продуктами твердения шлакощелочных вяжущих являются гидросиликаты кальция, гидрогранаты переменного состава, кремниевая кислота, соединения щелочнощелочноземельных металлов, а также гидроалюмосиликаты типа цеолитов.

В технологии бетонов при производстве щебня в качестве крупного заполнителя в широко применяются карбонатные породы (известняки, мраморы, доломиты). Наибольшее практическое значение имеют кальцит, являющийся составной частью известняка, и доломит.

В последнее время интерес представляют комбинированные вяжущие материалы, имеющие в качестве составляющих самопроизвольно твердеющие карбонатные минералы, которые в течение долгого времени рассматривались как инертные компоненты.

Многолетними исследованиями была установлена реакционная активность природных доломитов в реакциях со щелочами, применяемых в качестве заполнителей в цементных бетонах [ 3 ] .

Для подтверждения гипотезы о термодинамической вероятности протекания реакций образования гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов магния в результате химического взаимодействия Mg(OH)2 с оксидами кремния, алюминия и железа в щелочной среде были проведены эксперименты. Химически чистый Mg(OH)2 был получен путем смешивания растворов сульфата магния и гидроксида натрия, взятых в эквивалентных количествах. Свежеосажденный Mg(OH)2 отфильтровывали через воронку Бюхнера и про- мывали дистиллированной водой до отсутствия пробы на сульфат-ион. Затем из смеси полученного Mg(OH)2, щелочи и оксидной добавки методом силового прессования при влажности смеси 50-58% были изготовлены образцы размером 1×1×1 см. В качестве щелочного компонента использовался едкий натр, вводимый в количестве 5% от массы гидроксида магния. В качестве оксидных добавок использовали химические реактивы SiO2, АI2O3 и Fe2O3, вводимые в количестве 3% от массы Mg(OH)2. Образцы находились на воздухе при относительной влажности 65-75% и в определенные сроки были испытаны на прочность при сжатии. Сравнительная оценка показателей прочности составов без оксидной добавки и с добавками SiO2, АI2O3 и Fe2O3, характеризующие кинетику набора прочности в различные сроки твердения, представлены на гистограмме (рис. 1).

Рис. 1. Кинетика набора прочности системы «Mg(OH) 2 -NаОН».

Как видно из рис. 1, значительное увеличение показателей прочности на протяжении всего периода твердения наблюдается при введении оксидных добавок в систему «Mg(OH) 2 -NаОН», что свидетельствует о наличии в системе «Mg(OH) 2 -NаОН-Э х О у » гидратных новообразований различной степени влияния на показатели прочности этой системы.

Подтверждение предположения о возможности образования в системе «Mg(OH)2-NаОН-ЭхОу» гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов магния послужило причиной изучения влияние добавок минеральных оксидов на кинетику прочностного набора доломитощелочной системы (табл. 1). На основе доломита карьера Сатка были изготовлены образцы размерами 30x30x30 мм методом прессования с удельным давлением 15 МПа при влажности формовочной смеси 13%. Достаточно высокий выход свободного гидроксида магния в результате реакционного взаимодействия со щелочью обуславливал выбор карбонатной породы. В качестве щелочного компонента применяли гидроксид натрия, вводимый в количествах по 3 и 5% от массы карбонатной породы. В качестве добавок-оксидов использовали аморфный SiO2, АI2O3 и Fe2O3, вводимые в количестве 1,5 и 3% от массы карбонатной породы. Образцы хранились на воздухе при относительной влажности 65-75% и в заданные сроки подвергались испытанию на прочность при сжатии. Полученные результаты приведены в таблице 1 и на рисунке 2.

Таблица 1. Показатели прочности доломитощелочных систем без добавок и с оксидной добавкой при 5% исходного NaOH

■ оксид алюминия Яоксид железа (III) Поксид кремния (IV) ^контрольный

Рис. 2. Кинетика набора прочности доломитощелочных систем в различные сроки твердения при 5% исходного NaOH.

Полученные данные свидетельствуют о том, что увеличение количества оксидных добавок приводит к росту показателей прочности доломитощелочной системы, что объясняется увеличением количества новообразований, благоприятно влияющих на прочностные показатели системы. Так, введение оксидов в количествах по 3% приводит к наиболее существенному повышение прочностных характеристик. Малое содержание АI2O3 и Fe2O3 недостаточно для положительного влияния на прочностные показатели доломитощелочной системы. Значительное повышение прочности образцов вызвано введением аморфного SiO2 даже в количестве 1,5%, что может быть объяснено не только образованием гидросиликатов магния, но и образованием гелеобразного кремнезема, который, цементируя зерна карбонатной породы, увеличивает плотность материала.

Термодинамически подтвержденная вероятность протекания реакций взаимодействия доломита [4] и аморфного кремне- зема с гидроксидом натрия после затворения карбонатной породы с добавкой SiO2 раствором NaOH обуславливает возможность протекание обоих реакционно- химических процессов. Часть щелочи расходуется на взаимодействие с карбонатной породой с образованием Mg(OH)2, а другая - на образование силиката натрия по схеме:

2NaOH + mSiO 2 → Na 2 О ⋅ mSiO 2 + Н 2 О.

Полученные данные свидетельствуют о том, что на кинетику набора прочности доломитощелочной системы оказывает влияние содержание щелочи. Повышение количества щелочи до оптимального количества приводит к росту показателей прочности, что объясняется ростом содержания Mg(OH)2 и других новообразований. Кроме того, определено влияние гидратных новообразований на показатели прочности данных систем: введение минеральных оксидных добавок положительно отражается на прочностных характеристи ках системы «Mg(OH)2-NаОН» и доломи тощелочного вяжущего.