Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления об особенностях формирования прочностных структур ячеистого бетона неавтоклавного твердния 10
1.1 Общие сведения об ячеистом бетоне 11
1.2 Новые направления в применении ячеистого бетона 12
1.3 Особенности технологии неавтоклавного ячеистого бетона 13
1.3.1 Характеристика сырьевых материалов 13
1.3.1.1 Вяжущие материалы 13
1.3.1.2 Природные кремнеземсодержащие заполнители 15
1.3.1.3 Техногенные кремнеземсодержащие заполнители 17
1.3.1.4 Активизация сырьевых материалов ячеистого бетона 20
1.3.1.5 Дисперсное армирование ячеистого бетона синтетическими и минеральными волокнами 21
1.3.1.6 Химические добавки 23
1.3.2 Регулирование реологических свойств ячеистобетонных масс 24
1.3.3 Формирование пористой структуры ячеистого бетона 28
1.3.4 Твердение неавтоклавного ячеистого бетона 31
1.4 Основные свойства неавтоклавного ячеистого бетона 34
1.5 Постановка цели и задач исследований 39
2. Исходные материалы. Методы и методики исследований 41
2.1 Характеристика сырьевых материалов 41
2.1.1 Портландцемент 42
2.1.2 Строительная воздушная известь 43
2.1.3 Песок Кызылского месторождения 44
2.1.4 Вскрышные породы угледобычи 44
2.1.5 Зола-унос Кызылской ТЭЦ 44
2.1.6 Попутные продукты асбестообогащения ГОК «Туваасбест» 45
2.1.7 Пудра алюминиевая 46
2.1.8 Технологические добавки 46
2.1.9 Рабочие растворы 49
2.2 Методы и методики исследований 49
2.2.1 Химические методы анализа 50
2.2.2 Термофизические методы анализа 50
2.2.3 Рентгенофазовый анализ 51
2.2.4 Электронная и оптическая микроскопия 52
2.2.5 Метод рН-метрии 53
2.2.6 Методы и методики исследований физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств 53
2.3 Проектирование рационального состава газобетонной массы ячеистого бетона неавтоклавного твердения 55
2.4 Структурно-методологическая схема работы 62
3 Комплексное исследование свойств природных и техногенных кремнеземистых заполнителей неавтоклавного ячеистого бетона ... 63
3.1 Общие сведения о сырьевой базе кремнеземсодержащих материалов Республики Тыва 64
3.2 Петрографическое исследование особенностей строения и вещественного состава кремнеземсодержащих материалов 66
3.3 Изучение минералогического состава кремнеземсодержащих материалов методом рентгенофазового анализа 72
3.4 Физико-механические свойства и гранулометрический состав кремнеземсодержащих материалов 77
3.5 Физико-химические свойства кремнеземсодержащих материалов 84
Выводы по главе 107
4 Исследование физико-химических процессов формирования фазового состава, ячеистой структуры и свойств газобетона неавтоклавного твердения с использованием низкокремнеземистого сырья 110
4.1 Особенности формирования ячеистой структуры и свойств ячеистого бетона с использованием низкокремнеземистого сырья 110
4.1.1 Исследование зависимости свойств ячеистого бетона от вида и содержания низкокремнеземистого заполнителя 111
4.1.2 Выбор оптимального водотвердого отношения ячеистобетонных масс с использованием полидисперсного и фракционированного низкокремнеземистого заполнителя 119
4.1.3 Влияние дисперсности низкокремнеземистого заполнителя на фазообразование, структуру и свойства ячеистого бетона 122
4.2. Регулирование технологических свойств ячеистобетонных масс с использованием низкокремнеземистого сырья добавками 127
4.2.1 Влияние добавок извести на процессы вспучивания и формования ячеистых структур 127
4.2.2 Стабилизация и упрочнение ячеистых структур 135
Выводы по главе 145
5. Разработка и оптимизация составов и технологии дисперсно-армированного ячеистого бетона с использованием низкокремнеземистого сырья 148
5.1 Оптимизация составов ячеистого бетона повышенной прочности методом математического планирования 148
5.2 Исследование структуры и минерального состава дисперсно-армированного ячеистого бетона на основе портландцемента с использованием низкокремнеземистого заполнителя 157
5.3 Характеристика долговечности ячеистого бетона 162
5.4 Технологическая схема производства неавтоклавного газобетона с использованием природного и техногенного низкокремнеземистого сырья 166
Общие выводы 167
Литература 170
Приложение 180
- Дисперсное армирование ячеистого бетона синтетическими и минеральными волокнами
- Попутные продукты асбестообогащения ГОК «Туваасбест»
- Петрографическое исследование особенностей строения и вещественного состава кремнеземсодержащих материалов
- Регулирование технологических свойств ячеистобетонных масс с использованием низкокремнеземистого сырья добавками
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью создания эффективных строительных материалов с повышенным уровнем эксплутационных свойств при использовании местного природного и техногенного сырья, не соответствующего основным требованиям действующих стандартов. Это обеспечит устойчивое и экономически целесообразное развитие сырьевой базы материалоемкой промышленности строительных материалов, значительное снижение экологической напряженности в регионах, однако требует разработки научно-обоснованных приемов подготовки и переработки нестандартного сырья, например, в технологии неавтоклавного ячеистого бетона.
На современном этапе развития строительной индустрии и тенденции роста инвестиционной активности в строительном комплексе изделия из ячеистого бетона являются весьма перспективными строительными материалами т.к. при малой объемной плотности обладают достаточной прочностью, необходимой как для производства изделий конструкционного назначения, так и материалов с хорошими теплоизоляционными свойствами.
Актуальность расширения сырьевой базы кремнеземистых заполнителей для производства ячеистого бетона вызвана тем, что хорошо изученные и традиционно широко используемые в качестве заполнителей ячеистых бетонов кварцевые пески, содержащие не менее 90 % Si02, в отдельных регионах России отсутствуют. Доступными источниками местного кремнеземсодер-жащего сырья, как потенциального резерва минерально-сырьевой базы промышленности строительных материалов, являются полевошпатово-кварцевые пески и техногенные отходы в виде вскрышных пород, зол ТЭЦ, использование которых в производстве ячеистых бетонов предусматривается минимумом требований соответствующих стандартов, не обеспечивающих индивидуальных подходов к решению проблем, связанных с особенностями их химико-минералогического состава и технологических свойств кремне-земсодержащих материалов в качестве заполнителей ячеистого бетона.
Поэтому комплексные исследования низкокремнеземистых природных и техногенных сырьевых материалов в составе неавтоклавных ячеистых бетонов различного назначения с повышенным уровнем эксплутационных свойств обоснованны и целесообразны.
Диссертационная работа выполнялась в рамках вузовского гранта Тывинского государственного университета (2005 г.) «Получение газобетона неавтоклавного твердения на основе минерального сырья Республики Тыва», и Республиканской целевой программы «Приоритетные направления фундаментальных и прикладных научных исследований на период 2003-2010 гг.».
Объект исследования - неавтоклавный ячеистый бетон на основе портландцемента с использованием низкокремнеземистого сырья.
Предмет исследования - природные и техногенные сырьевые материалы с низким содержанием свободного кремнезема и процессы формирования фазового состава, структуры и функциональных свойств неавтоклавного ячеистого бетона на основе портландцемента с использованием низкокремнеземистого сырья в качестве заполнителя.
Цель работы: разработка составов и технологии неавтоклавного ячеистого бетона на основе портландцемента с использованием природного и техногенного низкокремнеземистого сырья.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Комплексные исследования свойств некондиционных природных (песок) и техногенных (вскрышные породы угледобычи, зола-унос ТЭЦ) кремнеземистых заполнителей с целью определения обобщенного показателя оценки их пригодности для технологии неавтоклавного ячеистого бетона.
Разработка и исследование технологических приемов активизации низкокремнеземистых заполнителей неавтоклавного ячеистого бетона.
Разработка и исследование рациональных составов ячеистобетонных масс с учетом особенностей химико-минералогического состава кремнеземистых заполнителей и эксплутационных свойств неавтоклавного ячеистого бетона различного назначения.
Исследование особенностей протекания процессов поризации (вспучивание и вызревание) неавтоклавных ячеистых бетонов с использованием природных и техногенных низкокремнеземистых заполнителей.
Изучение влияния различных технологических добавок на процессы структурообразования ячеистого бетона неавтоклавного твердения с использованием низкокремнеземистого заполнителя.
Оптимизация составов и технологических параметров получения дисперсно-армированного ячеистого бетона неавтоклавного твердения повышенной прочности.
Разработка технологии и практических рекомендаций по изготовлению ячеистого бетона неавтоклавного твердения с использованием низкокремнеземистых заполнителей.
Научная новизна
Установлено, что полевошпатово-кварцевые породы и кислые золы проявляют повышенную алюминатную (ферритную) активность по отношению к насыщенным растворам гипса и извести с образованием растворимых форм гидросульфоалюминатных (ферритных) соединений калия, натрия и кальция, что позволяет эффективно использовать их в качестве заполнителей ячеистых бетонов.
Установлено, что использование фракционированных порошков низкокремнеземистого заполнителя (фракции 0,315-0,14 и 0,14 мм и менее) способствует формированию равномерной и мелкопористой структуры ячеистого бетона при эффективном снижении пористости материала межпоровых перегородок, а обработка заполнителя раствором гидроксида кальция в течение 3-5 минут при перемешивании приводит к образованию на поверхности зерен заполнителя пленочных покрытий из гидроксида кальция, активно участвующего в химическом взаимодействии с 5 % микрокремнезема с дополнительным образованием на границе раздела фаз заполнитель-цементная связка гидросиликатов кальция, обеспечивающих прочный контакт с продуктами твердения цемента и упрочнение ячеистого бетона в 1,9-3,4 раза.
3. Установлено, что комплексная добавка полуводного гипса и жидкого натриевого стекла в количестве 4 % стабилизирует поризованные ячеистобе-тонные массы с низкокремнеземистым заполнителем в течение 40-90 минут, что обусловлено быстрым схватыванием и твердением полуводного гипса и взаимодействием жидкого стекла с гидроксидом кальция с дополнительным образованием гидросиликатов кальция, а введение асбестовых волокон размерами от 0,05 до 2 мм в количестве 6 % обеспечивает эластичность, оптимальные геометрические показатели и повышение прочности межпоровых перегородок и ячеистобетонных изделий. Практическая значимость работы:
Предложены химические показатели качества в виде коэффициента активности и гидравлической активности (по М.И. Стрелкову), учитывающие особенности поведения полевошпатово-кварцевых пород и кислых зол в це-ментосодержащих системах, позволяющие оценивать пригодность низкокремнеземистых сырьевых материалов (полевошпатово-кварцевой минерализации и кислых зол) в качестве заполнителей ячеистого бетона и определяющих возможности управления составами и свойствами ячеистобетонных масс, обеспечивающих повышенный уровень эксплутационных свойств ячеистобетонных изделий.
Предложены оптимальные количества добавок различного назначения (известь - 5-7 %, микрокремнезем - 5 %, жидкое стекло - 2 %, полуводный гипс - 2 %, асбестовые волокна 6 %), обеспечивающие регулируемую устойчивость ячеистобетонных масс и повышенные эксплуатационные характеристики ячеистого бетона.
Разработаны составы и технология неавтоклавных ячеистых бетонов с использованием низкокремнеземистых заполнителей с объемной плотностью 500-1100 кг/м3 и пределом прочности при сжатии от 1,85 до 6,25 МПа и проведены их промышленные испытания.
4. Результаты полученных исследований используются в учебном процессе (лекции, лабораторные работы и практические занятия, выпускные квалификационные работы) при подготовке дипломированных специалистов по специальности 240304 «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» и специализации «Технология цемента». Автор защищает:
Химические показатели качества в виде коэффициента активности Какт=(СаО + R2O) / (А1203 + ИегОз) и гидравлической активности (по Стрелкову М.И.) для оценки пригодности природных и техногенных низкокремнеземистых заполнителей ячеистого бетона неавтоклавного твердения.
Научно и экспериментально обоснованные технологические приемы подготовки природных и техногенных низкокремнеземистых заполнителей, определяющих особенности формирования качественной структуры неавтоклавного ячеистого бетона.
Влияние добавок извести, полуводного гипса, жидкого натриевого стекла, микрокремнезема, волокон асбеста на процессы фазообразования и формирования структуры и свойств неавтоклавного ячеистого бетона.
Разработанные составы и технологию неавтоклавного ячеистого бетона с повышенным уровнем эксплуатационных свойств при использовании природных и техногенных низкокоремнеземистых заполнителей (защищены двумя патентами РФ) и результаты промышленных испытаний ячеистых бетонов.
Автор выражает благодарность к.т.н., доценту кафедры технологии силикатов Томского политехнического университета В.Н. Смиренской за консультации и оказанную помощь при постановке научных экспериментов.
Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные части докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов Тывинского государственного университета (г. Кызыл, 2003-2006 г.г.); Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию си-
бирских регионов» (г. Красноярск, 2003 г.); VII Международном научно-техническом симпозиуме имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2003 г.); ПІ Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 2004 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Бийск, 2004 г.); читательской научно-технической конференции ««Журнал «Строительные материалы» - 50 лет с отраслью»» (г. Новосибирск, 2005 г.); 63-ей научно-технической конференции НГАСУ (г. Новосибирск, 2006 г.); Международной научной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 2006 г.).
Публикации по работе. По материалам диссертационной работы опубликованы 16 работ в сборниках тезисов и докладов, трудах и материалах Всероссийских и Международных конференций, в том числе 4 статьи в специализированных научных журналах, получены 2 патента РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 160 наименований; содержит 180 страниц машинописного текста и включает 58 рисунков, 45 таблиц и 2 приложения.
Дисперсное армирование ячеистого бетона синтетическими и минеральными волокнами
В научных публикациях последних лет приводятся сведения о повышении эксплутационных свойств ячеистобетонных изделий посредством регулирования важнейших технологических параметров при протекании процессов: вспучивания, вызревания, снижения осадки, схватывания и твердения путем введения в исходные смеси волокон (фибр) различной природы, этот технологический прием получил название дисперсное армирование и представлен в работах /46/, /47/, /48/. Дисперсное армирование синтетическими волокнистыми добавками углена (длина волокон до 5 мм, диаметр 4,6-4,7 мкм) /48/ или поверхностное армирование сетками из стекловолокон (с ячейками 4,5x4,5 и 9x9 мм) спо-собствует повышению прочности ячеистобетонных изделий до 75 кг/см /49/.
Из патентной литературы известно о введении в ячеистобетонные смеси армирующих синтетических или минеральных волокон. По данным авторов /50/ введение распушенных отходов отработанных штучных термоизоляционных материалов (в количестве 34,9-59,7 %), содержащих минеральные волокна, способствует стабилизации ячеистобетонной смеси и дисперсному армированию структуры массы минеральными волокнами. Отработанные отходы термоизоляции являются активными минеральными центрами кристаллизации, заполняющими ячеистобетонную массу и снижающими усадочные деформации с одновременным повышением прочности при изгибе в 1,7 раз.
Отдельные публикации посвящены дисперсному армированию ячеистого бетона полимерными волокнами различной длины, которые армируют межпоровую перегородку в продольном и поперечном направлениях, что обеспечивает улучшение прочностных и деформативных свойств материала, а также повышение эксплуатационной надежности изделий /51/.
В настоящее время весьма доступным компонентом для дисперсного армирования являются отходы добычи /52/, переработки асбеста и асбесто-цементного производства. Волокна асбеста снижают возможности образования внутренних микротрещин в материале межпоровой перегородки, способствуют их микроструктурному уплотнению и повышают долговечность и прочность при изгибе изделий в 2-3 раза. По данным исследований /53/ установлено, что присутствие в асбестоцементных отходах гидратированных клинкерных минералов и гидроксида кальция активизирует процессы твердения ячеистых бетонов - волокна асбеста оказывают не только армирующее действие, но и структурирующий эффект. Измельченный асбестоцемент рассматривается как кристаллическая затравка, содержащая зародыши кристаллов новообразований, возникшие при гидратации портландцемента. Таким образом, при дисперсном армировании волокна равномерно распределяются по всему объему ячеистобетонной смеси и приводят к устойчивости процесса поризации, снижению осадки поризованных масс и сырца, повышению трещиностойкости и прочности ячеистого бетона.
В технологии ячеистых бетонов для регулирования основных технологических свойств широко используются различные химические добавки путем введения их в состав ячеистобетонных масс в небольших количествах. Исследования по влиянию добавок на формирование структуры и свойств ячеистобетонных масс и готовых изделий ячеистого бетона являются важным направлением в научных исследованиях, т.к. большая часть строительных материалов и изделий изготавливаются с применением специальных добавок /54/ и этому посвящено большое число публикаций. Традиционно это добавки пластифицирующие, регулирующие процессы структурообразова-ния, ускорители и замедлители твердения.
Для обеспечения структурирующего эффекта, повышения прочности газобетона неавтоклавного твердения на 40 % и улучшения качества межпо-ровой перегородки /55/ предлагается вводить полуводный гипс в виде суспензии двуводного гипса (до 0,7 %), высокодисперсный микрокремнезем (3 %), а также хлорид кальция (0,5-1 %) - ускоритель гидратации.
Современные исследования по использованию упрочняющих добавок в составах ячеистобетонных масс связаны с введением ультратонкой добавки микрокремнезема /56/, /32/. Микрокремнезем вступает в реакцию с гидрокси-дом кальция, освобождаемым при гидратации портландцемента с образованием гидросиликатов кальция. Очень высокая чистота и дисперсность микрокремнезема способствуют эффективной и быстрой реакции, а его сферические микрочастицы, уплотняют межпоровые перегородки ячеистого бетона, заполняя пустоты продуктами гидратации /43/. Высокодисперсные добавки, обладающие меньшей истинной плотностью по сравнению с цементом, способны уже в период поризации газобетонной смеси образовывать высокодисперсную гидратированную твердую фазу, которая, располагаясь между зернами цемента, сокращает величину начального свободного порового пространства в межпоровой перегородке /57/.
Некоторое повышение качества ячеистого бетона достигается при введении добавок ряда органических соединений, например нетоксичных полиэфиров, которые за счет химических превращений способствуют улучшению качества ячеистого бетона. Химическое взаимодействие полиэфиров с составляющими ячеистобетонной смеси приводит к улучшению поверхности и к упорядочению макроструктуры материала; к образованию веществ, ускоряющих синтез гидросиликатов кальция в твердой фазе ячеистого бетона, что повышает трещиностойкость и долговечность изделий /58/.
Попутные продукты асбестообогащения ГОК «Туваасбест»
Попутные продукты асбестообогащения ГОК «Туваасбест» (Республика Тыва, г. Ак-Довурак) представлены щебнем различной крупности в виде: общего отхода, содержащего смесь мелких частиц сопутствующей пустой породы и асбестовых волокон; отдельно асбестовых отходов виде волокон. В данной работе использовались отходы асбестовых волокон, которые представляют собой короткие волокна размерами 0,05-2,0 мм низкосортного асбеста и отдельные волокна асбеста длиной до 5 мм. Физико-механические свойства и гранулометрический состав отходов асбестовых волокон приведены в таблице 2.5, химический состав - в таблице 2.6.
Для поризации газобетонной смеси использовалась алюминиевая пудра ПАП-1, соответствующая требования ГОСТ 5494-71 Е «Пудра алюминиевая пигментная». Алюминиевый порошок не содержит видимых инородных примесей. Технические свойства алюминиевой пудры ПАП - 1 приведены в таблице 2.7.
Технологические добавки вводились в состав ячеистого бетона с целью регулирования технологических параметров сырьевых ячеистобетонных масс, сырцовых образцов-изделий и физико-механических характеристик готовой продукции. В качестве таких материалов применялись регуляторы структурообразования, ускорители твердения и нарастания пластической прочности, пластифицирующие добавки.
Жидкое натриевое стекло. Для стабилизации пористой структуры ячеистобетонных масс в работе применялось жидкое натриевое стекло, соответствующее требованиям ГОСТ 13078-81 «Жидкое натриевое стекло. Технические условия».
Жидким стеклом называется технический продукт в виде прозрачного стекловидного раствора, имеющего светло-серую окраску с различными оттенками и состоящего из щелочных силикатов. Одним из главных показателей, характеризующих свойства жидких стекол, является молярное отношение кремнезема к щелочному оксиду. В производстве строительных материалов обычно применяется жидкое стекло с высоким силикатным модулем, которое оказывается решающим для вяжущих свойств. Свойства жидкого натриевого стекла приведены в таблице 2.8.
Строительный гипс. Строительный гипс Ангарского завода строительных материалов выполняет роль стабилизатора ячеистобетонных масс, отвечает требованиям ГОСТа 125-79 (СТ СЭВ 826-77) «Вяжущие гипсовые. Технические условия», имеет марку Г-7. Технические свойства строительного гипса представлены в таблице 2.9.
Микрокремнезем - конденсированная силикатная пыль ТУ 5743-048-02495332-96 «Микрокремнезём конденсированный», которая является побочным продуктом производства кристаллического кремния или кремниевых сплавов путем восстановления кварца в электрической печи. Материал, образующийся в производстве элементарного кремния, содержит обычно 94-98 % Si02, а отходы от производства сплавов - 89-90 % Si02 /109/.
В таблице 2.10 представлены химические составы микрокремнеземов, образующихся при производстве элементарного кремния и ферросилиция.
Микрокремнезем поставляется в Сибирский регион ОАО «Кузнецкие ферросплавы» и Братским алюминиевым заводом. В таблице 2.10 приводятся основные свойства микрокремнезема, насыпная плотность свежеотфильт-рованного (минимально агрегированного) порошка - около 200 кг/м3. Анализ гранулометрического состава микрокремнезема (таблица 2.10) показывает, что основная масса порошка представлена частицами с размерами от 0,1 до 0,4 мкм со средним размером зерен микрокремнезема около 100 нм, что меньше средних размеров частиц вяжущих в 150-500 раз и обуславливает высокую реакционную способность микрокремнезема /110/.
Вода - универсальный затворитель вяжущих. В работе для затворения вяжущих и приготовления рабочих растворов использовалась дистиллированная вода комнатной температуры. Для приготовления рабочих растворов кислот и щелочей использовались стандартные растворы необходимых концентраций (фиксаналы) или титрованные растворы.
При изучении гидравлической активности и реакционной способности кремнеземсодержащих материалов готовились рабочие растворы гидрокси-дов и сульфатов кальция в соответствии с требованиями методов и методик исследований.
Решение поставленных в работе задач требует привлечения широкого спектра современных физических и физико-химических методов анализа. В работе применялись стандартизованные и специфические общепринятые для соответствующих технологий вяжущих и изделий на их основе методы и методики проведения экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях исходных сырьевых материалов, полуфабрикатов и конечных изделий ячеистого бетона.
С целью более полного и детального изучения химико-минералогического состава, технологических свойств кремнеземсодержащих материалов, исследования процессов структурообразования ячеистых бетонов при термическом, химическом и других видах воздействия использовались комплекс физико-технических, современных химических методов, термофизических - термогравиметрический (ТГ), дифференциально-термический анализы (ДТА), дериватография, методов поляризационной и электронной микроскопии, рентгенофазового анализа (РФА), рН метрии.
Для выполнения химического анализа (ГОСТ 5382-91 «Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа») отбор средней пробы производился методом квартования, а подготовка проб осуществлялась их высушиванием до постоянной массы и измельчением до полного прохождения через сито № 0063. В данной работе использовался сокращенный химический анализ, который предполагает определение оксидов, обычно присутствующих в силикатных материалах: SiC , AI2O3, Fe203, CaO, MgO, R2O. Силикаты переводились в растворимое в кислотах состояние сплавлением с содой (Ш2СОз). Содержание оксида кремния определялось из раствора коагуляцией кремниевой кислоты желатиной весовым методом /111,112/. Сумма оксидов алюминия, железа и титана определялась методом, основанным на регулировании концентрации водородных ионов раствора, так как выделение гидроксида того или иного элемента происходит только при определенных интервалах величины рН раствора /113/. Содержание оксидов алюминия, железа, кальция и магния определялось комплексонометри-ческим методом, натрия и калия - методом пламенной фотометрии /114/. Рациональный химический анализ кремнеземсодержащего сырья проводился при обработке проб материала специальными реагентами, позволяющими определять остаточные концентрации исследуемых растворов, растворимые (активные) формы кремнезема и глинозема /111/.
Петрографическое исследование особенностей строения и вещественного состава кремнеземсодержащих материалов
Важным аспектом в комплексном исследовании кремнеземсодержа-щего сырья является изучение особенностей строения, состава и свойств кремнеземистых материалов, предполагаемых для использования в составах ячеистобетонных масс в качестве кремнеземистых заполнителей при получении газобетона неавтоклавного твердения. Петрографическое исследование кремнеземсодержащих пород и техногенных отходов Республики Тывы в качестве заполнителей ячеистобетонных масс проводились с целью определения вещественного состава сырья, изучения распределения основных минералов и ассоциирующих примесей, структурно-текстурных особенностей пород и техногенных отходов, включающих характеристики размеров, формы и вида зерен или кристаллов отдельных минералов, их поверхности, характер взаимосвязи. Форма зерен заполнителя может быть по данным Батурина В.П., Преображенского И.А. и др. окатанной, полуокруглой, полуугловатой и угловатой, а характер поверхности зерен - гладкий, корродированный и регенерированный. По мнению М.С. Швецова /131/ и др. авторов /132/, степень окатанпости зерен, например, природного песка связана с их размерами. По мере увеличения размера зерен от 0,01 до 1 мм закономерно возрастает содержание округлых и полуокатанных и становится меньше угловатых зерен песка, что снижает реакционную способность песков. Помимо того, степень окатанности зерен зависит от их минерального состава, характера, условий, расстояния, длительности переноса и осаждения кремнеземистого материала.
Микрофотографии природною песка Кызылского месторождении приведены нарис. 3.1. Рисунок 3.1 - Микрофотографии зерен песка Кызылского месторождения (х 60) Пески данного месторождения в основной массе характеризуются полидисперсным зерновым составом и являются среднезернистыми, пески сложены зернами преимущественно остроугольной и полуокатанной формы, реже фиксируется обломочная форма с шероховатой и раковистой поверхностью. Зерна песка имеют размеры от 0,25 до 2,5 мм. Цвет песка светло-серый и обусловлен его вещественным составом с преимущественным содержанием зерен кварца и минералов полевых шпатов, незначительным количеством слюды и органических остатков растительного происхождения. Зерна песка чистые, в редких зернах наблюдаются включения гематита и силлиманита. По данным петрографического анализа /126/ вещественный состав песка Кызылского месторождения приведен в таблице 3.1. Для проведения исследований вскрышных пород Каа-Хемского месторождения каменного угля отобраны средние пробы из различных участков отвала угледобычи. На рис. 3.2 представлены микрофотографии вскрышных пород угледобычи. По результатам петрографических исследований вскрышные породы угледобычи можно разделить на два основных типа. Первый представлен неравномерно зернистыми кварцевыми разностями с большим содержанием глинистого (предположительно монтмориллонитового состава) цементирующего вещества, второй - неравномерно зернистыми кварц-полевошпат-ными песчаниками с гидрослюдисто-железисто-карбонатным цементом. Песчаники вскрышных пород характеризуются олигомиктовым составом, содержат в основном полевые шпаты, мелкие угловатые зерна кварца, включения слюды, угловатых обломков алевролитов, гранитов и гнейсов. Зерна кварца имеют различную степень окатанности, зерна полевого шпата умерено и плохо окатанные. Обломочные породы весьма разнообразного состава: рыхлые алевриты и сцементированные алевролиты палевого или серо-желтого цвета. Во вскрышных породах установлено незначительное присутствие мелких кристаллов известняковых включений, аргиллитов, углистых и слабо углистых алевролитов. Вещественный состав вскрышных пород угледобычи Каа-Хемского месторождения каменного угля по данным петрографического анализа приведен в таблице 3.2 /127/.
Регулирование технологических свойств ячеистобетонных масс с использованием низкокремнеземистого сырья добавками
Введение в ячеистобетонные массы низкокремнеземистого заполнителя фракции 0,63-0,315 мм способствует формированию неравномерной пористой структуры с деформированными различным образом порами /148/ и с изменением геометрии и плотности межпоровых перегородок (рис. 4.7 а). Основная часть макропор имеет неправильно очерченную форму, часть пор сообщаются между собой, образуя более крупные или изломанные щелевид-ные поры со значительно отличающимися размерами 0,5-3 мм. Каркас газобетона определяется структурой межпоровых перегородок, сложенных продуктами гидротермального твердения портландцемента и зернами низкокремнеземистого заполнителя, более крупные зерна песка размещаются в структуре межпоровых перегородок и частично внутри больших пор, деформируют их, изменяя геометрию и плотность перегородок и сферическую форму пор.
Межпоровые перегородки на крупном узкофракционном заполнителе не одинаковые по толщине и плотности и характеризуются более рыхлой неоднородной структурой, что приводит к снижению прочности готового изделия до 10 %, т.к. разрушение тонких перегородок в газобетоне влечет за собой перераспределение напряжений от воздействия внешних нагрузок на оставшиеся перегородки. При переходе от более крупнодисперсных композиций ячеистобетонных систем к мелкодисперсным (фракции заполнителя 0,315-0,14 и 0,14 мм и менее), наблюдалось более стабильное и равномерное вспучивание и вызревание ячеистых масс. При использовании в составе ячеистобетонных масс тонких фракций песка формируется более однородная по-ровая структура с выдержанными от 0,3 до 1,2 мм размерами пор преимущественно овальной и округлой форм, близких к сферическим, а совмещенные поры практически отсутствуют (рис. 4.7 б, в). Распределение пор характеризуется равномерным их размещением по всему объему образцов газобетона. Кроме того, введение тонкодисперсного заполнителя приводит к изменению толщины межпоровых перегородок от 0,5 до 1,0 мм и их уплотнению, так как размеры зерен низкокремнеземистого заполнителя соизмеримы с толщиной межпоровых перегородок, за счет чего сокращается свободное поровое пространство в перегородках и соответственно общая пористость изделия.
Таким образом, при исследовании влияния степени дисперсности низкокремнеземистых заполнителей на формирование структуры ячеистого бетона установлено, что дисперсность низкокремнеземистого заполнителя является определяющим фактором при формировании структуры, как межпоровых перегородок, так и порового пространства. И чем более тонко измельчен низкокремнеземистый заполнитель, тем более равномерно пористая структура газобетона образуется. Поры газобетона становятся более правильной сферической формы, межпоровые перегородки, состоящие из продуктов твердения цемента и низкокремнеземистого заполнителя, имеют меньшую пористость за счет их уплотнения мелкодисперсными частицами песка, что способствует повышению прочностных характеристик газобетона.
Одним из основных технологических приемов регулирования технологических свойств ячеистых масс, фазового состава, структуры и эксплутаци-онных свойств газобетонных изделий является введение добавок различного назначения /54/. Классификации добавок, используемых в технологии ячеистых бетонов /150/, учитывает технологические эффекты их действия на реологические свойства ячеистобетонных масс, процессы их поризации и вызревания и на регулирование сроков схватывания и твердения ячеистобетонных смесей и др. В работе с целью улучшения эксплутационных свойств газобетонных изделий на основе портландцемента и низкокремнеземистого заполнителя изучалось влияние различных добавок на протекание основных технологических процессов изготовления газобетона и технологические свойства ячеистобетонных масс, сырцовых и ячеистобетонных изделий.
В традиционные составы ячеистобетонных масс известь вводится для активизации начального процесса химического взаимодействия алюминиевой пудры с ней с образованием достаточного количества газообразного продукта, обеспечивающего заданное и равномерное нарастание объема сырцового изделия при вспучивании ячеистобетонных масс. Известны два способа использования извести в производстве ячеистого бетона - в виде гидратной извести и молотой негашеной.
По сведениям различных авторов /77/, /37/, /152/ содержание вводимой извести находится в пределах от 2 до 10 % (мае). Со временем при гидратации минералов цемента в жидкую фазу выделяется дополнительное количество извести, стабилизирующее процессы вспучивания ячеистых масс. Существует мнение /152/, что при использовании негашеной извести прочность изделий выше на 10-15 %, чем - гидратной, однако гашение извести сопровождается значительным увеличением объема, может протекать длительное время и привести к деформации и разрушению изделий.
Для изучения влияния добавок извести на протекание основных технологических процессов и возможностей использования низкокремнеземистых заполнителей в составах ячеистых масс при получении газобетона с улучшенными эксплутационными свойствами в состав масс (за счет портландцемента) вводились добавки гидратной извести в количестве от 5 до 25 % (при пересчете на сухое вещество) в виде известкового молока плотностью 1200 кг/м при постоянном содержании низкокремнеземистого заполнителя в составе масс в количестве 40 %, табл. 4.5. Расчетные данные по расходу сырьевых материалов для приготовления ячеистобетонных масс с использованием 40 % низкокремнеземистого заполнителя и добавок извести приведены в таблице 5 приложения 1.
При постановке эксперимента, учитывая низкую силикатную активность низкокремнеземистых заполнителей, на стадии приготовления ячеистой массы был изменен общепринятый порядок введения компонентов в ячеистобетонную массу. В мешалку первоначально загружался низкокремнеземистый заполнитель и обрабатывался при перемешивании с насыщенным раствором гидратной извести в течение 3-5 минут, затем при постоянном перемешивании до образования однородной массы вводились расчетное количество портландцемента и алюминиевая суспензия. Обработка низкокремнеземистого заполнителя известковым молоком приводит, как установлено ранее /145/, /146/, к вскрытию активных поверхностей частиц золы путем разрушения ее стекловидных оболочек и образованию на поверхности малоактивных зерен песка и вскрышных пород пленочных покрытий из гидроксида кальция.
Процессы вспучивания газобетонных масс с использованием низкокремнеземистых заполнителей (в виде полидисперсного порошка и отдельных фракций) и при введении различного количества добавок гидратной извести характеризовались в работе коэффициентом вспучивания массы при последующей оценке предела прочности при сжатии готовых образцов газобетона, рис. 4.8. За коэффициент вспучивания принималось отношение высоты ячеистобетонного массива после завершения процесса поризации к высоте ячеистобетонной смеси при разливе ее в формы.
Анализируя влияние добавок извести, вводимой в состав ячеистобетонных масс в различных количествах, на газовспучиваемость бетонных смесей с различным зерновым составом низкокремнеземистого заполнителя установлено, что при введении извести от 5 до 15 % резко увеличивается коэффициент вспучивания для всех систем ячеистобетонных масс. Максимальное значение коэффициента вспучивания отмечалось при содержании извести в ячеистобетонной массе 15 %. При увеличении количества извести в ячеистобетонных массах до 25 % коэффициент вспучивания изменялся не значительно, но повышенное содержание свободной извести в составе готовых изделий вызывает резкое снижение их прочностных характеристик, рис. 4.9-4.
