автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Шлакосиликатные вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 666.39

Быков Николай Иннокентьевич

ШЛАКОСИЛИКАТНЫЕ ВЯЖУЩИЕ И БЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ВУЛКАНИЧЕСКИХ

ШЛАКОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

д.т.н., проф. Козлов В.В. к.т.н., доц. Хардаев П.К.

Улан-Удэ- 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................3

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................6

1.1 .Использование вулканических шлаков в технологии легких бетонов.........6

1.2.Бесцементные вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков.........8

1.3.Вяжущие на основе жидкого стекла.................................................25

2. ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ......29

2.1 .Характеристика материалов..........................................................29

2.1.1. Вулканические шлаки...........................................................29

2.1.2. Щелочные компоненты.........................................................41

2.1.3. Кварциты..........................................................................41

2.2.Характеристика методов исследований............................................43

2.2.1. Вулканические шлаки..........................................................43

2.2.2. Исследования бетонов.........................................................44

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

ТВЕРДЕНИЯ ШЛАКОСИЛЖАТНЫХ ВЯЖУЩИХ..............................46

3.1 .Взаимодействие вулканических шлаков и силикат-глыбы

в условиях автоклавной обработки.................................................46

3.1.1. Исследование процессов растворения силикат-глыбы в автоклавных условиях.........................................................46

3.1.2. Механизм гидратации шлакосиликатных вяжущих в автоклавных установках.......................................................53

3.1.3. Влияние физико-химических факторов на кинетику гидратации шлакосиликатных вяжущих...................................63

3.2.0птимизация состава шлакосиликатного вяжущего...........................66

3.3.Оптимизация параметров тепловлажной обработки

шлакосиликатных вяжущих.........................................................70

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕГКИХ ШЛАКОБЕТОНОВ НА

ОСНОВЕ ШЛАКОСИЛИКАТНЫХ ВЯЖУЩИХ..................................77

4.1 .Исследование технологических факторов процесса синтеза

шлакобетонов..........................................................................77

4.2.Исследование свойств шлакосиликатных бетонов............................89

4.2.1. Строение шлакосиликатного бетона.......................................89

4.2.2. Прочностные свойства шлакосиликатного бетона.....................91

5. ТЕХНОЛОГИЯ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОПЫТ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШЛАКОСИЛИКАТНЫХ БЕТОНОВ.....................105

5.1.Технология изделий из шлакосиликатных бетонов...........................105

5.2.Технико-экономические показатели производства шлакосиликатных изделий.........................................................105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...........................................................................114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Для обеспечения эффективного и качественного строительства особенно в районах с суровыми климатическими условиями необходимо развитое производство новых строительных материалов на основе минерального сырья и отходов промышленности. В этом плане перспективными являются технологии, построенные на использовании эффузивных пород и в частности вулканических ишаков. Уникальность вулканических шлаков в этом плане заключается в том, что в отличие от всех других типов эффузивных пород они, благодаря своему активному химическому и фазовому составу, а также физической структуре, имеют возможность и целесообразность одновременного их использования в двух видах: в виде компонента вяжущих и пористого заполнителя. При этом не требуется специальной энергоемкой стадии подготовки так, как практически использование вулканических шлаков осуществляется в естественном состоянии. Проведение разработок в этом направлении и их реализация позволяет создавать эффективные, теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные изделия, обладающие пониженной стоимостью из-за отсутствия дорогостоящего портландцемента и хорошими механическими и теплофизическими свойствами.

Цель работы. Она заключается в разработке теоретических основ, практических рекомендаций и технологии эффективных пшакосиликатных вяжущих, бетонов на основе вулканических шлаков и силикатов натрия.

Научная новизна. Впервые разработаны теоретические положения направленного создания пшакосиликатных вяжущих на основе вулканических шлаков и твердых силикатов натрия, твердеющих в автоклавных условиях.

Установлены закономерности гидратационного твердения шлакосиликатных вяжущих, состоящих из совместно молотых вулканического шлака, силикат-глыбы, кварцитов и добавки соды, при различных соотношениях компонентов, дисперсности и режимах ТВО.

Изучен механизм, кинетика процесса гидратации и твердения шлакосиликатного вяжущего, идентифицирован фазовый состав новообразований, установлены стадийность их измерений во времени.

Разработан новый метод физико-химической модификации вулканического шлака как заполнителя в бетон, позволяющий улучшить механические свойства заполнителя и активность взаимодействия его с вяжущим раствором.

Практическая ценность. Установлены составы и технологические параметры приготовления шлакосиликатных вяжущих и бетонов на основе вулканических шлаков, твердых силикатов натрия в виде силикат-глыбы и добавок. Определены основные физико-механические свойства легких шлакосиликатных бетонов, разработаны технологические параметры модификации вулканических шлаков. С учетом свойств и долговечности бетонов установлены рекомендации рационального использования изделий на их основе, а также технологии изготовления стеновых материалов.

Реализация работы. Шлакосиликатные бетоны после проведенных заводских испытаний приняты к внедрению на производственной базе треста "Улан-Удэтрансстрой" (г.Улан-Удэ) и ГФЦ "Жилинвест" (г.Улан-Удэ) при производстве штучных стеновых материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на межрегиональной научно-практической конференции "Строительный комплекс Востока России. Проблемы, перспективы, кадры"

(г.Улан-Удэ, 1999 г.), на международной научной конференции "Долговечность бетона" (г.Москва, 1999 г.), на научной сессии БНЦ СО РАН (г.Улан-Удэ, 1998 г.), на XXVI научной конференции преподавателей, сотрудников ВСГТУ (Улан-Удэ, 1997 г.)

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 5 печатных работах.

Объем диссертации. Диссертация изложена на /33 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из ИВ наименований, содержит $3 рисунков и таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Вулканические шлаки используются в производстве строительных материалов как в качестве компонентов вяжущих [21, 26, 93], так и заполнителей в легкие бетоны [60, 61, 118, 130].

На их основе созданы бесцементные вяжущие различных типов: известково-шлаковые [116], шлакощелочные [51, 52], пшакофосфатные [57] и др. Перспективность использования вулканических шлаков обусловлена их распространенностью, а также природной химической активностью и ценными теплофизическими свойствами.

1.1. Использование вулканических шлаков в технологии легких бетонов

Вулканические шлаки относятся к естественным пористым заполнителям наряду со шлаковой пемзой, туфами. Кроме того, как известно, существует класс искусственных заполнителей: вспученный перлит, керамзит и др. Основное направление их использования - легкие бетоны, а те в свою очередь, прежде всего в производстве стеновых ограждающих конструкций и материалов. Кроме того известно использование отдельных видов легких бетонов, в несущих конструкциях [63].

По Баженову Ю.М. [5, 6] наряду с прочностью легких бетонов имеет важное значение их средняя плотность. По средней плотности различают особо легкие (уо < 500 кг/м3), легкие бетоны (уо = 500-fl800 кг/м3). Согласно сведений Горяйнова К.Э. [60, 61], прочность особо легких бетонов редко бывает более 1,5 МПа, прочность же легких бетонов вероятна в пределах 2,5-ьЗО МПа. В свою очередь, как известно [61], легкие бетоны по назначению подразделяются на конструкционно-теплоизоляционные (уо = 500ч-1400 кг/м3, R-сж = 2,5-10 МПа) и конструкционные (у0 = 14004-1800 кг/м3, ЛСж = 10-30 МПа).

Как отмечается в трудах [151, 177, 188] резервом снижения средней плотности легких бетонов является регулирование структуры межзернового пространства и поризация растворной части бетонов с помощью пено- или газодобавок.

Дементно-водное отношение, как показывают исследования [167, 170, 189] остается одним из главных факторов, влияющих на прочность и легких бетонов, однако существенную в значение истинного ц/в корректировку вносит водопоглощение пористого заполнителя. Процесс водопоглощения в бетонной смеси, наиболее интенсивно протекающий в первые 10-15 минут [5, 6] в литых смесях, приводит к уплотнению контактной зоны "заполнитель - вяжущее", а также необходимости увеличения в/ц-отношения и растворной части бетона вообще. Последнее обстоятельство в меньшей степени проявляется у жестких смесей. Данный момент требует тщательных исследований, т.к. возможно повышение эффективности легких бетонов путем решения проблемы управления процессом поглощения цементного раствора (камня) не приводит к пропорциональному увеличению прочности бетона из-за хрупкости и низкой прочности пористого заполнителя. Таким образом, следует, что есть проблема упрочнения заполнителя, хотя бы хотя бы поверхностного.

В целом изучая результаты исследований по данному направлению [52, 55, 72], можно отметить, что есть определенные достижения, например, применение гидрофобизаторов. Однако эти мероприятия приводят к удорожанию бетона.

Анализ исследований, посвященных использованию вулканических шлаков как заполнителей в легкие бетоны, показывает, что недостаточно изученным остается вопрос химического взаимодействия в контактной зоне. На наш взгляд данный вопрос требует большого внимания, ибо от этого зависит монолитность бетона в целом и его качество. Это возможно при использовании природной активности вулканического шлака во взаимодействии с вяжущим раствором, имеющим щелочную среду. Это предполагает, в свою очередь,

образование на поверхности заполнителей продуктов совместного взаимодействия с вяжущим в виде щелочных гидро амомосиликатов и других кристаллогидратов. Об этом в частности есть обрывочные сведения в трудах НИИКС [68].

Таким образом, анализ исследований по применению вулканических шлаков и других естественных пористых заполнителей указывает на эффективность данного направления, а также необходимость дальнейшего изучения отдельных проблем направленного регулирования, свойств легких бетонов.

1.2. Бесцементные вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков

Одной из разновидностей щелочно-силикатных вяжущих является кремнецемент [80, 81, 82]. В качестве теоретической основы синтеза этого вяжущего выдвинут эффект кристаллизационного твердения стеклообразного кремнезема. Действие эффекта, по данным автора, заключается в том, что в процессе изотермической выдержки при автоклавировании смеси аморфного кремнезема и' тонкодисперсного кварца в присутствии щелочного компонента, происходит, ввиду растворения аморфной составляющей, пересыщение раствора кремнеземом, который осаждается на микрочастицах кварца, как на подложке. Процесс последовательно повторяется до полного растворения и кристаллизации стеклообразного кремнезема вне занимаемого ранее собственного объема на микрочастицах кварца-затравки [80, 81]. Это ведет к образованию монолитных кристаллических сростков из микрочастиц затравочного кварца, окруженного оболочками кварцевых образований -кремнецемента. Как указывается в работе [81], значительное влияние на прочностные показатели кремнецемента и изделий на его основе оказывает процесс гидротермальной обработки. Для получения наиболее плотного и

устойчивого камня она должна составлять (1,5-2)+(18-20)+(1,5-2) 4 при давлении пара 1,3-1,6 МПа.

В результате, по данным автора, синтезируется камень, обладающий хорошими показателями прочности, морозостойкости, химической стойкости в щелочных и кислотных средах, но не достаточно устойчивый к действию воды. Как отмечает автор, коэффициент размягчения находится в пределах 0,48-0,63 и зависит от содержания щелочи в системе [81]. Действительно, щелочь, входящая в состав стекла, выполняет на стадии структурообразования положительную роль - повышает растворимость стекла, а следовательно, концентрацию кремнезема в растворе, ведущую к наиболее полному его переходу из стекла на кварцевые подложки, с последующим процессом кристаллизации и цементации. Однако в итоге процесса структурообразования щелочь остается связанной только в виде неводостойких щелочных гидросиликатов общего вида 1120-и8Ю2-тН20, ибо иных соединений, с которыми бы она образовала устойчивые новообразования, в составе кремне-цемента нет.

Таким образом, с целью получения на основе высококремнеземистого сырья водостойких изделий необходимо дополнительное введение в систему извне компонентов, способных связать щелочь в устойчивые новообразования.

В.Д.Глуховским впервые была раскрыта возможность создания гидравлических вяжущих, описывающихся системой окислов 1120-К20з-8Ю2, где: ЛгО- щелочные окислы (1л20, №20, К20, Ш)20, 8г20), К.203 - амфотерные (А12Оэ, Ре20з, Сг2Оз и т.п.), т.е. отличающиеся от предыдущей системы наличием Л20з [36, 37, 41].

Данные гидравлические щелочные алюмосиликатные вяжущие вещества -это дисперсные системы, получаемые путем тонкого помола стекол, спеков, горных, пород и др., взятых в соотношениях Б120:К203:8Ю2=1:1 :(2-=-4) [35, 36, 37]. Процессы гидратации и твердения таких вяжущих в определенной мере сходны с процессами, протекающими в портландцементе, и при химическом

выветривании горных пород, содержащих щелочные соединения, в частное полевые шпаты [36, 37]. Их сущность сводится к гидратации безводного щелочного алюмосиликата, диспергации вещества и кристаллизации на его основе водных щелочных алюмосиликатов.

Анализ полученных данных позволил автору заключить, что существенное влияние на условия твердения оказывает основность среды. Так, высокоосновные стекла твердеют в обычных условиях, а низкоосновные проявляют гидравличность только в условиях автоклавной обработки [36, 37, 39, 41, 45], при этом фазовый анализ обнаруживает в синтезируемом камне ряд цеолитоподобных минералов. В пропаренных образцах вяжущего нефелинового состава на воде, а также на гидроокиси и карбонате натрия отмечена кристаллизация цеолита с межплоскостными расстояниями ¿/п=7,07; 4,04; 3,18;

о

2,68 А, относимых к нефелин-гидрату II. В автоклавированных образцах продукты твердения представлены анальпимом. В пропаренных образцах с силикатным модулем 0,19-0,12 кристаллизуются цеолитоподобные минералы типа натролита. Продукты твердения стекол альбитового состава, гидратация которых происходила в условиях избытка щелочи, имеют кристаллизационную

о

структуру с межплоскостными расстояниями (3/п=6,16; 3,60; 2,72; 2,55; 2,08 А и относятся к натриевым цеолитам типа нефелин-гидрата.

Последующие исследования [46, 139, 140] показали, что в условиях тепловлажностной обработки мономинеральные и полиминеральные глины (каолин, бентонит, споидиловая, часовярская, артемовская) вступают в интенсивное взаимодействие с щелочами. В результате этого взаимодействия, которое сопровождается процессом химической гидратации минералов щелочными растворами, возникают гидроалюмосиликатные новообразования типа анальпима, гидронефелина, калиевого гидроалюмосиликата состава КгО-ЗАЬОз-бЗЮг^НзО. Также уточняется, что соединения типов анальцима и калиевого гидроалюмосиликата возникают при запаривании или длительном пропаривании. Результатом взаимодействия указанных глин со щелочами, при

обычной обработке (пропаривание в течение 16 ч) является возникновение соединений, подобных гидронефелину. Автором предлагается в тех случаях, когда не наблюдается образование К20-А120з-(2-4)8Ю2'2Н20, вводить извне дополнительные компоненты. В качестве таких компонентов предполагается применять глины и другие минеральные вещества, богатые глиноземом, или доменные гранулированные шлаки [139]. В этом случае достигается значительный прирост прочности за счет взаимодействия избыточной щелочи и вводимого извне алюмосиликатного компонента.

Работы [53, 154] обосновывает термодинамическим методом стадийность процессов силикатообразования в смесях на основе глин различных структурных типов с соединениями щелочных металлов при различных температурах и фазовый состав воз