Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




20.05.2019


20.05.2019


19.05.2019


19.05.2019


18.05.2019


18.05.2019


18.05.2019


17.05.2019


16.05.2019


14.05.2019





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » Щелочные вяжущие системы - основа получения долговечных материалов

Щелочные вяжущие системы - основа получения долговечных материалов

31.03.2016

Идея создания щелочных вяжущих гидратационного твердения базируется на основных представлениях о закономерностях проявления вяжущих свойств минеральными веществами щелочно-щелочноземельного состава и анализа процессов минерало- и породообразования, происходящих в земной коре и на ее поверхности с участием соединений щелочных металлов.
Открытие В. Д. Глуховским в 1957 г. гидравлических вяжущих свойств у соединений щелочных металлов явилось теоретической основой для создания принципиально новых вяжущих систем щелочно- и щелочноземельного состава, продукты гидратации которых представлены водостойкими щелочными гидроалюмосиликатами по химическому составу и структуре аналогичными природным минералам типа цеолита. Состав продуктов новообразований в щелочных системах определяется составом реагирующих компонентов, видом и физическим состоянием силикатной составляющей, ее основностью, природой щелочного компонента и условиями твердения. В соответствии с этим фазовый состав новообразований щелочных вяжущих изучали в зависимости от состава и физического состояния силикатной составляющей, которая в щелочных вяжущих может быть представлена щелочными кристаллическими и стекловидными веществами природного и искусственного происхождения, водными кристаллическими алюмосиликатами типа глин, стекловидными щелочно-щелочноземельными алюмосиликатами — шлаками с Mc = 0,8÷1,2.
Наибольшее распространение среди щелочных вяжущих получили шлакощелочные материалы, принципиально отличающиеся от композиций, описанных Г. Кюлем, Г.Н. Сиверцевым, А.О. Пурдоном, применением высококонцентрированных растворов соединений щелочных металлов и появлением в связи с этим в продуктах твердения щелочных гидроалюмосиликатов, а также полным отсутствием в их составе извести. Шлакощелочные вяжущие материалы представляют собой гидравлические вяжущие вещества, получаемые тонким измельчением гранулированного шлака совместно с малогигроскопичным щелочным компонентом или затворением молотого шлака растворами соединений щелочных металлов. В качестве алюмосиликатных компонентов щелочных вяжущих применяют гранулированные основные, нейтральные и кислые доменные, электротермофосфорные, цветные и глиноземсодержащие шлаки. Наиболее пригодны для производства шлакощелочных вяжущих доменные шлаки, однако их химический состав может изменяться в широких пределах.
Вяжущие свойства шлаковых дисперсий и состав их гидратных новообразований (табл. 2.1) определяются комплексом физико-химических и структурных особенностей, общих как для стекловидных, так и для кристаллических фаз.
Щелочные вяжущие системы - основа получения долговечных материалов

Структура и фазовый состав затвердевших шлаков зависят не только от их химического состава, в частности от их основности, но и от условий охлаждения.
В закристаллизованных доменных шлаках, содержащих 4—6 % оксида магния и до 5—10 % Al2O3, образуются обычно β-C2S, γ-C2S, ранкинит и мелилит с преобладанием геленитовой составляющей.
Главными фазами в шлаках, содержащих 6—8 % MgO и 15—20 % Al2O3 (шлаки уральских металлургических заводов), являются преимущественно мелилит, ларнит и анортит. Также отмечено присутствие псевдоволластонита (α-CS), мервинита, монтичеллита, сульфидов кальция и марганца. В основных шлаках преобладают более основные соединения (ларнит, геленит), а в кислых — менее основные (например, псевдоволластонит, анортит). В шлаках, богатых оксидом магния, присутствуют форстерит и магнезиальная шпинель. В глиноземистых шлаках специальных сортов чугуна содержатся алюминаты C12A7, CA и CA2.
Гидравлическую активность шлаков можно оценить по содержанию и соотношению в их составе минералов, способность к гидратации которых при тепловой обработке убывает в ряду: C3S > алюмоферриты кальция > β-C2S > основное шлаковое стекло > кислое шлаковое стекло > мелилит > γ-C2S > мервинит > монтичеллит > низкоосновные алюмосиликаты и силикаты кальция (анортит > ранкинит > псевдоволластонит > фаялит > пироксены), а также по соотношению кристаллических и стекловидных фаз. В то же время вяжущая способность шлаковых дисперсий в значительной степени определяется не только структурой и химико-минералогическим составом дисперсной фазы, но природой и видом щелочного компонента. Для установления механизма взаимодействия и состава продуктов гидратации шлаков в присутствии соединений щелочных металлов целесообразно акцентировать внимание на фазовом составе гидратных новообразований мономинеральных вяжущих систем на основе химически чистых минералов и их стеклоподобных аналогов.
Алюминаты кальция C12A7, CA и CA2 гидратируются в присутствии соединений щелочных металлов (NaOH, Na2CO3, Na2SiO3) довольно активно, введение NaOH способствует интенсивной перекристаллизации гексагональных гидроалюминатов кальция в C3AHe; относительно прочные и водостойкие структуры формируются только на основе CA и CA2 за счет частичного связывания ионов гелевидной фазой состава гиббсита.
При затворении алюминатов кальция раствором Na2CO3 стабильные структуры формируются на основе гидратированных минералов C12A7 и CA за счет образования в составе гидратных фаз C3AH6 и C3A*CaCO3*11H2O соответственно.
Оптимальные условия для синтеза прочности искусственного камня на основе алюминатов кальция достигаются в присутствии Na2SiO3. Водостойкость композиций такого типа обеспечивается связыванием щелочи в нерастворимые соединения, количество которых возрастает с понижением основности гидратируемого минерала. Наиболее прочный камень синтезируется при наличии в составе продуктов твердения гелевидной фазы, армированной соединениями кубической сингонии C3AH6 и гидроалюмосиликатами натрия (анальцимом и гмелинитом).
Силикаты кальция β-C2S, γ-C2S, C3S2, CS и стеклоподобные аналоги C3S2 и CS гидратируются по-разному в присутствии соединений щелочных металлов. Фазовый состав продуктов гидратации двухкальциевых силикатов в присутствии NaOH и Na2SiO3 представлен соединениями криптокристаллической структуры CSH (II), C2SH(A), CSH (I) с включениями ионов Na+, а также смешанными гидросиликатами типа NaCa2*(HSi3O8), NaCaSi3O8OH; а в присутствии Na2CO3 преобладают фазы кальцита, C2SH(A), возможно образование Na2Ca (CO3)2*2Н2O. Кристаллические минералы C3S2 и CS даже в присутствии соединений щелочных металлов подвергаются гидратации в незначительной степени.
Из стеклоподобных аналогов кальцийсиликатного состава наибольшей активностью отличаются стекла состава ранкинита C3S2, фазовый состав продуктов гидратации которых в присутствии NaOH и Na2SiO3 представлен афвиллитом, CSH(I), пломбиеритом, натрий-кальциевыми соединениями NaCa2Si3O8 ОН и Na2Ca8Si5O26H14 криптокристаллической структуры.
При затворении стеклоподобного аналога C3S2 раствором соды состав продуктов гидратации дополнительно к соединениям, образующимся при твердении в присутствии NaOH, включает Na2Ca (CO3)2*(2—5) H2O.
При гидратации стеклоподобного аналога CS в присутствии NaOH и Na2SiO3 фазовый состав продуктов гидратации представлен соединениями криптокристаллической структуры: тоберморитом, CSH (I), гиролитом и пектолитом, а при гидратации в присутствии Na2CO3 — в составе новообразований дополнительно к указанным фазам отмечен Na2Ca (CO3)2*2Н2O.
Наибольшей гидравлической активностью характеризуются композиции на основе стеклоподобного аналога ранкинита C3S2 и минерала β-C2S, гидратированных в присутствии Na2SiO3, что обусловлено образованием в составе продуктов гидратации кристаллохимически подобных соединений: тоберморитоподобных гидросиликатов кальция и афвиллита.
Стеклоподобные аналоги алюмосиликатного состава C2AS, C3AS3, C4,5AS2,5, гидратируемые водой в незначительной степени, более активны в присутствии соединений щелочных металлов; причем в наибольшей степени гидролитической деструкции подвергаются стекла состава C2AS—C4,5AS2,5, фазовый состав продуктов гидратации которых при затворении растворами NaOH и Na2SiO3 представлен гидрогранатами, CSH (I), гидроалюмосиликатами типа гмелинита, гидрат-нефелина и жисмондина, а в присутствии Na2CO3 дополнительно к указанным соединениям также отмечено образование пирсонита.
При твердении анортитового стекла CAS2 в присутствии растворов NaOH и Na2SiO3 процесс гидратообразования протекает в направлении синтеза гиролита и CSH (I). Отмечено формирование микрокристаллических фаз состава CaO*Na2O*Al2O3*3SiO2*2Н2O; при использовании в качестве затворителя Na2CO3 продукты гидратации дополнительно к указанным соединениям включают гейлюссит. Из анализа фазовых составов продуктов гидратации алюмосиликатных стекол следует, что наиболее благоприятные условия для синтеза искусственного камня со стабильными физико-механическими свойствами создаются при гидратации геленитового стекла в присутствии Na2SiO3 за счет образования гелевидной фазы, армированной кристаллохимически подобными гидросиликатами кальция и натрия (гидрогеленитом, жисмондином, анальцимом).
При гидратации стеклоподобных аналогов мелилита в присутствии соединений щелочных металлов (NaOH, Na2CO3, Na2SiO3) состав гидратных новообразований предопределяется химико-минералогическими особенностями гидратируемых стекол, в частности, наряду с низкоосновными гидросиликатами кальция при гидратации стеклоподобного аналога C2A0,75M0,25S1,25 наблюдается образование чешуйчатых пластинок талька; C2A0,25M0,75S1,75 — призматических кристаллов антофиллита.
Сопоставление гидратных новообразований с учетом морфологии выделяющихся кристаллических фаз (гидросиликатов магния) позволяет считать, что оптимальными физико-механическими свойствами отличается камень, полученный на основе стеклоподобного аналога C2A0,5M0,5S1,5 за счет присутствия в продуктах твердения гелевидной фазы, армированной волокнистыми гидросиликатами кальция и магния.
Экспериментальное определение новообразований в системе CaO — MgO — Al2O3 — SiO2, моделирующей по составу шлаки различной основности, и изучение стадийности фазовых переходов в условиях длительного твердения показывают, что при кратковременной тепловлажностной обработке стеклоподобных веществ в присутствии соединений щелочных металлов продукты гидратации представлены рентгеноаморфным веществом и незначительным количеством кристаллической фазы, состоящей из низкоосновных гидросиликатов кальция. При длительном твердении вяжущих на основе высококальциевых стекол (аналог основного шлака) наряду с гидросиликатами кальция наблюдается кристаллизация гидроалюмосиликата состава жисмондина, фожазита, томсонита, в композициях с меньшим содержанием CaO, но большим Al2O3 (аналог нейтральных и кислых шлаков) — образование щелочных гидроалюмосиликатов типа анальцима, парагонита.
Исследование фазовых составов продуктов гидратации модельных систем открывает широкие возможности получения низкоосновных вяжущих систем с заданными свойствами за счет направленного синтеза алюмосиликатного компонента определенного состава, позволяет объяснить механизм гидратации шлаков различной основности, а также установить общие закономерности управления фазовым составом продуктов гидратации твердеющих шлаковых дисперсий с целью синтеза долговечных материалов с регулируемыми физико-механическими и специальными свойствами.
Как отмечалось, отличительная особенность щелочных цементов — отсутствие в составе продуктов их гидратации высокоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Последние метастабильны и со временем перекристаллизовываются в стабильные соединения более низкой основности, что способствует развитию деструктивных процессов, к тому же, высокоосновные гидратные минералы в большей степени, чем низкоосновные, подвергаются коррозионному воздействию вследствие их более высокой растворимости (см. табл. 2.1), а их вяжущая способность в 2,5—3 раза ниже, чем низкоосновных тоберморитовых фаз.
Следовательно, повышение долговечности искусственного камня связано, в первую очередь, с понижением основности составляющих его новообразований, что достигается снижением основности исходных фаз и повышением pH дисперсионной среды за счет введения в ее состав соединений щелочных металлов, дающих в водной среде щелочную реакцию.
Специфичность состава новообразований щелочных вяжущих систем обеспечивает повышенную плотность затвердевшего теста и более оптимальную структуру искусственного камня, обусловливающих, как известно, стабильность и долговечность материалов во времени не только в обычных условиях эксплуатации, но и при воздействии агрессивных сред.