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




18.06.2018


18.06.2018


18.06.2018


18.06.2018


15.06.2018


09.06.2018


09.06.2018


09.06.2018


08.06.2018


07.06.2018





Яндекс.Метрика
         » » 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.