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
         » » Мезоструктура шлакощелочного камня

Мезоструктура шлакощелочного камня

31.03.2016

При рассмотрении структуры и свойств бетона как полиструктурного материала наряду с микроструктурой выделяют уровни мезо- и макроструктур, отличающихся по характеру и механизму процессов структурообразования.
Общим свойством для всех искусственных конгломератов следует считать модифицированную поверхность раздела, под которой понимают объем материала, включающий микрообъемы контактирующих компонентов.
Состояние контактной зоны мезоструктуры определяется составом и свойствами новообразований, а также силой сцепления, возникающей на границе контакта за счет взаимного проникновения частиц различной дисперсности вяжущего и мелкого заполнителя.
В общем случае удельная поверхность крупного заполнителя в бетоне — 0,3—0,4, песчаного — 2—4, а цемента — 300—400 м2/кг. Таким образом, в бетоне на крупном заполнителе отношение между удельной поверхностью вяжущего и заполнителя составляет приблизительно 1:1000, а на песчаном заполнителе — 1:100. Удельная поверхность песков изменяется от 2 до 12, пылеватых лессовидных частиц — от 400 до 500, а глинистых — от 1 500 000 до 150 000 000 м2/кг. Следовательно, удельная поверхность большинства грунтов значительно превышает удельную поверхность вяжущего, в том числе портландцемента. Новообразования, возникающие в результате гидратации цементных минералов, в том числе и гидроксид кальция, практически не вступают в химическое взаимодействие с наиболее дисперсными глинистыми частицами грунтов.
По данным В.М. Безрука цементогрунты или грунтобетоны как на основе гумусовых, глинистых и пылеватых грунтов, так и их смесей с песками различной крупности даже при значительном расходе портландцемента (до 25 %) имеют невысокие показатели механической прочности (3,5—18 МПа), которая снижается на 30—60 % при замачивании образцов водой. Данные, полученные М.Г. Мазо и другими исследователями, также показали, что предел прочности при сжатии грунтоматериалов на основе супесей, суглинков и глин, стабилизированных смесью извести со шлаком, не превышает 10 МПа и значительно уменьшается в водонасыщенном состоянии.
Особенность шлакощелочных вяжущих, выгодно отличающих их от портландцемента, состоит в использовании дисперсных заполнителей, содержащих повышенное количество пылевидных и глинистых фракций, без ухудшения физико-механических свойств бетона. Установлено, что природные и обожженные каолин, монтмориллонитовая и другие глины взаимодействуют с едкими щелочами в естественных условиях, при гидротермальной обработке, вследствие чего возникают кристаллические щелочные гидроалюмосиликатные новообразования типа гидратной фазы нефелинового состава R2O*Al2O3*2SiO2*Н2O; натролита R2O*Al2O3*3SiО2*nН2О, анальцима R2O*Al2O3*4SiO2*nН2O и мусковита R2O*3А12O3*OSiO2*nН2O, которые связывают заполнитель в монолитный камень. Эти же новообразования формируются и при взаимодействии каолина с орто- и метасиликатами натрия и калия.
В естественных условиях твердения взаимодействие рассматриваемых композиций не отличается высокой активностью и протекает относительно медленно. В условиях же пропаривания и автоклавирования оно вписывается во временные границы гидротермальной обработки традиционных бетонов и может существенно влиять на синтез прочности искусственного камня. Предварительный обжиг глинистых минералов при температуре 873 К и более интенсифицирует этот процесс в естественных условиях твердения, что обусловлено аморфизацией глинистого вещества, которое, подобно сочетанию аморфного кремнезема и гидроксида алюминия, активно реагирует со щелочами, синтезируя водостойкое вещество состава R2O*Al2O3*4SiO2*nН2O.
Камневидное вещество, формирующееся в твердеющей системе щелочь — глинистый минерал, сохраняет свою водостойкость и при уменьшении отношения между R2O и Al2O3 от 1 до 0,7 несмотря на то, что прочность его несколько падает. При уменьшении же этого отношения до 0,5 из-за наличия в синтезируемом камне свободной глины его водостойкость снижается.
Зафиксированные показатели прочности и водостойкости глинощелочного теста дают общие представления о степени влияния минералов глин на синтез строительно-технологических свойств шлакощелочных бетонов. Они позволяют утверждать, что это влияние будет положительным, если молярное отношение между содержащимися в материале едкой щелочью (в пересчете на R2O) и оксидом алюминия глинистых минералов близко к единице, и отрицательным, если это отношение меньше 0,5.
Шлакощелочные цементы допускают присутствие глинистых веществ как в составе вяжущего, так и в составе заполнителей, в количествах оказывающих положительное влияние на их свойства. При этом продукты взаимодействия глинистых частиц с едкими щелочами представляют собой дополнительный фонд вяжущего. Они, наряду с продуктами гидратации шлакощелочного вяжущего, частично цементируют песчаные и полностью пылеватые частицы заполнителя, поверхность которых покрывают, повышая марку шлакощелочного бетона (рис. 2.27) и уплотняя его структуру. Едкая щелочь (кроме взаимодействия с глинистыми частицами) химически активизирует поверхность песчаных и пылеватых частиц, что позволяет использовать более мелкодисперсные заполнители, чем в бетонах на портландцементных вяжущих. Таким образом, шлакощелочной бетон на дисперсных заполнителях — это искусственный камень, каркас которого состоит из частиц песчаных фракций, подобно щебню в обычном бетоне, а мелким заполнителем служат пылеватые и наиболее мелкодисперсные песчаные частицы.
Мезоструктура шлакощелочного камня

Содержащиеся в вяжущем шлаковое стекло и минералы глины начинают взаимодействовать с едкими щелочами одновременно. Однако стекловидные силикаты интенсивней гидратируются щелочами, вследствие чего из продуктов их гидратации в щелочной среде формируются щелочные гелевидные и кристаллические новообразования. Глинистые же частицы менее интенсивно взаимодействуют со щелочами, процесс их гидратации более продолжителен. Это приводит к тому, что оставшаяся в свободном состоянии избыточная щелочь входит в состав новообразований, возникающих на основе глинистых минералов, и реагирует по поверхности с алевритовыми и песчаными частицами заполнителя.
Результаты исследования контактных зон между шлакощелочными вяжущими и глинистыми заполнителями приведены в работе. Установлено, что контактная зона, рассматриваемая как тесное переплетение веществ, входящих в состав растворной части и заполнителя, характеризуется включением новых фаз; линия контакта отличается отсутствием трещин и крупных пор, имеет ширину около 160 мкм. Прочность сцепления в контактных зонах бетона после тепловлажностной обработки достигает 3,8 МПа и со временем увеличивается. При этом состояние контактной зоны изменяется, что объясняется физико-химическими процессами, наблюдающимися при твердении искусственного камня. Статический корреляционный анализ концентрационных кривых распределения основных химических элементов подтверждает, что в контактной зоне вяжущего с глинистым заполнителем происходит химическое взаимодействие элементов, входящих в состав различных компонентов бетона. В результате возникают новообразования щелочно-щелочноземельного алюмосиликатного состава. Способность шлакощелочных цементов взаимодействовать с глинистыми минералами определила возможность применения в качестве дисперсных заполнителей широкой гаммы некондиционных сырьевых материалов: песчаных, супесчаных и суглинистых грунтов, опила ракушечника, топливных, отвальных и доменных шлаков, интрузивных и эффузивных горных пород, пироактивизированных и частично остеклованных алюмосиликатных веществ.
Основными структурообразующими элементами зоны контакта при формировании мезоструктуры выступают низкоосновные гидросиликаты кальция, кальцит, щелочные и щелочно-щелочноземельные гидроалюмосиликатные соединения.
Рассмотрим особенности формирования контактной зоны при использовании в качестве заполнителей мелкозернистых минеральных веществ, относящихся к следующим группам материалов: кристаллические силикаты (песчаник, цветной кварцевый песок http://www.kvarc-pesok.ru/tsvetnoy-kvartsevyy-pesok/); пироактивизированные и частично остеклованные алюмосиликаты (горелые породы шахтных терриконов, основные разновидности которых — глинистые сланцы и аргиллиты, железистые алевролиты и аргиллиты, керамзит, аглопорит и отвальный шлак); стекловидные алюмосиликаты (доменные гранулированные шлаки). Химический состав заполнителей из перечисленных минеральных материалов приведен в табл. 2.9. В исследованиях применялся шлакощелочной цемент на содощелочном плаве активностью 48 МПа.
Мезоструктура шлакощелочного камня

При изучении изменения фаз новообразований в зоне контакта заполнителя и цементного камня с учетом фактора времени образцы подвергали 1, 50 и 100 циклам пропаривания по режиму: 2 ч — подъем температуры до (368 ± 5) К, 10 ч — изотермическое выдерживание, 12 ч — медленное охлаждение, а также 100 циклам увлажнения в воде в течение 16 ч и высушивания при температуре (378 ± 5) К в течение 8 ч. В качестве заполнителей использованы глинистые сланцы и алгиллиты, а также железистые алевролиты и аргиллиты из горелых пород шахтных терриконов.
По данным В.Н. Старчука структура зоны контакта шлакощелочной цементный камень — заполнитель из глинистых сланцев и аргиллитов достаточно плотная. Рентгенофазовый анализ (рис. 28, а) вещества зоны контакта показал наличие низкоосновных гидросиликатов кальция тоберморитовой группы и кальцита.
После попеременного увлажнения и высушивания в контактной зоне развиваются процессы гидратации и кристаллизации, что выражается в увеличении линий, относящихся к гидросиликатам кальция и кальциту, и уменьшении линий, характеризующих тридимит и α-кварц — минералов исходного вещества заполнителя. Появляются линии, подтверждающие образование фаз более сложного состава — гидрогранатов и жисмондина.
Мезоструктура шлакощелочного камня

В результате 50 и 100 циклов пропаривания образуется весьма плотная структура зоны контакта. Однако и в этом случае основные кристаллические новообразования — низкоосновные гидросиликаты тоберморитовой группы, гидрогранаты и кальцит. Полностью исчезают линии, относящиеся к α-кварцу и тридимиту. Наряду с этим появляются линии, относящиеся, по-видимому, к аналогу анальцима, а также линии, характеризующие соответственно жисмондин и кальциево-натриевый фожазит и свидетельствующие о повышении степени закристаллизованности зоны контакта. Эти данные подтверждаются результатами термографических исследований. На термограммах (см. рис. 2.28, б) наблюдается увеличение эндотермических эффектов, доказывающее присутствие в новообразованиях веществ цеолитного типа. Наибольшие эффекты отмечены на термограммах образцов, подвергнутых 100 циклам пропаривания.
Типы химической связи в изучаемой системе определены по данным ИК-спектрометрического анализа вещества контактной зоны после 100 циклов увлажнения — высушивания и пропаривания (см. рис. 2.28, в). В спектре сильным поглощением выделяется широкая полоса в области 880—1200 см-1, которую можно отнести к валентным колебаниям связей типа Si—O—Si и Si—О—Al. Значительно менее разрешенные полосы с максимумом 870 см-1 подтверждают существование связей Si—О—Na. О наличии групп СО3-2 можно судить по линиям поглощения незначительной интенсивности в области 1460 см-1. Деформационные колебания связи Si—О отмечены полосами с максимумом 460 см-1.
Таким образом, в начальный период гидратации и структурообразования влияние заполнителя из глинистых сланцев и аргиллитов на состав образующихся фаз контакта незначительное. Попеременное увлажнение — высушивание, моделирующее атмосферное воздействие, интенсифицирует процессы гидратации и структурообразования. Заполнитель на первом этапе твердения не влияет на прочность бетона, а в более поздний период способствует образованию весьма плотной, прочной и однородной структуры контактной зоны из соединений сложного щелочного и щелочно-щелочноземельного гидроалюмосиликатного состава.
Структура контактной зоны «камень цемента — железистые алевролиты и аргиллиты» плотная, с уменьшающейся от заполнителя к камню вяжущего микро- и субмикрокристаллической зернистостью в виде зародышей и сферолитов. Фазовый состав продуктов гидратации в этом случае подобен фазовому составу контактной зоны на глинистых сланцах и аргиллитах (рис. 2.29). Однако кроме анальцима и жисмондина, очевидно, в продуктах твердения присутствуют парагонит и железистые гидросиликаты. При использовании метасиликата натрия в условиях попеременного увлажнения — высушивания появляется фаза кальциево-натриевых цеолитов, а в условиях длительного пропаривания — фаза морденита.
Мезоструктура шлакощелочного камня

Эндотермические эффекты на термограммах с максимумами при температуре 373—393 К свидетельствуют о присутствии в веществе контактной зоны значительного количества слабосвязанной воды. Увеличение числа циклов увлажнения — высушивания или пропаривания обусловливает появление значительного экзотермического эффекта в интервале температур от 1083 до 1133 К, что свидетельствует о более интенсивном росте кристаллической фазы в веществе зоны контакта камня цемента с железистыми алевролитами и аргиллитами, чем при применении глинистых сланцев и аргиллитов.
Данные ИК-спектрометрии подтверждают наличие связей типа Si—О—Si, Si—О—AlIV и Si—О—FeIV (полоса поглощения в области 920—1200 см-1), а также связей, отмеченных при анализе контактной зоны на глинистых сланцах и аргиллитах.
При применении заполнителей, содержащих кварц различных модификаций и полевые шпаты, гидратация и структурообразование в контакте заполнитель — шлакощелочной цемент происходят по следующей схеме. В начальный период под воздействием щелочного компонента разрушается стекловидная фаза шлака, а затем поверхность зерна заполнителя. В приповерхностном слое кварца создаются ультра-микрогетерогенные локальные комплексы, как в гидратирующейся системе «портландцемент—кварц».
На кристаллах кварца структурообразование вещества происходит ориентированно, что следует из структурно-геометрического соответствия между ними. Таким образом, песчаник и кварцевый песок в контакте со шлакощелочным цементом способны образовывать твердые растворы гидросиликатов.
Преобладающее содержание кристаллической фазы в заполнителях из известняка и железистых алевролитов и аргиллитов также обусловливает интенсивный рост прочности бетона при изотермическом воздействии.
Несколько иначе протекают процессы гидратации и твердения бетона на заполнителях из глинистых сланцев и аргиллитов. К особенностям заполнителей этого вида относят: способность к адсорбционному поглощению катионов, активное состояние оксидов Al2O3, способных гидратироваться под воздействием щелочного компонента в условиях тепловлажностной обработки, характер структуры кристаллической решетки глинистого вещества.
Процессы гидратации и твердения на контакте «гранулированный шлак — шлакощелочной цементный камень» можно сравнить с аналогичными для шлакощелочного цемента. Исходная твердая фаза ускоряет возникновение только гелевидных агрегатов, однако, из-за их нестабильности, последние существенно не влияют на ускорение кристаллизации вещества контактной зоны.
Контактная зона шлакощелочного цементного камня и таких заполнителей, как аглопорит, керамзит, отвальный и гранулированный шлаки формируется интенсивнее, чем для заполнителей кристаллического строения, но кристаллизуется медленнее.
В зоне контакта цементного камня с заполнителем при воздействии временного фактора состав и структура фаз новообразований будут изменяться в направлении упорядочения их структуры.
Поверхность кристаллического заполнителя играет роль готовой подложки, на которой зародыши образуются с большей скоростью, чем на поверхности аморфизованных заполнителей.
При формировании структуры зоны контакта «шлакощелочной цемент — заполнитель», по аналогии с твердением шлакощелочных цементов наблюдаются растворение и гидратация алюмосиликатного вещества без растворения. Образующаяся в результате этих процессов оболочка, окаймляющая зерна заполнителя, состоит в основном из низкоосновных гидросиликатов кальция, а также щелочных и смешанных щелочно-щелочноземельных гидроалюмосиликатов (табл. 2.10), определяющих стойкость и прочность как шлакощелочного цементного камня, так и бетона в целом.
Мезоструктура шлакощелочного камня

Изучение микротвердости с помощью микротвердомера ПМТ-3 позволило выявить границы взаимного влияния соприкасающихся фаз, определить характер изменения механических показателей микрослоев камня вяжущего и исследуемых дисперсных заполнителей (рис. 2.30).
Степень взаимного влияния в системе «заполнитель — вяжущее» уменьшается в ряду: кварцевый песок > гранулированный шлак > аглопорит > железистые алевриты и аргиллиты > отвальный шлак > керамзит > глинистые сланцы и аргиллиты > песчаник.
Наибольшая ширина контактной зоны (100—150 мкм) наблюдается в случае применения кварцевого песка, средняя (60—80 мкм) — гранулированного шлака и аглопорита и наименьшая (20—30 мкм) — при использовании песчаника.
Таким образом, высокая реакционная способность шлакощелочиого вяжущего предопределяет возможность использования в качестве дисперсных заполнителей широкого ряда некондиционных силикатных материалов и, благодаря участию последних в физико-химических процессах твердения, позволяет регулировать строительно-технологические и эксплуатационные свойства получаемого искусственного конгломерата, что достигается за счет снижения расхода вяжущего, управления кинетикой и степенью гидратации, направленного синтеза новых гидратных фаз и структур, снижения объемных деформаций, а также повышения трещиностойкости и долговечности в условиях действия агрессивных сред.
Мезоструктура шлакощелочного камня