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




17.01.2018


17.01.2018


17.01.2018


16.01.2018


16.01.2018


12.01.2018


12.01.2018


12.01.2018


12.01.2018


11.01.2018





Яндекс.Метрика
         » » 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