Жидкостекольные композиции строительного назначения с кальцийсодержащими модификаторами

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Жидкостекольные композиции строительного назначения с кальцийсодержащими модификаторами

Кочергина М.П.

Страхов А.В.

Тимохин Д.К.

Иващенко Ю.Г.

Горнаева М.Д.

Аннотация

Перспективы применения жидкостекольных связующих для получения строительных материалов широкой номенклатуры с заданными свойствами обусловлены наличием комплекса вяжущих свойств, адгезионных и когезионных составляющих; высокой химической активностью; способностью вспучиваться при воздействии повышенных температур; технологичностью и доступностью исходного сырья для их производства; комплексом свойств в изделиях - стойкостью к воздействию высоких температур, агрессивных сред (разбавленных и концентрированных кислот).

Всестороннего исследования не получили и требуют своего развития вопросы модификации таких вяжущих систем соединениями, содержащими поливалентные металлы (цинк, кальций, алюминий и др.), в результате взаимодействия с которыми образуются различные формы труднорастворимых силикатов.

Кроме этого, большое значение для практического использования модифицированных жидкостекольных композиций имеет их способность сохранять определенное время технологическую вязкость в заданных пределах, т.е. жизнеспособность композиций. В данной работе авторами исследована жизнеспособность жидкостекольных композиций с кальцийсодержащими модификаторами: чистым химическим соединением - кальциевой солью уксусной кислоты; минеральным продуктом - отходом содового производства. Отход содового производства, представляет собой минеральный продукт, состоящий в основном из карбоната и сульфата кальция. Это предопределяет его использование в качестве модифицирующего компонента, способствующего повышению водостойкости жидкостекольных строительных композиций. Авторами показаны возможности использования прибора Вика, оборудованного как иглой, так и конусом, при оценке кинетики твердения жидкостекольных композиций.

Экспериментально подтверждена эффективность модификации жидкостекольных связующих, предлагаемыми кальцийсодержащими добавками. Установлена возможность применения минерального продукта - отхода содового производства в качестве сырья для получения строительных материалов на основе жидкостекольных композиций.

Ключевые слова: строительные жидкостекольные композиции; жидкое натриевое стекло; кальцийсодержащий модификатор; отход содового производства; ацетат кальция водостойкость; жизнеспособность смеси; кинетика твердения; прибор Вика

Введение

Формирование среды жизнедеятельности рассматриваются сегодня многопланово и регламентируются законами РФ и другими нормативными документами. Существенными факторами определены не только функциональность жилых, общественных зданий, но и такие значимые компоненты, как их архитектурная выразительность, надёжность энергоэффективность, пожарная и экологическая безопасность и комфорт проживания.

Качественный скачок в развитии строительства достигнут за короткий срок внедрения прогрессивных строительных материалов и конструкций, рациональных проектных решений, организационно-технических методов производства. Среди инновационных материалов и изделий в массовом строительном производстве осуществлено внедрение тепло- и шумозащитных окон с применением стеклопакетов, теплоизоляционных материалов, сухих строительных смесей и др. Стратегической программой развития производства строительных материалов определены задачи по совершенствованию составов, изделий и конструкций, созданию новых технологических линий, привлечению минеральных ресурсов регионов. Эти задачи базируются, прежде всего, на социально-экономических и научно-технических посылах.

Специфика минерально-сырьевой базы Поволжского региона предопределяет развития научно-технических работ по комплексному использованию кремнистых пород в производстве строительных материалов. В производстве теплоизоляционных материалов и цементов диатомиты, опоки нашли практическое применение в промышленном масштабе. Исходя из положения распространённости сырьевых ресурсов, щелочные силикатные композиции (силикат-натриевые композиции) должны найти развитие в использовании при производстве негорючих теплозвукоизоляционных материалов, лакокрасочных отделочных составов, буровых растворов и др.

Материалы на основе вспученного жидкого стекла получили название силипоров и стеклопоров, отличающихся малой энергоёмкостью технологии, высокими теплоизоляционными свойствами. Управление процессами структурообразования и формирования свойств таких материалов достигается оптимизацией составов с учётом модульности жидкого стекла, поверхностных свойств минеральных и органических дисперсно-волокнистых наполнителей, физико-химических характеристик модифицирующих добавок, а также технологических параметров в процессах гомогенизации смесей, термообработки и др.

Анализ результатов научно-исследовательских работ, выполненных под руководством Горлова Ю.П., Хрулева В.М., Хозина В.Г., Королева Е.В., Брыкова А.Н., Саркисова П.Д., Кудякова А.И., Сычева М.М и др., а также комплекс исследований, проведённых в СГТУ имени Гагарина Ю.А., позволяет сделать следующие выводы: производство растворимого натриевого стекла как разновидности вяжущих материалов полимеризационного характера твердения перспективно в развитии строительного комплекса; одностадийный способ получения жидкого стекла энергоэффективен; модифицированием вяжущей матрицы достигается повышение физико-технических показателей, в том числе и водостойкости; термообработка силикат-натриевых композиций СВЧ нагревом является энергоэффективным способом получения теплоизоляционных материалов; структурированная вода влияет на процессы формирования поризованной структуры материала; формирование пористой структуры возможно управлением режимами СВЧ-обработки; материалы и изделия на основе силикатных композитов могут быть конкурентоспособными и востребованными на строительном рынке [1-3].

Известна проблема повышения водостойкости строительных материалов на основе жидкостекольных систем, которой посвящены работы многих научных коллективов [4-6]. Однако, всестороннего исследования не получили и требуют своего развития вопросы модификации таких вяжущих систем соединениями, содержащими поливалентные металлы (цинк, кальций, алюминий и др.), в результате взаимодействия с которыми образуются различные формы труднорастворимых силикатов.

По известным данным механизм повышения водостойкости жидкосткольных систем, взаимодействующих с кальцийсодержащими соединениями, основан на способности атомов кальция замещать атомы натрия с образованием различных форм труднорастворимых силикатов кальция [7; 8].

К примеру, химическое взаимодействие между солями кальция и водными растворами силиката натрия может осуществляться по следующей схеме [9], где происходит связывание щелочных катионов в соединения, определяющихся природой исходных веществ, с одновременным выделением геля кремневой кислоты и образование труднорастворимых силикатов соответствующих металлов:

СаСІ2 + Na2O-nSiO2 + XH2O = 2NaCl + CaSiO3 * XH2O +

+ (n - 1)SiO2 Ca(HCO3)2 + Na2O-nSiO2 + XH2O = 2NaHCO3 + CaSiO3-

- xH2O + (n - 1)SiO2.

Образование труднорастворимых соединений при модифицировании вяжущей силикат-натриевой системы возможно и обеспечивается в первую очередь начальными этапами структурообразования на стадии совмещения связующего и модификатора. Модификатор с точки зрения его эффективности применения должен обеспечить сохранение целостности вяжущей системы. Например, при совмещении дисперсного оксида кальция и жидкого стекла образование низкоосновных гидросиликатов кальция возможно, с коэффициентом нестехиометрического взаимодействия Кнестех. = 0,79, при котором скорость протекания обменной реакции в модифицированной системе будет более замедленной [10].

Кроме этого, большое значение для практического использования модифицированных жидкостекольных композиций имеет их способность сохранять определенное время технологическую вязкость в заданных пределах, т. е. жизнеспособность композиций. В случае использования солей поливалентных металлов как модификаторов вяжущей силикатнатриевой системы индукционный период твердения композиций зависит от растворимости и скорости гидролиза введенной в сырьевую смесь соли.

Результаты и их обсуждение

Учитывая вышесказанное, в данной работе поставлена задача исследовать жизнеспособность силикатнатриевых композиций со следующими кальцийсодержащими модификаторами:

• с чистым химическим соединением - кальциевой солью уксусной кислоты;

• с минеральным продуктом - отходом содового производства, состоящего в основном из карбоната и сульфата кальция.

Невозможно не отметить актуальность вопроса утилизации содового отхода, скапливающегося достаточно в большом количестве, а его способ хранения требует больших площадей и высоких затрат. Также существует риск попадания загрязнений в подземные воды, в результате чего вредные вещества могут попасть в источники питьевого водоснабжения. В последние годы многие научные коллективы ведут активную научно-исследовательскую работу, связанную с вовлечением данного продукта в качестве сырьевого компонента в составы строительных композиций. Выделяют следующие перспективные направления использования содового отхода в производстве известьсодержащего вяжущего, силикатного кирпича, портландцементного клинкера, древесно-цементных материалов и др. [11-13].

Объектом исследования являлись композиции, представленные в таблице 1. При изготовлении образцов использовалось товарное жидкое натриевое стекло, отвердитель - кремнефтористый натрий, наполнитель - тонкомолотый кварцевый песок. Содовый отход представляет собой достаточно крупные и влажные куски (рис. 1), которые необходимо было высушить, подробить и помолоть до состояния тонкодисперсного порошка. Кальциевая соль уксусной кислоты вводилась в композицию в виде водного раствора. Содержание модифицирующих добавок в исследуемых композициях определялось показателем водостойкости образцов. В процессе исследования установлено, что при введении тонкодисперсной добавки - отхода содового производства в количестве более 10% по массе связующего прирост водостойкости образцов составляет порядка 20-30%; при введении водного раствора кальциевой соли уксусной кислоты в количестве 4-5% по массе связующего прирост водостойкости образцов составляет порядка 20-25%.

Традиционно жизнеспособность жидкостекольных композиций без содержания наполнителя оценивается по изменению вязкости с помощью вискозиметра. В исследуемых композициях минеральный продукт - отход содового производства вводится в систему в виде тонкодисперсного порошка частично заменяя и выполняя роль наполнителя. Известен способ определения жизнеспособности жидкостекольных композиций с тонкодисперсными наполнителями с помощью эталонного конуса в соответствии с требованиями ГОСТ 5802-86. Однако, такой способ является достаточно материало- и трудоемким. В связи с чем, весьма актуален поиск методов исследования для оценки жизнеспособности наполненных жидкостекольных композиций. В соответствии с работой [14] контролировать характер твердения системы жидкое стекло - реагент можно с помощью прибора Вика.

Рисунок 1. Минеральный продукт - отход содового производства (составлено автором)

Таблица 1

Составы исследуемых жидкостекольных композиций

Составлено автором

В процессе исследования применялось 2 метода с использованием прибора Вика (рис. 2).

Рисунок 2. Методы исследования жизнеспособности жидкостекольных композиций с помощью прибора Вика (составлено автором)

водостойкий жидкостекольный строительный кальцийсодержащий

При использовании прибора Вика, оборудованного иглой можно оценить начало и конец схватывания, величину индукционного периода твердения, длительность которого соответствует времени, в течение которого игла погружается на всю глубину, наличие объемного твердения (при часто встречающемся поверхностном твердении игла обычно продавливает образующуюся корочку); скорость твердения композиции и скорость нарастания прочности после начала твердения (крутизной кривой), что в целом дает возможность судить об активности модификатора. В процессе исследования началом схватывания считали время, прошедшее от момента приготовления смеси до того момента, когда игла не доходит до дна кольца на 2-4 мм. Концом схватывания считался момент времени, в который игла опускается в смесь не более чем на 1-2 мм, либо вообще не пробивает образованную сверху образца корочку. При погружении конуса в кольцо, заполненное жидкостекольной смесью, маркером являлась остановка продвижения конуса вглубь образца на высоте 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо.

Предварительно проведена оценка жизнеспособности контрольных составов жидкостекольных композиций разными способами. Контрольный состав представлял собой смесь, содержащую товарное жидкое натриевое стекло, отвердитель кремнефтористый натрий и/или наполнитель -тонкомолотый кварцевый песок.

В таблице 2 представлены данные по изменению вязкости, полученные с помощью измерения вискозиметром ВЗ-4 не наполненной жидкостекольной композиции с отвердителем - кремнефтористым натрием.

Рисунок 3. Кинетика твердения жидкостекольных композиций с отвердителем, наполненных тонкодисперсным кварцевым песком (прибор Вика, оборудованный иглой и конусом) (составлено автором)

На рисунке 3 представлены результаты исследования жизнеспособности аналогичной жидкостекольной композиции с тонкодисперсным кварцевым песком с помощью прибора Вика, оборудованного иглой и конусом.

Таблица 2

Кинетика твердения жидкостекольной композиции с отвердителем - кремнефтористым натрием

Составлено автором

Результаты исследования показали, что игла погружается в наполненную композицию на всю глубину в течение 100 мин. При этом замедление ее погружения начинает происходить через 80-90 минут от момента приготовления СНК, что достаточно хорошо коррелирует с данными по изменению вязкости не наполненной композиции с помощью вискозиметра ВЗ-4. Время истечения жидкого стекла с отвердителем начинает значительно увеличиваться примерно через 85-95 минут. Исходя из полученных данных логично предположить, что оба метода исследования и с иглой, и с конусом целесообразно применять в дальнейших экспериментах по определению жизнеспособности систем с добавками - модификаторами, поскольку, используя только иглу нет возможности проконтролировать процесс набора объемной прочности образцов. В отличие от конуса она показывает лишь сроки начала и конца схватывания смеси, тогда как конус отражает процесс нарастания набора прочности и формировании структуры во времени.

На рисунке 4 представлены результаты исследования жизнеспособности жидкостекольной композиции с кальциевой солью уксусной кислоты на основе состава №1 (табл. 1), полученные с помощью прибора Вика, оборудованного иглой и конусом.

Рисунок 4. Кинетика твердения жидкостекольных композиций с отвердителем и модификатором - ацетатом кальция, наполненных тонкодисперсным кварцевым песком (прибор Вика, оборудованный иглой и конусом) (составлено автором)

На основании полученных данных, можно сделать вывод об ускорении процесса твердения смеси под влиянием модификатора - кальциевой соли уксусной кислоты (ацетат кальция). Также нельзя не отметить относительную равномерность данных, полученных «по конусу» и «по игле». Очевидно, это отражает более равномерный набор пластической прочности и формирование структуры во времени, по сравнению с контрольными образцами.

При совмещении связующего с тонкодисперсным содовым продуктом (рис. 5) наблюдается выпадение белого осадка, что вероятно является результатом взаимодействия с кальциевыми солями серной и угольной кислоты. Выявлено, что модификатор не оказывает деструктивного влияния на жидкостекольную систему, чему свидетельствует достаточно равномерное его распределение в вяжущей матрице с получением гомогенной вязкопластичной смеси.

Рисунок 5. Жидкостекольные композиции с тонкодисперсным минеральным продуктом - отходом содового производства (составлено автором)

Индукционный период твердения сырьевой смеси, представленной на рисунке 5, определен с помощью вышеописанных методов (рис. 1) и при рациональном содержании тонкодисперсного содового продукта составляет 55-80 минут, определяя жидкостекольную композицию как весьма технологичную.

Заключение

Таким образом, показаны возможности использования прибора Вика, оборудованного как иглой, так и конусом, при оценке кинетики твердения жидкостекольных композиций. Экспериментально подтверждена эффективность модификации жидкостекольных связующих, предлагаемыми кальцийсодержащими добавками. Установлена возможность применения минерального продукта - отхода содового производства в качестве сырья для получения строительных материалов на основе жидкостекольных композиций.

Литература

1. Радаев С.С. Применение опалового сырья в производстве строительных материалов: монография / С.С. Радаев, К.С. Иванов, Н.К. Иванов. - Тюмень: ИПК ТГАСУ, 2009. - 111 с.

2. Кудяков А.И. Зернистый теплоизоляционный материал на основе модифицированной жидкостекольной композиции: монография / А.И. Кудяков, Н.А. Свергунова., М.Ю. Иванов. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2010. - 204 с.

3. Фиговский О.Л. Жидкое стекло и водные растворы силикатов, как перспективная основа технологических процессов получения новых нанокомпозиционных материалов / О.Л. Фиговский, П.Г. Кудрявцев // Инженерный вестник Дона. - 2014. - №2

4. Гришина А.Н. Жидкостекольные строительные материалы специального назначения: монография / А.Н. Гришина, Е.В. Королев. - М.: МГСУ, 2015. - 222 с.

5. Малявский, Н.И. О возможности замены фторосиликатных отвердителей жидкого стекла на кальций-силикатные в технологии получения щелочно-силикатных утеплителей / Н.И. Малявский, О.И. Журавлева // Вестник Евразийской науки. - 2018. - Т 10. - №5.

6. Dielectric Control of Compounding-Technological Parameters in Obtaining Silicate Sodium Materials / Y.G. Ivashchenko, M.P. Kochergina, A.B. Zhimalov, A.A. Zhimalov // Glass and Ceramics. - 2021. - Vol. 77, No. 11-12. - P. 452-456.

7. Сычев М.М. Неорганические клеи. Л.: Химия. 1986. 152 с.

8. Айлер Р. Коллоидная химия кремнезёма и силикатов: в 2 ч. / Р.К. Айлер. - М.: Мир, 1982. - 1127 с.

9. Григорьев П.Н. Растворимое стекло / П.Н. Григорьев, М.А. Матвеев. - М.: Промстройиздат, 1956 - 444 с.

10. Усова Н.Т., Лотов В.А., Лукашевич О.Д. Водостойкие безавтоклавные силикатные строительные материалы на основе песка, жидкостекольных композиций и шламов водоочистки // Вестник ТГАСУ. 2013. №2(39). С. 276-284.

11. Использование отходов производства кальцинированной соды для получения известьсодержащих вяжущих и строительных материалов на их основе / А.А. Оратовская, Д.А. Синицин, Л.Ш. Галеева [и др.] // Строительные материалы. - 2012. - №2. - С. 52-53.

12. Леонтьев, С.В. Особенности структурообразования силикатного кирпича, полученного с применением твердых отходов производства АО "Березниковский содовый завод" / С.В. Леонтьев, В.А. Шаманов, А.Д. Курзанов // Экология и промышленность России. - 2019. - Т. 23, №11. - С. 60-65.

13. Строительные материалы на основе промышленных отходов Республики

Башкортостан / Р.Ф. Вагапов, Д.А. Синицин, А.А. Оратовская, Г.В. Тэненбаум // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - №4(22). - С. 279-284.

14. Борсук П.А. Жидкие самотвердеющие смеси / П.А. Борсук, А.М. Лясс. - М.: Машиностроение, 1979. - 255 с.

Размещено на Allbest.Ru