Состав силикаткальциевых дисперсий, полученных с применением СВЧ-излучения

Размещено на http://allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ им. Гагарина)

УДК: 691-492

Состав силикаткальциевых дисперсий, полученных с применением СВЧ-излучения

Шошин Е.А., Акопян Т.В.

Анализ мирового рынка минеральных наполнителей для цементных бетонов свидетельствует о необходимости поиска новых источников минеральных наполнителей, т.к. потенциал применения традиционных цементозамещающих наполнителей (золы-уносы, доменные шлаки) в условиях развития производства высокофункциональных бетонов будет исчерпан до 2050г [1,3].

Это связано, в первую очередь, с развитием технологии самоуплотняющихся бетонов, позволяющих заменить до 70% связующих наполнителями не обладающими гидратационной активностью. В РФ на эффективность применения минеральных наполнителей накладывается эффект их регионального распространения: неравномерность расположения по территории РФ предприятий, образующих золы и шлаки, а также такие отходы, как микрокремнезем, обостряет вопросы логистики и связанных с нею расходов.

В результате сырьевая доступность становится определяющей среди остальных факторов эффективности применения того или иного наполнителя, а помол местных каменных материалов часто оказывается экономически наиболее эффективным способом обеспечения производства сырьем.

В связи с этим обнаруженная [3] возможность получения силикатных наполнителей для цементных бетонов, состав которых включает частицы микронного, субмикронного и нанодиапазона может стать экономически эффективным методом решения вопроса сырьевого обеспечения производства высокофункциональных бетонов.

Получение силикатного наполнителя по схеме [3,4] предполагает термообработку модифицированных углеводами гидросиликатов кальция. В настоящей работе изучается принципиальная возможность проведения термообработки модифицированных гидросиликатов кальция путем обработки последних СВЧ-излучением.

Эффективность термообработки минерального сырья методом облучения СВЧ-полями показана в отношении керамических материалов [5-8], а также в технологии цементных бетонов [9].

Эффективность определяется поглощением электромагнитной энергии дефектами структуры диэлектрика [10,11], концентрация которых максимальна на межфазных поверхностях.

В результате локального поглощения СВЧ-излучения на границе раздела фаз гетерогенной системы формируются области перегрева, ускоряются твердофазные реакции, а нагрев гетерогенной системы происходит в первую очередь за счет перегрева приповерхностного слоя вещества на границе раздела фаз [12], что значительно повышает эффективность операций термической обработки минерального сырья. Кроме того, СВЧ-термообработка не сопровождается загрязнением сырья продуктами горения и позволяет достигать высоких скоростей нагрева сырья и высоких значений КПД [13,14].

Модифицированные гидросиликаты кальция (МГК) получали механохимическим синтезом из портландцемента путем помола последнего (1 час) в растворе модифицирующего углевода (3% от массы цемента).

В качестве портландцемента использовался цемент производства ООО "Холсим (Рус)" ЦЕМ I 42.5Н (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики портландцемента

В качестве модифицирующего углевода использовалась сахароза (ГОСТ 5833-75). Полученные образцы МГК делились на две части, одну из которых подвергали термической обработке при 150±15?, другую - микроволновой обработке. Микроволновая обработка образцов МГК производилась СВЧ-излучением (2,45 ГГц) в течение 5 мин.

Морфология и элементный состав частиц продуктов термолиза МГК определялся методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). фазовый состав МГК определялся методом рентгенофазового анализа.

В фазовом составе образцов МГК регистрируются кристаллические фазы структуры эттрингита и негидратированного алита. Аморфные продукты гидратации, образующиеся в ходе механохимического синтеза [15] на дифрактограмме не идентифицируются. Частицы МГК имеют призматическую форму (рис. 1) и характеризуются аморфной структурой [15].

Элементный состав продуктов механохимического синтеза отвечает брутто-формуле 10SiO₂*14CaO*10H₂O, тогда как состав гидросиликатов немодифицированного образца отвечает брутто-формуле 10SiO₂*15CaO*8H₂O [16]. Т.е. основные различия модифицированного и немодифицированного образцов заключаются в содержании структурной воды, содержание которой в присутствие углевода значительно (20%) возрастает.

Термообработка МГК при 150? приводит к образованию скоплений частиц в диапазоне размеров до 200нм (рис. 2 а); для всех частиц характерна форма близкая к сферической, т.к. морфология частиц определяется коагуляционными процессами.

Проведение СВЧ-обработки образца МГК приводит к существенному изменению морфологии частиц продуктов разложения МГК: среди них в равной степени присутствуют агрегированные частицы неправильной формы, а также призматические (игольчатые) частицы (рис. 2 б).

Изучение элементного состава индивидуальных частиц (до 200нм) в составе продуктов термообработки МГК выявило высокую вариабельность их химического состава, однако во всех случаях наблюдается присутствие и кальция, и кремния (рис. 3).

Аналогичный вывод можно сделать в отношении образов МГК, обработанных высокочастотным полем, однако при этом в составе индивидуальных частиц продуктов разложения МГК наблюдается повышенное содержание кремния (рис. 4).

По-видимому, последнее связано с особенностями воздействия СВЧ-излучения на гетерогенную систему, в результате чего молекулы адсорбированного модифицирующего углевода оказываются в зоне локального перегрева. При повышении температуры прочность адсорбционных связей углевода с силикатной поверхностью снижается и активизируются процессы гидролиза клинкерных минералов адсорбционно связанной водой. портландцемент гидросиликат микроволновый

Сопровождающая СВЧ-обработку термодиффузия активизирует вынос продуктов гидратации в межчастичное пространство, где они кристаллизуются и образуют наблюдаемые агрегированные частицы.

Таким образом, разложение модифицированных гидросиликатов кальция возможно как методом термолиза, так и путем СВЧ-обработки последних. Выбор метода обработки модифицированных гидросиликатов кальция определяет как морфологические различия частиц продуктов разложения, так и различия в их элементном составе. Применение СВЧ-обработки способствует образованию частиц с большим содержанием кремния в своем составе.

Библиографический список

1. Vanderley M. John, Bruno L. D., Quattrone M, Pileggi R. G. Fillers in cementitious materials -- Experience, recent advances and future potential // Cement and Concrete Research. In press. Available online 27 March 2018. RUL: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2017.09.013

2. Miller S. A., John V. M., Pacca S. A., A. Horvath. Carbon dioxide reduction potential in the global cement industry by 2050 // Cement and Concrete Research, In press. Available online 14.09. 2017. URL:https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2017.08.026

3. Шошин Е. А. Силикатный наполнитель, получаемый методом термолиза модифицированных гидросиликатов цемента // Строительные материалы. 2017. №7. С. 16-19.

4. Шошин Е.А., Поляков А.В., Буров А.М. О возможности синтеза наносиликатов кальция методом термолиза модифицированных смесей опока-СаО, подвергнутых совместному измельчению в присутствие воды // Вестник БГТУ им. Шухова. 2016. №3. С.152-158.

5. Пушкарев О. И., Шумячер В. М., Мальгинова Г. М. Микроволновая обработка порошков тугоплавких соединений электромагнитным полем СВЧ // Огнеупоры и техническая керамика. 2005. № 1. С. 7-9.

6. Мамонтов А. В. Микроволновые технологии. М.: НИИ ПМТ, 2008. 308 с.

7. Низкоинтенсивные СВЧ-технологии (проблемы и реализация) / под ред. Г. А. Морозова и Ю. Е. Седельникова. М.: Радиотехника, 2003. 112 с.

8. Женжурист И. А. Эффективность микроволновой обработки глинистых композиций при подборе шихты в технологии керамики // Строительные материалы. 2015. №4. С. 60-64.

9. Женжурист И. А. Влияние поля СВЧ и высокодисперсных добавок на прочность цементного камня // Высокопрочные цементные бетоны: технологии, конструкции, экономика (ВПБ-2016): сб. тезисов докладов Междунар. науч.-технич. конф. Казань: Изд-во КГАСУ, 2016. С. 30-31.

10. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982. 320 с.

11. Гегузин Я. Е. Физика спекания. М.: Наука, 1967. 360 с.

12. Анненков Ю.М., Ивашутенко А.С. Физическая модель спекания и модифицирования керамики в высокочастотных и сверхвысокочастотных полях // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. № 7. С. 30-34.

13. Морозов О., Каргин А., Савенко Г., Требух В., Воробьев И. Промышленное применение СВЧ нагрева // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2010. № 3. С. 110-113.

14. Волков В. В., Барабаш Д. Е., Лазукин В. В. Перспективы использования СВЧ-излучений при укладке полимермодифицированных асфальтобетонных смесей // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 55-57.

15. Шошин Е.А., Поляков А.В. Состав и структура гидросиликатов, получаемых механохимическим синтезом из портландцемента, модифицированного сахарозой // Вестник БГТУ. 2018. №1. С.76-81.

16. Шошин Е.А., Иващенко Ю.Г. Исследование состава цементных гидросиликатов, модифицированных изомерными дисахаридами // Региональная архитектура и строительство. 2016. №3(28) . С.50-54.

Аннотация

УДК: 691-492

Состав силикаткальциевых дисперсий полученных с применением СВЧ-излучения. Шошин Е.А., Акопян Т.В. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ им. Гагарина)

Гидросиликаты кальция, модифицированные сахарозой, при термообработке распадаются с образованием полифракционной дисперсии силикатов кальция. Рассмотрено влияние способа термообработки модифицированных гидросиликатов на морфологию частиц и их элементный состав. Обнаружено, что использование СВЧ-излучения для термообработки модифицированных гидросиликатов приводит к образованию частиц с повышенным содержанием кремния в их составе.

Ключевые слова: модифицированные гидросиликаты кальция, термообработка, СВЧ-излучение, элементный состав

Resume

Structure of the silicate - calcium dispersions received with application of microwave. Shoshin E.A., Akopyan T. V. The Federal State Educational Institutional of Higher Education Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (SSTU)

The calcium hydrosilicates modified by sucrose at heat treatment break up with formation of polyfractional dispersion of silicates of calcium. Influence of a way of heat treatment of the modified hydrosilicates on morphology of particles and their element structure is considered. It is revealed that use of microwave radiation for heat treatment of the modified hydrosilicates leads to formation of particles with the increased content of silicon in their structure.

Keywords: the modified calcium hydrosilicates, heat treatment, microwave radiation, element structure

Размещено на Allbest.ru