Мелкозернистый бетон на основе модифицированной высококонцентрированной вяжущей суспензии кварцевого песка

В настоящее время под термином «бетон» подразумевают не только строительные композиты с использованием цемента, но и материалы на основе различных вяжущих [1].

Развитие современных ресурсо- и энергосберегающих технологий эффективных строительных материалов все чаще базируется на существующих в природе явлениях и процессах. Это относится и к разработкам связующих веществ, принцип создания которых подсказан генезисом силикатных горных пород. Аморфизированный кварц в них служит связующим веществом, его вяжущие свойства обусловлены коллоидным кремнеземом. Кремнезем, самое распространенное вещество в природе, стад основным сырьем при производстве силикатных строительных материалов по традиционным технологиям.

В 1980-1990-х гг. разработали технологию производства строительных материалов на основе высококонцентрированных вяжущих суспензий (ВКВС) кварцевого песка. Эта технология использует способности силоксановых связей внутри материала деструктироваться в результате механической обработки кварца в водной среде и образовывать силанольные связи, придающие материалу достаточную прочность. Однако недостаток таких материалов — значительная зависимость их физико-механических характеристик от количества в ВКВС связующего компонента — коллоидных частиц [2].

Авторы данной статьи изучали возможности модификации ВКВС путем искусственного регулирования содержания коллоидного компонента, а также разработки технологии получения строительных материалов на основе модифицированных ВКВС кварцевого песка.

В качестве исходного материала использовали кварцевый песок одного из месторождений Белгородской обл. Модифицирующую добавку (МД) — гель кремниевой кислоты - получали в результате химического взаимодействия натриевого жидкого стекла и соляной кислоты. Добавки вводили при помоле в первую загрузку материала в количестве 2,5—10 мае. %. Исходную и модифицированные ВКВС готовили методом мокрого помола в шаровой мельнице (вместимость 100 л) с уралитовыми цильпебсами при постадийной загрузке [3]. Основные характеристики полученных ВКВС приведены в таблице.

Установлено, что введение МД способствует интенсификации помола ВКВС в 1,8 раза (при введении 5 % МД), и представляется возможным получение ВКВС с повышенной концентрацией твердой фазы. Увеличение содержания МД до 10 % существенyо не сказывается на скорости помола.

Анализ дисперсного состава ВКВС, определенного на лазерном анализаторе частиц «MicroSizer 201», показывает, что в исходной суспензии количество коллоидного компонента не превышает 2,5 %. Модифицирование позволяет повысить в системе удельную концентрацию коллоидных частиц до 9—10 мас. %, снижающую вязкость ВКВС во всем диапазоне скорости сдвига (рис. 1). Максимальный эффект снижения вязкости наблюдается при содержании МД 5 % в дилатантной области течения. Снижение дилатансии наряду со «смазывающим эффектом» [3, 4] способствует повышению интенсивности помола.

Рис. 1 Изменение эффективной вязкости
от градиента скорости сдвига ВКВС при модификации

Образцы вяжущего на основе ВКВС изготовляли методом литья в гипсовые формы наливным способом. Установлено, что уменьшение вязкости в области минимальных скоростей сдвига (до 10 с1) способствует снижению открытой пористости образцов вяжущего (см. таблицу). Это связано с тем, что процесс структурообразования ВКВС происходит именно в этой области градиента скорости сдвига, поэтому снижение вязкости позволяет получать более плотную структуру образцов. Наблюдаемое при этом повышение прочности связано как с изменением пористости, так и с увеличением доли коллоидных частиц в системе. При введении МД более 5 % наблюдается повышение эффективности вязкости ВКВС в тиксотропной области, что влечет за собой рост открытой пористости вяжущего и, следовательно, снижение его прочности.

Основные характеристики ВКВС

Повышению физико-механических характеристик материалов на основе ВКВС способствует так называемое холодное спекание, заключающееся в химическом активировании контактных связей (УХАКС-механизм) [3]. Упрочнение при этом предположительно можно объяснить незначительным растворением (в процессе выдержки в щелочном растворе) твердой фазы матрицы. В поровой структуре матрицы кремнеземистых материалов в процессе выдержки в щелочном растворе вследствие растворения (деполимеризации) SiO2 образуется перенасыщенный раствор кремниевой кислоты, твердая фаза которой на поверхности матрицы переосаждается по механизму поликонденсации:

(НО)₃ = Si-OH + HO-Si = (ОН)₃ (HO)₃ = Si-O-Si = (ОН)₃ + Н₂О

с переходом силанольной связи в силоксановую в процессе термообработки.

Был применен наиболее простой и эффективный способ упрочнения - выдержка в растворе натриевого жидкого стекла.

С целью оптимизации количества МД и времени упрочнения в растворе жидкого стекла по УХАКС-механизму выбрали факторный эксперимент второго порядка для трех переменных (содержание МД от 0 до 5 %, время упрочнения 0—20 мин, плотность раствора жидкого стекла 1050-1090 кг/м3). В качестве функции отклика использовали основные физико-механические характеристики образцов вяжущего, изготовленных в соответствии с планом эксперимента.

Установлено, что наибольшее влияние оказывают содержание МД и время упрочнения. Плотность раствора жидкого стекла в исследованном диапазоне практически не влияет на изменение показателей свойств вяжущего.

Как следует из экспериментов, модифицирование оптимальным количеством добавки (5 %) позволяет повысить физико-механические свойства вяжущего при упрочнении в 2,8— 3,2 раза. Снижение прочностных показателей при содержании МД более 5 % связано с тем, что значительно увеличивается общая поверхность раздела фаз. Это приводит к повышенной водопотребности систем, что способствует повышению открытой пористости материала и снижению его прочности.

Полученные физико-механические показатели позволили использовать модифицированные ВКВС в качестве вяжущего при изготовлении материалов строительного назначения методом виброформования.

На втором этапе исследовали влияние технологических факторов на физико-механические свойства мелкозернистого бетона на основе ВКВС. Заполнителем служил кварцевый песок. Известно, что на свойства изделий, изготовленных по данной технологии основное влияние оказывает соотношение вяжущего и заполнителя и величина пригруза. Для выявления комплексного влияния состава сырьевой смеси и параметров формования применили метод математического планирования четырехфакторного эксперимента. В качестве переменных факторов использовали содержание ВКВС (25-35 %) и МД в ВКВС (0-5 %), время упрочнения в растворе жидкого стекла (0—20 мин) и величину пригруза (0,01-0,03 МПа).

Формовочную массу для образцов-кубов (размер 7x7x7 см) готовили в бегунковом смесителе, время перемешивания компонентов массы составляло 3—5 мин. Образцы изготовляли на лабораторном вибростоле вибропрессованием в металлических формах. Время формования для образцов всех составов —10 с. Величину пригруза изменяли путем подбора веса пуансона. После формовки образцы высушивали в сушильном шкафу при температуре 110 °С, а затем упрочняли в растворе жидкого стекла плотностью 1070 кг/м3. После упрочнения образцы подвергали окончательной сушке при температуре 110 °С.

Установлено, что на изменение плотности материалов основное влияние оказывает содержание вяжущего и величина пригруза, плотность изделий практически не зависит от времени упрочнения. С увеличением содержания ВКВС с 25 до 35 % при равном значении величины пригруза плотность возрастает в 1,13 раза. При равном содержании ВКВС с увеличением величины пригруза плотность возрастает в 1,02 раза. Оптимальное содержание МД составляет 4—4,5 %. При варьировании содержания ВКВС и величины пригруза минимальное значение плотности равно 1935 кг/м3, максимальное — 2230 кг/м3.

Факторы, влияющие на прочностные показатели (рис. 2а) расположены в следующей последовательности: время упрочнения и содержание модифицирующей добавки, затем содержание ВКВС и величина пригруза. Максимальные значения прочности при сжатии составляют 35 МПа, максимальные прочностные значения достигнуты при содержании добавки 5 %, величине пригруза 0,03 МПа и времени упрочнения 20 мин.

Рис. 2. Влияние содержания МД и времени упрочнения на предел прочности
при сжатии (а) и коэффициент водостойкости (б) в зависимости от
содержания ВКВС и величины пригруза

Один из основных параметров, характеризующих эксплуатационные свойства строительных материалов, — их коэффициент водостойкости. Полученные данные (рис. 2б) показывают, что при содержании добавки 4—4,5 %, содержании ВКВС 35 %, величине пригруза 0,03 МПа и времени упрочнения 15—20 мин удается получить максимальное значение коэффициента водостойкости 0,9—0,93. Морозостойкость изделий составила 35— 100 циклов.

Таким образом, полученные результаты показывают возможность использования модифицированной ВКВС кварцевого песка для изготовления строительных изделий из мелкозернистого бетона с высокими эксплуатационными характеристиками.

ЛИТЕРАТУРА
1. Баженов Ю. М., Алимов Л. А., Воронин В. В., Магдеев У. X. Технология бетона, строительных изделий и конструкций. М.: Изд-во АСВ, 2004.
2. Пивинский Ю. Е., Дякин П. В., Пивинский Я. Ю., Вихман С. В. Наночастицы и их эффективность в технологии ВКВС и керамобетонов // Новые огнеупоры. 2003. № 8.
3. Пивинский Ю. Е. Керамические и огнеупорные материалы: Избр. тр. СПб: Стройиздат, 2003. Т 2.
4. Пивинский Ю. Е., Дороганов Е. А. Реология в технологии керамики и огнеупоров. Ч. 7. Полидисперсность и дилатансия ВКВС смешанного состава // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. №11.