Вестник инновационного евразийского университета
жүктеу/скачать 2,78 Mb. Pdf көрінісі
|
bulletin 2014 4(56)
| Вестник Инновационного Евразийского университета. 2014. № 4 ISSN 1729-536X 83
смешиваются с водой. Носителем в данном случае и является каолин, который сам по себе не может обеспечить улучшение водостойкости цемента. Недостатками этого цемента являются сложность состава и дороговизна используемых компонентов, в частности полиорганосилоксана, и низкая эффективность модификации в части водостойкости. Она связана с ограниченным сроком гидрофобизации полиорганосилоксаном. Также существует магнезиальный цемент, в котором используется смешанное вяжущее, которое состоит из магнезиального цемента и молотого доменного шлака, содержащего 6-9 % окиси алюминия. В этом цементе соотношение компонентов таково, что доменного шлака используется в 1,5 раза больше, чем каустического магнезита, поэтому основным механизмом его твердения является гидратация минералов шлака (а не реакция магнезита с хлористым магнием с образованием оксихлорида магния, являющаяся механизмом образования изделий из магнезиального цемента). В результате значительно замедляется твердение. Сроки схватывания цемента 7-8 часов. Стальной армирующий заполнитель существенно повышает прочность изделий, особенно на изгиб, но этот заполнитель во влажных условиях будет усиленно ржаветь в бетоне (так как рН бетона низкий, исходя из его состава), расширяясь и разрушая полученные изделия. Длительные сроки схватывания, необходимость тепловой обработки изделий, низкая эффективность модификации в части водостойкости, низкая седиментационная стойкость и сложность состава являются недостатками этого цемента. Известен магнезиальный цемент, в котором для модификации вяжущего добавляются молотый основной гранулированный доменный шлак и гидросиликат магния. Недостатками этого цемента являются низкая прочность изделий в сухом состоянии, низкая седиментационная стойкость и сложность состава, так как применяются одновременно два компонента для модификации вяжущего. Некоторое повышение водостойкости бетона недостаточно и сопровождается снижением прочности в сухом виде, что означает потерю тех полезных качеств, свойственных магнезиальным цементам. Исходя из данных примеров, можно сделать вывод, что активный кремнезем, содержащийся в основных доменных шлаках и золе уноса, положительно влияет на водостойкость магнезиального цемента. Однако, результаты исследований показали, что хотя водостойкость магнезиального вяжущего действительно увеличивается, другие преимущества теряются. Причина этого заключается в следующем: при добавлении к магнезиальным цементам модифицирующих добавок, содержащих различные формы кремнезема и алюмосиликатов, образуются не только оксихлориды или оксисульфаты магния как основной продукт реакции твердения магнезиальных цементов, но и гидросиликаты и гидроалюмосиликаты магния и кальция. Гидросиликаты магния проявляют очень слабые вяжущие свойства. То есть, при реакции образования гидросиликатов магния не происходит образования прочного искусственного камня, а образуется рыхлый гель. В результате чего водостойкость повышается, но одновременно снижаются прочностные характеристики изделия в сухом состоянии. Таким образом, рассмотренные примеры модификации магнезиального цемента приводят лишь к потере всех их преимуществ. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о нецелесообразности использования описанных ранее добавок для модификации магнезиального цемента. Перед авторами же стояла задача улучшить свойства магнезиального цемента, используя модифицирующие добавки, а именно повысить водостойкость, то есть прочность изделий в водонасыщенном виде с 45-55 % до 90-110 %, без снижения характеристик в сухом виде. В качестве модифицирующей добавки нами был выбран метакаолин, представляющий собой термически активированный каолин с преимущественным размером частиц менее 10 мкм, в количестве от 2 % до 50 % массы активного оксида магния. Высокоактивный метакаолин - это искусственный экологически чистый материал, производимый из чистых каолинитов. Метакаолин представляет собой порошок от белого до серовато бежевого или розового цветов со средним размером частиц 1-5 мкм. Для компенсации повышения водопотребности цементных составов при введении метакаолина требуется добавление значительно меньшего количества пластификаторов. Более того, в некоторых составах при оптимальных дозировках метакаолин способен даже проявлять пластифицирующий эффект на цементные растворы. Этот эффект можно объяснить тем, что гранулометрия метакаолина дополняет гранулометрию цемента. Метакаолин обладает светлым цветом (обычно от белого до кремового). Это свойство делает его практически безальтернативным материалом для модификации составов на основе белых и цветных цементов, с целью повышения их атмосферостойкости, водонепроницаемости и, как следствие, долговечности. Основой метакаолина являются природные алюмосиликаты, характеризующиеся сложным химическим составом и внутренним строением. В основе их структуры лежит кремнекислородный тетраэдр, в центре которого находится ион кремния Si 4+ или ион алюминия Al 3+ , а в вершинах - ионы кислорода О 2- . Ионы кремния создают четырехвалентный, а ионы алюминия - трехвалентный радикал с дополнительным отрицательным зарядом. Природный каолин представляет собой минерал из группы водных силикатов алюминия. Химический состав Al 4 [Si 4 O 10 ](OH) 8 содержит 39,5 % Al 2 О 3 , 46,5 % SiO 2 и 14 % H 2 O. В основе кристаллической структуры каолина лежат бесконечные листы из тетраэдров 84 Вестник Инновационного Евразийского университета. 2014. № 4 ISSN 1729-536X Si-О 4 , имеющих три общих кислорода и связанных попарно через свободные вершины алюминием и гидроксилом. При нагревании до 500°С каолин начинает терять воду с образованием активного метакаолина Al 2 Si 2 O 7 , а при 925-1050°С может разлагаться с выделением тепла, образуя вначале шпинель Si 3 Al 4 O 12 , а затем муллит Si 2 Al 6 O 13 и кристобалит SiO 2 - химически неактивные вещества. Процесс химических преобразований при обжиге протекает не менее, чем 5 минут, как и процесс разогрева обжигаемого материала, и зависит от крупности обжигаемого материала, времени обжига, интенсивности теплообмена (тип печи) и температуры (т.е. температуры разогрева обжигаемого материала и времени нахождения его в этом состоянии). Поэтому даже при температуре в диапазоне 925-1000°С имеется возможность подобрать такие параметры режима, при которых получится требуемый результат и каолин не перейдет в химически неактивную форму. Используемый в данном опыте метакаолин должен быть получен из каолина, термически активированного в течение не менее 5 минут при температуре 500-1000°С, с содержанием не менее 60 % частиц размером менее 10 мкм. В качестве ингредиента, содержащего активный оксид магния, компонент содержит каустический магнезит с массовой долей активного оксида магния от 0,7 до 0,95 или каустический доломит с массовой долей активного оксида магния от 0,15 до 0,23. Смесь, в которую вводят модифицированный компонент, содержит солевой компонент преимущественно в виде твердого кристаллогидрата или в виде водного раствора плотностью 1,1-1,35 кг/л солей сильных кислот и двух-трехвалентных металлов, по меньшей мере, одной из следующих: хлористого магния MgCl, хлорного железа FeCl 2 , сульфата магния MgSO 4 . Расчетные количества ингредиентов загружают в смеситель или в специальную емкость с добавлением необходимого количества воды и тщательно перемешивают до получения однородной массы. Массовая доля раствора солевого компонента в смеси составляет не менее 9 %, модифицированного компонента не менее 7 %, заполнители и наполнители остальное. Метакаолин содержится в модифицированном компоненте магнезиального цемента в количестве от 2 % до 50 % массы от количества оксида магния. Для получения метакаолина природный алюмосиликат каолин подвергается термообработке в течение не менее 5 минут при температуре 500-1000°С, обеспечивающей дегидратацию, но сохраняющей структуру и не допускающей преобразование метакаолина в неактивные минералы. Метакаолин для модификации компонента магнезиального цемента берется с 60 %-ным содержанием частиц размером менее 10 мкм, в большинстве случаев не более 3 мкм [8]. В результате получается готовый к употреблению раствор или бетон. Изготовление пола или иных конструкций или изделий производится путем налива раствора на подготовленную соответствующим образом поверхность или в форму и, при необходимости, его разравнивания и уплотнения. В течение первых суток достигается 30-50 % прочность конструкции или изделия, что позволяет извлекать изделие из формы или свободно передвигаться по поверхности конструкции. Полная нормированная прочность и показатели качества затвердевшего раствора (бетона) достигаются через 28 суток. При этом прочность сцепления с бетоном основания может превышать его прочность при растяжении. Приведем опыт на примере изготовления магнезиального бетона. Для изготовления магнезиального бетона было взято 9 кг 15 % раствора хлористого магния плотностью 1,149 кг/л, 10,4 кг модифицированного компонента, содержащего каустический магнезит с массовой долей 0,75 оксида магния и содержанием метакаолина в количестве 27 % от массы последнего, 25,2 кг песка фракции 0,1-5 мм, 55,4 кг щебня гранитного фракции 5-20 мм и 0,05 кг сульфированной нафталиноформальдегидной смолы. Метакаолин представляет собой термически активированный в течение 20 минут при температуре 800°С каолин с содержанием 65 % частиц размером менее 10 мкм. Все ингредиенты были загружены в смеситель и тщательно перемешаны до однородной массы. Подвижность свежеприготовленной бетонной смеси составила 7,5 см осадка конуса. Прочность затвердевшего бетона из данной смеси при сжатии 44,4 МПа через 28 суток с начала затвердевания, прочность в водонасыщенном виде изделия из данной смеси 45,3 МПа (водостойкость 102 %), прочность сцепления с бетоном основания 2,1 МПа (смешанное разрушение по границе с бетоном и по бетону основания). Расслаиваемость не превышала 3 %. Высолы отсутствовали. Наличие метакаолина в качестве модифицирующей активной минеральной добавки в композиции ингредиентов магнезиального цемента ведет к образованию водостойких и обладающих вяжущими свойствами алюмосиликатов магния параллельно с образованием неводостойких оксихлоридов или оксисульфатов магния. В результате повышение водостойкости не сопровождается снижением характеристик изделий в сухом виде, в частности, коэффициент водостойкости возрастает с 45-55 % до 90-110 % при добавлении метакаолина, без заметного снижения прочности бетона в сухом виде по сравнению с составами без метакаолина. Это можно объяснить тем, что гидроалюмосиликаты магния обладают вяжущими свойствами. Также использование метакаолина в качестве модифицирующей добавки повышает седиментационную стойкость модифицированных магнезиальных бетонов и растворов. Этому способствует размер частиц метакаолина (менее 10 микрон). Таким образом, метакаолин является идеальной добавкой для модификации компонента магнезиального цемента, так как он практически на 100 % состоит из силиката алюминия, имеет равномерный состав и структуру |