Чл.-корр. РААСН, д-р тех. наук, проф. Лесовик В.С.,

аспирант Володченко А.А.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, Россия

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ БЕЗАВТОКЛАВНЫХ

СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ

ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

В настоящее время особую актуальность приобретают задачи увеличения производства и расширения области применения эффективных стеновых материалов с высокими эксплуатационными и технико-экономическими показателями, изготавливаемых на основе промышленных отходов и местного сырья.

Решение этой задачи применительно к технологии получения силикатных материалов основано на новом подходе, который заключается в переходе от традиционного сырья к получению композиционного вяжущего на основе нанодисперсного сырья, способствующее целенаправленному синтезу цементирующих веществ с оптимальной микроструктурой.

Ранее проведенными исследованиями было показано, что для этих целей можно использовать глинистые породы незавершенной стадии глинообразования, в частности, попутно добываемые песчно-глинистые породы горнодобывающей промышленности. Это сырье, обладающее свойствами природных наноразмерных частиц, позволяет изменить морфологию новообразований, обеспечивающие оптимизацию структуры цементирующего соединения и, соответственно, улучшить физико-механические характеристики автоклавных силикатных материалов [1, 2, 3].

Учитывая, что природные процессы выполнили часть работы по дезинтеграции породы, вероятно, возможен процесс их взаимодействия с вяжущим компонентом при гидротермальной обработке при атмосферном давлении, что и явилось гипотезой данных исследований.

Изучены процессы структурообразования в системе CaO–SiO₂–Al₂O₃–H₂O на основе природного наноразмерного сырья и извести в условиях пропарки.

Для исследований было использовано природное наноразмерное сырье, представленное супесью и суглинком. Глинистая фракция пород представлена монтмориллонитом, гидрослюдой, каолинитом и смешаннослойными образованиями типа гидрослюда-монтмориллонит.

Установлено, что на основе изучаемых глинистых пород и извести можно получать силикатные материалы с пределом прочности при сжатии 2,73–3,40 МПа для литьевого способа формования и 13,79–14,5 МПа для полусухого прессования.

Физико-механические показатели полученных материалов свидетельствуют о том, что изучаемое сырье в условиях пропарки при температуре 90–95 °C активно взаимодействует с известью. При этом протекают физико-химические процессы, которые приводят к синтезу комплексного вяжущего, образующего прочный каркас. По данным дифференциально-термического и рентгенофазового анализов новообразования представлены преимущественно слабоокристаллизованными гидросиликата кальция типа CSH(B). Гидросиликаты кальция образуются как за счет взаимодействия извести с тонкодисперсным кварцем, так и за счет метастабильных глинистых минералов наноразмерного уровня. При взаимодействии гидроксида кальция с глинистыми минералами в условиях тепловлажностной обработки ослабляются связи между кремнекислородными тетраэдрами и атомами алюминия в кристаллической решетке глинистого минерала, и как глинозем, так и кремнезем приобретают способность вступать в реакции с гидроксидом кальция. Продуктами реакции являются гидросиликаты кальция и гидрогранаты из ряда твердых растворов C₃AH₆–C₃AS₂H₂. Синтез гидрогранатов подтверждается появлением на рентгенограмме рефлексов в пределах 2,71–2,81 Å.

Микроструктура пропаренных образцов литьевого способа формования на основе супеси и прессованных на основе суглинка, содержащих соответственно 10 и 20 мас. % извести, представлена на рис. 1.

а б

в г

Рис. 1. Микроструктура пропаренных образцов:

а, б – литьевого способа формования на основе супеси с содержанием 10 мас. % извести;

в, г – полусухого прессования, на основе суглинка с содержанием 20% извести;

а – ×1000; б – ×1300; в – ×1000; г – ×9500

В образце на основе супеси за счет избытка воды наблюдается рыхлая, матричная структура (см. рис. 1, а и б). Здесь, вероятно, образуется коагуляционно-кристаллизационной структура. Более плотная структура новообразований образуется в прессованных образцах (см. рис. 1, в и г). В образце на основе суглинка четко прослеживается сетка из новообразований, которые представляют собой слабоокристаллизованные низкоосновные гидросиликаты кальция. В этом случае формируется кристаллизационная структура.

Можно сделать вывод, что при использовании изучаемого сырья образуется прочная микроструктура цементирующего вещества за счет высокой плотности упаковки материала, а также увеличения числа контактов и их прочности между новообразованиями вследствие синтеза гидрогранатов, которые являются микронаполнителем в субмикрокристаллической гелевидной фазе из низкоосновных гидросиликатов кальция, что обеспечивает получаемому материалу прочность и водостойкость.

Таким образом, в системе CaO–SiO₂–Al₂O₃–H₂O возможен синтез новообразований без традиционно используемой во всем мире автоклавной обработки при 0,8–1,2 МПа. Изучаемое нанодисперсное сырье за счет содержащихся в них метастабильных глинистых минералов наноразмерного уровня и тонкодисперсного кварца активно взаимодействует с известью в условиях тепловлажностной обработки при температуре 90–95ºС с образованием слабоокристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция и гидрогранатов, что приводит к возникновению прочной коагуляционно-кристаллизационной и кристаллизационной структуры материала, обеспечивающей высокие физико-механические показатели силикатных изделий. На основе изучаемых глинистых пород можно получать эффективные, высокопустотные окрашенные стеновые строительные материалы с низкими энергозатратами.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Володченко, А.Н. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, С.И. Алфимов, Р.В. Жуков // Современные наукоемкие технологии. 2005. – № 10. – С. 79.

2. Лесовик, В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород / В.С. Лесовик. – М.: Изд-во АСВ, 2006. – 526 с.

3. Володченко, А.Н. Повышение эффективности производства автоклавных материалов / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Известия вузов. Строительство. – 2008. – № 9. – С. 10–16.