Исакулов Б.Р, Джумабаев М.Д, Акишев У.К, Сартова А.К

Актюбинский университет имени Сактагана Баишева (Казахстан)

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ КАЗАХСТАНА

Постановка задачи. В работе рассматриваются основы новых безотходных технологий и практических разработок, которые позволяют использовать отходы промышленности Казахстана в производстве строительных материалов.

Ключевые слова: золошлак, содосульфатная смесь, жидкое стекло, электротермофосфорный шлак, силикатный модуль

1. Введение. В странах СНГ на протяжении многих лет проводятся научно – исследовательские работы, посвященные проблемам развития сырьевой базы, разработки легких бетонов и изучению их свойств, а также модификации составов и получения различных материалов на основе безобжиговых цементов и др.

Анализ мирового опыта свидетельствует о том, что широкие возможности в решении этого комплекса проблем открываются с применением безобжиговых цементов и бетонов на их основе. Они обладают рядом физико – механических и технико – эксплуатационных характеристик, значительно превышающих аналогичные свойства многих других минеральных вяжущих и композитов на их основе.

Для их изготовления в регионах Центральной Азии и Казахстана имеются сырьевые ресурсы в виде многотоннажных отходов металлургической, горнодобывающей, нефтехимической и топливно - энергетической промышленности.

Перспективность применения этих вяжущих определяется тем, что производства их базируется на использовании отходов, попутных продуктов, таких, как все гранулированных и отвальных шлаков, золы – уноса и золошлаковых смесей, а также щелочесодержащих отходов и других.

2. Разработка составов безобжигового щелочного вяжущего на основе высококальциевой золы уноса.

Для установления возможности создания вяжущих на основе золы-уноса нами рассматривались основные физико-химические процесс взаимодействия, и фазовый состав образующихся при этом продуктов.

Основываясь на результатах проведенных исследований о том, что активность и скорость набора прочности в безобжиговых щелочных композициях поддаются регулированию за счет изменения основности алюмосиликатного и щелочного компонента, а также за счет введения добавок, нами проводилось изучение композиции на основе золы-уноса Актюбинской ТЭЦ в 28 суточном возрасте после тепловлажностной обработки[1,3,4].

Нами установлено, что композиции на основе золы-уноса обладают вяжущими свойствами, а фазовый состав продуктов твердения определяет характер этих свойств. В дальнейшем проведено изучение новообразований, возникающих при гидратации разработанного вяжущего в присутствии высокоосновной добавки.

Данные анализа продуктов взаимодействия вяжущей композиции из смеси золы-уноса и электротермофосфорного шлака затворенного щелочным компонентом, состоящим из водного раствора натриевого жидкого стекла и содосульфатной смеси при этом также представлены низкоосновными гидросиликатами кальция типа гиро-лита и кальцитом.

Экспериментальные данные, полученные в результате изучения комплексными методами физико – химических исследований продуктов, взаимодействия вяжущих композиций на основе высококальциевой золы – уноса показали, что их фазовый состав определяется видом щелочного компонента и добавки [5].

В продуктах твердения разработанных вяжущих композиций образуются низкоосновные гидросиликаты типа гиролита, гиллебрандита, трускотита, тоберморита и щелочными новообразованиями – аналогами природных цеолитов и кальцитов.

Данные о наличии вяжущих свойств композиции на основе золы – уноса с щелочами явились основанием для получения и изучения на активность вяжущего:

- вида и плотности компонента вяжущего;

- тонкости помола и минерало – химических добавок.

При изучении влияния плотности щелочного компонента на прочность камня вяжущего использовали жидкое стекло с разными силикатными модулями (Мс).

По данным исследовании ряда авторов [1,2,3,6,7], вяжущие композиции на основе золы – уноса и щелочных компонентов, таких как Na ₂SO₄ и Na ₂CO₃ не твердеют в нормальных условиях и при пропаривании. Это также подтверждено и нашими исследованиями.

Показано, что при сжатии камня вяжущего, при затворении золы – уноса с силикатным щелочным компонентом, раствор зависит от плотности и силикатного модуля последних. Увеличение плотности раствора щелочного компонента и соответственно концентрация его повышается и это приводит к увеличению прочности камня вяжущего. При плотности раствора щелочного компонента 1100 кг/см³ прочность камня вяжущего составляет 16.5, 26.7 и 23.0 Мпа, соответственно для растворов силиката натрия с Мс – 3,2 и 1 (рис. 1).

Рис. .1 Влияние плотности раствора шелочного компонента на прочность камня вяжущего:

♦ - Мс – 3; ■ - Мс – 2; ▲ - Мс – 1

Увеличение плотности раствора щелочного компонента с 1100 до 1300 кг/см³ привело к повышению прочности камня вяжущего в 1,7 – 2 раза и соответственно в зависимости от модуля стекла составила 30,5; 46,9; 46,1 МПа. При снижении силикатного модуля жидкого стекла до 2 прирост прочности составляет до 1,5 раз, чем при аналогичных плотностях раствора. Но при снижении Мс до 1 прирост прочности по сравнению с составами на дисиликате натрия не наблюдается.

Необходимо отметить, что вышеуказанные составы вяжущего являются быстросхватывающимися. На высокомодульном жидком стекле схватывание происходит мгновенно, т.е. его трудно определить.

Необходимо также отметить, что во всех случаях щелочерастворозольное отношение, составило – 0,38. Полученные данные влияют на физико – механические характеристики вяжущего. Силикатный модуль жидких стекол и плотность растворов на их основе показывают, что по мере понижения Мс до 1, сроки схватывания несколько растягиваются.

На наш взгляд, это вызвано большой устойчивостью жидких стекол с более низким силикатным модулем, обладающим более высоким зарядом на поверхности частиц против коагулирующего воздействия ионов Са золы. Кроме того, с уменьшением Мс стекол концентрация SiO анионов снижается.

Как показали наши результаты, что с увеличением содержания электротермофосфорного шлака прочность при сжатии повышается и доходит до 48,1 МПа. Очевидно, это объясняется тем, что гранулированный электротермофосфорный шлак, как более активный компонент системы, дает основное количество гидратов, придающих прочность. Кроме того, с увеличением состава вяжущего электротермофосфорного шлака растворошлаковое отношение понижается с 0,40 до 0,30.

Таким образом, анализируя результаты вышеприведенных исследований, можно сделать предварительный вывод о большей предпочтительности щелочных систем на основе силикатных щелочных солей, обладающих более высокими потенциальными возможностями перед несиликатными щелочными солями типа Na ₂SO₄ и Na ₂CO₃ (табл. 1).

Таблица 1.

Влияние дисперсности золы – уноса на прочность камня вяжущего

Удельная поверхность золы – уноса, м²/кг	Количество Na2B4O7 10H2O от массы золы – уноса, %	Затворитель	Предел прочности при сжатии, МПа
300 350 400 295 350 400 295 350 410	2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 0 0 0	Жидкое стекло Жидкое стекло Жидкое стекло ССЖС ССЖС ССЖС ССЖС ССЖС ССЖС	21,2 28,1 42,0 21,3 30,7 34,5 21,0 30,6 38,4

Примечание.: ССЖС - оптимальное соотношение содосульфатной смеси и жидкого стекла

С целью регулирования сроками схватывания вяжущих композиций нами использовался красный каустик, содержащий до 14% NaOH. Красный каустик добавляли в жидкое стекло в виде водного раствора с плотностью 150 и 1300 кг/м.

Установлена тенденция увеличения сроков схватывания вяжущего по мере повышения содержания красного каустика в объеме щелочного компонента. При затворении золы водным раствором красного каустика начало схватывания наступает через 3 ч, а конец через 9 ч.

Приведенные наши результаты подтверждают и согласуются с данными исследования [1,2,3], что безобжиговые щелочные вяжущие на основе золы – уноса имеют короткие сроки схватывния на всех видах заполнителей, кроме NaOH (рис.2). .

Рис. 2. Влияние соотношения красного каустика на прочность и сроки схватывание вяжущего:

♦ - прочность; ■ - начало схватывания; ▲ - конец схватывания

Необходимо также отметить, что применение красного каустика в составе щелочного компонента хотя и позволило определить эффект по регулированию сроков схватывания, но положительных результатов на изменение прочности при сжатии камня вяжущего не дало. С повышением концентрации красного каустика в щелочном компоненте прочность понижается.

На наш взгляд, это объясняется с тем, что красный каустик кроме NaOH имеет много различных примесей, препятствующих протеканию вяжущего.

Известно, что управлять процессами структурообразованиями шлакощелочных вяжущих можно путем выбора щелочного компонента с регулируемой скоростью диссоциации, зависящей от его природы.

Исследованиями также показано, что введение в состав шлакощелочных вяжущих систем на основе шлаков с 1< М_о < 1 низкомодульного жидкого стекла, солей Na₂SO₄, NaCl способствует повышению скорости набора прочности в ранние сроки твердения и конечную активность.

Основываясь на этом, нами использована содосульфатная смесь, которая применялась в виде водного раствора с плотностью 1200 кг/м³, которую добавляли в жидкое стекло с Мс – 3.

Содосульфатную смесь на прочность вяжущего камня рассматривали также в вяжущей системе на основе электротермофосфорного шлака. Введение в качестве добавки содосульфатной смеси, видимо, в силу своего химического состава значительно углубляет гидратацию шлакового стекла, а также способствует образованию волокнистых гидросульфоалюминатов кальция, выполняющих роль дополнительной арматуры и уплотняющих структуру цементного камня. Наряду с тепловлажностной обработкой образцы параллельно подвергались тепловой обработке. Во избежание интенсивного испарения влаги формы с образцами плотно закрывались.

Результаты показали, что при тепловой обработке, когда в состав компонента вводили содосульфатную смесь, предел прочности образцов на сжатие на 7 – 22% выше, чем у образцов, подвергнутых тепловлажностной обработке. С увеличением количества содосульфатной смеси в составе щелочного компонента до 75% по объему приводит к повышению прочности камня вяжущего.

Так, прочность камня вяжущего чисто на жидком стекле составляет 31,1 и 38,3 МПа соответственно для образцов, подвергнутых тепловлажностной обработке и тепловой обработке. Прочность образцов, ссодосульфатной смесью 75% соответственно составила 44,5 и 47,5 МПа. Но дальнейшее увеличение количества содосульфатной смеси приводит к резком снижению прочности. Содосульфатная смесь также положительно влияет на сроки схватывания вяжущего. При оптимальном соотношении содосульфатной смеси к жидкому стеклу (75:25) сроки схватывания удлиняются почти в 7 раз по сравнению с контрольным.

Таким образом, установлено, что применение содосульфатной смеси в шлакощелочных вяжущих, на основе электротермофосфорного шлака, приводит к увеличению прочности до 45%. Кроме того, введение содосульфатной смеси в состав вяжущего приводит к значительному снижению стоимости вяжущего за счет экономии дефицитного промышленного жидкого стекла.

Выводы

1. Впервые показано, что при сжатии камня вяжущего, при затворении золы – уноса с силикатным щелочным компонентом, раствор зависит от плотности и силикатного модуля последних. Увеличение плотности раствора щелочного компонента и соответственно концентрация его повышается и это приводит к увеличению прочности камня вяжущего и вышеуказанные составы являются быстросхватывающимися.

2. Наши результаты показали, что при тепловой обработке, когда в состав компонента вводили содосульфатную смесь, предел прочности образцов на сжатие на 7 – 22% выше, чем у образцов, подвергнутых тепловлажностной обработке. При оптимальном соотношении содосульфатной смеси к жидкому стеклу (75:25) сроки схватывания удлиняются почти в 7 раз по сравнению с контрольным.

3. Нашими результатами установлено, что применение содосульфатной смеси в шлакощелочных вяжущих, на основе электротермофосфорного шлака, приводит к увеличению прочности до 45%. Кроме того, введение содосульфатной смеси в состав вяжущего приводит к значительному снижению стоимости вяжущего за счет экономии дефицитного промышленного жидкого стекла.

Библиографический список

1. Бисенов К. А. Легкие бетоны на основе безобжиговых цементов / К.А. Бисенов, И.К. Касимов, А.А. Тулаганов, С.С. Удербаев. – Алматы.: Изд-во «Ғылым». - 2005. - 411с.

2. Глуховский В Д. Шлакощелочные бетоны на мелкозернистых заполнителях /В.Д. Глуховский, П.В. Кривенко [и др.]. - Киев.: Вища школа. - 1981. - 223 с.

3. Глуховский В.Д. Шлакощелочные цементы и бетоны / В.Д. Глуховский, В.А. Пахомов. - Киев.: Будивельник. - 1978. - 184 с.

4. Исакулов Б.Р. Исследование свойств шлакощелочных вяжущих / Б.Р. Исакулов // Научно-технический вестник Поволжья. – 2011. - № 6. – С. 177-180.

5. Исакулов Б.Р. Экспериментальные исследование свойств шлакощелочных вяжущих на основе отходов промышленности Западного Казахстана / Б.Р. Исакулов // Научно-технический журнал «Поиск». Алматы. – 2012. - №1. – С. 27-35.

6. Касимов И.К. Состав, свойства и технология шлакощелочного арболита на основе сельскохозяйственных отходов / И.К. Касимов, А.А. Тулаганов, Х.Х. Камилов, О.Б. Косимов // Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции. Тез. докл. 3-й Всесоюз. науч-но-практ. конф. в 2-х т. Киев.: КИСИ. - 1989. - Т. 2. - С. 152-153.

7. Павленко С.И. Мелкозернистые бетоны из отходов промышленности / С.И. Павленко. – М.: Изд-во АСВ, 1997. – 151 с.