Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

EFFECT OF CONDITIONS OF HYDROTHERMAL TREATMENT ON THE PROPERTIES OF SILICATE MATERIALS

Volodchenko A.A. 1
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov
Silicate bricks and stones refer to the most common walling materials in the country, a lot of energy resources is spent for its production. You can reduce energy consumption by switching from traditional raw materials to the use of rocks containing thermodynamically unstable compounds. Widespread argillaceous rocks with unfinished stage of clay formation refer to these rocks. These rocks contain mixed-minerals, fumed silica, hydromica, Ca2+ montmorillonite, kaolinite, and X-ray amorphous minerals. The possibility of a significant reduction in the pressure of hydrothermal treatment at obtaining silicate materials using the above raw materials is determined. Process of forming a solid microstructure of cementitious compound due to the high reactivity of the rock-forming minerals, sand and clay material in the hydrothermal treatment takes place not only at an increased, but at atmospheric pressure, this will allow to obtain effective high-rate cavitated wall building materials due to energy-saving technology.
sand-clay rocks
clay minerals
lime
hydrothermal treatment
silicate materials
1. Alfimova N.I. Povyshenie jeffektivnosti stenovyh kamnej za schet ispol’zovanija tehnogennogo syr’ja // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011. no. 2. pp. 56–59.
2. Alfimova N.I., Shapovalov N.N., Abrosimova O.S. Jekspluatacionnye harakteristiki silikatnogo kirpicha, izgotovlennogo s ispol’zovaniem tehnogennogo aljumosilikatnogo syr’ja // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2013. no. 3. pp. 11–14.
3. Alfimova N.I., Shapovalov N.N. Materialy avtoklavnogo tverdenija s ispol’zovaniem tehnogennogo aljumosilikatnogo syr’ja // Fundamental’nye issledovanija. 2013. no. 6–3. pp. 525–529.
4. Vishnevskaja Ja.Ju., Lesovik V.S., Alfimova N.I. Jenergoemkost’ processov sinteza kompozicionnyh vjazhushhih v zavisimosti ot genezisa kremnezemsoderzhashhego komponenta // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011. no. 3. pp. 53–56.
5. Volodchenko A.N. Vlijanie mehanoaktivacii izvestkovo-saponitovogo vjazhushhego na svojstva avtoklavnyh silikatnyh materialov // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011. no. 3. pp. 13–16.
6. Volodchenko A.N. Osobennosti vzaimodejstvija magnezial’noj gliny s gidroksidom kal’cija pri sinteze novoobrazovanij i formirovanie mikrostruktury // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011. no. 2. pp. 51–55.
7. Volodchenko A.N., Lesovik V.S. Reologicheskie svojstva gazobetonnoj smesi na osnove netradicionnogo syr’ja // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2012. no. 3. pp. 45–48.
8. Volodchenko, A.N., Lesovik V.S. Avtoklavnye jacheistye betony na osnove magnezial’nyh glin // Izvestija vuzov. Stroitel’stvo. 2012. no. 5. pp. 14–21.
9. Lesovik V.S., Volodchenko A.A. Vlijanie sostava syr’ja na svojstva bezavtoklavnyh silikatnyh materialov // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2013. no. 1. pp. 10–15.
10. Lesovik V.S., Volodchenko A.A. Dolgovechnost’ bezavtoklavnyh silikatnyh materialov na osnove prirodnogo nanorazmernogo syr’ja // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011. no. 2. – pp. 6–11.
11. K probleme povyshenija jeffektivnosti kompozicionnyh vjazhushhih / V.S. Lesovik, N.I. Alfimova, E.A. Jakovlev, M.S. Shejchenko / Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2009. no. 1. pp. 30–33.
12. Pressovannye silikatnye materialy avtoklavnogo tverdenija s ispol’zovaniem othodov proizvodstva keramzita / V.V. Strokova, N.I. Alfimova, V.S. Cherkasov, N.N. Shapovalov // Stroitel’nye materialy. 2012. no. 3. pp. 14–15.
13. Regulirovanie svojstv jacheistyh silikatnyh betonov na osnove peschano-glinistyh porod / A.N. Volodchenko, V.S. Lesovik, S.I. Alfimov, A.A. Volodchenko // Izvestija vuzov. Stroitel’stvo. 2007. no. 10. pp. 4–10.
14. Tehnogennoe syr’e dlja silikatnyh materialov gidratacionnogo tverdenija / S.I. Alfimov, R.V. Zhukov, A.N. Volodchenko, D.V. Jurchuk // Sovremennye naukoemkie tehnologii. 2006. no. 2. pp. 59–60.

Промышленность строительных материалов является одним из основных потребителей энергоресурсов. Для производства энергии затрачивается большое количество углеводородного сырья, при сжигании которого в атмосферу выделяется углекислый газ и другие вредные вещества, оказывающие отрицательное влияние на биосферу. С целью уменьшения этого неблагоприятного воздействия, а также экономии топливных ресурсов необходимо стремиться к снижению энергозатрат за счет применения эффективных энергосберегающих технологий.

К наиболее распространенным в стране стеновым материалам относятся силикатный кирпич и камни, для изготовления которых по традиционной технологии используется известь и кварцевый песок. Технологические процессы при получении этих изделий являются довольно энергоемкими. Снижение энергоемкости возможно за счет перехода от традиционного сырья к использованию горных пород, содержащих термодинамически неустойчивые соединения. К таким породам относятся глинистые породы незавершенной стадии глинообразования, которые содержат каолинит, смешаннослойные минералы, тонкодисперсный кварц, гидрослюду, Ca2 + монтмориллонит, а также рентгеноаморфные минералы. Эти породы широко распространены, а также большое их количество попутно извлекается при добыче полезных ископаемых. Это сырье, а также продукты их термической обработки можно использовать для получения автоклавных силикатных материалов [1–14].

Породообразующие минералы глинистых пород обладают высокой активностью, за счет чего, вероятно, возможен синтез цементирующего соединения при низких значениях давления гидротермальной обработки и соответственно получение силикатных материалов с низкими энергозатратами.

Цель работы – изучение влияния давления гидротермальной обработки на свойства стеновых материалов, полученных на основе песчано-глинистых пород.

Материалы и методы исследования

На территории Курской магнитной аномалии наиболее распространенными являются эолово-элювиально-делювиальные глинистые породы четвертичного возраста. В качестве объекта изучения была выбрана порода, которая относится к указанному генетическому типу.

По гранулометрическому составу (табл. 1) и числу пластичности (Iр = 6) породу можно охарактеризовать как супесь пылеватую. По размеру в породе преобладают алевритовые и пелитовые частицы. Пелитовая фракция представлена каолинитом, монтмориллонитом, гидрослюдой, смешаннослойными минералами и рентгеноаморфными минералами (рис. 2).

Гранулометрический состав породы

Содержание фракций, мас. %, размер сит, мм

Более 0,315

0,315–0,20

0,20–0,125

0,125–0,10

0,10–0,05

0,05–0,04

0,04–0,01

0,01–0,005

Менее 0,005

1,3

2,95

5,10

6,35

12,90

5,82

42,95

5,70

16,93

pic_5.tif

Рис. 1. Рентгенограмма пелитовой фракции породы

В качестве известкового компонента использовали негашеную комовую известь. Активность извести составляла 78 %, температура гашения ‒ 97,5 °С, время гашения – 4 мин 30 с.

При изготовлении образцов использовали известково-песчано-глинистое вяжущее (ИПГВ), получаемое совместным помолом извести и породы до удельной поверхности 500 м2/кг при соотношении известь:супесь, равном 1:2. Исходную породу и ИПГВ перемешивали в заданном соотношении и добавляли необходимое количество воды. После гашения извести из смеси с влажностью 10 % формовали образцы при давлении 20 МПа. Гидротермальную обработку осуществляли в лабораторном автоклаве по следующему режиму: 1,5 + 9 + 1,5 ч. Давление гидротермальной обработки изменялось от 0 до 0,8 МПа.

Результаты исследования и их обсуждение

При проведении эксперимента использовали метод математического планирования. Выходные параметры – предел прочности при сжатии (Rсж), средняя плотность (ρср) и коэффициент размягчения (Краз). Путем статистической обработки экспериментальных данных рассчитали коэффициенты уравнения регрессии, описывающие влияние содержания извести и давления гидротермальной обработки на физико-механические свойства силикатных образцов.

Eqn28.wmf

Eqn29.wmf

Eqn30.wmf

Зависимость предела прочности при сжатии, средней плотности и коэффициента размягчения от содержания извести и давления гидротермальной обработки представлена на номограммах (рис. 2).

Уменьшение давления гидротермальной обработки приводит к снижению предела прочности при сжатии силикатных материалов (рис. 2, а). Средняя плотность с увеличением содержания извести уменьшается, причем тем больше, чем выше давление гидротермальной обработки (рис. 2, б). Максимальную среднюю плотность имеют образцы, автоклавированные при давлении 0,4 МПа. Эти образцы имеют и самую высокую величину коэффициента размягчения (рис. 2, в). Увеличение содержания извести лишь незначительно повышает коэффициент размягчения. Образцы всех исследуемых составов и режимов гидротермальной обработки, исходя из значений коэффициента размягчения (0,75–0,95), являются водостойкими.

а pic_6.tifбpic_7.tifвpic_8.tif

Рис. 2. Предел прочности при сжатии (а), средняя плотность (б) и коэффициент размягчения (в) силикатных изделий в зависимости от содержания СаО и давления гидротермальной обработки

При взаимодействии извести с породообразующими минералами образуются низкоосновные гидросиликаты кальция и гидрогранаты. В условиях обработки паром повышенного давления в составе цементирующего соединения образуются хорошо окристаллизованные новообразования (рис. 3, а). При атмосферном давлении формируются преимущественно слабоокристаллизованные гидросиликаты кальция (рис. 3, б). Оптимальное соотношение между этими фазами, вероятно, достигается в условиях гидротермальной обработки при 0,4 МПа, что обеспечивает максимально высокие физико-механические показатели силикатных материалов.

Однако гидротермальная обработка и при атмосферном давлении обеспечивает достаточно высокую прочность, которая для образцов, содержащих 10 мас. % СаО, составляет 17 МПа (см. рис. 2, а). Кроме этого, прочность таких изделий при нахождении в естественных условиях и в воде повышается. Например, после выдержки в течение года в воде прочность повысилась в 2 раза. Слабоокристаллизованные гидросиликаты кальция весьма нестабильны и способны подвергаться перекристаллизации, что изменяет структуру цементирующего соединения. Вероятно, за счет этих процессов обеспечиваются гидравлические свойства полученных силикатных материалов.

Морозостойкость в зависимости от давления гидротермальной обработки составляет 25–50 циклов, что соответствует требованиям, предъявляемым для лицевых силикатных кирпичей. Изделия, которые были получены в условиях гидротермальной обработки при атмосферном давлении, выдержали испытания на морозостойкость 15 циклов, что соответствует требованиям для рядового силикатного кирпича. За счет высокой дисперсности сырья прочность сырца повышается в 3–5 раз в сравнении с сырцом традиционного силикатного кирпича. Это позволит облегчить выпуск высокопустотных изделий.

а pic_10.tif б pic_9.tif

Рис. 3. Микроструктура силикатных материалов, содержащих 10 мас. % извести: давление гидротермальной обработки, МПа: а – 10; б – 0

Заключение

Таким образом, установлена возможность существенного снижения давления гидротермальной обработки при получении силикатных материалов с использованием песчано-глинистых пород незавершенной стадии глинообразования. За счет повышенной реакционной способности породообразующих минералов этого сырья в условиях гидротермальной обработки процесс формирования прочной микроструктуры цементирующего соединения протекает не только при повышенном, но и при атмосферном давлении, что позволит получать эффективные высокопустотные стеновые строительные материалы по энергосберегающей технологии.

Рецензенты:

Павленко В.И., д.т.н., профессор, директор Института строительного материаловедения и техносферной безопасности, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород;

Лукутцова Н.П., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой производства строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия», г. Брянск.

Работа поступила в редакцию 03.06.2013.