Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННОГО КАМНЯ НА ОСНОВЕ ОТСЕВОВ ДРОБЛЕНИЯ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД

Кононова О.В. 1 Черепов В.Д. 1
1 ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»
Исследованы закономерности структурообразования искусственного камня на основе отсевов дробления карбонатных пород. Учитывались следующие условия: состав формовочной смеси, параметры прессования и условия твердения. Исследовались составы с содержанием цемента 10…20 %. Режим прессования оптимизировался по содержанию цемента, влажности формовочной смеси и величине прессующего давления. Установлено, что для получения качественного долговечного искусственного камня необходимо учитывать зерновой состав отсевов дробления, вероятность появления микротрещин при формовке, а также низкую водостойкость отсевов дробления карбонатных пород. Наиболее рациональным решением выявленных проблем признано применение модифицирующей добавки Пенетрон Адмикс. Установлено положительное влияние влажных условий твердения для повышения водостойкости и морозостойкости искусственного камня. Результаты исследования решают задачу комплексного использования отсевов дробления карбонатных пород в строительстве.
структурообразование
искусственный камень
отсевы дробления карбонатных пород
влажность формовочной смеси
прессующее давление
Пенетрон Адмикс
условия твердения
морозостойкость
водостойкость
1. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона . – М.: Стройиздат, 1981. – 464 с.
2. Гиперпрессованный кирпич [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-146-kirpich/11.htm (дата обращения: 20.11.2012).
3. Кондратенко В.А. Керамические стеновые материалы: оптимизация их физико-технических свойств и технологических параметров производства. – М.: Композит, 2005. – 512 с.
4. Кононова О.В., Черепов В.Д. Модифицированный искусственный камень на основе отсевов дробления карбонатных пород // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1; URL:http://www.science-education.ru/107-8295 (дата обращения: 05.02.2013).
5. Мошковская С.В. Разработка составов сухих строительных смесей гидроизоляционного назначения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. – М., 2000. –18 с.

К числу важнейших современных задач в области строительного материаловедения относится задача разработки и внедрения в производство высокоэффективных, ресурсосберегающих технологий, ориентированных на комплексное использование местных минеральных ресурсов и отходов промышленного производства. В частности, особого внимания заслуживает вопрос комплексного использования карбонатных осадочных пород, поскольку природные запасы этого сырья широко распространены на территории России. Отсевы дробления карбонатных пород (ОДКП) составляют в среднем около 40 % разрабатываемой породы. Комплексное использование низкопрочных карбонатных пород – относительно редкое явление. Карбонатные породы поволжского региона отличаются высокой неоднородностью по плотности и минералогическому составу. Их плотность варьируется в пределах 1570…2690 кг/м3, водопоглощение по массе, соответственно, в интервале 16,8…0,5 %, коэффициент водостойкости – 0,8…0,5. Широко распространены доломиты и доломитизированные известняки. Содержание МgCO3 в пределах одного месторождения изменяется от 5 до 30 %, содержание примесей глины в отдельных случаях достигает 6 %. Сложность применения ОДКП в производстве искусственного строительного камня состоит также в том, что значительная их часть характеризуется низкой водостойкостью. Таким образом, проблема рационального применения ОДКП остается сегодня актуальной. Выполненные исследования посвящены изучению закономерностей структурообразования прессованного искусственного каменного материала на основе низкопрочных и неводостойких отсевов дробления карбонатных пород.

Цель исследования – теоретически и экспериментально исследовать структурообразование искусственного камня на основе ОДКП и обосновать условия, при которых возможно комплексное использование ОДКП для получения атмосферостойкого искусственного каменного материала.

В процессе экспериментальных исследований решались следующие задачи:

  • изучить влияние параметров формования и модифицирующих добавок на формирование свойств искусственного каменного материала на основе ОДКП;
  • исследовать закономерности изменения свойств прессованного каменного материала на основе ОДКП под воздействием модифицирующих добавок.

Материалы и методы исследования

В качестве вяжущего был использован портландцемент с удельной поверхностью 350 м2/кг, изготавливаемый помолом среднеалюминатного портландцементного клинкера производства ЗАО «Ульяновскцемент» с добавкой двуводного сульфата кальция в количестве 4,5 % от массы цемента. При изготовлении искусственного строительного камня в качестве основного сырья использовались отсевы дробления карбонатных пород Коркатовского карьера республики Марий Эл (РМЭ) с содержанием глинистых примесей 6 %. В качестве мелкого заполнителя применялся природный кварцевый песок Студенковского карьера РМЭ с модулем крупности 1,9. Свойства прессованных образцов-цилиндров диаметром 70 мм и высотой 70 мм определялись через 28 суток их твердения в нормальных условиях.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследовано влияние прессующего давления, содержания цемента, воды, ОДКП и природного кварцевого песка на свойства искусственного камня на основе ОДКП. Результатом оптимизации процесса прессования является образование структуры искусственного каменного материала с достаточной и равномерной степенью уплотнения и достижение высоких физико-механических и эксплуатационных свойств.

Теоретическими исследованиями установлено, что для повышения физико-технических свойств мелкоштучных изделий из цементно-карбонатных композиций применяют методы вибропрессования мелкоштучных изделий на автоматизированных линиях с установками Besser, Hess. Исследованиями Б.В. Талпа, В.И. Седлецкого, Н.И. Бойко, В.Д. Котляра подтверждена целесообразность использования метода полусухого гиперпрессования из смесей с пониженным содержанием вяжущего вещества (цемента) – 8…12 масс. % [2]. В вопросах оптимизации технологии прессования среди многих факторов наиболее значимыми являются: зерновой состав минеральной части, влажность сырьевой смеси и удельное давление прессования. Формовочная влажность должна обеспечивать качественное уплотнение прессованием и достаточную сыпучесть формовочной смеси, необходимую для обеспечения равномерности засыпки пресс-форм [3]. Сыпучесть ухудшается при повышении содержания фракций размером < 0,16 мм. Особенностью ОДКП РМЭ является присущая им неоднородность зернового состава, в котором содержание фракций размером < 0,16 мм изменяется в пределах от 35 до 60 % [4].

Предельно достижимый показатель относительной плотности сырца как отношение средней плотности прессованного материала к истинной плотности твердой фазы лимитируется содержанием формовочной влажности и зависит от зернового состава твердой фазы [1, 3]. Характерным отличием технологии прессования является имеющее место упругое расширение прессуемого изделия, достигающее в ряде случаев 2 % и более в направлении хода штампа после снятия давления, а также в боковые стороны после извлечения из пресс-матрицы [1, 3]. Очевидно, что конечное фактическое значение величины упругого расширения зависит от сил сцепления между частицами прессуемого материала, а также от объема защемленного воздуха. Сцепление частиц и объем защемленного воздуха в значительной степени регулируются содержанием цемента, воды и зерновым составом ОДКП. Частичное защемление воздуха приводит к возникновению внутренних напряжений, являющихся причиной появления микротрещин на начальной стадии твердения прессованного цементосодержащего материала. Объем защемленного воздуха растет по мере увеличения содержания тонкодисперсных фракций в ОДКП. Ранее проведенными нами исследованиями показано, что зерновой состав ОДКП с повышенным содержанием тонкодисперсных фракций (до 60 %) можно улучшать добавлением 30…50 % природного кварцевого песка [4].

Экспериментально установлено, что при использовании прессующего давления 15…20 МПа на основе немодифицированных ОДКП и цемента в количестве 10…20 % от массы сухих материалов можно получить композиционный материал с пределом прочности при сжатии 5...20 МПа и средней плотностью в пределах 2000 кг/м3. На основании проведенного эксперимента рациональной признана формовочная влажность 11…14 % от массы сухих материалов.

Нормальные карбонаты кальция и магния, составляющие основу карбонатных пород, малорастворимы. Недостаточная водостойкость искусственного камня на основе ОДКП обусловлена присутствием в их составе тонкодисперсных частиц размером < 0,05 мм в количестве до 50 %, представленных каменной мукой – продуктом выветривания карбонатных пород и примесями до 6 % глинистых минералов. Согласно уравнению Томсона Кельвина из условия равенства химических потенциалов растворимость твердого вещества с выпуклой поверхностью с выше, чем растворимость с0 плоских поверхностей того же вещества:

kononova01.wmf

где σ – межфазное поверхностное натяжение; M – молярная масса твердого вещества; R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура; r – радиус средней кривизны поверхности раздела фаз (для шарообразных частиц r равен их радиусу); ρ – плотность вещества. Таким образом, для ОДКП характерна более высокая растворимость и связанная с ней пониженная водостойкость. Применение в качестве сырья ОДКП оказывает влияние на снижение водостойкости прессованного искусственного камня, чем существенно ограничивает область его применения.

Изучено влияние предварительной модификации отсевов дробления карбонатных пород 1…3 %-м водным раствором фтористоводородной кислоты. Установлено, что модификация значительно повышает прочность композиционных материалов. Прирост прочности при сжатии прессованных при давлении 15 МПа составов, содержащих 20 % цемента, за счет модификации отсевов дробления составил 28 %. Под влиянием химического модификатора уплотняется структура композиционного материала. При содержании цемента 20 % модификация способствовала снижению водопоглощения с 16 до 14 %. Химическое взаимодействие на границе фаз обеспечило образование прочных и водостойких соединений СаF2 и MgF2. Однако коэффициент водостойкости модифицированного искусственного камня остался в пределах 0,6…0,7.

Для повышения водостойкости прессованного искусственного каменного материала на основе ОДКП при расходе цемента 10…20 % в составы формовочных смесей была введена добавка Пенетрон Адмикс производства ООО «Завод гидроизоляционных материалов «Пенетрон»» в количестве 1 % от массы цемента. Влияние условий твердения на водостойкость искусственного камня исследовано в рамках технологии, предусматривающей твердение образцов в нормальных условиях и в условиях погружения в водную среду через 72 часа после формовки. Влияние условий твердения образцов на коэффициент водостойкости при различном содержании цемента приведено на рисунке в сравнении с контрольными составами, не содержащими Пенетрон Адмикс.

pic_18.tif

Влияние добавки Пенетрон Адмикс, содержания цемента и условий твердения на коэффициент водостойкости прессованного искусственного каменного материала

Водостойкость и водонепроницаемость искусственного прессованного материала зависит не столько от объема образующихся кристаллогидратов в поровом пространстве искусственного камня при его твердении, сколько от количества и размера кристаллов. В процессе гидратации происходит снижение влажности в поровом пространстве искусственного камня полусухого прессования. Это способствует разрушению и перекристаллизации образовавшихся на начальной стадии твердения кристаллов эттрингита в более крупные кристаллы, что приводит к увеличению пористости и снижению водостойкости искусственного камня. В соответствии с законом Гиббса ‒ Фольмера чем меньше критический размер зародыша кристаллизации rкр при кристаллизации гидратных образований из пересыщенных водных растворов, тем больше количество и меньше размер образующихся кристаллов:

kononova02.wmf

Снижение степени пересыщения поровой жидкости с/с0 при насыщении водой структуры искусственного камня в процессе твердения понижает критический размер зародышей кристаллизации rкр, способствуя стабилизации мелкозернистой структуры кристаллогидратов. Мелкозернистое строение стабильных кристаллогидратов приводит к надежному уплотнению порового пространства и повышению водонепроницаемости и водостойкости искусственного камня [5]. Насыщение порового пространства водой стабилизирует существование большого количества мелких кристаллов эттрингита.

Пенетрон Адмикс способствует размещению зародышей кристаллогидратов в поровом пространстве искусственного камня. Поступление воды в поровое пространство искусственного камня при твердении приводит к снижению концентрации Са(ОН)2 в жидкой фазе до такого уровня, при котором высокоосновные гидроалюминаты кальция становятся нестабильными. В результате происходит связывание глинозема в скрытокристаллический гидросульфоалюминат кальция трехсульфатной формы в обводненных порах и капиллярах. Накопление мелкодисперсных стабильно существующих кристаллов эттрингита сопровождается их интенсивным срастанием, увеличением плотности, непроницаемости, повышением водостойкости и морозостойкости искусственного каменного материала [5].

Изделия, полученные методом прессования из ОДКП, несут в себе дефекты в виде микротрещин, понижающих их морозостойкость. Залечивание микротрещин введением добавки Пенетрон Адмикс – эффективный способ устранения микротрещин и повышения плотности структуры.

Результаты проведенных экспериментов показывают возможность получения водостойкого и морозостойкого прессованного искусственного каменного материала на основе ОДКП при расходе цемента 10…20 % с прочностью при сжатии 25,0…30,0 МПа при использовании добавки Пенетрон Адмикс на основе технологии, предусматривающей погружение образцов в водную среду через 72 часа после формовки.

Важнейшее влияние на формирование эксплуатационных свойств исследуемого материала оказывают параметры его поровой структуры. Результаты исследования средней плотности материала, определенные в соответствии с ГОСТ 12730.1-78, подтверждают факт уплотнения структуры материала. Установлено, что средняя плотность материала под влиянием модификатора увеличивается на 5 %. Исследована микроструктура модифицированного искусственного каменного материала на основе отсевов дробления карбонатных пород. Микрофотографии структуры искусственного камня показывают, что в присутствии добавки Пенетрон Адмикс она существенно уплотняется.

Сравнительные исследования показывают, что применение добавки Пенетрон Адмикс в качестве химического модификатора прессованного каменного материала позволяет повысить прочность изделий на 16,5 % при содержании цемента 10 % от массы сухих материалов и на 18,8 % при содержании цемента 20 % по сравнению с аналогичными составами материала без модификатора.

Определены основные физико-механические и эксплуатационные характеристики рациональных составов прессованного каменного материала на основе ОДКП, модифицированного добавкой Пенетрон Адмикс при расходе цемента 10…20 % (прочность при сжатии 20…25 МПа, коэффициент водостойкости > 0,8, морозостойкость – F50, средняя плотность – 2100 кг/м3, общая пористость 20–23 %, водопоглощение по массе 6,5…6,2 %, удельная эффективная активность естественных радионуклидов менее 370 Бк/кг). В ходе проведения сравнительных исследований установлено, что разработанный материал не уступает по качеству силикатному кирпичу марки М200, но при этом обладает более высокой водостойкостью.

Выводы

  1. Наиболее рациональным решением в вопросе использования ОДКП в производстве прессованного искусственного строительного камня признано применение модифицирующей добавки Пенетрон Адмикс.
  2. Установлено положительное влияние влажных условий твердения для повышения водостойкости и морозостойкости искусственного камня. Результаты исследования решают задачу комплексного использования отсевов дробления карбонатных пород в строительстве.

Рецензенты:

Салихов М.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой автомобильных дорог, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола;

Минаков Ю.А., д.т.н., профессор кафедры строительных материалов и технологии строительства, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.

Работа поступила в редакцию 23.07.2014


Библиографическая ссылка

Кононова О.В., Черепов В.Д. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННОГО КАМНЯ НА ОСНОВЕ ОТСЕВОВ ДРОБЛЕНИЯ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-6. – С. 1200-1204;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35038 (дата обращения: 13.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074