Композиционные материалы на основе наполнителей из горных пород и силикатосодержащих отходов

Божко В.І.1, И.И. Дидук1, Л.О. Горбачова1, Е.С. Кузьменко1, О.М. Ященко1, Ю.М Чувашов1, Ю.Е. Зубко2
1 Государственное предприятие «БАВОМА», г. Киев, Украина
2 ООО «НПК «Магма Технология», г. Ивано-Франковск, Украина

Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады ХI Всероссийской научно-практической конференции 6 – 8 июня 2012.–Бийск: БТИ АлтГТУ, 2012.– С. 101–104.

Studied the possibilities of different kinds silicate containing waste products utilization in the manufacture of disperse reinforced compositions based on cement binder. The obtained materials have good physical and mechanical properties and may find application in various sectors of the economy.

Введение


Накопление большого количества техногенных отходов, являющихся побочным продуктом деятельности разного рода производств, приводит к уменьшению продуктивных земельных площадей, загрязнению почвы и воды, обострению экологических проблем.

Переработка техногенных отходов путем их использования в производстве теплоизоляционных и строительных материалов способствует решению многих задач, в частности:

  • утилизации отходов и регенерации загрязненных территорий;
  • улучшению экологической обстановки на объектах и регионах в целом;
  • экономии энергетических и сырьевых ресурсов и т.п.

Прочность сцепления армирующей компоненты и матрицы в значительной степени зависит от прочности контактного слоя цементного камня и интенсивности взаимодействия между компонентами композиции [1-7].



Цель исследований


Изучение возможности использования в качестве армирующих компонентов цементных композиций волокон диаметром более 70 мкм, чешуе подобных материалов из горных пород и разного рода отходов производства в виде измельченных силикатных некондиционных материалов и "корольков".



Объекты и методы исследований


В качестве основных объектов исследований использованы композиции на основе портландцементного связующего и наполнителя в виде волокон из горных пород диаметром (70 - 700) мкм, волокнистых отходов ("королька") и чешуе подобного силикатного материала.


Дополнительно в состав формуемой смеси вводили до 10 % силикатосодержащих отходов в виде молотых некондиционных и поврежденных бетонных и минераловатных материалов и изделий. Химический состав армирующих материалов приведен в таблице 1.


Таблица 1 - Виды и химический состав армирующих материалов:
  Состав, масc %
Армирующий компонент SiО2 CaO R2O MgO 2О3 + FeO Al2O ТiO2 п.п.п.
Волокно из горных пород, волокнистые отходы („королек”) 49,71 - 52,20 11,70 - 13,90 1,80 - 2,03 2,01 - 2,88 12,51 - 14,89 14,90 - 16,22 0,3 - 0,7 0,9 - 1,2
Приблизительная стоимость 48,20 - 49,10 8,10 - 8,31 2,52 - 2,70 4,80 - 5,20 14,20 - 14,70 14,50 - 14,70 2,50 - 2,70 0,90 - 1,11


Таблица 2 - Характеристики чешуе подобного наполнителя
Толщина, мкм 1,8 - 4,5
Размер частиц, мм 0,25 - 9,0
Химическая устойчивость, %:
Н2О 97,5 - 99,5
0,5 N NaOH 77,0 - 97,3
2,0 N NaOH 52,0 - 86,2
2,0 N HCl 40,5 - 73,8


Определение микроструктуры образцов проводили на растровом электронном микроскопе TESLA-BS-300. Для этого на поверхность образца размером 10х10х10 мм напыляли слой золота толщиной 20-30 нм.
  В работе использованы классические методы исследования в соответствии с ГОСТ, ГСТУ, ТУ.



Основная часть


Коррозионную устойчивость волокнистых и чешуе подобных наполнителей определяли по взаимодействию с насыщенным раствором Са(ОН)2, а также с жидкой фазой твердеющего портландцемента

В случае использования портландцемента в качестве материала матрицы, процесс взаимодействия армирующей компоненты с новообразованиями твердеющего вяжущего обусловлен химическим взаимодействием Ca(OH)2 с поверхностью наполнителя. Этот процесс сопровождается снижением количества свободной извести и увеличением количества гидросиликата в составе новообразования.

Интенсивное взаимодействие наполнителей с портландитом твердеющего цементного камня подтверждено результатами электронно-микроскопических исследований микроструктуры сформованных образцов (рисунок 1).



Цемент Вата

Рисунок 1 – Микроструктура композитов на основе цементного вяжущего и различных наполнителей: а - чешуе подобных, б - волокнистых ("королька")



При нормальных условиях твердения портландцемента, композиции, включающие волокна, чешую, волокнистые отходы, характеризуются увеличением уровня прочности.

Микроструктура композита на основе портландцемента и чешуе подобного материала сформирована кристаллическими группами неправильной формы, сросшимися между собой. Имеются поры вытянутой и округлой формы размером до 120 мкм, некоторые до 300 мкм. Между отдельными порами наблюдаются перегородки толщиной до 5 мкм.

Материал на основе портландцемента и волокнистого наполнителя ("королька") имеет пористую структуру и состоит из микрозернистых кристаллитов неправильной формы. Размеры кристаллов 0,5–20 мкм. В больших порах наблюдаются новообразования значительно большего размера, нежели структура основного материала. Зона контакта между волокнами и материалом матрицы сплошная.

Результаты исследований прочности полученных композиций представлены в таблице 3.



Таблица 3 – Прочность композитов на основе волокнистых, чешуе подобных наполнителей, базальтовых волокон и отходов ("королек")
Наполнитель Прочность при изгибе, МПа
7 суток 28 суток 3 месяца 6 месяцев
Базальтовое волокно 180 – 250 мкм 18 19,2 21,6 25,5
Чешуе подобный наполнитель 7,2 7,0 8,1 9,0
"Королек" 21 22,5 23,2 25,7


Количество волокнистых и чешуе подобных наполнителей в цементной матрице при объемно произвольном армировании и обычном способе смешивания находилась в пределах 1-25 %. На рисунке 2 представлены образцы полученных материалов.



Заключение


Проведенные исследования указывают на возможность и целесообразность использования разного рода силикатосодержащих отходов при изготовлении дисперсноармированных композиций на основе цементных вяжущих для применения в дорожном строительстве в качестве тротуарной плитки, бортового камня, бордюров и пр. Сырьевая база эффективных строительных материалов может быть расширена за счет большего объема источников и хранилищ техногенных отходов. Использование вышеуказанных отходов и вторичных продуктов позволит в 2-3 раза снизить стоимость готовых материалов, повысить их качество и улучшить экологическое состояние окружающей среды.




Список литературы


  1. Рабинович Ф. Н.
    Дисперсноармированные бетоны.
    // М.: Стройиздат, 1989.
  2. 2. Бирюкович К.Л., Бирюкович Ю.Л., Бирюкович Д.Л.
    Стеклоцемент.
    // Київ: Бyдiвeльник, 1964.
  3. Материалы, армированные волокном
    // Пер. с англ. Л.И.Сычевой, А.В.Воловика. - М.: Стройиздат 1982.-180 с.
  4. Композиционные материалы. Справочник
    // Под общ. ред. Д.Л. Карпинос. - Киев: Наукова думка.
  5. Михайлов К.В., Волков Ю.С.
    Бетон и железобетон в строительстве.
    // М.: Стройиздат.
  6. Пащенко А.А., Сербин В.П.
    Армирование цементного камня
    // УкрНИИНТИ, Киев, 1977.
  7. Глуховський В.В., Свідерський В.А., Ященко О.М. та ін.
    Композиційні матеріали на основі волокон з гірських порід та неорганічних в’яжучих.
    // Київ – 2006.