Исследование свойств минерально-щелочных композитов, полученных прессованием

В работе исследовано влияние состава минерально-щелочного вяжущего и давления прессования на прочность и плотность материала. Установленные зависимости позволят назначать составы вяжущего с учётом давления прессования для получения материала с заданными характеристиками.

Ключевые слова: минерально-щелочное вяжущее, геополимер, гранит, шлак, активатор твердения, прессование.

Основным способом формования изделий на основе минерально-шлаковых, геосинтетических и минерально-щелочных вяжущих в настоящее время является прессование и вибропрессование [1]. Это связано с тем, что такой способ формования позволяет использовать смеси с низким содержанием воды, получая при относительно низких расходах щелочей более высокие концентрации растворов активаторов твердения шлака.

Минерально-щелочное вяжущее — многокомпонентный материал, включающий в свой состав не менее пяти обязательных составляющих: реакционно-способной горной породы, шлака, двухкомпонентного активатора твердения и воды [2, 3]. При оптимизации состава этого вяжущего должны учитываться условия формования бетонной смеси, в частности, давление прессования смеси. Повышение давления прессования смеси позволяет снизить расход активатора твердения или повысить прочность. С другой стороны, высокое давление прессования ведет к ускорению износа оборудования.

Нами были проведены исследования по выявлению закономерностей влияния состава вяжущего и давления на прочностные характеристики мелкозернистого бетона на минерально-щелочном вяжущем.

Методы и материалы

Влияние параметров состава вяжущего и давления прессования на прочность и плотность материала было исследовано с применением методов математического планирования эксперимента. Составы минерально-щелочного вяжущего назначались в соответствии с ортогональным трехфакторным планом эксперимента. В качестве исследуемых факторов были выбраны: x₁ — содержание шлака (Ш), x₂ — расход раствора щелочного активатора (Ак), x₃ — логарифм давления прессования смеси lg(P). Для первого фактора основной уровень варьирования составлял 20 %, а интервал варьирования — 6 %, для второго фактора — 12 % и 4 %, а для третьего 1,6 и 0,6, соответственно.

Для изготовления вяжущего использовались измельченные до удельной поверхности 350 м²/кг отсев дробления гранитного щебня и доменный гранулированный шлак, которые перемешивались с песком. Затем сухая смесь затворялась раствором щелочного активатора. Полученная смесь формовалась в пресс-формах при давлении прессования от 10 до 160 МПа. Изготовленные образцы цилиндрической формы диаметром 25 мм при высоте 24–27 мм в течение 1 суток выдерживались во влажных условиях, а затем подвергались тепловлажностной обработке в течение 10 часов при температуре изотермической выдержки 95°С.

В качестве сырьевых компонентов вяжущего использовались: отсев дробления гранита Павловского месторождения, шлак Новолипецкого металлургического комбината, щелочной активатор твердения с концентрацией 30 %, а в качестве заполнителя — песок Сурского месторождения. Подбор влажности формовочных смесей осуществлялся экспериментально с учетом принятого давления прессования и содержания раствора щелочного активатора.

Результаты и обсуждение

По полученным результатам прочности при сжатии и плотности минерально-щелочного вяжущего были построены математические модели полиномного вида.

Зависимость плотности от исследуемых факторов после исключения статистически незначимых коэффициентов описывается уравнением ρ = 2167,9+25,125·x_2–9,2074 x₁·x₃. Анализ уравнения показывает, что наибольшее влияние на плотность смеси оказывает давление прессования и взаимодействие шлака с активатором твердения.

Из рис. 1 видно, что по мере увеличения давления прессования и содержания щелочного активатора (б) с уменьшением отношения Ак/Вода (а) плотность минерально-щелочных вяжущих равномерно возрастает. При этом плотность вяжущих находится в очень узком интервале 2080–2240 кг/м³, для которого погрешность измерения составляет не более 3,8 %.

Рис.1. Зависимости плотности от давления прессования и соотношения Ак/Вода (а), а также от давления прессования и содержания активатора твердения (б)

На рис. 2 показан график зависимости прочности минерально-щелочного вяжущего после тепловлажностной обработки от содержания шлака и давления прессования. Математическим описанием этой зависимости является уравнение R = 45,4919 + 6,4388·x₁ + 5,2705·x₂ + 1,7252·x₃ + 5,7348·x₁·x_2–1,9708·x₁·x_3–5,5192·x₁^2–1,0636·x₃². Анализ значений коэффициентов регрессии показывает, что прочность в наибольшей степени зависит от содержания в смеси шлака и давления прессования. С увеличением в составе вяжущего добавки шлака и давления прессования прочность возрастает (рис.2). Даже при средней величине давления прессования 15–40 МПа прочность составляет от 30 до 50 МПа.

Рис. 2. Зависимость прочности от содержания шлака и давления прессования смеси

Согласно графикам на рис. 3 прочность вяжущих в меньшей степени зависит от содержания активатора (рис. 3б) и отношения Ак/Вода (рис. 3а). Особенно это наблюдается в смесях с добавкой шлака менее 20 %, когда кривые прочности параллельны осям относящимся к Ак/Вода (рис. 3а) и содержанию активатора (рис. 3б). При увеличении добавки шлака до 20–27 %, активатора твердения с 13,5 % до 15,5 % прочность возрастает.

Рис. 3. Зависимость прочности от содержания шлака и соотношения Ак/Вода (а) или содержания активатора твердения (б)

Заключение

Были исследованы зависимости свойств минерально-щелочных композитов от состава вяжущего и давления прессования. Получены минерально-щелочные материалы с прочностью 30…50 МПа при плотности 2120….2200 кг/м³. Для получения вяжущих с указанными свойствами необходимо введение в его состав 14–27 % добавки шлака, до 14 % раствора щелочного активатора (от веса вяжущего), при этом формование может производиться при давлении прессования 15…40 МПа.

Литература:

1.         Калашников, В. И. Технологические и теоретические основы получения высокопрочного силицитового геополимерного камня / В. И. Калашников, В. Ю. Нестеров, Ю. В. Гаврилова, Ю. С. Кузнецов // Строительные материалы. 2006. — № 5. — С. 60–63.

2.         Ерошкина, Н. А. Вяжущее, полученное из магматических горных пород с добавкой шлака, и бетон на его основе / Н. А. Ерошкина, В. И. Калашников, М. О. Коровкин // Региональная архитектура и строительство. 2011. № 2. С. 62–65.

3.         Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: монография. — Пенза: ПГУАС, 2014. — 128 с.