Использование растворов силиката натрия в производстве бетонов

В данной статье рассмотрены физико-химические свойства силиката натрия и использование растворов силиката натрия в производстве бетонов.

Ключевые слова: кремнесодержащие породы, опока, силикат натрия, бетон, производства бетонов, вязкость, плотность.

В производстве строительных материалов используется силикат натрия для производства бетонных конструкций и изделий. Силикат натрия является крупнотоннажным продуктом неорганического синтеза и производится во всех промышленно развитых странах мира, причем с увеличением темпов строительства в Казахстане потребность в нем непрерывно возрастает. Исходя из классификации строительных вяжущих веществ, раствор силиката натрия относят к «воздушным вяжущим», поскольку искусственный камень на его основе неводостоек — разупрочняется при хранении в воде. Однако специальными приемами водостойкость такого камня может быть значительно повышена, прежде всего, за счет правильного выбора отвердителя, использования термического отверждения, введение добавок-модификаторов и т. д. Раствор силиката натрия применяют для производства бетонных конструкций и изделий, для укрепления грунтов при строительстве дорог, аэродромных покрытий, оснований под фундаменты, в частности, в составе инъекционных растворов [1].

Основным способом производства раствора силиката натрия, реализуемым в нашей области является получение растворов силиката натрия гидротермальным методом на основе природного кремнеземсодержащего сырья.

Сырьем для производства растворов силиката натрия гидротермальным методом являются горные породы осадочного происхождения (опоки, трепелы, диатомиты и др.). Одним из основных критериев определения пригодности данного сырья является максимальное содержание в нем аморфного SiO₂ и минимальное содержание примесей, которые являются источником загрязнения растворов щелочных силикатов и способствуют появлению в них нерастворимых остатков.

Силикат натрия используется он обычно в виде водных растворов. Общепризнано, что в химии силикатов, а также в химии растворов силикатов результат химического взаимодействия трудно, а подчас и невозможно свести к ряду химических реакций в привычном для химиков формульном выражении. С одной стороны, это обусловлено сложным и большей частью неизвестным полимерным составом раствора, который формально характеризуют силикатным модулем, и неизвестным характером полимерных превращений в ходе взаимодействия. С другой стороны, такая ситуация складывается из-за некристаллического аморфного состояния продуктов реакции. Обычно они имеют нестехиометрический состав и развитую поверхность; большую роль в этом случае играют адсорбционные явления, и отличить адсорбцию от химических реакций можно только условно или в специальном исследовании [2].

Химизм процессов, происходящих при твердении силикатных масс на основе силиката натрия, проявляется, прежде всего, в выделении из щелочного силиката коллоидного кремнезема. Эта коагуляция особенно наглядно обнаруживается у высококремнеземистых силикатных композиций, содержащих большое количество малоустойчивых коллоидных мицелл, легко распадающихся под влиянием различных причин. Высокомодульные концентрированные растворы силикатов щелочных металлов, получаемые гидротермальным способом, являются системами, переходными от растворов к коллоидам. Им уже в значительной степени присущи превращения, характерные для коллоидной химии: гелеобразование, коагуляция, флокуляция. Эти явления очень часто сопутствуют, накладываются на основное химическое взаимодействие, придавая химии растворов силикатов своеобразие.

Основными характеристиками растворов щелочных силикатов являются силикатный модуль, содержание SiO₂, М₂О (Na₂О или К₂О), или содержание твердого вещества (SiO₂+М₂О). Штыренковым предложена эмпирическая формула для определения силикатного модуля натриевых силикатов: п=55,16(р-1)N—2,28, где р -плотность раствора силиката натрия; N — нормальность щелочи в этом растворе, определенная титрованием. На рис. 1 представлены в качестве примера для системы К₂О- SiO₂-Н₂О графики, позволяющие по плотности и содержанию К₂О и SiO₂ определить модуль раствора, или наоборот, причем графики, предназначенные для работы, делают более крупными и наносят на них частую сетку.

Рис. 1. Плотность растворов силикатов калия (число над линиями) в зависимости от состава раствора (числа справа показывают отношение SiO₂/К₂О: а — массовое, б — молярное)

Для определения плотности в технических целях используют наборы ареометров. При более точных измерениях прибегают к пикнометрическому методу с обязательным термостатированием.

Вязкость растворов очень сильно изменяется с температурой.

Небольшой подогрев может быть оправдан при перевозке щелочных силикатов по железной дороге в цистернах. Исследователи обычно отмечают, что причина высокой вязкости силикатных растворов по своей природе отлична от растворов высокополимерных органических соединений. Способы определения средней молекулярной массы по величине характеристической вязкости не применимы к растворам щелочных силикатов [3].

Другой особенностью химии растворов силикатов является то обстоятельство, что результат взаимодействия реагентов зависит не только от их химической природы, но и от целого ряда нехимических факторов: порядка смешения реагентов, их начальной концентрации, скорости перемешивания при смешении и т. п. Общая причина этой группы явлений — гелеобразование на границе раздела взаимодействующих или смешиваемых фаз. Это приводит к осложнениям при гомогенизации реакционной системы и к возрастанию роли диффузионных процессов, предшествующих химическому взаимодействию реагентов. Поэтому различные технологические приемы, используемые для обеспечения взаимодействия реагентов, могут играть решающую роль в создании систем с заданными свойствами. Такими технологическими приемами, помимо перемешивания, могут быть предварительное растворение твердых реагентов в том же самом растворителе (например, в воде); их диспергирование; проведение гетерогенной реакции при непрерывном обновлении поверхности (например, в шаровой мельнице); растворение различных исходных реагентов в двух несмешивающихся растворителях с последующим эмульгированием и т. п. Описание результатов реакции и использования тех или иных технологий проведения этих реакций оказывается громоздким, сводится, в конечном итоге, к бесконечному множеству примеров.

Очевидно, что, приливая раствор силиката к избытку кислоты, при быстром перемешивании можно проскочить этот диапазон рН и сразу выйти на устойчивые системы при рН равном 2. Обратный порядок приливания приведет к образованию геля или к неоднородной системе при медленном перемешивании. Из рисунка следует, что использование сильнокислотных катионитов, обусловливающее малую ионную силу раствора, может дать совсем иной результат, чем адекватная нейтрализация щелочи кислотой в диапазоне рН = 7–10. Изменение природы аниона в растворе, т. е. частичная замена гидроксильного иона анионом вводимой кислоты, имеет следствием большую или меньшую потерю устойчивости системы, поскольку гидроксильный ион лучше любого другого аниона хемосор-бируется на поверхности полимерных частиц, сообщая им отрицательный заряд, препятствующий их агломерации. В зависимости от способности аниона кислоты сорбироваться на поверхности кремнезема полная или частичная нейтрализация раствора щелочного силиката той или иной кислотой может дать внешне различные результаты: выпадение объемистого аморфного осадка (коагуляция), образование студенеобразной массы (гелеобразование), помутнение раствора из-за образования микронеоднородностей в системе, сохранение прозрачного раствора с меньшим или большим изменением вязкости [4].

Учитывая широкое применение растворов силиката натрия для производства бетонных конструкций и изделий, для укрепления грунтов при строительстве дорог, аэродромных покрытий, оснований под фундаменты и т. д. большое значение имеют исследования свойств силиката, полученные из местных месторождений.

Литература:

1.         Технологическая оценка качества на разных стадиях ГРР исходных и активированных цеолитсодержащих кремнистых пород для использования в нетрадиционных направлениях Методические указания НСОМТИ № 98 / Т. П. Конюхова, У. Г. Дистанов, О. А. Михайлова, Д. А. Кикило, Т. Н. Чуприна. — М.: ВИМС, 2000. — 111 с.

2.         Везенцев, А. И. Энергосберегающий синтез нанодисперсного аморфного силиката натрия для производства жидкого стекла / А. И. Везенцев, И.Д. Тарасова, Е. Л. Проскурина, А. П. Полыпин // Стекло и керамика. — 2008. —№ 8.-С. 3–7.

3.         Айлер, Р. Химия кремнезема / Р.Айлер; пер. с англ. — М: Мир, 2001. Ч. 1,2.-416с.

4.         Барзаковский, В. П. Труды Д. И. Менделеева в области химии силикатов и стеклообразного состояния / В. П. Барзаковский, Р. Б. Добротин. — М.: Изд-во АН. 2002. — 125 с.