ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ БЕЗАВТОКЛАВНЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Володченко Александр Анатольевич

аспирант Белгородского государственного технологического университета им В.Г. Шухова, г. Белгород

Е-mail: 

MICROSTRUCTURE FORMATION OF NON-AUTOCLAVE SILICATE BASED MATERIALS ON THE BASIS OF SAND AND CLAY ROCK

Aleksandr Volodchenko

graduate of Belgorod State Technological University named after

V.G. Shukhov, Belgorod

АННОТАЦИЯ

Установлено, что породообразующие минералы песчано-глинистых пород незавершенной стадии глинообразования активно взаимодействуют с известью в условиях пропарки при атмосферном давлении. При этом формируется микроструктура цементирующего соединения, обеспечивающая высокие физико-механические показатели силикатных материалов.

ABSTRACT

It has been found that rock-forming minerals of sandy and clay rock of the incomplete stage of clay formation interact with lime under conditions of a steaming at atmospheric pressure. In this case the microstructure of a cementitious compound is formed. This microstructure provides high physical and mechanical properties of silicate materials.

Ключевые слова: песчано-глинистые породы; известь; пропарка; микроструктура новообразований; силикатные материалы.

Keywords: sand-clay rocks; lime; steaming; new formation microstructure; silicate materials.

Реализация национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» ставит задачи увеличения производства и расширения области применения эффективных стеновых материалов с высокими эксплуатационными и технико-экономическими показателями, изготавливаемых на основе промышленных отходов и местного сырья. Применительно к технологии получения силикатных материалов решение этой задачи заключается в переходе от традиционного сырья к получению композиционного вяжущего на основе алюмосиликатного сырья, способствующее целенаправленному синтезу цементирующих веществ с оптимальной микроструктурой. Анализ сырьевой базы производства силикатных материалов позволил теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность использования для этих целей глинистых пород незавершенной стадии глинообразования, в частности, попутно добываемых песчно-глинистых пород Курской магнитной аномалии.

Глины — это продукты одной из заключительных фаз выветривания алюмосиликатных пород, конечной стадией которых являются образование каолинитовых и монтмориллонитовых глин. Эти глины используются для производства керамических изделий, цемента, а также их можно применять для получения металлокомпозитов [10—18].

Минералогический состав пород незавершенной стадии глинообразования представлен такими термодинамически неустойчивыми соединениями как смешаннослойные образования, несовершенная гидрослюда, Ca²⁺монтмориллонит, неупорядоченный каолинит, тонкодисперсный неокатанный кварц и др. Это сырье обеспечивает оптимизацию структуры цементирующего соединения и, соответственно, улучшает физико-механические характеристики автоклавных силикатных материалов [1—9, 19].

Учитывая, что природные процессы выполнили часть работы по дезинтеграции породы, вероятно, возможен процесс взаимодействия породообразующих минералов с вяжущим компонентом в условиях гидротермальной обработки при атмосферном давлении, что явилось гипотезой данных исследований.

Цель работы — изучение структурообразования в силикатных материалах на основе песчано-глинистых пород и извести в условиях пропарки.

Для исследований было использованы песчано-глинистые породы, представленные супесью и суглинком. Глинистая фракция пород состоит из монтмориллонита, гидрослюды, каолинита и смешаннослойными образованиями типа гидрослюда-монтмориллонит.

Показано, что на основе песчано-глинистых пород и извести можно получать силикатные материалы с пределом прочности при сжатии 2,73—3,40 МПа для литьевого способа формования и 13,79—14,5 МПа для полусухого прессования. Оптимальное содержание извести составляет 10 мас. %. Эта величина содержания извести не зависит от способа формования образцов.

Установлено, что породообразующие минералы изучаемого сырья в условиях пропарки при температуре 90—95°C активно взаимодействует с известью. При этом протекают физико-химические процессы, которые приводят к синтезу комплексного вяжущего, образующего прочный каркас. По данным дифференциально-термического и рентгенофазового анализов новообразования представлены преимущественно слабоокристаллизованными гидросиликата кальция типа CSH(B). Гидросиликаты кальция образуются как за счет взаимодействия извести с тонкодисперсным кварцем, так и за счет глинистых минералов. В образцах также фиксируется образование гидрогранатов из ряда твердых растворов C₃AH₆—C₃AS₂H₂. При взаимодействии гидроксида кальция с глинистыми минералами в условиях тепловлажностной обработки ослабляются связи между кремнекислородными тетраэдрами и атомами алюминия в кристаллической решетке глинистого минерала, и как глинозем, так и кремнезем приобретают способность вступать в реакции с гидроксидом кальция с образованием гидросиликатов кальция и гидрогранатов.

Микроструктура пропаренных образцов представлена на рис. 1 и 2.

Рисунок 1. Микроструктура образцов литьевого способа формования

 на основе супеси с содержанием 10 мас. % извести

В образце на основе супеси за счет избытка воды наблюдается рыхлая, матричная структура (см. рис. 1). Здесь, вероятно, образуется коагуляционно-кристаллизационной структура.

Рисунок 2. Микроструктура образцов полусухого прессования на основе

 суглинка с содержанием 20 мас. % извести

Более плотная структура новообразований образуется в прессованных образцах (см. рис. 2). В образце на основе суглинка четко прослеживается сетка из новообразований, которые представляют собой слабоокристаллизованные низкоосновные гидросиликаты кальция. В этом случае формируется кристаллизационная структура.

Можно сделать вывод, что при использовании изучаемого сырья образуется прочная микроструктура цементирующего вещества за счет высокой плотности упаковки материала, а также увеличения числа контактов между новообразованиями вследствие синтеза гидрогранатов, которые являются микронаполнителем в субмикрокристаллической гелевидной фазе из низкоосновных гидросиликатов кальция.

Таким образом, песчано-глинистые породы незавершенной стадии глинообразования за счет содержащихся в них метастабильных глинистых минералов и тонкодисперсного кварца активно взаимодействует с известью в условиях тепловлажностной обработки при температуре 90—95ºС с образованием слабоокристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция и гидрогранатов, что приводит к возникновению прочной коагуляционно-кристаллизационной и кристаллизационной структуры материала, обеспечивающей высокие физико-механические показатели силикатных изделий. На основе изучаемых глинистых пород можно получать эффективные стеновые строительные материалы с низкими энергозатратами. Оптимальное содержание извести для изучаемых песчано-глинистых пород составляет 10 мас. %, причем эта величина не зависит от способа формования образцов — литьевого или полусухого прессования.

Список литературы:

1.Алфимов С.И., Жуков Р.В., Володченко А.Н., Юрчук Д.В. Техногенное сырье для силикатных материалов гидратационного твердения // Современные наукоемкие технологии. — 2006. — № 2. — С. 59—60.

2.Володченко А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Жуков Р.В. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов // Современные наукоемкие технологии. — 2005. — № 10. — С. 79.

3.Володченко А.Н., Жуков Р.В., Алфимов С.И. Силикатные материалы на основе вскрышных пород Архангельской алмазоносной провинции // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. — 2006. — № 3. — С. 67—70.

4.Володченко А.Н., Лесовик В.С. Повышение эффективности производства автоклавных материалов // Известия вузов. Строительство. — 2008. — № 9. — С. 10—16.

5.Володченко А.Н., Лесовик В.С. Силикатные автоклавные материалы с использованием нанодисперсного сырья // Строительные материалы. — 2008. — № 11. — С. 42—44.

6.Володченко А.Н. Особенности взаимодействия магнезиальной глины с гидроксидом кальция при синтезе новообразований и формирование микроструктуры // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. — 2011. — № 2. — С. 51—55.

7.Володченко А.Н., Жуков Р.В., Лесовик В.С., Дороганов Е.А. Оптимизация свойств силикатных материалов на основе известково-песчано-глинистого вяжущего / А.Н. Володченко, // Строительные материалы. — 2007. — № 4. — С. 66—68.

8.Володченко А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Володченко А.А. Регулирование свойств ячеистых силикатных бетонов на основе песчано-глинистых пород // Известия вузов. Строительство. — 2007. — № 10. — С. 4—10.

9.Володченко А.Н., Жуков Р.В., Фоменко Ю.В., Алфимов С.И. Силикатный бетон на нетрадиционном сырье // Бетон и железобетон. — 2006. — № 6. — С. 16—18.

10.Ключникова Н.В. Взаимодействие между компонентами при изготовлении металлокомпозитов // Фундаментальные исследования. — 2007. — № 12-1. — С. 95—97.

11.Ключникова Н.В., Юрьев А.М., Лымарь Е.А. Перспективные композиционные материалы на основе металлической матрицы и неметаллического наполнителя // Успехи современного естествознания. — 2004. — № 2. — С. 69—69.

12.Ключникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М., Проблемы совместимости керамической матрицы и металлического наполнителя при изготовлении композитов строительного назначения // Строительные материалы. — 2005. — № 11. — С. 54—56.

13.Ключникова Н.В., Лымарь Е.А. Получение металлокомпозиционных материалов // Стекло и керамика. — 2006. — № 2. — С. 33—34.

14.Ключникова Н.В. Принципы создания керамометаллического композита на основе глин и металлического алюминия // Естественные и технические науки. — 2012. — № 2(58). — С. 450—452.

15.Ключникова Н.В. Термомеханическое совмещение компонентов при создании керамометаллических композитов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. — 2012. — Т. 6. — № 2. — С. 65—69.

16.Ключникова Н.В. Изучение взаимодействия между компонентами при создании керамометаллических композиционных материалов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. — 2011. — Т. 10. — № 4. — С. 5—8.

17.Ключникова Н.В. Керамометаллические композиционные материалы с высоким содержанием алюминия // Современные проблемы науки и образования. — 2011. — № 6. — С. 107—107.

18.Ключникова Н.В. Влияние пористости на свойства керамометаллических композитов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. — 2012. — Т. 6. — № 3. — С. 41—45.

19.Лесовик В.С., Володченко А.Н., Алфимов С.И., Жуков Р.В., Гаранин В.К. Ячеистый бетон с использованием попутнодобываемых пород архангельской алмазоносной провинции // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2007. — № 2. — С. 13—18.