сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
студент
, Россия
студент
, Россия
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
В работе исследовалась возможность использования стеклоотходов в качестве вяжущего вещества для стеклобетона. На сегодняшний день строительная промышленность предъявляет к вяжущим материалам новые требования, наряду с совершенствованием производства портландцемента ведутся исследования по изучению новых видов вяжущих. Утилизация стекольного боя обусловлена не только экологическими, но и экономическими предпосылками. В работе проводились исследования свойств стёкол для получения вяжущих. С помощью рентгенофлуоресцентного метода исследован химический состав тарного и листового стёкол, определены основные оксиды исходного сырья. Подобран активирующий компонент для композиционного вяжущего. На основании экспериментальных данных установлено, что наиболее целесообразно применение в качестве активатора жидкого стекла в количестве 5 % от массы композиционного вяжущего. Установлено, что стеклянный наполнитель необходимо использовать в сочетании с цементом для получения композиционного вяжущего, так как для стеклопорошков щелочные агенты Na2CO3 и Na2SiO3 не работают как активаторы. Определены оптимальные составы композиционного вяжущего и подробно исследованы прочностные свойства полученных образцов. Составы с активатором Na2SiO3 показали наибольшие показатели по прочности, чем составы с активатором Na2CO3.
стеклобой, стеклобетон, цемент, композиционные вяжущие, щелочной активатор
Введение. Вяжущие вещества – основа современного строительства, которые широко применяются для производства бетонов, штукатурных и кладочных растворов [1–4].
Цементобетон и железобетон на сегодняшний день являются самыми востребованными материалами в строительстве. Сейчас широко используется модифицированный бетон, который получают с применением комплексных добавок [5, 6], к таким бетонам относят полимербетон, стеклобетон и другие. Данные материалы обладают такими высокими характеристиками, как прочность, морозостойкость, коррозионная стойкость, трещиностойкость [7–9]. Применение композиционных материалов повышает эксплуатационные свойства конструкций.
Использование различных видов отходов как составляющей строительных материалов повлекло за собой увеличение внимания к проблеме утилизации несортированного стеклобоя [10–12]. Изготовление цемента считается энергоёмким производством, так как связано с большими расходами топлива и сырья. Разработка составов и материалов для строительной промышленности с применением стеклоотходов вызвано экологическими и экономическими положениями.
Проблемы рационального использования цемента в бетоне и изделиях на его основе являются весьма актуальными, в этой связи необходима разработка композиционных материалов с использованием смешанных вяжущих, а также внедрение такой технологии, которая гарантировала бы высокие эксплуатационные характеристики композитов [13].
Материалы и методы. Для проведения экспериментальных исследований были использованы следующие сырьевые материалы: портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н производства ЗАО «Белгородский цемент» (ГОСТ 10178–85); песок Корочанского месторождения (ГОСТ 8736–2014); вода (ГОСТ 23732–2011), стеклобой листового и тарного стекол. Исследование химического состава стекол проводили на спектрометре АРL 9900 «Thermo scientific» рентгенофлуоресцентным методом. Для эксперимента использовался стеклопорошок с Sуд = 500 м2/кг.
Для обеспечения в водном растворе высокощелочной среды (рН≥13) были выбраны два вида активирующих агентов: жидкое стекло Na2SiO3 и карбонат натрия Na2CO3. Щелочной активатор использовался в виде водного раствора. Испытания образцов на прочностные характеристики проводили на гидравлическом прессе П-10.
Основная часть. SiO2, Na2O и Al2O3 являются основными оксидами исходного сырья, от содержания которых зависит механизм структурообразования в щелочеалюмосиликатных вяжущих, а также от их соотношений в щелочеактивированной системе [14]. Натрий-кальций-силикатное стекло может рассматриваться как аморфный алюмосиликатный материал, содержащий в своем составе щелочные и щелочноземельные компоненты. Растворимость кристаллического кремнезёма, как и аморфного, в нейтральной и кислой среде была минимальна, тогда как в щелочной среде резко возрастала. Это объясняется формированием в системе легкорастворимых щелочных силикатов.
Для исследований применялся стеклобой зелёной тары и бой листового стекла, химический состав стёкол представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав стекол
|
|
Содержание оксидов, мас. % |
||||||||
|
SiO2 |
Na2O |
Al2O3 |
MgO |
CaO |
К2О |
SO3 |
Fe2O3 |
Cr2O3 |
|
|
Листовое стекло |
71,3 |
15,0 |
1,5 |
4,2 |
7,5 |
0,3 |
0,1 |
0,1 |
– |
|
Тарное стекло |
68,8 |
14,2 |
3,3 |
3,5 |
9,2 |
0,6 |
– |
0,3 |
0,1 |
На основании обзора литературных данных для исследований выбраны два вида активирующего агента: жидкое стекло и сода [4, 15–20]. С целью определения наиболее эффективного активирующего агента заформованы составы вяжущего на основе стекла с разными активаторами. Для эксперимента использовался стеклопорошок с Sуд = 500 м2/кг в количестве 100 % и щелочной активатор в виде водного 5-% раствора. После формования образцы подвергались сушке при температуре 50 °С в течение 9 часов, далее набор прочности происходил при нормальных условиях твердения.
В ходе эксперимента исследована зависимость характера образования структуры алюмосиликатной вяжущей системы от химической природы активирующего компонента. При взаимодействии силикатного стекла со щелочами идёт образование анионов SiO32–, SiO44–, Si2O52–, а также силикатов щелочных металлов [21]. Повышение растворимости кремнезёма при взаимодействии со щелочами идёт с образованием легкорастворимых щелочных силикатов, дополнительно переводящих SiO2 в раствор, в результате чего образуется жидкое стекло.
Растворы едких щелочей стабилизируют систему, так как щелочи химически связывают коллоидный кремнезем. Растворы щелочных силикатов содержат в своем составе значительное количество кремниевой кислоты, которая склонна к полимеризации.
Измельченный стеклобой при взаимодействии с водой не проявляет вяжущих свойств независимо от наличия в его составе большого количества щелочи [22]. Для изучения кинетики изменения во времени прочностных характеристик вяжущих систем на основе тарного и листового стёкол с различным типом щелочных активаторов были определены показатели прочности для затвердевших систем в разном возрасте твердения (рис. 1).
Рис. 1. Кинетика набора прочности образцов с активаторами на основе:
а, б – стеклопорошка тарного стекла; в, г – стеклопорошка листового стекла
В ходе проведённых исследований было установлено, что экспериментальные составы, активированные Na2CO3 и Na2SiO3 показали низкую прочность на всех этапах твердения. Кроме этого, составы, активированные Na2CO3 имели на поверхности серьезные высолы (рис. 2, а), что говорит о том, что часть вводимого в состав активатора не прореагировала со стеклопорошком. Отсюда следует, что данный компонент обладает низкой активирующей способностью.
Рис. 2. Внешний вид образцов на основе тарных стёкол, активированных 5-% раствором:
Таким образом, можно сделать вывод о том, что для листовых и тарных стекол щелочные агенты Na2CO3 и Na2SiO3 не работают как активаторы, поэтому стеклянный наполнитель нужно использовать в комбинации с цементом для получения композиционного вяжущего.
На первом этапе эксперимента было установлено, что прочностные характеристики у тарного стекла больше. Для проведения дальнейших исследований заформованы образцы на основе тарного стекла, цемента без активирующего агента и образцы на основе тарного стекла, цемента с активирующими агентами. Активирующий агент применялся в виде 3 %-го и 5 %-го растворов (табл. 2). Экспериментальные образцы подвергались сушке при температуре 70 °С в течение 10 часов, далее набор прочности происходил при нормальных условиях твердения.
Таблица 2
Экспериментальные составы композиционных вяжущих на основе тарного стекла
|
№ состава |
Цемент, % |
Стеклопорошок, % |
Сода (Na2CO3), % |
Жидкое стекло (Na2SiO3), % |
|
1 |
100 |
– |
– |
– |
|
2 |
90 |
10 |
– |
– |
|
3 |
80 |
20 |
– |
– |
|
4 |
70 |
30 |
– |
– |
|
5 |
90 |
10 |
3 |
– |
|
6 |
90 |
10 |
5 |
– |
|
7 |
80 |
20 |
3 |
– |
|
8 |
80 |
20 |
5 |
– |
|
9 |
70 |
30 |
3 |
– |
|
10 |
70 |
30 |
5 |
– |
|
11 |
90 |
10 |
– |
3 |
|
12 |
90 |
10 |
– |
5 |
|
13 |
80 |
20 |
– |
3 |
|
14 |
80 |
20 |
– |
5 |
|
15 |
70 |
30 |
– |
3 |
|
16 |
70 |
30 |
– |
5 |
Для изучения прочностных характеристик экспериментальных образцов композиционного вяжущего на основе тарного стекла с различным типом щелочных активаторов были определены показатели прочности для затвердевших систем в возрасте твердения 28 суток.
Варьирование концентрации щелочного активатора осуществляется с целью определения целесообразности применения его в композиционном вяжущем, а также оптимального его содержания, при котором можно достичь максимальной прочности на изгиб и на сжатие, а также не приводящего к высолообразованию в процессе эксплуатации.
Определение прочностных характеристик показало, что наибольшую прочность имели составы с жидким стеклом, чем составы со щелочным активатором соды. Наименьшая прочность была у образцов без активаторов (табл. 3, составы 1–4), что говорит о целесообразности применения активаторов в составе композиционного вяжущего. На основании экспериментальных данных видно, что оптимальными являются составы, где содержание активирующего агента составило 5 % от массы композиционного вяжущего (табл. 3, состав 6, 12).
Таблица 3
Показатели прочности образцов композиционных вяжущих на основе тарного стекла
|
№ состава |
Прочность при сжатии, МПа |
Прочность при изгибе, МПа |
|
1 |
38,0 |
0,091 |
|
2 |
30,0 |
0,078 |
|
3 |
22,0 |
0,051 |
|
4 |
18,7 |
0,036 |
|
5 |
33,0 |
0,81 |
|
6* |
38,0* |
0,89* |
|
7 |
29,0 |
0,36 |
|
8 |
30,0 |
0,45 |
|
9 |
30,0 |
0,12 |
|
10 |
35,0 |
0,17 |
|
11 |
36,0 |
1,3 |
|
12* |
41,9* |
1,7* |
|
13 |
32,0 |
0,9 |
|
14 |
33,0 |
1,3 |
|
15 |
16,8 |
0,5 |
|
16 |
20,0 |
0,8 |
|
* – оптимальный состав |
||
Как видно из таблицы 3, образцы с активатором Na2SiO3 имели набольшую прочность как на сжатие, так и на изгиб, нежели образцы с активатором Na2CO3.
Выводы. В ходе проведённых исследований можно сделать вывод о том, что для листовых и тарных стёкол щелочные агенты Na2CO3 и Na2SiO3 не работают как активаторы, поэтому стеклянный наполнитель необходимо использовать в комбинации с цементом для получения композиционного вяжущего. Определение прочностных характеристик композиционного вяжущего показало, что наибольшую прочность имели составы с жидким стеклом, чем составы с содой. Наименьшую прочность показали образцы без активаторов, что говорит о целесообразности применения данных активаторов в составе композиционного вяжущего. Установлено, что образцы с активатором Na2SiO3 имели набольшую прочность как на сжатие, так и на изгиб, нежели образцы с активатором Na2CO3. Следовательно, Na2SiO3 обладает наибольшей активирующей способностью.
1. Клюев С.В. Применение композиционных вяжущих для производства фибробетонов // Технологии бетонов. 2012. № 1–2 (66–67). С. 56–57.
2. Володченко А.А. Влияние искусственных гидросиликатов кальция на процессы твердения и свойства неавтоклавных силикатных материалов на основе нетрадиционного алюмосиликатного сырья // Строительные материалы и изделия. 2020. Т. 3. № 2. С. 19–28. DOI: 10.34031/2618-7183-2020-3-2-19-28.
3. Вишневская Я.Ю., Трунов П.В., Калатози В.В., Бондаренко Д.О. Перспективы повышения эффективности фибробетонов за счет применения композиционных вяжущих // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 3. С. 35–37.
4. Кожухова Н.И., Чижов Р.В., Жерновский И.В., Логанина В.И., Строкова В.В. Особенности структурообразования геополимерной вяжущей системы на основе перлита c использованием различных видов щелочного активатора // Строительные материалы. 2016. № 3. С. 61–64. DOI: 10.31659/0585-430X-2016-735-3-61-64.
5. Ерофеев В.Т., Федорцов А.П., Федорцов В.А. Повышение коррозионной стойкости цементных композитов активными добавками // Строительство и реконструкция. 2020. № 2 (88). С. 51–60. DOI: 10.33979/2073-7416-2020-88-2-51-60.
6. Логанина В.И., Жерновский И.В., Жегера К.В., Структурообразование цементного камня в присутствии добавки на основе аморфных алюмосиликатов // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 3 (56). С. 142–148.
7. Bondarenko D.O. Strokova, V.V. Operating properties of the coating, depending on the composition during plasma-chemical modification // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 341. Article number 012141. DOI: 10.1088/1755-1315/341/1/012141.
8. Bondarenko, N.I., Bondarenko, D.O. Processes of forming protective and decorative coatings on concrete at plasma treatment // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 945. Article number 012038. DOI: 10.1088/1757-899X/945/1/012038.
9. Strokova V., Bondarenko D. Heating rate and liquid glass content influence on cement brick dehydration // Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. 2019. P. 286–289. DOI: 10.1007/978-3-030-22974-0_68.
10. Бондаренко Д.О., Строкова В.В. Использование отходов промышленности для покрытий на мелкозернистом бетоне // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2018. № 10. С. 256–259.
11. Бондаренко Н.И., Бондаренко Д.О., Евтушенко Е.И. Исследование химического взаимодействия стекловолокна с продуктами гидратации цемента // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 12. С. 119–125. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-12-119-125.
12. Bondarenko N.I., Bondarenko D.O., Valuiskikh K.A. Smalt based on the broken colored container glasses // Lecture Notes in Civil Engineering. 2021. Vol. 95. P. 274–279. DOI: 10.1007/978-3-030-54652-6_41.
13. Бондаренко Н.И. Исследование термических свойств стеклобетона // Наукоемкие технологии функциональных материалов: тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции. СПб.: СПбГИКиТ, 2019. С. 77–78.
14. Ерофеев В.Т., Федорцов А.П., Богатов А.Д., Федорцов В.А. Оценка и прогнозирование физико-химического сопротивления стеклощелочных композитов и методы его повышения // Известия вузов. Строительство. 2017. № 6 (702). С. 5–14.
15. Kozhukhova N.I., Fomina E.V., Zhernovsky I.V., Strokova V.V., Chizhov R.V. The utilization efficiency of natural alumosilicates in composite binders // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 670–671. P. 182–186. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMM.670-671.182.
16. Kozhukhova N.I., Chizhov R.V., Zhernovsky I.V., Strokova V.V. Structure formation of geopolymer perlite binder vs. type of alkali activating agent // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11. Issue 20. P. 12275–12281.
17. Голосова А.С., Клименко Н.Н., Делицын Л.М. Влияние вида щелочного активатора на структуру и механические свойства композиций на основе отходов ТЭК // Успехи в химии и химической технологии. 2019. Т. 33. № 4 (214). С. 51–53.
18. Строкова Я.А., Клименко Н.Н. Комплексная щелочно-щелочноземельная активация гранулированного доменного шлака // Успехи в химии и химической технологии. 2019. Т. 33. № 4 (214). С. 130–132.
19. Fernandez-Jimenez A., Palomo A., Sobrados I., Sanz J. The role played by the reactive alumina content in the alkaline activation of fly ashes // Microporous Mesoporous Materials. 2006. Vol. 91. P. 111–119. DOI:10.1016/j.micromeso.2005.11.015.
20. Liu Z., Zhang D., Li L., Wang J., Shao N., Wang D. Microstructure and phase evolution of alkali-activated steel slag during early age // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 204. P. 158–165. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2019.01.213.
21. Айлер Р. Химия кремнезема. М.: Мир, 1982. 416 с.
22. Малявский Н.И. Щелочносиликатные утеплители. Свойства и химические основы производства // Российский химический журнал. 2003. № 4. С. 39–45.
