В статье анализируются процессы и итоги исследования всех видов твердения силикатного кирпича при автоклавной обработке. В тестировании были задействованы модельные смеси Нукусского и Муйнакского песка и 15-25% извести Актауского и Джумуртауского месторождений.

УДК 666.965.2

С.Д. ОМАРОВА, канд. техн. наук, ассистент, Нукусский филиал Ташкентского государственного аграрного университета, г. Нукус,  Узбекистан

Ключевые слова: известь, твердение, бетонная смесь, автоклав, силикатный кирпич, кальций, водный раствор, кварц
Keywords: lime, gypsum, concrete mix, autoclave, sand lime bricks, calcium, aqueous solution, quartz

В зависимости от вида извести и условий, в которых происходит ее твердение, различают три типа твердения: карбонатное, гидратное и гидросиликатное.

Карбонатным твердением называют процесс постепенного затвердевания растворных или бетонных смесей, изготовленных на гашеной извести, при воздействии на них углекислоты. Твердение при этом обусловлено одновременным протеканием двух процессов: кристаллизации гидрата оксида кальция из насыщенного водного раствора и образования карбоната кальция по реакции:

Са(ОН)₂ + СО₂ + H₂О = СаСО₃ + H₂О

Гидратным твердением называют процесс постепенного превращения в твердое камневидное тело известковых растворных и бетонных смесей на молотой негашеной извести. Происходит это в результате взаимодействия такой извести с водой и образования гидрата оксида кальция.

Гидросиликатным твердением называют процесс превращения известково-кремнеземистых смесей в твердое камневидное тело, обусловленный образованием гидросиликатов кальция, в частности, при тепловлажностной обработке в автоклаве насыщенным паром под давлением 0,9-1,6 МПа, что соответствует температурам 174,4-200°С [1].

Для проведения исследований были приготовлены модельные смеси Нукусского и Муйнакского песка и 15-25% Актауской и Джумуртауской извести.

Перед приготовлением расчетных смесей используемая известь гасилась отдельно до активности 90,1% и затем добавлялась в смесь. Перемешивание смесей производили в лабораторной мельнице.

Из приготовленных смесей формовали образцы-призмы размерами 7,5х3,5х1,2 см при давлении 0,8 МПа. Приготовленные образцы переносили в лабораторный автоклав и подвергали гидротермальной обработке.

На основании многочисленных экспериментов был подобран следующий оптимальный режим обработки. Подъем давления пара в автоклаве до 0,8 МПа проводился в течение 2 часов. Время выдержки при оптимальном давлении (0,8 МПа) длилось 6 часов. Выпуск пара при давлении 0,8 МПа длился 6 часов, затем выпуск пара и снижение давления до 0,5 МПа в течение 1 часа. После этого выпуск пара и снижение давления до атмосферного в течение 2 часов. Общая продолжительность всего цикла: 2+6+1+2=11 часов.

С помощью рентгенофазового анализа изучали фазовые новообразования опытного состава силикатного кирпича (рис. 1), через 7, 28 и 180 суток после автоклавирования.

По данным рентгенофазового анализа в гидратированном силикатном кирпиче 7-суточного твердения наблюдаются четко выраженные интенсивные дифракционные максимумы кварца (d=0,334; 0,245; 0,197; 0,181 нм) и γ-С₂S (d=0,224; 0,208; 0,187 нм).

Гидратированные образцы силикатного кирпича 28-суточного твердения на рентгенограмме обнаруживают четкие дифракционные максимумы кварца (d=0,334; 0,181 нм), тоберморита (d=0,307; 0,280; 0,167; 0,161 нм) низкоосновных гидросиликатов типа С-S-Н(В) (d=0,240; 0,210; 0,183 нм).

Образцы силикатного кирпича после твердения в течение 180 суток обнаруживают четкие дифракционные максимумы кварца (d=0,334; 0,280; 0,197 нм), тоберморита (d=0,307; 0,280; 0,252; 0,247; 0,183; 0,171; 0,167 нм), и С₂SН(С) (d=0,280; 0,269; 0,252; 0,247; 0,218; 0,208; 0,192; 0,187 нм).

На кривых ДТА (рис. 2) образцов в 7-суточном возрасте твердения после автоклавирования появляются эндотермические эффекты при температурах 260°С и 560-580°С, которые соответствуют дегидратации С₂SН(С), эндоэффект при 630°С соответствует полиморфному переходу: γ-С₂S переходит в β-С₂S.

На кривых ДТА образцов 28-суточного твердения представлена дегидратация воды С-S-Н(В) в интервале температур от 580°С до 780°С. Дегидратация тоберморита происходит при 270°С.

По данным ДТА образцов 180-суточного твердения нормального хранения после автоклавирования происходит дегидратация γ-С₂S с эндотермическим эффектом при 280°С и 550°С, выше 600°С γ-С₂S переходит в β-С₂S. При 280°С тоберморит теряет гидратную воду и дегидратируется.

ИК-спектры образцов 7-суточного твердения после автоклавирования (рис. 3) дают полосу с частотой 870 см^-1, принадлежащую валентным симметричным колебаниям тетраэдра SiO₄^-4 [2]. Интенсивность полосы поглощения валентных колебаний воды (3420 см^-1) в межслоевом пространстве значительно уменьшилась. Частота деформационных колебаний воды понизилась до 1780 см^-1. Поскольку интегральная интенсивность полосы поглощения зависит от свойств возмущающей ОН–группу водородной связи, ослабление поглощения можно считать изменением силового поля связанных молекул воды в силикатном кирпиче.

Образцы 28-суточного твердения на ИК-спектре показывают пик с частотой 870 см^-1, принадлежащий валентным симметричным колебаниям тетраэдров SiO₄^-4. Полосы поглощения в областях 747 и 1027 см^-1 принадлежат тоберморитам. Интенсивность полосы поглощения валентных колебаний воды (3420 см^-1) в межслоевом пространстве значительно уменьшается. Частота деформационных колебаний воды понизилась до 1780 см^-1 [3].

При 180-суточном твердении на ИК-спектре также наблюдается полоса с частотой 870 см^-1, принадлежащая валентным симметричным колебаниям тетраэдров SiO₄^-4. Полосы поглощения в областях 747-1027 см^-1 принадлежат тобермориту. Полосы поглощения в областях 580 и 2844 см^-1 принадлежат γ-С₂S. Интенсивность полосы поглощения валентных колебаний воды (3420 см^-1) в межслоевом пространстве значительно уменьшается. Частота деформационных колебаний воды понизилась до 1780 см^-1.

Электронно-микроскопические снимки (рис. 4, 5) исследования образцов, изготовленных из извести и барханного песка, после автоклавной обработки показали, что они состоят в основном из сильно корродированных мелких зерен кварца, окруженных волокнистыми беспорядочно расположенными образованиями гидросиликата кальция. Показатель преломления гидросиликата Nср=1,530-1,536. Имеются единичные пластинки гидрата оксида кальция Са(ОН)₂. Он представляет собой типичный портландит. Замерами в иммерсионных жидкостях определены оптические константы Nq=1,580; Nр=1,560. Местами встречаются бурые непросвечивающиеся гелеобразные продукты с показателем преломления Nср=1,460.

Такой низкий показатель свойственен только гелю SiO₂. Присутствие в одном и том же образце геля SiO₂ и Са(ОН)₂ наряду с продуктом их взаимодействия – гидросиликатом кальция – свидетельствует о большей скорости растворения кремнеземистого компонента по сравнению со скоростью реакции между ним и гидратом оксида кальция [3].

Таким образом, необходимо сделать вывод о том, что практически вся известь при гидратации опытных смесей расходуется на приобретение пластичности смеси, что очень важно для улучшения формовки силикатного кирпича, а также при автоклавировании – на химическое взаимодействие с оксидами кремния, железа и алюминия, находящимися в барханных песках. Однако та часть извести, которая пластифицирует смесь, в конечном счете после твердения кальцинируется.

Библиографический список

1. Lone R.O., Best J.F. Properties and Use of Fly Ash in Portland Cement Concrete // Concrete International, № 7, v. 4, 1992, p. 81-92.

2. Омарова С.Д., Адылов Д.К., Туремуратов Ш.Н. Инфракрасная спектроскопия гидросиликатов кальция // Вестник ККОАНРУз, № 5, 2000, – 26 с.

3. Омарова С.Д., Адылов Д.К., Туремуратов Ш.Н., Агзамходжаев А.А. Синтез и исследование гидросиликатов кальция на основе барханных песков // Композиционные материалы, № 4, 2001, – 34 с.