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.
