Международный
научный журнал

Физико-механические и химические исследования диабазовых и базальтовых кислотоупорных композиций в агрессивных средах


Physico-mechanical and chemical investigations of diabase and basalt acid-point compositions in aggressive environments

Цитировать:
Мухамедбаева З.А., Мухамедбаев А.А., Адинаев Х.А. Физико-механические и химические исследования диабазовых и базальтовых кислотоупорных композиций в агрессивных средах // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2018. № 3(48) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/5639 (дата обращения: 05.04.2020).
 
Прочитать статью:


АННОТАЦИЯ

Определено современное состояние и тенденции совершенствования технологии и состава кислотостойких строительных материалов на основе жидкого стекла, диабазов Балпантауского и базальтов месторождения Каракия. Показана уплотняющая роль волластонита, заключающаяся в образовании более плотной структуры композиции за счет растворения его в растворах и образования защитных гелевых и гелево-кристаллических пленок, тормозящих протекание коррозионных процессов. Исследован фазовый состав и микроструктура диабазовых и диабазо-волластонитовых композиций, подвергнутых воздействию агрессивных сред комплексом современных физико-химических методов анализа. Установлено, что в процессе протекания химических реакций в жидкостекольных композициях, затворенных на растворе отходов содового производства, имеет место связывание щелочных катионов соединения, состав которых во многом определяется природой исходных веществ. Переход жидкого стекла в SiO2-гель обуславливается образованием оксихлоридов, гидрохлоридов кальция, а также хлорида натрия. Скорость гидролиза кремнефтористого натрия замедляется, однако механизм взаимодействия и характер образующихся продуктов остается неизменным.

ABSTRACT

The current state and trends in the improvement of technology and compositions of acid-resistant building materials based on liquid glass, diabases of the Balpantau deposit and basalts of the Karakia deposit are determined. The sealing role of wollastonite is shown, which consists in the formation of a denser structure of the composition by dissolving it in solutions and forming protective gel and gel-crystalline films that inhibit the course of corrosion processes. The phase composition and microstructure of diabase and diabase-wollastonite compositions subjected to the influence of aggressive media by a complex of modern physical-chemical methods of analysis have been studied. It has been established that during the course of chemical reactions in liquid-glass compositions closed on a soda production waste solution, the binding of alkaline cations of compound, whose composition is largely determined by the nature of the starting materials. The transition of liquid glass to the SiO2-gel is caused by the formation of oxychlorides, calcium hydrochlorides, and also sodium chloride. The rate of hydrolysis of sodium silicofluoride is slowed down, however, the interaction mechanism and the nature of the products formed remain unchanged.

 

Ключевые слова: Диабаз, базальт, волластонит, жидкое стекло, кислотостойкость, прочность, серная кислота, соляная кислота, кварц, структура, гель.

Keywords: Diabase, basalt, wollastonite, liquid glass, acid resistance, strength, sulfuric acid, hydrochloric acid, quartz, structure, gel.

 

Краткий литературный обзор

В последние годы все больше применяют пластические самоотвердеющие жидкостекольные смеси, в состав которых в качестве отвердителя вводят кальцийсодержащие и другие вещества. Многие вопросы, связанные с механизмом упрочнения таких систем нуждаются в дополнительном исследовании, в частности в механизме взаимодействия жидкого стекла с использованием отходов содового производства. Результаты исследований процессов, приводящих к упрочнению масс из сухого кварцевого песка и жидкого стекла при пропитке их растворами хлоридов магния, кальция, бария, а также NH4Cl и HCl, приводятся в работе авторов [3]. Основываясь на неодинаковой прочности масс, пропитанных разными электролитами, и учитывая представления, согласно которым коагулирующая сила катионов возрастает с увеличением радиуса катиона, авторы приходят к выводу о коагуляционной природе упрочнения масс, обработанных хлоридами щелочноземельных металлов. Подтверждает эту точку зрения зависимость механических свойств твердеющих масс от вязкости жидкого стекла, с уменьшением которой при неизменном химическом составе падает прочность.

В другой работе авторов [4] показано, что при взаимодействии хлорида кальция с жидким стеклом выделяется гель SiO2 и адсорбирующая на кремнегеле окись кальция. В разбавленных растворах, взаимодействие концентрированного силиката натрия с хлоридом кальция характеризуется очень быстрым образованием пленки кремнекислоты, разделяющей СаСl2 от растворимого стекла. По мнению авторов допускается возможность протекания двух параллельных процессов – адсорбция окиси кальция на SiO2-геле, образующегося за счет избыточного против метасиликата и дисиликата кремнезема, и образование силиката кальция в результате обменной реакции между СаСl2 и кремнеземом, который входит в состав мета- и дисиликата натрия по суммарному уравнению

Na2SiO3+CаCl2+nH2O→2NaCl+CaSiO3+nH2O

Взаимодействие жидкого стекла с хлоридами щелочноземельных металлов изучалось рядом и других исследователей.

Методика исследований

Для выявления кислотостойкости указанных составов пользовались методикой В.В.Москвина [2]. Формовали образцы-кубики размером ребра 1,41 мм из пластичного теста. Через сутки образцы расформовывали и хранили 10 суток в воздушных условиях. Кислотостойкость определяли в серной и соляной кислот – 0,5н ; 5,6 н;, 6,1н. -их концентраций. Раствор заливали из расчета 100 мл на каждый образец. Паралельно образцы хранили в водопроводной воде в закрытых эксикаторах. Замену растворов производили через каждые два месяца.

Были приготовлены 4 состава:

1 состав включает в себя диабаз - 63%, Na2SiF6 - 4% - (Na2O·Si2O ) – 35мл.

2 состав: диабаз - 56%, Na2SiF6 - 4%, жидкое стекло - 35мл., волластонит – 11%.

3 состав: базальт - 63%, Na2SiF6 - 4%, жидкое стекло - 35мл.

4 состав: базальт - 56%, волластонит – 11%, Na2SiF6 - 4%, жидкое стекло - 30мл.

Испытания образцов на сжатие производили по истечении 28, 180, 360 суток.

Кислотостойкость цементов оценивали по коэффициенту стойкости который рассчитывали путем деления прочности образцов, хранившихся в агрессивных растворах, на прочность образцов-близнецов, хранившихся в водопроводной воде согласно методике В.В.Москвина [2].

Обсуждение результатов

Результаты исследований показали, что на основе диабаза и базальта можно получить кислотоупорные цементы с низкими прочностными показателями в воде и в растворах кислот. При введении волластонита в состав диабазовой муки механическая прочность цемента в 28 суточном возрасте увеличивается вдвое. Так у 1-го состава прочность в воде, 0,5н-серной кислоте; 0,5н-соляной кислоте составляет соответственно 7,1 МПа; 10,7 МПа; 9,3 МПа. При введении волластнита механическая прочность увеличивается и составляет соответственно-17,1 МПа; 16,8 МПа; 15,7 МПа.

При использовании в роли наполнителя базальтовой муки механическая прочность образцов характеризуется высокими показателями. Введение волластонита в состав базальтовой муки повышает химическую стойкость в воде и в концентрированных растворах кислот. Так прочность в воде с 8,1 МПа повышается до 21 МПа; в 6,1 н- с 21,4 МПа до 23,7 МПа; в 5,6 н- НС1 с 13,9 МПа до 15,2 МПа.

При частичной замене жидкого стекла раствором дистиллерной жидкости в количестве 25% от веса жидкого стекла получены очень высокие результаты, особенно при введении в составы 1;3 % -та природного волластонита. Так у 2 -го состава прочностные показатели следующие: в воде-17,1 МПа; в 0,5н-Н2SO4 29МПа; в 6,1 Н2SO4-33,68 МПа, у 4-го состава получены соответственно следующие результаты: в воде -39,88 МПа; в 0,5 н-серной кислоте – 56,38 МПа; в 6,1 н- серной кислоте -83,71 МПа; в 0,5 н- соляной кислоте – 45,29 МПа и в 5,6 н – соляной кислоте -59,84 МПа. Полученные результаты говорят о положительном влиянии кальций и хлорсодержащих соединений на процессы твердения кислотоупорных вяжущих на основе жидкого стекла.

Таким образом, частичная замена жидкого стекла дистиллерной жидкостью повышает химическую устойчивость образцов в зависимости от их состава. Наилучшим составом является 4-ый состав на основе базальта и волластонита.

Увеличение количества дистиллерной жидкости до 50% по отношению к жидкому стеклу приводит к снижению коэффициента стойкости, что вероятно свидетельствует о слабой кристаллизационной способности кремнеземистых силикатов натрия.

При контакте дистиллерной жидкости с жидким стеклом моментально образуется промежуточная зона из беловатого, мутного SiO2-геля. Общим во взаимодействии хлоридов и кремнефтористого натрия с жидким стеклом является зональное строение границы взаимодействия растворов исходных веществ. В процессе протекания химических реакций имеет место связывание щелочных катионов в соединения, состав которых во многом определяется природой исходных веществ. При взаимодействии хлорида кальция с жидким стеклом выделяется гель SiO2 и адсорбирующая на кремнеземистом геле окись кальция. В разбавленных растворах взаимодействие концентрированного силиката натрия с хлоридом кальция характеризуется очень быстрым образованием пленки кремнекислоты, разделяющей СаСl2 от растворимого стекла, что подтверждает мнение авторов [1]. Введение в цементное тесто добавок электролитов СаСl2, NaCl способствует изменению условий кристаллизации гидратных фаз, увеличивая за счет повышения ионной силы раствора степени пересышения жидкой фазы по отношению к продуктам гидратации.

Химическую устойчивость полученных диабазовых и базальтовых кислотоупорных цементов судили по рассчитанным коэффициентам стойкости.

Результаты исследований показали, что коэффициенты стойкости 1,2,3,4-го составов на основе жидкого стекла и дистиллерной жидкости 28-суточного,180-ти суточного и 360 – суточного возраста твердения в воде, в слабых и концентрированных растворах соляной и серной кислот плавноя увеличиваются. С увеличением времени эксплуатации в воде и агрессивных средах введение волластонита дает более высокие коэффициенты стойкости, особенно в концентрированных серной и соляной кислотах. Самые высокие результаты наблюдаются у 4-го состава. Так при 360 –суточном твердении коэффициент стойкости в воде- составляет 1,25; в 0,5н-серной кислоте -1,93; в 6,1н-серной кислоте -2,76; в 0,5 н- соляной кислоте -1,58; в 5,6н-соляной кислоте -1,87.

Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать вывод о возможности использования диабазовой и базальтовой муки в роли наполнителя для кислотоупорных цементов, а частичная замена жидкого стекла раствором дистиллерной жидкости – отхода Кунградского содового завода значительно увеличивает как механическую прочность образцов, так и химическую устойчивость в агрессивных средах.

Фазовый состав и микроструктура жидкостекольных композиций на основе диабаза и волластонита, базальта и волластонита в агрессивных средах были исследованы комплексом физико-химических методов анализа.

На рентгенограммах образцов базальтовой цементной композиции при 28-суточном твердении в растворе 6,1н H2SO4 фиксируются линии, характерные для минералов, содержащихся в базальте: анортит (d=0,320; 0,269; 0,403 нм), авгит (d=0,295; 0,255; 0,162 нм), двуводный гипс (d=0,716; 0,355 нм), углекислый натрий (d=0,253), кремнефтористый натрий (d=0,334; 0,177). К 360 суткам линии указанных минералов ослабевают, линии гипса исчезают, что говорит о связывании его в эттрингит с d=0,981; 0,559; 0,466; 0,386 нм. Появляются линии характерные для гидрооксихлорида кальция с d=0,823 нм.

В концентрированной соляной кислоте в 28-суточном возрасте интенсифицируются линии кварца d=0,445; 0,412; 0,188 нм, пироксенов d=0,312; 0,324 нм.появляются линии NaF с d=0,232; 0,166 нм и CaF2с d=0.314; 0,193нм. Возникающие новообразования находятся в состоянии высокой дисперсности. Они подтверждают о полном протекании реакции между жидким стеклом и кремнефтористым натрием.

2Na2SiO3+Na2SiF6+6H2O=6NaF+3Si(OH)4

Появляется кристаллическая фаза гидрооксихлорида кальция с d=0,734; 0,555; 0,383 нм, обуславливающих образование структуры, обеспечивающих устойчивость цемента в агрессивных средах.

В слабых растворах кислот (HClи H2SO4) на рентгенограммах образцов базальтовой цементной композиции фиксируются в основном пики, характерные для кварца, пироксена. Размытость пиков говорит об образовании геля кремневой кислоты и тоберморитовой гели. Высокий пик характерен для гидрооксихлорида кальция (d=0,832 нм).

 При модифицировании базальтовой композиции природным волластонитом интенсивность дифракционных максимумов, характерных для гидрокарбонатов и гидрооксихлоридов кальция увеличивается. В начальные сроки твердения межплоскостные расстояния с характерные для кремнеземистых фаз более интенсивны, линии Na2SiF6 d=0,455; 0,307 нм, к 360 суткам исчезают, появляются линии виллиомита и флюорита, что свидетельствуют о мелкокристаллической структуре композиций. Размытость линий характеризует увеличение геля кремниевой кислоты.

Введение дистиллерной жидкости, отхода содового производства приводит к рентгеноаморфности структуры, а также к образованию новых соединений гидросиликатов и оксихлоридов кальция.

Учитывая хорошую растворимость в воде оксихлоридов кальция и плохую гидроокиси кальция на рентгенограммах в скоплениях аморфной кремнекислоты фиксируются линии портландита. Образование кристаллогидратов сдвигает эту реакцию вправо с результирующим обогащением жидкого стекла кремнеземом и появлением SiO2-геля.

Таким образом, в процессе протекания химических реакций в жидкостекольных композициях, затворенных на растворе отходов содового производства, имеет место связывание щелочных катионов в соединения, состав которых во многом определяется природой исходных веществ.

Таким образом, твердение жидкостекольных композиций, затворенных дистиллерной жидкостью, протекает в результате химических реакций связывания щелочных катионов в соединения, фазовый состав которых зависит от природы исходных веществ. Рентгенограммы свидетельствуют о кристаллическом фазообразовании в слабых и концентрированных растворах HCl. Встречаются пики, характерные для анортита, авгита, пироксенов, что говорит о неполном разложении базальта. В концентрированных и слабых растворах H2SO4 наблюдается полное разложение базальта и волластонита. Пик характерный для Na2SiF6 отсутствует, что подтверждает о полном протекании реакции между кремнефтористым натрием и жидким стеклом. С увеличением времени твердения появляются новообразования, характерные для портландита, гидрокарбонатов кальция, эттрингита и оксихлорида кальция. Размытость пиков характерны для тоберморитовой гели и гели кремниевой кислоты.

О составе образующихся продуктов взаимодействия жидкого стекла с силикатами кальция можно судить по виду кривых ИК-спектроскопии. На рис.1 приведены ИК-спектры образцов 4 состава: базальт, волластонит, кремнефтористый натрий, жидкое стекло, разбавленное дистиллерной жидкостью, хранившиеся в воде; 0,5н и 5,6н растворах соляной кислоты. ИК-спектры образцов водного хранения несколько отличаются от ИК-спектров образцов, хранившихся в растворах кислот. Промежуток деформационных колебаний в области 790-500 см-1 имеет более длинные пики. Острота пика полос свидетельствует об увеличении степени закристаллизованности гидратных новообразований при 785-722-648 см-1. Полоса 1450-1460 см-1 свойственна связи катионов натрия с группами СО2. В интервале 1400-1500 попадает полоса поглощения колебания связи Са – О. Небольшая полоса при частоте 1430 см-1 характерна для спектра Na2CO3, что свидетельствует о присутствии карбонатов и гидрокарбонатов натрия Na2CO3·nH2O.

 

Рисунок 1. ИК-спектры образцов 4-го состава, хранившиеся в воде

 

Рисунок 2. ИК-спектры образцов 4-го состава, хранившиеся в 0,5н НСl

 

Рисунок 3. ИК-спектры образцов 4-го состава, хранившиеся в 5,6 н НСl

 

Спектры образцов хранившихся в растворах НС1 почти идентичны, разница лишь в более размытой полосе деформационных колебаний при 3500 см-1. Широкие полосы колебаний гидроксилов, связанных с атомами кремния при 2600-3600 см-1 возможно соответствует полосе ОН колебаний групп Si-OH в силикате состава СаNaHSiO4. Широкие полосы показывают основные колебания атомов кремния и кислорода Si-O-Si в группах SiO4-4. Линии 785-722 свидетельствуют о наличие Al, встречающегося в виде групп [AlO4]-4. Полоса колебаний 1110-1000 и 500 см-1, обнаруженные во всех спектрах силикатов, принадлежат к основным колебаниям [SiO4]-4, являющихся элементарными структурными единицами кремнезема и всех силикатов. Полоса с максимумом при 1638 см-1 свидетельствует о наличие в жидком стекле и дистиллерной жидкости кристаллизационной воды – деформационные колебания Н-О-Н.

Таким образом, ИК-спектроскопический анализ подтверждает, что упрочнение структуры кислотоупорной композиции обусловлено химическим и межмолекулярным взаимодействием компонентов.

На основе проведенных исследований можно сделать вывод о возможности использования диабазовой и базальтовой муки в роли наполнителя для кислотоупорных цементов, а частичная замена жидкого стекла раствором дистиллерной жидкости – отхода Кунградского содового завода значительно увеличивает как механическую прочность образцов, так и химическую устойчивость в агрессивных средах.

Твердение жидкостекольных композиций, затворенных дистиллерной жидкостью протекает в результате химических реакций связывания щелочных катионов в соединения, фазовый состав которых зависит от природы исходных веществ. Рентгенографический анализ свидетельствует о кристаллическом фазообразовании в слабых и концентрированных растворах HCl и H2SO4. ИК-спектроскопический анализ подтверждает, что упрочнение структуры кислотоупорной композиции обусловлено химическим и межмолекулярным взаимодействием компонентов.

 

Список литературы:
1. Исматов Ё.Х., Арипова Б.Х., Мухамедбаева З.А. // Использование отходов Кунградского содового завода при получении жидкостекольных композиций. Труды Республиканской научно-практической конференции «Вопросы повышения экологической культуры среди молодежи». 2014. – С. 236.
2. Москвин В.М., Рубецкая Т.В., Бубнова Л.C., Любарская Г.В. // Коррозия бетона при действии на него кис-лых агрессивных сред. // М.: - В кн. «Коррозия бетона в агрессивных средах» Сб.тр. НИИЖБЮ-1971. – С. 11-21.
3. Тихомирова. И.Н., Скорина Т.В. Влияние силикатного модуля жидкого стекла на свойства вяжущих мате-риалов. // Строительные материалы, №12, 2009. – С. 4. №3, 2009. – С. 114-120.
4. Тихомирова. И.Н., Скорина Т.В. Строительные и отделочные материалы на основе жидкостекольных ком-позиций. // XVIII Менделеевского съезда по прикладной и обшей химии: Тез.докл.- М.: Граница, -Т. 2, 2007. – С. 550.

 

Информация об авторах:

Мухамедбаева Замира Абдижапаровна Zamira Mukhamedbaeva

доцент кафедры «Технология силикатных материалов», Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32

Associate professor of the department “Technology of silicate materials”, Tashkent institute of chemical technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, Navoi st., 32


Мухамедбаев Абдували Абдусатторович Abduvali Mukhamedbaev

доцент кафедры «Процессы и аппараты химической технологии», Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32

Associate professor of the department “Processes and  apparatus of chemical technology”, Tashkent institute of chemical technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, Navoi st., 32


Адинаев Хидир Абдуллаевич Adinaev Khidir

Старший преподаватель Ташкентского химико- технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32

Senior lecturer of Tashkent institute of chemical technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, Navoi st., 32


Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович

Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5122

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в: 

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

 

OpenAirediscovery

CiteFactor

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2019
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.

Уважаемые коллеги, издательство Universum с 30 марта по 5 апреля работает в обычном режиме