Изучение влияния новых синтезированных органических добавок на свойства полученного геополимера

АННОТАЦИЯ

В работе исследовано влияние органических добавок на свойства геополимера. Определена оптимальная концентрация новых синтезированных модифицирующих и диспергирующих добавок при получении геополимера. Показано повышение прочности полученного геополимера с новой синтезированной диспергирующей добавкой.

ABSTRACT

The effect of organic additives on the properties of a geopolymer is investigated. The optimal concentration of new synthesized modifying and dispersing additives in the preparation of a geopolymer has been determined. An increase in the strength of the obtained geopolymer with a new synthesized dispersing additive is shown.

Ключевые слова: геополимер, модификатор, золошлак, зола-унос, диспергирующая добавка, плотность, прочность.

Keywords: geopolymer, modifier, ash and slag, fly ash, dispersing additive, density, strength.

Введение

На сегодняшний день в мировом масштабе проводятся научные исследования по расширению производства строительных материалов высокого качества и новых строительных материалов, таких как бесцементные вяжущие. В связи с этим необходимо получить высококонцентрированные, наноструктурные вяжущие, расширить ассортимент используемого для этого сырья, композиций на основе бесцементных вяжущих, создать органические добавки, способные целенаправленно изменять их прочность и другие физико-механические, физико-химические свойства.

По природе основного вяжущего компонента выделяют органические и минеральные вяжущие. В свою очередь, по механизму структурообразования в вяжущих системах следует выделить кристаллизационные (гидратационные) и контактные вяжущие. Данные механизмы характерны только для минеральных вяжущих. Также следует отметить вяжущие конденсационного, конденсационно-полимеризационного и полимеризационного типов структу­рообразования, встречающиеся как в минеральных, так и в органических вяжущих. С точки зрения условий твердения минеральные вяжущие могут быть гидратационного, автоклавного и воздушного твердения. Органическим вяжущим системам характерно твердение в воздушных условиях.

Решить проблему получения гидравлических щелочных вяжущих впервые удалось В.Д. Глуховскому, который ввел в них амфотерный оксид и показал, что для обеспечения водостойкости система должна быть минимум трехкомпонентной [2].

Экологический аспект применения бесцементных вяжущих складывается за счет экологической безопасности технологии получения, снижения выбросов в атмосферу, отсутствия токсичных компонентов, а также ресурсосбережения и замены природного сырья на техногенное, утилизации промышленных отходов и локализации их скоплений.

История развития геополимерных материалов связана с именами французского ученого J. Davidovits и японских исследователей Iwahiro, Y. Nakamura, R. Komatsu, K. Ikeda, заложивших основы технологии геополимеров. В трактовке Джозефа Давидовича под геополимером следует понимать материал, обладающий повышенным содержанием SiO₂ и Al₂O₃, например, микрокремнезем или метокаолин, активированный сильнощелочным раствором. Murayama и другие доказали, что ион OH^– в щелочном растворе влияет на степень растворения Si⁴⁺ и Al³⁺, содержащихся в алюмосиликатных материалах [1].

Одна из последних разработок в области бесклинкерных вяжущих, так называемое наноструктурированное вяжущее, принадлежит ученым Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. Согласно предложенной формулировке [3], наноструктурированное вяжущее представляет собой неорганическую полидисперсную и полиминеральную вяжущую систему, имеющую преимущественно силикатный или алюмосиликатньй состав, и обладает высокой концентрацией активной твердой фазы, содержащей нанодисперсный компонент в количестве 3–10 %.

В процессе геополимеризации происходит растворение алюмосиликатного сырья, и в растворе происходит его полимеризация, поэтому правильное перемешивание ингредиентов дает возможность получения высокопрочной структуры получаемого геополимера.

Первым этапом структурообразования геополимеров является растворение алюмосиликатного сырья. По данным Duxson [4], растворение стекловидного алюмосиликата происходит следующим образом: вначале идет обмен ионов H⁺ на Ca²⁺ и Na⁺, затем – гидролиз алюмосиликатных соединений, разрушение деполимеризованной стекловидной структуры и расщепление соединений Si и Al на мономерные структуры. Согласно упрощенной модели, предложенной Duxson, процесс геополимеризации начинается с растворения тонкоизмельченного, термически обработанного алюмосиликатного сырья в щелочной среде. При этом на степень растворения алюмосиликатного сырья влияют его дисперсность и реакционная способность алюминия в сырье. Растворение алюмосиликатного сырья путем щелочного гидролиза происходит при достаточном количестве воды и сопровождается разрушением соединений алюминия и кремния, которые переходят в раствор и накапливаются в виде отдельных частиц на поверхности (в мономерной форме). По мере накопления твердых частиц в растворе происходит его полимеризация, так называемая геополимеризация.

Изучено влияние новых синтезированных добавок геополимера, который влияет на перемешивание ингредиентов геополимерной композиции. В процессе перемешивания композиции важную роль играет дисперсность ингредиентов, для этого нами синтезирована новая добавка на основе поливинилового спирта и карбамида. Согласно литературным данным, использование поливинилового спирта, который обладает диспергирующими свойствами, обеспечивает отличную сцепку всех ингредиентов. Но в силикатном растворе уменьшается растворимость поливинилового спирта. Для увеличения растворимости проводились реакции поливинилового спирта с карбамидом. Полученные добавки хорошо влияют на диспергирующие свойства геополимерных композиций, и в результате при их добавлении происходит получение прочного геополимера.

При получении геополимера были использованы пластифицирующие и диспергируюшие добавки. В результате проведенной работы было изучено влияние пластифицирующих и диспергирующих добавок на прочностные характеристики полученных геополимеров. В таблице 1 показано влияние диспергирующих добавок на прочностные характеристики полученного геополимера.

Таблица 1.

Влияние диспергирующих добавок на прочность полученных геополимеров

Из таблицы 1 видно, что при добавлении диспергирующих добавок в малом количестве от 0,05 % прочность на сжатие показывает результат 95,5 кгс/см², а при добавлении добавки в количестве 0,6 % прочностная характеристика полученного геополимера показывает самый высокий результат – 99,5 кгс/см². При увеличении количества диспергирующей добавки от 0,7 % наблюдается уменьшение прочности полученного геополимера. В результате можно сказать, что новая синтезированная диспергирующая добавка влияет на прочностные характеристики полученного геополимера. В процессе изучения было доказано, что наилучшим количеством добавления диспергирующей добавки в процессе получение геополимера является 0,6 % от общей массы добавляемых ингредиентов получаемого геополимера.

Результаты исследования, представленные в данной работе, позволяют сделать следующие выводы.

Видно, что новая синтезированная диспергирующая добавка влияет на прочностные характеристики полученного геополимера, и эти добавки можно добавить в процессе получения геополимера в количестве до 0,6 % от общей массы добавляемых ингредиентов. Добавление новой синтезированной диспергирующей добавки приводит к увеличению прочностных характеристик геополимеров при добавлении малого количества пластифицирующих добавок.

Список литературы:

1. Силицитовые геополимеры – первые шаги к созданию материалов будущего / В.И. Калашников, В.Ю. Нестеров, Ю.С. Кузнецов, Ю.В. Гаврилова [и др.] // Материалы МНТК «Актуальные вопросы строительства», МГУ. – Саранск, 2004. – С. 160–165.
2. Тулаганов А.А. Основы безобжиговых щелочных вяжущих и бетонов : монография. – Ташкент, 2015. – С. 19.
3. Череватова А.В., Строкова В.В., Жерновский И.В. Минеральные наноструктурированные вяжущие. Природа, технология и перспективы применения : монография. – Белгород, 2010. – 160 с.
4. Duxson P. Geopolymer technology: the current state of the art / P. Duxson, A. Fernández-Jiménez, J.L. Provis, G.C. Lukey [et al.] // J. Mater. Sci. – 2007. – № 42. – Р. 2917–2933.