В.В. ЯДЫКИНА, д-р техн. наук, Е.А. ЛУКАШ, инженер,Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Одним из путей улучшения структуры и свойств цементных композитов является применение дисперсных минеральных наполнителей, модифицирующих структуру цементного камня и позволяющих придать материалу требуемые характеристики [1]. Определяющую роль в активации процессов гидратации вяжущего играют природа и состояние поверхности таких материалов. Любая поверхность твердого тела пространственно, химически и физически неоднородна. Источниками
неоднородностей могут быть изломы, ступени, дефекты, дислокации, выходы на поверхность различных кристаллографических граней и элементов структурных ячеек, продукты адсорбции, образующиеся в результате контакта материала с окружающей средой или его предварительной обработки. Наличие на поверхности разнообразных макро- и микродефектов, а также различных химических соединений приводит к появлению широкого спектра поверхностных состояний – кислотных и основных центров адсорбции.
Анализ состояния поверхности дисперсных материалов и механизма контактных взаимодействий в наполненных композиционных строительных материалах позволяет наметить пути активации наполнителей с целью усиления их адгезии к связующему и повышения структурообразующей роли. Активацию адгезионной способности наполнителей за счет увеличения их свободной поверхностной энергии можно осуществлять воздействием с помощью ионизирующих излучений, электрического и магнитного полей [2].
Установлено, что под действием ультрафиолетового облучения происходит изменение поверхности кремнезема, в результате чего образуются свободные валентности, играющие роль новых активных центров адсорбции [3, 4].
В данной работе исследовалась возможность влияния УФ-излучения на свойства наиболее перспективных с точки зрения использования местных сырьевых материалов с целью расширения производственной базы наполнителей цементобетонов – кварцитопесчаника Лебединского ГОКа Курской магнитной аномалии и отхода мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС). Для сравнения использовался кварцевый песок Нижнеольшанского месторождения. Мерой концентрации активных центров адсорбции на поверхности наполнителей служила величина обменной емкости, которую определяли методом ионообмена с гидроксидом кальция. Подтверждением целесообразности использования именно этого метода является то,что в строительных растворах и бетонах наполнители постоянно контактируют с гидроксидом кальция. Для определения зависимости обменной емкости материалов от продолжительности их УФ-облучения были подготовлены навески наполнителей фракции 0,14 – 0,315 мм одинаковой массы. Источником УФ-излучения служила кварцевая лампа Q-139. Наполнитель тонким слоем располагался на расстоянии 0,3 м от кварцевой лампы и подвергался облучению при периодическом перемешивании. Обработка продолжалась от 3 до 20 мин. Изменение состояния поверхности дисперсных материалов фиксировали с помощью ИК-спектроскопии [3].
Анализ графиков на рис. 1 показал, что зависимость концентрации обменных центров от времени облучения для всех материалов носит экстремальный характер с максимумами при продолжительности облучения 10–12 мин для кварцитопесчаника, 12–15 мин для отходов ММС и 7–10 мин для песка. Необходимо отметить, что обменная емкость всех исследуемых наполнителей при оптимальной продолжительности облучения по сравнению с исходными материалами возрастает более чем на 100%. Это, по-видимому, связано с увеличением реакционной способности поверхности, вызванной частичной дегидратацией наполнителей. Методом ИК-спектроскопии установлено, что гидроксильный покров поверхности исследуемых материалов значительно отличается и УФ-облучение по-разному влияет на состояние воды и ее фрагментов на поверхности кварцевого песка и кварцитопесчаника.
ИК-спектры кварцевого песка до и после УФ-облучения показывают, что на поверхности песка до обработки присутствовало значительное количество воды. После 7 мин УФ-облучения наблюдается снижение интенсивности спектров поглощения в области 3400–3450см-1, что обусловлено удалением значительной части молекул воды, связанных водородными связями с гидроксильными группами и между собой. При этом происходит ослабление связей ОН-групп с тетраэдрами SiO2, что способствует ускорению процесса дегидроксилирования поверхности наполнителей при оптимальном времени УФ-облучения, а также существенному изменению кислотно-основных свойств минеральных частиц. Частичное дегидроксилирование поверхности SiO2 приводит к образованию на наполнителе кислотных центров Льюиса и Бренстеда. При дальнейшей дегидратации происходит удаление свободных ОН-групп, поэтому с увеличением продолжительности облучения обменная емкость наполнителей снижается. Количество адсорбированной воды на поверхности кварцитопесчаника значительно меньше, и поэтому УФ-обработка незначительно отражается на состоянии поверхности, которое характеризует этот участок спектра.
На ИК-спектрах образцов исходного и активированного наполнителя из кварцитопесчаника наблюдается появление максимумов, свидетельствующих об увеличении количества гидроксильных групп, не связанных водородными связями, то есть способных к ионному обмену, что подтверждено увеличением обменной емкости.
Аналогичные спектры получены для отходов ММС. Для наполнителя из кварцевого песка в этой области спектра после УФ-обработки изменений практически не наблюдается. Кварцевый песок и кварцитопесчаник по-разному реагируют на активацию.
Кварцевый песок и кварцитопесчаник имеют практически одинаковые химический (90–92% SiO2) и минералогический составы. Однако установлено, что метаморфогенный кварц, входящий в состав кварцитопесчаника Лебединского ГОКа, благодаря специфике генезиса имеет ряд структурных дефектов, что способствует повышению энергетического потенциала сырья для стройиндустрии, приготовленного из кварцитопесчаника [5] .Количество активных центров на поверхности кварцитопесчаника значительно больше, чем на песке. Для подтверждения гипотезы относительно положительного влияния УФ-облучения наполнителей на усиление их адгезии к цементу, повышения структурообразующей роли и прочности композитов из смеси
цемент : наполнитель=1:3 были изготовлены образцы-балочки размером 2,5х2,5х10 см, которые подвергли пропарке.
Результаты испытаний образцов (рис. 2, 3) показывают, что наблюдается четкая взаимосвязь между количеством обменных центров на поверхности наполнителей и прочностью образцов наполненного цементного композита. Максимальный (34,2%) прирост прочности при сжатии наблюдается у образцов с дисперсными материалами из кварцитопесчаника при обработке в течение 10 мин и 28,6% из песка при 7 мин УФ-активации.
УФ-обработка наполнителей позволяет сократить расход цемента в бетоне до 20%: при применении неактивированных наполнителей эта величина составляет 15% для кварцитопесчаника и отхода ММС и 10% для кварцевого песка.
Таким образом, подтверждено различие в состоянии поверхности между кварцевым песком и кварцитопесчаником; установлено влияние УФ-обработки на концентрацию обменных центров, причем механизм воздействия отличается для этих исследуемых материалов. Показано, что при использовании УФ-обработки дисперсных наполнителей прочность композитов повышается пропорционально увеличению концентрации активных центров.
