А.П. ПУСТОВГАР, канд. техн. наук, МГСУ

Эффективность применения активированного диатомита в сухих строительных смесях

Диатомиты являются природными активными минеральными добавками (АМД) осадочного происхождения. В эту группу добавок вместе с ними входят трепелы, опоки и глиежи.

Диатомиты представляют собой легкие пористые породы от белого до желтовато-серого цвета. Темные тона диатомитам придают органические соединения. Часто диатомиты перемешаны с глинами, карбонатными породами или песком. Средняя плотность диатомитов в сухом состоянии колеблется в пределах 150–600 кг/м3. Диатомиты получили широкое распространение в химической, пищевой, пивоваренной и других отраслях промышленности. С применением диатомитов связывают секрет изготовления скрипок Страдивари, а финансовая основа Нобелевских премий сформирована благодаря использованию А.Б. Нобелем диатомита в качестве основы для динамита. По данным Геологической службы США мировая добыча диатомитов в 2005 г. составила около 2000 тыс. т (рис. 1).

Наиболее крупной компанией на рынке диатомитов является World Minerals. На месторождениях компании, расположенных в Испании, Исландии, США, Франции, Китае и ряде других стран, добывается около 65% мирового потребления диатомитов. В России крупные месторождения диатомитов расположены в Ульяновской и Пензенской областях, а также на Урале и в Сибири.

Диатомиты относятся к так называемым кислым добавкам. При смешивании их в тонкомолотом виде с воздушной известью они придают ей свойства гидравлического вяжущего, а в смеси с портландцементом повышают его сульфатостойкость [1]. Диатомиты обладают высокой пористостью и являются хорошими инсектицидами. Эти свойства диатомитов широко ис?пользуют при производстве товарного бетона, строительных растворов и сухих строительных смесей раз?личного назначения.

Действие диатомитов как активных минеральных добавок основано на способности содержащегося в них аморфного кремнезема связывать известь в низкоосновные гидросиликаты кальция по схеме:

SiO2+Ca(OH)2+ n(H2O) = (B) CaOSiO2H2O

Большинство месторождений диатомитов сформировались миллионы лет назад. Диатомовые водоросли, извлекая из воды кремнезем, использовали его для построения своих панцирей, а отмирая образовывали диатомитовые породы. На снимках, сделанных с помощью электронного микроскопа, хорошо видна структура диатомитов, сложенных панцирями диатомовых водорослей (рис. 2). Панцирь диатомовой водоросли состоит из аморфного кремнезема, который образовался за счет нестабильностей при диффузионном осаждении. Пространственная структура панциря диатомей состоит из отдельных частей размером около 100 нм, что определяет высокую пористость диатомитов.

Способность связывать гидроксид кальция в присутствии воды при обычной температуре обусловлена содержанием в диатомитах веществ в химически активной форме, поэтому характер и интенсивность взаимодействия с известью различны. Количество аморфного SiO2 в диатомитах может колебаться от 40 до 100% к общему количеству SiO2. В основном это определяется условиями и водной средой обитания диатомей, в которых происходило формирование панциря. Однако увеличения активности диатомита можно достичь, производя специальную комбинированную активацию природного диатомита. Научными работниками МГСУ совместно со специалистами ООО «Диатомовый комбинат» была разработана технология активации природного диатомита Инзенского месторождения.

Для оценки эффективности применения активированного диатомита были проведены сравнительные исследования строительно-технологических характеристик сухих строительных смесей с различными природными и техногенными АМД.

Использование АМД в составах сухих строительных смесей способствует формированию плотной структуры материала, благодаря чему наряду с повышением прочностных характеристик снижается проницаемость, повышается морозостойкость, стойкость к истиранию и эрозии, а также устойчивость материала к различным видам коррозии, что в конечном итоге определяет его высокую долговечность.

При определении активности различных минеральных добавок использовался метод, основанный на способности поглощения добавками извести из известкового раствора в течение 30 сут (табл. 1).

Поглощение извести активированным диатомитом через 30 сут до 4 раз превышает аналогичный показатель природных АМД и на 60% выше активности микрокремнезема. Наряду с высоким показателем активности в возрасте 30 сут для активированного диатомита наблюдалось интенсивное поглощение извести в первые 3 сут.

Дальнейшие испытания проводились для составов сухих строительных смесей с различными АМД при замещении ими портландцемента в количестве 5, 10, 15 и 20%. Для снижения водопотребности в составы сухих строительных смесей дополнительно вводились суперпластификаторы различного типа. В рамках данной статьи рассмотрено совместное действие АМД и поликарбоксилатного суперпластификатора «Флюкс 1» при замещении портландцемента на АМД в количестве 10% от массы цемента (табл. 2).

Совместное использование суперпластификатора и большинства АМД положительно влияет на прочность затвердевшего раствора в возрасте 28 сут (рис. 3), однако в ранние сроки интенсивный набор прочности наблюдается только при использовании активированного диатомита (рис. 4).

Расход суперпластификатора является одним из важнейших показателей при определении эффективности применения АМД. Он определяется как тониной помола АМД, так и наличием в ее составе веществ, обладающих повышенной адсорбционной способностью. Как правило, чтобы на поверхности данных адсорбентов создать насыщенный мономолекулярный слой, необходимы повышенные дозировки суперпластификатора (рис. 5). Вместе с тем введение в состав сухих строительных смесей АМД оказывает неоднозначное влияние на

Таблица 1

Характеристики природных и техногенных АМД

Наименование АМД	Активность, мг/г	Содержание SiO2, %	Содержание Al2O3, %
Природный диатомит (ПД) Инзенского месторождения	248	82,5	5,29
Активированный диатомит (АД) Инзенского месторождения	392	87,9	5,5
Микрокремнезем (МК) ОАО «Челя?бинский металлургический завод»	250	93,2	0,49
Трас(Тр)	129	74,0	11,5
Туф (Т)	85	68,7	10,2

Таблица 2

Составы сухих строительных смесей для испытаний

Цемент М 500 Д0, (ОАО «Осколцемент»), %	АМД, %	Суперпластификатор «Флюкс-1», %	Кварцевый песок фракции 0-2,0 мм, (Мансуровское карье-роуправление), %
250	0	0,2	750
225	ПД, 25	0,2	750
225	АД, 25	0,2	750
225	МК, 25	0,2	750
225	Тр, 25	0,2	750
225	Т, 25	0,2	750

адсорбционную способность портландцементов различного минералогического состава, поэтому увеличение дозировок суперпластификаторов в отдельных случаях может быть связано с влиянием АМД на процессы гидратации и структурообразования цементных систем.

Исследования показали, что при твердении на воздухе при t=20оС и W=50% для составов с микрокремнеземом и природным диатомитом усадочные деформации вдвое превышают аналогичные показатели для составов с активированным диатомитом (рис. 6). Следует отметить, что наиболее интенсивное развитие деформаций при использовании природного диатомита и микрокремнезема наблюдается в первые трое суток твердения.

Для анализа сравнительной эффективности природных АМД различного вида был принят коэффициент эффективности применения Кэп, учитывающий изменение прочностных характеристик, расход цемента, суперпластификатора и АМД (рис. 7).

Как видно на рисунке, эффективность применения природных АМД неодинакова и зависит от вида АМД и ее количества в составе сухой строительной смеси. Наиболее эффективным является применение активированных диатомитов в количестве 3–10% от массы цемента, при дальнейшем увеличении дозировки эффективность применения активированных диатомитов начинает снижаться. Для сравнения: максимальная эффективность применения микрокремнезема и природного диатомита находится в пределах 10–15% от массы цемента, а для природных АМД вулканического происхождения этот предел может увеличиваться до 20%.

Результаты сравнительных испытаний активированных диатомитов и АМД различного происхождения показывают, что предлагаемая технология активации природных диатомитов существенно повышает эффективность их применения в сухих строительных смесях. При оптимальной дозировке активированных диатомитов, используемых в сочетании с суперпластификаторами, благодаря их полифункциональному действию возможно получение составов сухих строительных смесей с высокими прочностными характеристиками, низкими усадочными деформациями, высокой морозостойкостью и стойкостью к различным видам коррозии.

Литература

1. Ю.М. Бутт. Технология цемента и других вяжущих материалов. М.: Стройиздат. 1976. с. 344