LIGHT SILICON-CONTAINING DIATOMITE FILLER AND CONCRETES BASED ON IT

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.011

ЛЕГКИЙ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ ИЗ ДИАТОМИТОВЫХ ПОРОД И БЕТОНЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Научная статья

Закревская Л.В.¹, Гавриленко А.А.^2,*, Капуш И.Р.³, Любин П.А.⁴

¹ORCID:0000-0002-7064-7235;

²ORCID: 0000-0001-7740-3463;

³ORCID: 0000-0002-3684-5422;

⁴ORCID: 0000-0002-1912-1633;

^{1, 2, 3, 4} Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых, Владимир, Россия

* Корреспондирующий автор (GavrilenkoAndrew[at]yandex.ru)

Аннотация

Целью данного исследования является разработка технологии получения нового строительного композита из кремнийсодержащих пород. Заполнитель представляет собой вспененные гранулы, полученные на основе диатомита с добавлением едкого натра, доломита, воды и жидкого стекла. Отражены состав материала, обработка материалов, физико-механические свойства. Проблема щелочно-силикатного взаимодействия, характерная для традиционного портландцемента и стеклофазы, решается за счет использования магнезиального вяжущего. Были синтезированы образцы на портландцементе и магнезиальном вяжущем, содержание заполнителя варьировалось. Некоторые фракции заполнителя использовались для получения высокой плотности упаковки в композите. Бетон оценивали по плотности, прочности на сжатие и изгиб, водопоглощению и теплопроводности. Произведен анализ структуры материала. Результаты исследования микроструктуры синтезированного бетона свидетельствуют о наличии цементной матрицы, в которой плотно упакованы гранулы различных размеров. Результаты рентгенофазового анализа синтезированного бетона свидетельствуют о том, что цементная матрица состоит из кристаллов форстерита. Ориентировочная экономия при использовании бетона с разработанным заполнителем составляет около 7-16%. Такая экономия возможна благодаря тому, что поверхностное залегание кремнистых пород позволяет вести их добычу открытым способом с минимальными затратами по сравнению с другими породами, и более низкой температурой обжига при создании материала.

Ключевые слова: строительство, строительные материалы, легкий бетон, заполнитель, диатомитовые породы.

LIGHT SILICON-CONTAINING DIATOMITE FILLER AND CONCRETES BASED ON IT

Research article

Zakrevskaya L.V.¹, Gavrilenko A.A.^2,*, Kapush I.R.³, Lyubin P.A.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-7064-7235;

² ORCID: 0000-0001-7740-3463;

³ ORCID: 0000-0002-3684-5422;

⁴ ORCID: 0000-0002-1912-1633;

^{1, 2, 3, 4} Vladimir State University,Vladimir, Russia

^* Corresponding author (GavrilenkoAndrew[at]yandex.ru)

Abstract

The aim of this study is to develop a technology for obtaining a new construction composite from silicon-containing rocks. The filler is foamed granules obtained on the basis of diatomite with the addition of caustic soda, dolomite, water, and liquid glass. The study demonstrates the composition of the material, processing of materials, physical, and mechanical properties. The problem of alkali-silicate interaction, characteristic of traditional Portland cement, and glass phase is solved by using a magnesia binder. Samples were synthesized on Portland cement and magnesia binder, the while the content of the filler was varied. Some fractions of the filler were used to obtain a high density of packaging in the composite. Concrete was evaluated by density, compressive and bending strength, water absorption, and thermal conductivity. The study carries out an analysis of the structure of the material. The results of the study of the microstructure of synthesized concrete indicate the presence of a cement matrix in which granules of various sizes are densely packed. The results of X-ray phase analysis of synthesized concrete indicate that the cement matrix consists of forsterite crystals. The estimated savings when using concrete with the developed aggregate amounts to 7-16%. Such savings are possible due to the fact that the surface occurrence of siliceous rocks allows them to be mined in an open manner with minimal costs compared to other rocks, and a lower firing temperature when creating the material.

Keywords: construction, building materials, light concrete, aggregate, diatomite rocks.

Введение

Возросшая потребность в легком бетоне ставит перед исследователями строительных материалов задачу расширения его ассортимента на базе природных ресурсов с улучшенными тепловыми и структурными свойствами.

Спрос на качественные строительные материалы растет с каждым годом. Важнейшими эксплуатационными показателями строительных материалов являются прочность, теплопроводность, долговечность, и стоимость.

В соответствии с Федеральным законом № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» особое внимание следует уделить теплоизоляции зданий.

В последние годы набирает популярность монолитное строительство, в котором легкобетонные конструкции выполняют теплоизоляционную и ограждающую функции. В данном исследовании в качестве легкобетонных конструкций рассматриваются конструкции из бетона на легком заполнителе, произведенном из диатомитовых пород.

В современной литературе эта тема представлена отдельными исследованиями, подтверждающими эффективность использования диатомитовых пород для создания легких заполнителей для бетонов. Несмотря на все имеющиеся исследования потенциал этой породы раскрыт не полностью и нуждается в дальнейшем изучении [1], [2].

Основными задачами исследования являются: изучение физико-механических свойств зернистого теплоизоляционного материала, полученного на основе кремнеземистого сырья, и разработка составов бетонов с высокими эксплуатационными показателями.

Многие технические и эксплуатационные характеристики бетона зависят от вида и свойств заполнителя. Керамзит является «основным полем деятельности», в котором за последние десятилетия отработаны новые подходы к проектированию легких бетонных смесей на пористых заполнителях [3].

Некоторые научные работы по этой теме подтверждают тот факт, что прочность бетона напрямую связана с прочностью гранул пористого заполнителя. Однако исследования свойств зоны «заполнитель-цементная матрица» показывают, что характер связи между заполнителем и цементной матрицей сильно влияет как на прочностные, так и на другие свойства легкого бетона [4], [5], [6].

Кремнистые опал-кристобалитовые породы, по запасам которых Россия занимает первое место в мире, относятся к многоцелевому сырью. Использование этих пород в строительстве, а также их происхождение и распространение изучались во многих работах.

Известно, что кремнистые породы представляют собой легкие мелкопористые порошки, состоящие из мельчайших опаловых обломков диатомей и кристобалита, а также глинистых минералов [5], [7].

Основными и наиболее распространенными диатомитовыми породами являются: диатомит и трепел (рис. 1, 2) [7].

Рис. 1 – Диатомит

Рис. 2 – Трепел

Диатомиты и трепелы (целит, каменная мука, диатомит, инфузориальная земля) — легкие мелкопористые породы. Диатомиты сложены остатками диатомитовых водорослей (60-80%) и имеют типично органогенное строение. Они рыхло сцементированные, характеризуются серовато-желтым цветом, очень высокой пористостью (20-84%) и низкой плотностью (0,35-1,6 г/см3). Иногда они имеют микрослоистую структуру. Возраст диатомитов палеоген-неогеновый и четвертичный. В России крупные месторождения диатомитов находятся в Поволжье, на Урале и в Закавказье. Имеется возможность использования диатомитовых пород Владимирской области в качестве реакционноспособного аморфного кремнезема.

Трепел внешне и по составу схож с диатомитами. Во влажном состоянии трепел легко растирается пальцами. При микроскопическом исследовании в составе трепла обнаруживаются: опал (75-80%) (рис. 3), глинистое вещество, зерна кварца, глауконит, карбонаты и иногда остатки диатомей. Содержание фракций мельче 0,01 мм - 36,2-46,2%. Удельный вес равен 2,4 т/м3; плотность варьируется от 0,45 до 1,4 г/см3; пористость колеблется от 41 до 81%. Высокая пористость (особенно закрытая пористость) приводит к низкой теплопроводности. Диатомитовые породы используются в качестве гидравлических добавок к цементам, сырья для производства кирпича и легких материалов для обратной закладки [8], [9], [10].

В таблице 1 приведены наиболее важные свойства диатомитовых пород.

Таблица 1 – Физические свойства диатомитовых пород

Плотностьρ0, кг / м3	Истинная плотностьρtrue,кг / м3	Пористость,%	Прочность на сжатие, MПa	Коэффициент твердости по шкале Мооса	Теплопроводность, Вт(м•°C)
350-1600	2000-2500	20-84	2-15	1-4	0,09-0,5

Некоторые авторы [9], [10], [11] утверждают, что химический состав диатомитов и трепела практически одинаков, но микроструктура различна. Это связано с разницей в геологическом возрасте месторождений. Химический состав диатомитов представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав диатомитов и трепелов Владимирской области

Хим. соединени	SiO2, %масс	Al2O3, %масс	Fe2O3, %масс	СаО, %масс	MgO, %масс	К2О, %масс
Диатомиты	70–96	5–15	2 –5	0,5–5	0,5–3	0,1–1,45
Трепелы	66,2– 84,7	2,7–18,6	0,2–5,6	0,24– 22,1	0,1–1,8	0,4–1,5

Фазовый состав кремнистых пород представлен тремя минералами: опалом, кристобалитом и кварцем. Преобладающим минералом является опал, содержание которого обычно составляет 56-98%. Во всех кремнистых породах присутствует кварц, содержание которого может колебаться от 5 до 35 %. Кристобалит в диатомитах почти отсутствует. В других разновидностях кремнистых пород его содержание может достигать 20%. Опал состоит из чрезвычайно мелких частиц или пористых агрегатов с развитой внутренней поверхностью [12], [13], [14], [15].

Целью данного исследования является разработка технологий получения нового строительного композита из кремнийсодержащих пород. Низкая теплопроводность и плотность при достаточной прочности являются основными преимуществами полученного заполнителя. Проблема щелочно-силикатного взаимодействия, характерная для традиционного портландцемента и стеклофазы, решается за счет использования магнезиального вяжущего.

Основная часть

Для исследования использовалось следующее сырье:

• диатомит
• каустическая сода
• жидкое стекло
• доломит
• вода

Полученный материал получил рабочее название «Диапен».

«Диапен» — строительный материал нового поколения, синтезированный из кварцевых пород с пористой химически стойкой структурой и сырьевой компонент для легких бетонов.

В таблице 3 приведен состав сырьевых смесей для получения «Диапена».

Таблица3 –Составы легких кремнистых заполнителей

№ состава	Диатомит увлажненный,%масс	Каустическая сода,%масс	Жидкое стекло,%масс	Вода,%масс	Доломит,%масс
Л1	58	18	5	15	4
Л2	64	15	5	12	4
Л3	71	12	5	9	4
Л4	76	9	5	6	4
Л5	82	6	5	3	4

Подготовка сырья и производство гранул состояло из следующих технологических операций:

• измельчение диатомита;
• увлажнение диатомита;
• дозировка основных компонентов;
• добавление едкого натра, жидкого стекла и воды;
• смешивание ингредиентов;
• производство гранул экструдером;
• вспучивание во вращающейся печи при температуре 880 градусов;

Внешний вид полученных гранул заполнителя показан на рисунке 3.

Рис.3 –Заполнитель«Диапен»

Для дальнейших исследований был выбран состав Л2, так как он имеет меньшую плотность и теплопроводность по сравнению с другими.

На рис. 4 представлена микроструктура гранул «Диапена», полученная методом сканирующей электронной микроскопии. Данная микроструктура позволяет сделать вывод, что «Диапен» представляет собой материал с закрытыми порами на внешней поверхности и развитой пористостью внутри гранулы.

Рис.4 –Микроскопия внутренней структуры гранул «Диапен»

Исследованы механические и эксплуатационные характеристики «Диапена» для оценки качества полученного материала. Исследование плотности, прочности на сжатие в цилиндре и водопоглощения проводили по ГОСТ 9758-2012. В таблице 4 представлены результаты измерения физико-механических свойств пористого заполнителя.

Таблица 4 –Свойства «Диапена»

Фракция заполнителя, мм	1–5	5–20
Насыпная плотность,кг/м3	299	192
Прочность на сжатие,MПа	3,8	2,7
Водопоглощение,%масс	4,3	6,2
Водопоглощение,%об	6,3	6,6
ТеплопроводностьВт/(м*C)	0,086	0,073

Рекомендуется использовать магнезиальные вяжущие, так как полученный заполнитель имеет в своем составе высокое содержание силикатов, что представляет опасность щелочно-силикатного взаимодействия в бетоне с этим заполнителем, описанную в [17], [18], [19], [20]. Для проверки теоретических предположений были изготовлены экспериментальные образцы легкого бетона на традиционном портландцементе и магнезиальном цементе. В таблице 5 приведен состав легких бетонов с различными вяжущими. В качестве затворителя к магнезиальному вяжущему использовался бишофит.

Таблица5 – Составы легкого бетона

	Цемент Сореля,%масс	Заполнитель увлажненный,%масс	Затворитель,%масс
LB-C/M-1	7,4	86,9	5,7
LB-C/M-2	8,4	84,8	6,8
LB-C/M-3	9,4	82,8	7,8
LB-C/P-1	10,1	23,58	4,5
LB-C/P-2	11,1	24,36	5,0
LB-C/P-3	12,1	25,12	5,5

Образцы бетона были отобраны из специально приготовленных лабораторных бетонных смесей и испытаны. Образцы набирали прочность в течение 28 дней при температуре воздуха 20⁰С и относительной влажности 95% в соответствии с ГОСТ 18105-2010.

Вяжущим служил портландцемент марки В42,5.

Плотность бетона определяли в воздушно-сухом состоянии и по ГОСТ 12730.1. Прочность образцов на сжатие, определяли по ГОСТ 10180-2012. Определение водопоглощения проводили по ГОСТ 12730.3-78. Определение теплопроводности проводили по ГОСТ 30256-94. Образцы испытывали на приборе МИТ-1 в нормальных условиях.

Основные результаты

Сравнительные характеристики бетонов на портландцементе и магнезиальном цементе приведены в таблице 6. Образцы, промаркированные LB-C/M изготовлены на основе магнезиального вяжущего, а образцы LB-C/P на основе портландцемента.

Таблица6 –Результаты испытаний образцов бетона

Название образца	LB-C/M-1	LB-C/M-2	LB-C/M-3	LB-C/P-1	LB-C/P-2	LB-C/P-3
Плотность,кг/м3	695	693	694	665	659	652,0
Прочность на сжатие,MПа	8,8	8,9	9,0	5,24	5,19	5,15
Водопоглощение,%об	10,78	10,1	10,4	11,2	8,7	8,9
ТеплопроводностьВт/(m*C)	0,316	0,322	0,328	0,291	0,252	0,244

Образец LB-C/M-2 был выбран для исследования структуры и фазового анализа. Результаты исследования микроструктуры синтезированного бетона, представленные на рис. 5, 6, свидетельствуют о наличии цементной матрицы, в которой плотно упакованы гранулы различных размеров. Рентгенофазовый анализ образца показан на рисунке 7.

Рис. 5 – Цементная матрица с кристаллами форстерита

Рис.6 – Наиплотнейшая упаковка

Рис.7 –Рентгенофазовый анализ образца

Заключение

Одной из причин высокой механической прочности «Диапена» и бетона на заполнителе «Диапен» является образование игольчатых кристаллов, создающих армирующие каркасы по всему объему бетона. Это мы можем увидеть при изучении структуры с помощью растровой электронной микроскопии и рентгенофазового анализа.

Результаты испытаний убедительно показали, что разработанный материал обладает хорошими теплоизоляционными и прочностными свойствами, позволяющими изготавливать качественный материал для ограждающих и теплоизоляционных конструкций, особенно для активно развивающегося монолитно-каркасного и малоэтажного строительства, а также с применением разработанного заполнителя, в качестве насыпного утеплителя.

Следует отметить, что добыча кремнистых пород во Владимирской области примерно в 2 раза дешевле добычи сырья для производства керамзита. Его стоимость (вкупе с более низкой температурой обжига в процессе создания) ниже себестоимости производства керамзита. Поверхностное залегание кремнистых пород позволяет вести добычу открытым способом с минимальными затратами по сравнению с другими породами, используемыми для аналогичных целей. Ориентировочная экономия при использовании бетона с разработанным заполнителем составит около 8-15%.

Оценка свойств бетонов со заполнителем «Диапен» и их сравнение с аналогами показывает, что полученный материал не уступает традиционным строительным материалам, а по совокумности отдельных параметров превосходит их, и может быть рекомендован в качестве высокоэффективного теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного материала.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References*

1. Adjustable thermal property of polyethylene glycol/diatomite shape-stabilized composite phase change material Polym./ T. Qian, J. Li, H. Ma et al. // Compos. 37. – 2016.– pp. 854–860.
2. Polyethylene glycol (PEG) /diatomite composite as a novel shape-stabilized phase change material for thermal energy storage Sol. / S. Karaman, A. Karaipekli, A. Sarı et al. // Energy Mater. Sol. Cells 95. – 2011 – pp. 1647–1653.
3. Granular phase change composites for thermal energy storage Sol. / Zhang D, Zhou J, Wu K // Energy 78. – 2005. – 351–480.
4. Microencapsulation of n-octadecane phase change material with calcium carbonate shell for enhancement of thermal conductivity and serving durability: synthesis, microstructure, and performance evaluation / Yu S, Wang X, Wu D // Appl. Energy. –2016.– 114. – pp. 632–643.
5. Use of phase change materials for thermal energy storage in concrete: an overview / Ling T, Poon C // Constr. Build. Mater. – 2013. – 46. – pp. 55–62.
6. Al-Degs Y Sorption of lead ions on diatomite and manganese oxides modified diatomite / Al-Degs Y., Khraisheh M. A. M., Tutunji M. // Water Res. – 2001. –35. – pp. 3724–3728.
7. Elaboration and characterisation of new mesoporous materials from diatomite and charcoal Micropor. /Hadjar H // Mesopor. Mat. – 2008. – 107. –pp. 219–226.
8. Investigation of clay content and sintering temperature on attrition resistance of highly porous diatomite based material / N. Garderen, F. Clemens, M. Mezzomo et al.// Appl. Clay Sci. –2011. – 52. –pp. 115–121.
9. Li M. Study on preparation and thermal property of binary fatty acid and the binary fatty acids/diatomite composite phase change materials /Li M, Kao H, Wu Z et al.// Appl.Energy. – 2011.– 88. – pp. 1606–1612.
10. Xu B Paraffin/diatomite composite phase change material incorporated cement-based composite for thermal energy storage / Xu B, Li Z // Appl. Energy. – 2013. – 105. –pp. 229–237.
11. Preparation and Thermal Properties of Fatty acid/diatomite Form-Stable Composite Phase Change Material for Thermal Energy Storage Solar Energy / Wen R, Zhang X, Huang Z et al. // Materials and Solar Cells. – 2018. – 178. – pp. 273-279.
12. Assessment of the Mechanical Properties of a Concrete made by Reusing both: Brewery Spent Diatomite and Recycled Aggregates Construction and Building Materials / Letelier V, Tarela E, Muñoz P et al.– 2012. – 114. – pp. 492-498.
13. Preparation and Properties of Fatty Acids Based Thermal Energy Storage Aggregate Concrete Construction and Building Materials / Wang R, Ren M, Gao X et al. – 2018. – 165.– pp. 1-10.
14. Qian T Octadecane/C-Decorated Diatomite Composite Phase Change Material with Enhanced Thermal Conductivity as Aggregate for Developing structural–functional Integrated Cement for Thermal Energy Storage. Energy /T. Qian. – 2018. – 142. – pp. 234-249.
15. Zhang G Microstructural modification of diatomite by acid treatment, high-speed shear, and ultrasound Micropor. / G Zhang // Mesopor. Mater. – 2013 – 165. – pp. 106–112.