В настоящее время одной из важных проблем является индустриализация наиболее сложной области строительства  – футеровки тепловых агрегатов. В основном здесь используется мелкоштучная кирпичная огнеупорная кладка, трудоемкая в изготовлении и эксплуатации. Одним из путей решения данной проблемы является разработка технологии приготовления и применения жаростойких бетонов, и совершенствование составов керамических огнеупорных материалов. В отличие от штучных огнеупоров жаростойкие бетоны являются безобжиговыми материалами, их огневая обработка осуществляется в тепловом агрегате в процессе его пуска. Жаростойкие бетоны как эффективный футеровочный материал можно использовать в виде крупных блоков, что сокращает количество швов, а также в монолитном варианте [1-15].

Основными компонентами для производства жаростойких бетонов являются портландцемент, гидравлический портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый и высокоглиноземистый цемент, натриевое жидкое стекло, ортофосфорная кислота. В качестве тонкомолотых добавок и заполнителей  – могут быть использованы шамотные, муллитокорундовые, корундовые, керамзитовые материалы, а также волокна асбеста (содержание SiO2 не менее 38 %) и обожженные отходы обогащения асбеста [16-22].

В современных условиях особое значение приобретает дальнейшее повышение качества композиционных асбестоцементных материалов и изделий, в частности, кровельных асбестоцементных листов, совершенствование технологии их производства, увеличение производительности труда и улучшение их экологической безопасности. Это достигается за счет модифицирования сырьевых компонентов (цемента, асбеста) с помощью добавок, изменения их структуры и свойств. Многолетний опыт производства и применения асбестосодержащих материалов позволяют сделать вывод о том, что в настоящее и ближайшее время в России не существует экономических и технических альтернатив для отказа от использования хризотилового асбеста. С одной стороны, Российская Федерация обладает крупнейшей в мире сырьевой базой хризотил-асбеста и продолжает оставаться ведущей асбестодобывающей страной. С другой, наличие у асбеста комплекса уникальных свойств позволяет использовать его в производстве более трех тысяч видов изделий. Предлагаемые взамен асбеста другие волокна не обеспечивают требуемые свойства большинству изделий. Поэтому вопросы повышения эффективности производства асбестсодержащих материалов и изделий за счет модифицирования волокон хризотил-асбеста и обеспечения экологической безопасности использования композиционных асбестсодержащих материалов является актуальным [23-34].

На основании вышеизложенного представляет интерес возможности получения новых жаростойких бетонов с использованием модифицированных волокон хризотил-асбеста.

Цель исследования

Установить механизмы модифицирования хризотил-асбеста силикатными материалами, с целью улучшения эксплуатационных характеристик термостойких асбестоцементных изделий.

Материалы и методы исследования

Технологические и химические свойства хризотил-асбеста оценивали по знаку и величине электрокинетического потенциала асбестовых волокон и их активности по способности поглощать CaO, щелочестойкость  – по потерям массы в результате растворения волокон в 25 % растворе КОН (после четырехчасового кипячения), кислотостойкость хризотил-асбеста определяли по растворению (четырехчасовому кипячению) составляющих хризотил-асбеста в насыщенном растворе HCl (d = 1,19 г/см3), предел прочности при изгибе осуществляли на образцах-балочках размером 10х10х30 мм. Теплостойкость образцов оценивали на основании средне арифметического значения предела прочности при изгибе испытуемых образцов, помещенных в муфельную печь при температуре 600 °С и выдержке в течение 15 мин, к пределу прочности контрольных образцов. Испытания на атмосферостойкость проводили в естественных условиях в течение 28 сут.

В качестве модификатора использовали натриевое жидкое стекло с модулем 3,5 и плотностью 1,36 г/см3 и разные способы их введения.

Результаты исследования и их обсуждение

Одной из важнейших операций в производстве композиционных хризотилцементных изделий, определяющих производительность технологических линий и качество выпускаемых изделий, является распушка хризотила.

 Таблица 1

Степень распушки хризотила

 Введение добавки натриевого жидкого стекла в количестве 0,1-0,5 мл/10 г хризотила осуществляли на стадии распушки хризотила марки А-5-65  – 100 % и хризотиловой шихты состава А-4-30 (15 масс. %), А-5-65 (55 масс. %), А-6-45  – (30 масс. %) Баженовского месторождения. Свойства хризотила и хризотиловой шихты представлены в табл. 1.

Таблица 2

Предел прочности при изгибе хризотилцемента

Введение жидкого стекла способствует увеличению степени распушки хризотила и хризотиловой шихты на 18-22 %, что важно для получения изделий с требуемыми свойствами.

Технологические испытания хризотилцементной суспензии и хризотилцемента на модифицированном хризотиле показали, что унос цемента при фильтрации хризотилцементной суспензии в ваннах сетчатых цилиндров уменьшился на 0,6036 г/л, что объясняется увеличением степени распушки хризотила, а значит, большей поверхностью сцепления волокон хризотила с частицами цемента, что способствует увеличению плотности хризотилцемента на 200 кг/м3, уменьшению, соответственно, водопоглощения на 0,6 масс. % и пористости на 5,2 об. %.

Основные свойства хризотилцементных изделий изучали на образцах, изготовленных на хризотиле, модифицированном жидким стеклом (индекс образцов  – Э1, Э2). Также изучали свойства образцов, твердеющих в растворе жидкого стекла с различной концентрацией: 0,5; 1,0 и 1,5 масс. % от общего объема воды (Э3, Э4, Э5, табл. 2).

Экспериментально показано, что при введении добавки жидкого стекла прочность хризотилцементных образцов, испытанных в 7  – суточном возрасте, возросла по сравнению с хризотилцементными образцами на товарном хризотиле в среднем в 1,3 раза. Возрастание прочности при изгибе хризотилцементных образцов на модифицированном хризотиле объясняется лучшими адгезионными свойствами распушенных волокон хризотила, способствующих прочному сцеплению с цементным камнем.

Анализ результатов испытаний на тепло- и морозостойкость позволил установить, что потеря прочности при изгибе для хризотилцементных образцов, изготовленных на товарном и модифицированном хризотиле составила, соответственно, 9,6 и 7,6 % и 7,4 и 5,7 %. Таким образом, потеря прочности не превысила 10 %, что соответствует требованиям физико-механических испытаний. В ходе определения атмосферостойкости наблюдалось не снижение прочности хризотилцементных изделий, а наоборот, ее нарастание, которое составило 32,6 и 33,8 %, соответственно, для хризотилцементных изделий на товарном и модифицированном хризотиле. При этом трещинообразования и видимого расслоения не наблюдалось. Рост прочности объясняется тем, что в течение 28 суток твердения увеличивается степень гидратации цемента. Повышение прочности хризотилцементных изделий связано не только с увеличением удельной поверхности распушенного хризотилового асбеста, но и качественным изменением состава его поверхности за счет хемосорбции кремнекислородных анионов и катионов кальция, а также диффузионных процессов, протекающих в межфибриллярном пространстве пучков волокон. Модифицирование поверхности волокна хризотил-асбеста позволяет говорить и об уменьшении его канцерогенных свойств.

Заключение

Таким образом, авторами выявлен механизм модифицирования хризотил-асбеста, приводящий к улучшению эксплуатационных характеристик асбестоцементных изделий, который заключается во взаимодействии жидкого стекла с волокнами и выделении гидрогеля кремнезема, способствующего уплотнению асбестоцементного слоя при обезвоживании, повышению водоотделения, увеличению плотности и долговечности асбестоцементных изделий. Имеющийся научный задел позволяет высказать предположение о возможности использования модифицированных волокон хризотил-асбеста в получении термостойких композитов с усовершенствованными характеристиками и расширенным спектром области применения.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K и гранта РФФИ, проект № 14-41-08067.