Начало материала смотрите в статье НОВЫЕ БЕТОНЫ: геополимерные композиты с зольной пылью, армированные коротким волокном (Часть I).

3.3. Программа испытания износостойкости и результаты

3.3.1. Циклы замораживания и оттаивания

Реакция на ударное воздействие различных SFRGC после воздействия до 20 циклов замораживания и оттаивания показана на рис. 18(a-d). Для сравнения, параметры характеристик ударопрочности (ударопрочность, жесткость, ударная вязкость) различных SFRFGC до и после циклов замораживания и оттаивания рассчитаны и представлены в таблице 6.

Таблица 6
Сопротивление ударной нагрузке SFRGC после 20 циклов замораживания и оттаивания.

Из Таблицы 6 видно, что не имеется никаких существенных изменений ударопрочности для SFRFGC без зольной пыли после 20 циклов замораживания и оттаивания, по сравнению с тем же композитом перед циклами замораживания и оттаивания. Тем не менее, SFRFGC с зольной пылью ведет себя совсем не так, как композит без нее. Сопротивление ударной нагрузке композитов с зольной пылью не уменьшается, имеется даже повышение. Это особенно справедливо для композита с высоким содержанием зольной пыли (FA50). Данные наблюдения не совпадают с ожидаемым результатом: поведение при ударном нагружении затвердевшей цементирующей пасты будет, в целом,  ухудшаться после циклов замораживания и оттаивания. Это можно объяснить следующими фактами: (1) SFRFGC настолько плотные и спрессованные, что вода не может проникнуть внутрь пластин, что в результате дает практически полное отсутствие деградации от замораживания и оттаивания. (2) Далее геополимерные продукты формуются с продолжительными испытаниями замораживания и оттаивания (примерно 10 дней).

На основе результатов испытаний и анализа можно заключить, что SFRFGC обладают прекрасной устойчивостью к воздействию циклов замораживания и оттаивания. Для того, чтобы охарактеризовать свойства устойчивости SFRFGC к замораживанию и оттаиванию, потребуется большее количество циклов.

3.3.2. Воздействие раствора серной кислоты

В отличие от традиционного портландцемента, геополимерный цемент не образует оксида кальция (CaO) в ходе процесса гидратации, т. е. теоретически он не растворим в растворах кислоты. Тем не менее, практические факты все же нуждаются в экспериментальном подтверждении. Данная работа посвящена исследованию поведения при ударной нагрузке различных SFRGC до и после воздействия раствора серной кислоты (pH=1 [H.sub.2]S[O.sub.4]) на протяжении 1 месяца. Механизм воздействия [H.sub.2]S[O.sub.4] на SFRGC исследуется с помощью использования методов XPS и IR.

На рис. 19(a) и (b) даны фотографии SFRGC без зольной пыли и с 50% зольной пыли до и после воздействия раствора серной кислоты. Как можно видеть на фото, поверхностный слой SFRGC становится белым и относительно твердым, но хрупким после воздействия [H.sub.2]S[O.sub.4] по сравнения с образцами, на которые не оказывалось воздействия. Тем не менее, потеря массы для того же замеса после воздействия настолько незначительна, что ее можно игнорировать. Это, возможно, происходит потому, что некоторые ионы [Na.sup.+] в поверхностном слое SFRGC заменяются протонами кислоты из раствора [H.sub.2]S[O.sub.4] из-за более сильного электрофильного воздействия [H.sup.+] по сравнению с [Na.sup.+], в результате имеются лишь остатки кислотной нерастворимой полимерной конструкции -Si-O-A1. Факт замены [Na.sup.+] by [H.sup.+] может быть подтвержден очевидными химическими изменениями в спектрах Si2p XPS и A12p XPS для поверхностного слоя SFRGC после воздействия серной кислоты, как показано на рис. 20(a-d). Корродированный слой может рассматриваться как подвергшийся частичному обесщелачиванию остаток Si-A1, который слегка белый и довольно твердый; он также обладает способностью  препятствовать дальнейшей коррозии, действуя в качестве барьера для ионов кислоты.

Поведение реакции на ударное воздействие различных SFRFGC представлено на рис. 21(a-d) после воздействия раствора кислоты [H.sub.2]S[O.sub.4]. Для сравнения на рисунке также представлены кривые реакции на ударное воздействие соответствующих SFRFGC до воздействия раствора. Параметры характеристик ударопрочности (ударопрочность, жесткость и ударная вязкость) приведены в Таблице 7.

Таблица 7
Сопротивление ударной нагрузке SFRGC после воздействия раствора кислоты

КОПИРАЙТ 2008 Reed Business Information, Inc. (US)

Можно заметить, что значения ударопрочности (4.56%) и жесткости (11.75%) образца FA0, на который воздействует раствор [H.sub.2]S[O.sub.4], слегка меньше значений соответствующих параметров SFRFGC, который не подвергался воздействию раствора [H.sub.2]S[O.sub.4]. Тем не менее, имеется существенное повышение ударной вязкости, около 35.30%. Такое повышение ударной вязкости происходит потому, что существует платформа с длительным сдвигом и высокой устойчивостью к нагрузкам на кривой реакции на ударное воздействие для образца FA0 после воздействия кислоты, как показано на рис. 21(a).

Воздействие зольной пыли на устойчивость SFRFGC к воздействию кислоты представлено на рис. 21(b) и (c). Как можно видеть на рисунках, устойчивость SFRFGC к ударному воздействию при различных процентных концентрациях зольной пыли (FA10, FA30 и FA50) не уменьшается после воздействия кислоты, а значительно повышается особенно для FA30 и FA50, которые сильно отличаются от FA0.

При рассмотрении фото с разломанными образцами не было выявлено никаких очевидных отличий в модели повреждения от ударного воздействия для различных SFRFGC до и после воздействия кислоты.

Для того, чтобы исследовать механизм воздействия кислоты на SFRFGC, используется инфракрасная технология для определения изменений в микроструктуре геополимерных продуктов из SFRFGC до и после воздействия кислоты.

Принимая во внимание тот факт, что инфракрасные спектры создаются для FA0 - FA50 с помощью инфракрасного инструмента и при одних и тех же условиях, можно отметить, что практически нет никаких отличий инфракрасных изображений до и после воздействия для образцов FA0 и FA10 (рис. 22(a) и (b)). А это означает, что воздействие кислоты не нарушает связывания элементов и структуры двух смесей, отсюда и отсутствие значительных изменений в поведении при ударном воздействии. В отличие от этой ситуации, для образцов FA30 и FA50 после воздействия кислоты наблюдается существенное снижение примерно в диапазоне 800 [cm.sup.-1], как показано на рис. 22(c и d). Пики в диапазоне 800 [cm.sup.-1] могут инициироваться изгибными колебаниями шестерной A1-OH. По мнению Давидовича [1], причиной такого снижения может быть тот факт, что некоторые  шестерные связи A1 преобразуются в четверные связи A1, которые являются одним из конструкционных элементов геополимерных продуктов, т. е., возможно, что воздействие кислоты способствует образованию аморфных геополимерных продуктов.

4. Заключение

(1) Исследование продемонстрировало, что экструзия является эффективной технологией формования для производства высокоэффективных геополимерных композитов с зольной пылью, армированных коротким волокном (SFRGC).

(2) Сферическая форма зольной пыли способна существенно повысить способность геополимерных смесей подвергаться экструзии, что позволяет получить более плотную микроструктуру SFRGC с низким процентным содержанием зольной пыли. Тем не менее, при введении слишком большого количества зольной рыли, улучшение микроструктуры из-за присутствия зольной пыли не компенсирует ухудшения параметров геополимерных материалов из-за низкой пуццолановой реактивности зольной пыли в случае ее высокого процентного содержания.
В результате, микроструктура SFRGC становится относительно свободной.

(3) Добавление большого объема волокна PVA изменяет режим ударного разрушения SFRGC с хрупкой деформации на пластическую, из-за этого существенно повышается ударная вязкость.

(4) SFRGC без зольной пыли или же с низким содержанием зольной пыли обладает очень высокими ударопрочностью и жесткостью. Тем не менее, при введении слишком большого количества зольной пыли происходит очевидное снижение устойчивости к ударному воздействию.

(5) SFRGC обладают прекрасной устойчивостью к воздействию циклов замораживания и оттаивания, а также к воздействию концентрированных кислот. После 20 циклов замораживания и оттаивания или 1 месяца воздействия раствора серной кислоты с водородным показателем pH = 1 для различных SFRGC не наблюдается очевидного снижения ударопрочности и жесткости. А в некоторых случаях даже наблюдается некоторое повышение.

Благодарность:

Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку Естественнонаучному проекту провинции Цзянсу No. BK2006555; проекту No. A1420060186; проекту по мосту Су Тун No. STDQ-04HT20SY-010; Начальному исследовательскому проекту Шэньчженской лаборатории по исследованию износостойкости в гражданском строительстве, Шэньчженский университет; Начальному и продолжающемуся исследовательскому проекту, финансируемому Нанцзинским гидравлическим исследовательским институтом (No. Yk90508) и докторскому фонду (No. 9212002242) из южного университета.

Ссылки

[l] Davidovits J. Geopolymers и geopolymeric new materials. J Thermal Anal 1989;35(2):429-41.

[2] Davidovits J, Davidovits M. Geopolymer: ultrahihg-temperature tooling material for the manufacture of advanced composites. In: Adsit R, Gordaninejad F, editors. 36th Annual SAMPE symposium и exhibition, Covina, CA, USA, vol. 36 pt 2; 1991. p. 1939-49.

[3] Davidovits J. Geopolymer cement to minimize carbon-dioxde greenhouse-warming. In: Moukwa M, Sarkar SL, Luke K, Grutzeck MW, editors. Cement-based materials: present, future, и environmental aspects. Ceramic transactions, vol. 37. Westerville, America: American Ceramic Society; 1993. p. 165-82.

[4] Davidovits J. Properties of geopolymer cement. In: Sкvara F, editor. Proceedings 1st international conference on Alkaline cements и concretes. Kiev Ukraine: Scientific Research Institute on Binders и Materials, Kiev state technical university; 1994. p. 131-49.

[5] Lyon RE, Foden A, Balaguru PN, Davidovits M, Davidovits J. Fire-resistant aluminosilicate composites. J Fire Mater 1997;21(2): 67-73.

[6] Davidovits J. High alkali cements for 21st century concretes. In: Mehta PK, editor. Concrete technology, past, present, и future. Detroit, SP-144: American Concrete Institute; 1994. p. 383-97.

[7] Davidovits J. Geopolymer chemistry и properties. In: Davidovits J, Orlinsl J, editors. Proceedings of the first european conference on soft mineralogy, vol. 1. Compiegne, France: The Geopolymer Institute; 1988. p. 25-48.

[8] Shao Y, Marikunte S, Shah SP. Extruded fiber-reinforced composites. Concr Int 1995;17(4):48-52.

[9] Shao Y, Marikunte S, Shah SP. High performance fiber-cement composite by extrusion processing. In: Chong KP, editors. Proceedings of the 4th materials engineering conference: materials for the new millennium, vol. 2, Washington, DC; 1996. p. 251-60.

[10] Li Zongjin, Mu Bin, Chui Stanley NC. Systematic study of properties of extrudates with incorporated metakaolin or silica fume. ACI Mater J 1996;96(5):574-9.

[11] Li Zongjin, Mu Bin, Chui Stanley NC. Static и dynamic behavior of extruded sheets with short fibers. J Mater Civil Eng 2001;13(4):248-54.

[12] Shao Yixin, Shah SP. Mechanical properties of PVA fiber reinforced cement composites fabricated by extrusion processing. ACI Mater J 1994;94(6):555-64.

[13] Corina A, Marikunte S, Shah SP. Extruded fiber reinforced cement pressure pipe. Adv Cement Based Mater 1998;8(2):47-55.

[14] Li Zongjin, Mu Bin. Application of extrusion for manufacture of short fiber reinforced cementitious composite. J Mater Civil Eng, ASCE 1998;10:2-4.

[15] Stang H, Pederson C. HPFRКУБ. СМ.-extruded pipes. In: Chong KP, editor. Proceedings of the 4th materials engineering conference: materials for the new millennium, vol. 2, Washington, DC; 1996. p. 261-70.

[16] Stevens M J. Extruder principles и operation. London: Elsevier Applied Science; 1985.

[17] Stang H, Li VC. Extrusion of EКУБ. СМ.-material. In: Reinhardt HW, Naaman AE, editors. Proceedings of the 3th international Workshop on HPFRКУБ. СМ.3. 1999. p. 203-12.

[18] Shao Yinxin, Qin Jun, Shah SP. Microstructure of extruded cement-bonded fiberboard. Cement Concr Res 2001;31(8):1153-61.

[19] Li Zongjin, Mu Bin. Rheological properties of cement-based extrudates with fibers. J Am Ceram Soc 2001;84(10):2343-50.

[20] Shah SP, Peled A, DeFord D. Extrusion technology for the production of fiber-cement composites. In: Moslemi AA, editor. Proceeding of inorganic-bonded wood и fiber composite materials, vol. 6. Idaho, USA: Forest Products Society; 1998. p. 261-77.

[21] Peled A, Shah SP. Processing effects in cementitious composites: extrusion и casting. J Mater Civil Eng 2003; 15(2):192-9.

[22] Akkaya Y, Peled A, Shah SP. Parameters related to fiber length и processing in cement composites. Mater Struct 2000;33(232): 515-24.

[23] Igarashi S, Bentur A, Mindess S. The effect of processing on the bond и interfaces in steel fiber reinforced cement composites. Cement Concr Comp 1996;18(2):313-22.

[24] Peled A, Akkaya Y, Shah SP. Effect of fiber length in extruded и cast cement composites. In: Peled A, Shah SP, Banthia N, editors. ACI SP-190 on high performance concrete fiber reinforced thin products. Detroit: American Concrete Institute; 2000. p. 1-20.

[25] Peled A, Cyr MF, Shah SP. High content of fly ash (class F) in extruded cementitious composites. ACI Mater J 2000;97(5): 509-17.

[26] Yunsheng Z. Research on structure formation mechanism и properties of high performance geopolymer concrete. Ph.D. Thesis, School of Materials science и Engineering, Southeast University, Nanjing, PR China; 2004.

[27] Benbow J, Bridgwater J. Paste flow и extrusion. Oxford, UK: Clarendon; 1993. p. 153.

Zhang Yunsheng (a,*), Sun Wei (a), Li Zongjin (b), Zhou Xiangming (b) Eddie (b), Chau Chungkong (b)

(a) School of Materials Science и Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, PR China

(b) Department of Civil Engineering. The Hong Kong University of Science и Technology, Clear water Bay, Kowloon, PR China

* Автор для ведения переписки. E-mail address. zhangys279@163.com (Z. Yunsheng). 

Юньшен Чжан ; Вэй Сунь ; Цзунцзинь Ли ; Сянмин, Чжоу ; Эдди ; Чунькун, Чау

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка цемента и газобетона можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок цемента в России» и «Рынок газобетона автоклавного и неавтоклавного способов твердения в России»

www.newchemistry.ru