Взаимодействие соединений щелочных металлов с силикатами

С целью определения влияния минеральных добавок кремнеземистого и алюмосиликатного составов на свойства шлакощелочных цементов ниже рассматривается характер их взаимодействия с насыщенными растворами гидроокиси и карбоната натрия в условиях пропаривания при 95±5°С суспензий при В/Т=10.

После пропаривания полученные продукты промывали водой, а нерастворимый остаток высушивали при температуре 105°С и подвергали рентгенографическому и химическому анализам. Результаты исследований показали, что едкие щелочи более активно реагируют со стекловидными веществами, чем с их кристаллическими аналогами; при этом растворимость в них силикатных веществ уменьшается по мере усложнения состава последних; однокомпонентное кварцевое стекло растворяется почти полностью, меньшую растворимость имеют трехкомпонентные стекла альбитового, ортоклазового, анортитового и нефелинового составов, из которых наименее растворим нефелин; минимальная растворимость характерна для многокомпонентных кальциевых стекол, представленных кислыми и основными гранулированными шлаками.

Рентгеноструктурный анализ изучаемых композиций дает возможность констатировать глубокие превращения, происходящие в процессе их взаимодействия со щелочами. Так, на рентгенограмме кислого шлака (рис. 6), обработанного карбонатом натрия, появляются слабые линии с d = 3,05; 2,27; 2,07 ?, которые могут быть отнесены к кальциту, образовавшемуся в результате обменной реакции между СаО шлака и Na₂CO₃.

Для рентгенограммы этого шлака, обработанного щелочью, характерны линии с d = 2,82; 2,68; 1,92; ?, которые можно отнести к смешанному кальциево-натриевому гидросиликату HNaCaSiO₄, кроме того, имеются слабые линии, присущие гидратной фазе нефелинового состава со структурой содалита.

На рентгенограмме основного шлака, обработанного Na₂CO₃, четко выражены линии кальцита, а NaOH — также, как и в случае кислого шлака, присутствуют интенсивные линии кристаллических новообразований с d = 2,82; 2,68; 1,92; 1,75 ?, относящиеся к смешанному гидросиликату HNaCaSiO₄ и слабые линии натриевого содалита.

Рентгенограмма каолинита, обработанного NaOH, свидетельствует о его разрушении и возникновении новообразований с d=6,24; 3,62; 2,82; 2,57; 2,10 ?, относящихся к гидратной фазе нефелинового состава.

Продукты взаимодействия алюмосиликатных стекол нефелинового, альбитового, жадеитового и анортитового составов, а также плавленых гранита и топливного шлака с растворами NaOH, по существу, аналогичны между собой и представлена щелочными гидроалюмосиликатами со структурой содалита типа R₂O·Al₂O₃·SiO₂·2H₂O.

Стекло нефелинового состава, содержащее большее количество, чем альбит, ортоклаз и анортит, щелочных окислов, активно гидратируется щелочью, однако, менее растворимо в ней, чем эти стекла.

Щелочные алюмосиликаты, практически не растворимые в воде, легко гидратируются щелочными растворами, и растворимость их в едких щелочах определяется в основном не природой щелочного катиона, а соотношением между окисью алюминия и кремнезема. Избыток в этих силикатах кремнезема, по сравнению с тем количеством, которое необходимо для возникновения щелочных гидратных новообразований типа R₂O·Al₂O₃·SiO₂·2H₂O, выносится в щелочной раствор. Этим можно объяснить повышенный унос SiO₂ из стекол состава альбита, ортоклаза, а также плавленого гранита, в которых отношение Al₂O₃ к SiO₂ примерно 1:6—1:8, по сравнению со стеклами нефелиновой модели, в которых это соотношение близко к 1:2.

В нерастворимом остатке во всех случаях, когда в системе присутствует окись алюминия, образуются щелочные гидроалюмосиликаты типа R₂O·Al₂O₃·SiO₂·2H₂O, способные затвердевать в водостойкий камень. Количество воды и катионов натрия в их составе определяется природой силикатной составляющей. Особенно значительное увеличение массы возникающих гидратов наблюдается при обработке щелочью анортитового стекла и доменных шлаков, что объясняется присутствием в них окиси кальция, уменьшающей вынос кремнезема щелочным раствором. Этим же обусловлено их взаимодействие с раствором карбоната натрия, с которым бескальциевые образования в условиях опыта практически не реагируют.

По степени взаимодействия со щелочами силикатные вещества можно разделить на три группы:

• 1) активно взаимодействующие — силикатные соединения, которые находятся в мутабильном и мета-стабильном состояниях, в том числе и стекловидном;
• 2) менее активно взаимодействующие — кристаллические водные алюмосиликаты — глинистые минералы;
• 3) слабо взаимодействующие — кристаллические стабильные структуры — безводные алюмосиликаты и кремнезем.

Взаимодействие силикатов всех трех групп с едкими щелочами имеет место не только в условиях пропаривания, но и в естественных условиях [13]. Этим объясняется то, что едкие щелочи, возникающие в вяжущем, в условиях производства строительных бетонов не только способны гидратировать стекловидные алюмосиликатные вещества шлаков, но и взаимодействовать с минералами глин и стеклоподобными силикатными веществами добавок, а также с кристаллическими образованиями крупных и мелких заполнителей, однако, степень этого взаимодействия, а следовательно, и его влияние на синтез свойств вяжущего и бетона определяются природой вяжущего, физическим состоянием и дисперсностью силикатов.