НЕОРГАНИЧЕСКИЙ КЛЕЙ — ЦЕМЕНТ

УДК 691.5:621.792

Ржаницын Ю.П., Гобоев В.А.,
Семейных Н.С., Левин В.Е., Корнилов Д.М.
Пермский государственный технический университет

Описан синтез вяжущего гидратационного твердения, обладающего высокой адгезией к металлам, керамике, бетону, стеклу. Приведены исследования по определению влияния исходных материалов на вяжущие свойства клея — цемента.

Одной из актуальных задач технологии вяжущих веществ является направленный синтез новых видов цемента, превосходящих известные к настоящему времени цементы по технологическим свойствам. Наибольшего внимания заслуживает создание специальных цементов, сочетающих традиционные свойства с особыми, такими, например, как жаростойкость, кислотоупорность, высокая адгезия к различным металлам и неметаллическим материалам. Ассортимент неорганических материалов — адгезивов гидратационного твердения, обладающих вышеперечисленными свойствами, ограничен и представлен:

• жидкостекольными композициями в виде водных растворов стеклообразующих силикатов щелочных металлов;
  
• порошковыми композициями на основе безводного силиката натрия (БСН), требующими для гидратации определенного режима термообработки;
• кремнеземистыми вяжущими, получаемые способом «холодного спекания» при химической активации кремнезема растворами щелочей с последующей сушкой или гидротермальной обработкой. [1,2].

Вяжущие вещества, представленные жидкостекольными системами на основе силикат-глыбы, производят с использованием сложных и высокотемпературных технологических процессов. Кроме того известно, что водные растворы стеклообразных щелочных силикатов проявляют вяжущие свойства только при введении специальных добавок-отвердителей. Как правило, минеральные клеевые композиции на основе жидкого стекла выпускают в двух или трехупаковочном исполнении (жидкое стекло + наполнитель + отвердитель), что нетехнологично по сравнению с сухими композициями, требующими для получения вяжущего теста только затворения порошка водой. Хотя клеящая способность жидкого стекла общеизвестна, и она в 3 — 5 раз выше, чем у кальциевых силикатных цементов, однако в литературе отсутствуют сведения об адгезионных свойствах вяжущих этой группы к металлам, в частности к активным, например, к алюминию. Синтез вяжущего, лишенного указанных недостатков, был осуществлен ранее [3,4]. Предложено вяжущее гидратационного твердения для клеевых композиций, обладающее высокими адгезионными свойствами к ряду металлов, стеклу, керамике, бетону. Неорганический клей-цемент получен на основе отходов промышленности, природных материалов, в присутствии щелочесодержащего компонента путем твердофазового спекания исходной шихты при температуре не превышающей 750° С. полученные спеки измельчали до остатка на сите 008 — 1%. Порошок вяжущего затворяли водой при в/т=0.25-0.4, перемешивали в течение 4—5 мин, и из полученного вязкопластичного теста формовали образцы-кубы для определения механической прочности вяжущего в возрасте 1, 3, 7, 28 суток нормального (воздушного) твердения. Для исследования адгезионных свойств вяжущего вязко-пластичной массой склеивали образцы-грибки диаметром 15-18мм из стали, бронзы, алюминия и испытывали на приборе МИИ-100 с видоизмененными захватами, в возрасте 1, 3, 7, 28 суток.
Синтезированное вяжущее гидратационного твердения имело высокую механическую прочность, составившую в суточном возрасте 18 МПа, а в 28 суток — 30 МПа.
Прочность на отрыв к алюминию в суточном возрасте составила 1,5 МПа, в 28 суточном — 10,0 МПа.
В качестве железистого компонента исходная шихта содержала пиритные огарки. Как известно, содержание оксидов железа (Fe₂О₃, FeO, Fe₃О₄) в пиритных огарках непостоянно и колеблется от 65 до 85% по массе, что требует постоянной корректировки состава шихты.
Вызывает значительный  интерес  поиск  других железосодержащих  отходов промышленности, обладающих большим постоянством состава, чем пиритные огарки.
В данной работе использован нейтрализованный черный шлам Чусовского металлургического завода — крупнотоннажный отход производства от выплавки металла, который представлен преимущественно закисной формой железа (FeO и Fe₃О₄), что предпочтительнее для синтеза вяжущего.

Химический состав железосодержащих компонентов приведен в табл. 1.

Количество кремнеземсодержащего компонента — кварцевого песка назначалось в состав шихты с учетом содержания кремнезема в шламе, что позволило уменьшить введение природного материала.
Синтез спеков, исследование их вяжущих и адгезионных свойств проводили согласно вышеприведенной методике.

Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Из приведенных в таблице результатов следует, что применение шлама, обладающего постоянством химического состава и содержащего оксиды железа преимущественно в виде FeO и Fe₃О₄, позволило получить вяжущее гидратационного твердения, обладающее достаточно высокими адгезионными свойствами к металлам. Однако, прочность при отрыве к алюминию синтезированного вяжущего оказалась ниже в два раза, чем для вяжущего на основе пиритных огарков. Ранее проведенными исследованиями установлено [З], что фазовый состав спеков вяжущего представлен, в частности, щелочным силикатом калия состава K₂O*SiO₂, способным проявлять вяжущие свойства при затворении водой и твердеть в нормальных условиях, обеспечивая высокую механическую прочность затвердевшему вяжущему.
Отсутствие данных об адгезионных свойствах к металлам вяжущего, синтезированного на основе состава, отвечающего стехиометрии тетрасиликата калия в условиях, идентичных синтезу спеков щелочежелезосиликатного состава, потребовало проведения соответствующего эксперимента.
Физико-механические свойства вяжущего на основе опека состава тетросиликата калия приведены в табл. 3.

Из данных табл. 3 следует, что порошок спека состава тетрасиликата калия при затворении водой проявляет значительные адгезионные свойства по отношению к металлам, превышающими таковые для исследуемою клея-цемента. Таким образом, результаты испытаний подтверждают, что прочностные и адгезионные свойства неорганического клея-цемента в значительной степени формируются за счет присутствия в его полиминеральном спеке щелочного силиката типа K₂O*4SiO₂.
Однако выявлено, что некоторые свойства синтезированного материала не адекватны свойствам клея-цемента. Так при испытании образцов-кубов в возрасте от 1 до 7 суток наблюдалась их значительная линейная деформация. Далее характерно, что при испытании на отрыв разрушение контактной зоны проходило по клеевому шву, не задевая вяжущего. Тогда как для клея-цемента разрушение проходило по адгезиву.
Следует отметить, что при затворении порошка синтезированного материала водой (в/т =0,25), начало схватывания после 5 минутного перемешивания наступало уже через 3-5 мин, т.е. масса резко теряла пластичность и способность к формованию.
Неорганический клей-цемент при соответствующем испытании (в/т=0,25) имеет начало схватывания не ранее 30 мин, конец схватывания около 8-10 часов, при этом пластичность массы такова, что позволяет формировать длинные, тонкие нити, жгуты, полоски материала (l_max = 15см), удобонаносимые на любую криволинейную поверхность с последующим их отверждением при нормальной или повышенной температуре.
Из вышеизложенного следует, что высокие адгезионные и прочностные свойства железосодержащего вяжущего (клея-цемента) во многом обусловлены присутствием в нем высококремнеземистого щелочного силиката состава K₂O*SiO₂, однако скорость схватывания и твердения вяжущего регламентируется, по видимому, наличием железосодержащих щелочных соединений типа nК₂O*mFeO(Fe₂O₃)*рSiO₂*kH₂O. В то же время следует признать, что вызывает практический интерес и синтез только щелочесодержащего вяжущего, так как исходя из свойств этого материала, по срокам схватывания, например, он может быть использован в аварийных ситуациях и для ремонтных работ, в том числе и при отрицательных температурах.
Вероятно, что для регулирования сроков схватывания одного из этих вяжущих можно использовать второй вид, тем более, что синтез этих вяжущих ведется в одном технологическом режиме. Необходимо отметить, что близким аналогом рассматриваемого вяжущего по принципу формирования структуры материалов на его основе является безводный силикат натрия, однако не обладающий высокой адгезией к металлам при любых температурных условиях твердения [2].
Исходя из вышеприведенных физико-механических характеристик, можно предположить следующие области применения неорганического клея-цемента:

• Клеи для металлов, керамики, бетона, стекла, фарфора, в т.ч. термостойкие.
• Мастики для приклеивания облицовочного материала к бетонам, металлам, в т.ч. для условий с повышенными температурами, а также для сред с повышенной агрессивностью.
• Шпаклевки, замазки, в т.ч. термо- и химически стойкие.
• Вяжущее для изготовления сварочных электродов и флюсовых масс.
• Изготовление теплоизоляционных материалов.
• Изготовление тепло-, электро-, магнитопроводных конструкций, нагревательных элементов (стены, полы и т.д.).

Данное вяжущее может быть достаточно эффективно использовано в составе сухих порошкообразных клеевых композиций.

Библиографический список

1. Тарасова А.П. Жаростойкие вяжущие на жидком стекле и бетоны на их основе. М., Стройиздат, 1982.
2. Тотурбаев Б.Д. , Строительные материалы на основе силикат-натриевых композиций. М., Стройиздат, 1988.
3. Авторское свидетельство N571458 Б. из. 33, 1977.
4. В.А. Голубев, Д.М. Корнилов, В.Е. Левин, Ю.А. Луненков, Н.С. Семейных. Вяжущее для клеевых композиций. Проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений: Сборник научных трудов. (Пермский государственный технический университет). Пермь, 1997.