Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

EXPERIMENTAL AND PHYSICAL-CHEMICAL MODELLING OF MAGNESIA-FERRIFEROUS SLAG INTERACTION WITH ALKALINE SOLUTIONS AND STUDY OF GEOPOLYMER PROPERTIES ON ITS BASE E.V. Kalinkina1, B.I. Gurevich1, A.M. Kalinkin1, S.I. Mazukhina2, E.S. Serova1 1 I. V. Tananaev Institute o f Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials o f the Kola Science Centre o f the RAS, Apatity, Russia 2Institute of North Industrial Ecology Problems o f the Kola Science Centre o f the RAS, Apatity, Russia Abstract Interaction of magnesia-ferriferous slag ground in air and carbon dioxide atmosphere with alkaline solutions, has been studied. Experimental data on Si and Al dissolution extent from the slag treated by NaOH solution have been obtained, the+ dependence of this dissolution extent on the ball mill grinding time, grinding atmosphere and NaOH concentration has been investigated. It has been concluded that the surface of the slag particles mechanochemically carbonized by grinding in CO 2 atmosphere exhibits enhanced reactivity and this fact is correlated with the rise of the compressive strength of geopolymers prepared from this slag. Experimental results are in a good agreement with the data of the thermodynamic modelling of the interaction between the slag and NaOH carried out using the “Selector’ software. Keywords: magnesia-ferriferous slag, NaOH, grinding, carbon dioxide, geopolymers. Исследование и разработка бесклинкерных гидравлических вяжущих, альтернативных портландцементу, в настоящее время является актуальной задачей. Увеличивается интерес строительной индустрии к группе материалов, обозначенных следующими терминами - вяжущие щелочной активации, щелочеактивируемые материалы, шлакосиликатные вяжущие, геополимеры [1-5]. Эти материалы обладают специальными технико- эксплутационными свойствами и рассматриваются как эффективный способ утилизации минеральных отходов и побочных продуктов промышленности. Установлено, что многие алюмосиликатные минералы при взаимодействии со щелочным раствором могут вступать в реакции геополимеризации, образуя в конечном итоге цеолитоподобную матрицу с аморфной или полукристаллической структурой [1, 2, 4]. Ключевым моментом является способность минерала растворяться в щелочи, создавая в растворе достаточно высокую концентрацию кремния и алюминия, что служит предпосылкой для образования высоко реакционноспособной алюмосиликатной гелевой фазы. Образование, превращения и твердение гелевой фазы приводят к формированию геополимерной матрицы. Наряду с природными алюмосиликатными минералами в качестве твердого компонента при геополимеризации используют техногенные отходы подходящего состава. Ввиду чрезвычайной сложности процессов, протекающих в указанных системах, недостаточности знаний о связи природы исходного сырья с его склонностью к геополимеризации большинство исследований касается только хорошо изученного сырья - строительных отходов, зол, доменных шлаков, пуццолановых пород, некоторых чистых алюмосиликатных пород и глин. Объект исследования в данной работе - магнезиально-железистый шлак, являющийся отходом медно­ никелевого производства. По составу и свойствам он существенно отличается от доменных шлаков. На территории Мурманской области накоплены десятки миллионов тонн этого вида техногенного сырья. Исследования по использованию магнезиально-железистых шлаков для нужд строительной индустрии ведутся c 1960-х годов [ 6 ]. В работах последнего периода это направление развивается с использованием механохимических подходов [7-10]. Ранее нами установлено, что механическая активация в воздушной среде и особенно в углекислом газе способствует существенному повышению реакционной способности шлака в отношении водорастворимых силикатов натрия (жидкого стекла) [10]. Эффект повышения активности шлака в реакциях геополимеризации был обнаружен и изучен с использованием лабораторной центробежно-планетарной мельницы АГО-2, в которой, благодаря высокой энергонапряженности, механохимические эффекты, в частности механосорбция СО 2 силикатами, проявляются в наибольшей степени. Представляло интерес проследить влияние углекислого газа как среды измельчения на свойства шлакощелочного вяжущего при использовании лабораторной шаровой мельницы. Шаровые мельницы по сравнению с планетарными характеризуются значительно меньшей энергонапряженностью, но с точки зрения масштабирования результатов экспериментов имеют неоспоримые преимущества. В составе геополимера шлак может быть использован в композиции с другими твердыми алюмосиликатными компонентами (нефелин, зола и др.), которые сами по себе не являются достаточно активными в реакциях геополимерного синтеза. В таких случаях повышение прочности синтезированного композиционного геополимера, объясняется синергетическим эффектом [4, 9]. Синтез геополимера начинается с растворения алюмосиликатного компонента в щелочной среде, протекающего одновременно с реакциями гелеобразования и поликонденсации [1, 2]. При этом степень перехода в раствор кремния и алюминия является одним из наиболее важных факторов, влияющих на образование алюмосиликатного геля и в конечном счете на прочность синтезируемого геополимера. В работе 543