Carbonization and CrushabIlIty of Structured Sand-Sodlum-Silicate Mixtures

Abstract

Purpose. To identify the regularities of kinetics of carbonization process in thin layers of solidified sodium­silicate solution and to describe the mechanism of changes in surface strength of structured sand­sodium­silicate mixtures as per time. Methodology. Determination of ultimate compressive strength and crushability resistance was carried out on samples with dimensions of ∅50 × 50 mm. The samples were prepared from mixtures of quartz sand and 5 % by weight of binder material (sandsodium­silicate mixture, phenol­formaldehyde resin), as well as quartz sand cladding with sand­sodium­silicate mixture. Sandsodium­silicate mixture carbonization kinetics was studied in a layer of hollow glass balls, previously clad with liquid sodium sand­sodium­silicate mixture. Excerpt and determination of ball mass as per duration of their staying in the air were carried out in a climatic chamber. Ball surface appearance was recorded by microscopic photographing with an up to 25 times magnification. Influence of materials­modifiers on dehydrated sodium silicate solute carbonization was investigated by visual assessment of cladding layer surface of glass balls. For this matter, glass balls of ∅10 mm were cladded with pure or modified sodium silicate solute followed by air drying for 6 hours. Cladding layer surface quality was evaluated after 48 hours of exposure in the climate chamber at 24–28 °C with 60–85 % relative humidity. findings. With increasing short­term storage (up to 24 hours) of structured sand­sodium­silicate mixtures in air, their strength increases and crumbling decreases. With long­term storage – strength decreases and crumbling increases. Storage of prepared sand­sodium­silicate mixtures should be carried out in a hermetically sealed container using a portion of sodium hydroxide. For the first time, kinetics of sodium­silicate mixtures сarbonization in a layer ~20 µm thick has been established. Based on the experimental data, kinetic curves for sodium silicate solute in clad layer carbonization are constructed. The reasons of extremum on kinetic curves presence are considered. Analytical expression for dependence of structured sand­sodium­silicate mixture crushability on the time of their staying in air has been developed. It is established that, among technological additives in sodium silicate solute tested in the work, no additive prevents or slows down the process of dehydrated sodium silicate solute in clad layer carbonization. originality. For the first time, kinetics of sodium­silicate mixture carbonization in a layer about 20 µm thick has been investigated. It has been established that the process of sodium­silicate mixture carbonization begins without an induction period and is of an extreme nature. For the first time, analytical dependence of structured sand­sodium­silicate mixture crushability as per time they excerpt in air has been elaborated. Practical value. Recommendations for long­time storage of granular materials containing finely dispersed sodium silicate or clad with sodium silicate have been developed. Implementation of the recommendations will allow reducing technological losses, improving the work on strengthening soils with sodium­silicate mixture quality and improving the quality of concrete and castings produced in sand­sodium­silicate mixture forms

Цель. Установление закономерностей кинетики процесса карбонизации в тонких слоях затвердевшего жидкого стекла, и описание механизма изменения поверхностной прочности структурированных песчано­жидкостекольных смесей во времени. Методика. Определение предела прочности при сжатии и величины осыпаемости проводили на образцах с размерами ∅50 × 50 мм. Образцы изготавливали из смесей кварцевого песка и 5 % по массе связующего материала (натриевого жидкого стекла, феноло­формальдегидной смолы), а также кварцевого песка, плакированного жидким стеклом. Кинетику карбонизации жидкого стекла в слое исследовали на полых стеклянных шарах, плакированных жидким стеклом. Выдержку и определение массы шаров от длительности нахождения их на воздухе проводили в климатической камере. Вид поверхности шаров фиксировали фотосъёмкой на микроскопе при увеличении до 25 крат. Влияние модифицирующих материалов на карбонизацию дегидратированного жидкого стекла исследовали по результатам визуальной оценки поверхности плакированного слоя стеклянных шаров. Для этого стеклянные шары ∅ 10 мм плакировали чистым или модифицированным жидким стеклом с последующей сушкой на воздухе в течении 6 часов. Качество поверхности плакированных слоёв оценивали после 48 часов их выдержки в климатической камере при 24–28 °С с относительной влажностью воздуха 60–85 %. Результаты. С увеличением длительности кратковременного хранения (до 24 ч) структурированных песчаножидкостекольных смесей на воздухе их прочность возрастает, а осыпаемость понижается. При долговременном хранении – прочность уменьшается, а осыпаемость возрастает. Хранение приготовленных песчано­жидкостекольных смесей следует проводить в герметично закрываемой таре с использованием навески гидроксида натрия. Впервые установлена кинетика карбонизации натриевого жидкого стекла в слое толщиной ~20 мкм. На основе экспериментальных данных построены кинетические кривые карбонизации натриевого жидкого стекла в плакированном слое. Рассмотрены причины появления экстремума на кинетических кривых. Разработано аналитическое выражение зависимости осыпаемости структурированных песчано­жидкостекольных смесей от времени их нахождения на воздухе. Установлено, что из числа опробованных в работе технологических добавок, которые предварительно вводились в натриевое жидкое стекло, ни одна добавка не предотвращает и не замедляет процесс карбонизации дегидратированного жидкого стекла в плакированном слое. Научная новизна. Впервые исследована кинетика карбонизации натриевого жидкого стекла в слое толщиной ~20 мкм на воздухе. Установлено, что процесс карбонизации жидкого стекла начинается без индукционного периода и носит экстремальный характер. Впервые установлена аналитическая зависимость величины осыпаемости структурированных жидкостекольных смесей от времени нахождения их на воздухе. Практическая значимость. Разработаны рекомендации по длительному хранению зернистых материалов, содержащих пылевидный силикат натрия либо плакированных силикатом натрия, Использование рекомендаций позволит сократить технологические потери и повысить качество работ по укрепления грунтов жидким стеклом, повысить качество бетонов и литья, производимого в песчано­жидкостекольных формах.

Мета. Встановлення закономірностей кінетики процесу карбонізації в тонких шарах затверділого рідкого скла, і опис механізму зміни поверхневої міцності структурованих піщано­рідкоскляних сумішей у часі. Методика. Визначення межі міцності при стисненні та обсипальності проводили на зразках з розмірами ∅50 × 50 мм. Зразки виготовляли з сумішей кварцового піску і 5 % за масою сполучного матеріалу (рідкого скла, фенол­формальдегіду), а також кварцового піску, пла кованого рідким склом. Кінетику карбонізації рідкого скла в шарі досліджували на порожніх скляних кулях, попередньо плакував їх натрієвих рідким склом. Витримку і визначення маси куль від тривалості перебування їх на повітрі проводили в кліматичній камері. Вид поверхні куль фіксували фотозйомкою на мікроскопі при збільшенні до 25 крат. Вплив модифікуючих матеріалів на карбонізацію дегідратованого рідкого скла досліджували за результатами візуальної оцінки поверхні плакованих шарів скляних кульок. Для цього скляні кулі ∅10 мм плакували чистим або модифікованим рідким склом з наступним сушінням на повітрі протягом 6 годин. Якість поверхні плакованих шарів оцінювали після 48 годин їх витримки у кліматичній камері при 24–28 °С із відносною вологістю повітря 60–85 %. Результати. Зі збільшенням тривалості короткочасного зберігання (до 24 год) на повітрі піщано­рідкоскляних сумішей, що структурувалися, їх міцність зростає, а обсипальність знижується. При довготривалому зберіганні – міцність зменшується, а обсипальність зростає. Зберігання приготованих піщано­рідкоскляних сумішей слід проводити в тарі, яка герметично закривається, з використанням наважку гідроксиду натрію. Уперше встановлена кінетика карбонізації натрієвого рідкого скла в шарі товщиною близько 20 мкм. На основі експериментальних даних побудовані кінетичні криві карбонізації натрієвого рідкого скла у плакованому шарі. Розглянуті причини наявності екстремуму на кінетичних кривих. Розроблено аналітичний вираз залежності обсипальності структурованих піщано­рідкоскляних сумішей від часу їх находження на повітрі. Встановлено, що із числа випробуваних у роботі технологічних добавок, які додавали до рідкого скла, жодна добавка не запобігає й не уповільнює процес карбонізації дегідратованого рідкого скла у плакованому шарі. Наукова новизна. Уперше досліджена кінетика карбонізації натрієвого рідкого скла в шарі товщиною близько 20 мкм на повітрі. Установлено, що процес карбонізації рідкого скла починається без індукційного періоду та носить екстремальний характер. Уперше розроблена аналітична залежність величини обсипальності структурованих рідкоскляних сумішей від часу перебування їх на повітрі. Практична значимість. Розроблені рекомендації із тривалого зберігання зернистих матеріалів із пилоподібним силікатом натрію або плакованим силікатом натрію. Використання рекомендацій дозволить скоротити технологічні втрати та підвищити якість робіт зі зміцнення ґрунтів рідким склом, підвищити якість бетонів і лиття, виробленого в піщано­рідкоскляних формах.