В данной статье в качестве испытательного образца использован волластонит из месторождения Сяоцзипу, город Дайе, провинция Хубэй. Результаты рентгеновского дифракционного анализа были сопоставлены со стандартной порошковой картой триклинного волластонита по данным ASTM; основные параметры хорошо соответствуют друг другу. Ввиду хорошо развитой волокнистой кристаллической структуры волластонита, образующегося в районе Дайе, порошковые кристаллы характеризуются двумерным распределением, что повышает вероятность проявления определённых кристаллических плоскостей и одновременно снижает вероятность проявления других. В результате некоторые дифракционные данные для отдельных кристаллических плоскостей отсутствуют, а интенсивность дифракции на некоторых конкретных плоскостях отличается от таковой у стандартного образца.

Характеристики спектра инфракрасного поглощения аналогичны характеристикам инфракрасного спектра волластонита типа TC, установленным зарубежными стандартами; они включают три полосы поглощения: полоса в диапазоне 400–500 см⁻¹ соответствует колебаниям катиона кальция, полоса в диапазоне 1550–1680 см⁻¹ является основной характерной полосой поглощения волластонита, свидетельствуя о том, что период повторения силикатной цепочки равен трем, а ещё одна характерная полоса инфракрасного спектра волластонита находится в диапазоне 900–1080 см⁻¹ и отражает полосы поглощения при растяжении связей Si–O–Si и O–Si–O.

Рентгеновский дифракционный анализ и инфракрасный спектральный анализ подтверждают:

Дайский волластонит относится к триклинной цепной структуре волластонита типа TC.

Микроскопическая кристаллическая структура волластонита макроскопически проявляется в виде волокнистой структуры с выраженной тенденцией к удлинению. В природе волластонит чаще всего встречается в радиально-волокнистом, перистом виде либо в форме блоков, образованных мелкими волокнистыми агрегатами. При измельчении до размеров 3 мкм или 8 мкм под сканирующим электронным микроскопом он по-прежнему выглядит как волокнистые кристаллы.

Хорошая технология обработки позволяет поддерживать оптимальное соотношение сторон, как правило в пределах от 7:1 до 5:1. В природе встречающиеся волластонитовые волокна в Китае могут иметь соотношение сторон до 20:1–30:1. Эта волокнистая кристаллическая структура обеспечивает особый эффект механического армирования цементного раствора, формируя в нём прерывистую сетчатую структуру, которая выступает в роли армирующего элемента. При воздействии внешних нагрузок на образцы цементного раствора волокнистые кристаллы препятствуют развитию микротрещин и проявляют трещинозадерживающий эффект, что наглядно демонстрирует их способность к механическому армированию.

Ещё одним важным фактором повышения механической прочности волластонитового цементного раствора является степень сцепления на границе раздела между волластонитом и продуктами гидратации цемента. Согласно теории растворения и осаждения при гидратации цемента: на поверхности частиц цемента образуются ионы гидратации, которые диффундируют в раствор; при достижении насыщения раствора эти ионы агрегируются с образованием кристаллов гидросиликата кальция. В этот момент волластонитовые волокна становятся присадками к гелю, а на поверхности волластонита начинают формироваться зародыши кристаллов, постепенно превращающиеся в полноценные кристаллы. В результате между волластонитом и продуктами гидратации цемента возникает тесное кристаллическое срастание, что обеспечивает прочное межфазное сцепление и придаёт волластониту эффективный армирующий эффект в цементном растворе.

Применение цементного раствора, армированного волластонитом, при строительстве сельских биогазовых резервуаров.

Раньше для строительства сельских биогазовых резервуаров в Китае преимущественно использовался обычный бетон, обладающий низкой герметичностью. Разработанный в последние годы пластик на основе красного шлама подвержен старению, повреждению насекомыми и грызунами. Новый строительный материал — ГКЛ — не только дефицитен, но и дорог. Для решения этих проблем мы разработали цементный раствор, в котором в качестве основного вяжущего применяются портландцемент и шлакопортландцемент, а также добавляется обильное и недорогое природное высококачественное волокнистое волластонитовое волокно; дополнительно поверхность обрабатывается полимерным латексным цементным композитным герметизирующим слоем, что позволяет получить плотный, прочный и герметичный новый строительный материал для возведения резервуаров.

Влияние армирующего эффекта различных количеств волластонита, его различных размеров частиц, удельной поверхности и соотношения длины к ширине на различные типы и марки цементного раствора различно. Формулировку необходимо оптимизировать путём экспериментальных исследований. Основные факторы, влияющие на прочность цементного раствора, поясняются следующим образом:

1. Влияние введения волластонита на прочность цементного раствора. В качестве вяжущего материала используется обычный портландцемент или шлакопортландцемент; в качестве мелкого заполнителя применяется кварцевый песок, а в качестве армирующего материала — волластонит в виде волокнистого наполнителя одинаковой крупности. При этом поддерживается одинаковое водоцементное отношение, а образцы изготавливаются и испытываются строго в соответствии со стандартом по размягчению цемента (GB-177-77). Результаты экспериментов показывают, что при одинаковой крупности волластонита различные его доли ввода оказывают различное армирующее воздействие на цементный раствор. При оптимальном выборе доли введения волластонита предельная прочность при изгибе стандартного цементного раствора увеличивается на 20%, а предельная прочность при сжатии — на 33%. В ходе строительства биогазовых резервуаров в данном исследовании была выбрана умеренная доля введения волластонита, которая обеспечила повышение предельной прочности при изгибе на 18% и предельной прочности при сжатии — на 25%.

2. Влияние различных размеров частиц волластонита на прочность цементного раствора. В пределах выбранного диапазона содержания волластонита испытания проводятся с использованием различных размеров частиц в соответствии с национальным стандартом по размягчению цемента (GB177-77). Результаты экспериментов показывают, что зависимость между различными размерами частиц волластонита и его армирующим эффектом не является линейной. Армирующий эффект зависит от соотношения длины к ширине минеральных волокон волластонита в каждом размере частиц. Для технологии переработки волластонита из Дайэ лучше всего проявляют себя частицы размером от 120 до 200 сеток; под микроскопом статистически установлено, что 60–85% частиц имеют соотношение длины к ширине от 5:1 до 15:1. Однако при слишком крупных частицах волластонит выглядит коротким и толстым, плохо расслаивается, что приводит к низкому соотношению длины к ширине и снижению прочности на изгиб. Если при обработке повреждаются волокнистые кристаллы волластонита, соотношение длины к ширине становится очень малым, что также ухудшает армирующий эффект. Для минимизации потерь длины волокон необходимо применять специальный процесс измельчения, который обеспечивает тонкое помола волластонита с увеличением удельной поверхности при сохранении большого соотношения длины к ширине волокнистых кристаллов, что способствует более эффективному армированию.

Заключение    Краткое изложение

На основе результатов лабораторных исследований и комплексного технико-экономического анализа была выбрана рецептура для приготовления цементного раствора, армированного волластонитом, с целью сооружения эллиптического тонкостенного биогазового резервуара, поверхность которого была покрыта герметизирующим слоем из полимерно-латексного цементного композита. На экспериментальной базе в уезде Хуаньпи провинции Хубэй было построено десять сравнительных биогазовых резервуаров. Установлено, что биогазовый резервуар из нового материала позволяет экономить трудовые и материальные ресурсы, легко монтируется, обладает высокой герметичностью, повышает выход газа на 30% и является экономически эффективным: при строительстве эллиптического бетонного биогазового резервуара объёмом 6 м³ экономия составляет 25 юаней, что соответствует снижению затрат на 18%.