Подпишитесь на наши новости.

Email:


Подписаться

Чудакова О.А., Брянская ГИТА (руководитель Лукутцева Н.П., д.т.н., профессор) «Особенности влияния минералов диоксида титана на свойства строительных растворов»

    В настоящее время известно 80 минералов, благодаря которым можно получить TiO2, но промышленную ценность имеют лишь рутилы, ильмениты и лейкоксены. Наиболее богатыми являются рутилы: в них содержится от 93 до 96 % диоксида титана, в ильменитах – от 44 до 70 %, а концентраты лейкоксенов могут содержать до 90 % TiO2 [1].
Выделяют следующие месторождения титановых минералов: магматические, выветривания, россыпные, вулканогенно-осадочные и метаморфические.
Наиболее значительные магматические месторождения титана приурочены к крупным массивам анортозитовой формации площадью в сотни и тысячи квадратных километров.
Современные и погребенные титаноносные коры выветривания образуются на габбро-анортозитах (Волынский массив) и метаморфических породах. При выносе щелочных элементов и образовании глинистых минералов группы каолинита в коре происходит накопление более стойких акцессорных минералов, в том числе ильменита и рутила. При этом зерна рудных минералов сохраняют первоначальную форму кристаллов, не окатаны.
Среди россыпных месторождений титана различаются две разновидности: прибрежно-морские и континентальные.
Прибрежно-морские ильменит-рутил-цирконовые комплексные россыпи отличаются большими размерами и крупными запасами. Для них характерны пласто- или линзообразные залежи, мощность которых достигает десятков метров, а протяженность – нескольких десятков километров при ширине до километра. По составу прибрежно-морские россыпи обычно олигомиктовые.
Континентальные россыпи ильменита распространены преимущественно в аллювии, элювии и пролювии четвертичных, палеогеновых и нижнемеловых отложений. Рудные тела аллювиальных россыпей имеют обычно лентовидную форму и приурочены к долинам рек. Рудные минералы накапливаются в нижних горизонтах, в наиболее грубообломочном материале, представленным крупнозернистым песком, гравием или мелким галечником.
По минеральному составу континентальные россыпи обычно полимиктовые (кварц, полевой шпат,каолинит). Размеры зерен ильменита – 0,1–0,25 мм и более; окатанность их слабая [2].
В природе диоксид титана встречается в виде трех минералов – рутила, анатаза, брукита. Химический состав этих элементов одинаков, но они имеют различную кристаллическую решетку.
Рутил имеет тетрагональную сингонию и обычно представлен в виде призматических, зачастую очень тонких и длинных кристаллов.
Брукит имеет ромбическую сингонию, таблитчатые кристаллы и желтый, красно-бурый или черный цвет. Кристаллы брукита похожи на желтоватые или красно-бурые алмазы.
Анатаз имеет ту же сингонию, что и рутил, но встречается исключительно в виде мелких кристаллов размером в несколько миллиметров, часто имеющих вид двух пирамид, соединенных у основания.
В стройиндустрии обычно используется два минерала диоксида титана: анатаз и рутил.
Как было сказано раньше, у этих минералов различные кристаллические решетки (рис. 1)

 

1

       Анатаз образует мелкие острые дипирамидальные, а также пластинчатого или призматического вида кристаллы. Имеет хорошую спайность по нескольким направлениям (рис. 2а). Цвет зеленовато-желтый до буроватого или синевато-серый до почти черного. Блеск яркий, алмазовидный. Твердость по минералогической шкале 5,5–6,0. Для рутила характерно соединения двух или более кристаллов-близнецов, соприкасающихся между собой одной из сторон и образующих угол (рис. 2б).
Название происходит от лат. rutilus – красный, красноватый. Этот минерал встречается в природе в золотисто-красном, красно-буром, золотисто-желтом и черном цветах. Имеет алмазный или полуметаллический цвет, плотность по шкале Мооса 6–6,5.
Рутильный диоксид титана примерно на 30 % лучше рассеивает свет, чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же анатаз менее атмосферостоек, чем рутил.

 

1

       Из всего сказанного можно сделать вывод, что рутильная форма более пригодна для промышленного использования. Но на современном этапе развития науки большими темпами развиваются нанотехнологии.
Как же проявляют себя минералы диоксида титана в наноразмерном состоянии?

    Нанотехнологии играют все большую роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды. Так, интересен уже достаточно богатый опыт применения сенсибилизированного на основе нанотехнологий диоксида титана.
Под воздействием ультрафиолета модифицированный TiO2 работает как фотокатализатор, выделяя атомарный кислород из паров воды или атмосферного кислорода. Выделенного активного кислорода достаточно для окисления и разложения органических загрязнений, дезодорирования помещений, уничтожения бактерий. Это обусловливает все большее практическое применение фотокатализаторов на основе нано-TiO2 в самых различных областях, в частности для очистки сточных вод и воздуха, в фототерапии, солнечных батареях, противотуманных мероприятиях, самоочищающихся зеркалах и стеклах, электроосветительном оборудовании и, прежде всего, в различных областях строительства, где применение строительных материалов, обладающих фотокаталитическими свойствами, позволяет снизить загрязняющее воздействие окружающей среды, что особенно важно в условиях мегаполисов [3, 5].

      К настоящему времени строительные материалы, содержащие добавки TiO2-наночастиц, широко применяются в красках, специальных цементах, строительных растворах, самоочищающихся керамических плитках, дорожных покрытиях, как бетонных, так и битумных, самоочищающихся материалах и конструкциях, воздухоочищающих материалах и конструкциях, антибактериальных материалах и конструкциях, составах и отделочных материалах для наружных и внутренних работ и т. д. [4].
Особенно распространено применение таких светочувствительных катализаторов при формировании самоочищающихся поверхностей за счет недавно открытого явления супергидрофильности, что позволяет поддерживать эстетический вид построенных объектов неизменными в течение продолжительного времени [3].
Целью исследования являлось изучение прочностных характеристик строительных растворов в зависимости от содержания диоксида титана в анатазной и рутильной формах, дисперсном и нанодисперсном состоянии.
В работе использовались следующие материалы: портландцемент марки ПЦ 500 Д0 ОАО «Мальцовский портландцемент», намывной кварцевый песок (П) с модулем крупности 1,2 (п. Свень, Брянская обл.) и вода. В качестве добавки использовался диоксид титана, характеристики которого представлены в табл. 1.

1

Суспензии наночастиц диоксида титана получали в условиях ультразвукового диспергирования (УЗД), в основе которого лежит эффект акустической кавитации микроскопических пузырьков.
Методом лазерной спектроскопии были проведены исследования дисперсности разработанных суспензий частиц титана.
В результате установили, что ультразвуковое диспергирование диоксида титана в органическом растворителе способствует измельчению его частиц до диаметра 86,36–187,40 нм (рис. 3).

1

а – диоксид титана в анатазной форме; б – диоксид титана в рутильной форме.

Как видно из рисунка, частицы диоксида титана в анатазной форме имеют меньший размер, чем в рутильной. В первом случае частицы имеют размер 86,36 нм с полидисперсностью 0,297, во втором – 187,40 нм с полидисперсностью 0,317.
В строительные растворы вводились полученные суспензии и исследовались их прочностные характеристики (рис. 4, 5).
По полученным данным видно, что прочность образцов с добавкой диоксида титана превышает прочность контрольного образца как при введении в состав строительного раствора TiO2 рутильной формы, так и анатазной.
Однако исследования показали, что прочность строительных растворов увеличивается на 31 % больше в анатазной форме, чем в рутильной.

1

1

1

Лишь в двух случаях, как видно из рис. 5, введение наносуспензии диоксида титана в рутильной форме (УЗД 15 мин) в растворы в количестве 0,5–1 % снижает их прочность на 8,5–23 % по сравнению с контрольным образцом.
На основе полученных данных можно сделать вывод, что TiO2 в нанодисперсном состоянии дает лучшие показатели по прочности строительных растворов в анатазной форме, чем в рутильной.
Также установлено повышение прочности при введении микродобавки диоксида титана размером 30–40 мкм (табл. 2).
Следует отметить, что диоксид титана в нанодисперсном состоянии намного лучше работает в качестве добавки в строительные растворы, улучшая их свойства.
Таким образом, TiO2 – универсальный материал, который можно использовать не только в качестве белого пигмента, но и нанодобавки, которая улучшает прочностные характеристики растворов. Для этой цели, как показали исследования, лучше использовать диоксид титана в анатазной форме.

Литература

1. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Реакции неорганических веществ: справочник. М., 2007.

2. Войлошников, В.Д., Войлошников М.В. Мир полезных ископаемых. Киев, 1991.

3. Фаликман В.Р. Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Ч. 1 // Нанотехнологии в строительстве: науч. Интернет-журнал. 2009. № 1. С. 24–34.

4. Чудакова О.А. Влияние наноразмерных частиц диоксида титана на прочностные характеристики строительных растворов // Молодежь и научно-технический прогресс. Вып. I. Брянск, 2010. С. 207–210.

5. Наномодифицированный мелкозернистый бетон / Н.П. Лукутцова, Е.Г. Матвеева, А.А. Пыкин, О.А. Чудакова // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы V Междунар. науч.-техн. конференции, г. Волгоград, 23–24 апреля 2009 г. Ч. I. Волгоград, 2009. С. 166–170.

 


"Прошедшая 2-4 декабря 2014 г. в Москве XVI Международная научно-техническая конференция «Современные технологии сухих смесей в строительстве», MixBuild-2014, оставила много приятных впеч...
"Отзыв о работе III глобальной конференции «Снижение потребления энергии и эмиссии СО2 в цементной промышленности стран с быстро развивающейся экономикой» Конференция проходила в рамка...

Информационные партнеры