Введение. При производстве строительных композитов используется широкий спектр сырьевых компонентов. При этом значительная их доля перед применением в производственном процессе подвергается предварительной доработке в форме домола до требуемой дисперсности [1–7], поскольку дисперсность является одним из ключевых индикаторов, определяющих реакционную активность сырья, отвечающую за качество и эксплуатационные характеристики конечного продукта. Механоактивация является одним из широко применяемых методов повышения реакционной активности сырьевых компонентов природного и техногенного происхождения, а также вяжущих систем. В работе [8] изучено влияние механоактивации цемента на изменение его гранулометрических характеристик и установлено, что использование механоактивированного цемента даже в малых количествах в общем объеме вяжущего (до 10 %) приводит к повышению прочностных показателей.Как правило, при проведении научных исследований для механоактивации используются помольные агрегаты различного типа и футеровки, а также различные среды (сухой мокрый помол) [9]. Зачастую такие исследования направлены на изучение микроструктурных и морфологических изменений измельчаемых материалов в зависимости от длительности механоактивационного процесса.Однако, в производственных масштабах активно используются металлические мельницы. Как правило, в процессе интенсивного помола в таких мельницах образуется металлический (Ме) намол от футеровки и мелющих тел [9–11].Ранее бы изучено влияние Ме-намола в вяжущих системах на цементной основе [12].В свою очередь, технология получения геополимерных вяжущих систем при использовании природных и техногенных сырьевых компонентов предусматривает перименение тонкодисперсного сырья и, поэтому, зачастую, включает механоактивацию в процессе помола [13]. Ранее [14] было установлено, что катионы железа, присутствующие в составе геополимерного вяжущего, выступают в качестве инертного компонента и не участвуют в процессах геополимеризации. Другими словами, чем выше концентрация катионов железа в щелочеалюмосиликатной системе, тем ниже реакционная активность вяжущего в целом, которая в значительной степени отражается на прочностных характеристиках геополимерного камня [15].Недавними исследованиями ведущих австралийских ученых в области вяжущих щелочной активации [16] была выдвинута гипотеза о том, что валентность и координационное число катионов железа могут оказывать влияние на их структурообразующую роль в вяжущей системе. Так, катионы Fe2+ и Fe3+ с координационным числом 5 в щелочеактивированной алюмосиликатной системе функционируют подобно катионам щелочных металлов в качестве активирующих компонентов. В то же время, катионы Fe3+ с координационным числом 4 выступают в качестве структурообразующего компонента аналогично катионами Al3+.Однако, следует отметить, что в приведенных выше данных речь идет о железосодержащем (Fe) компоненте в оксидной форме. В рамках этого исследования намол, образующийся в процессе диспергации перлита, представляет собой наноразмерное металлическое железо, влияние которого в геополимерных системах на сегодняшний день практически не изучено.Исследования направлены на изучение возможного эффекта наноразмерного металлического железа, образующегося в качестве намола на особенности твердения геополимерных систем.Материалы и методыМатериалы. Для оценки влияния Fe-компонента (металлического железа) на особенности структурообразования в геополимерной системе, в рамках данного исследования был использован один из представителей природных алюмосиликатов кислого состава – перлит (Мухор-Талинское месторождение, РФ); два вида щелочных компонентов: NaOH и КОН. Fe-компонент был введен в геополимерную систему искусственно в виде металлического железа путем помола перлита в планетарной мельнице МП/0,5 с металлической футеровкой.С целью количественной оценки и сравнения, параллельно c помолом в планетарной мельнице, часть перлита была измельчена в валковой шаровой мельнице с уралитовой футеровкой, исключающей металлический намол.Методы. Рентгенофазовый (XRD) и рентгено-флуоресцентный (XRF) анализы были использованы для изучения химического и фазово-минерального составов перлита и геополимерного вяжущего.Образцы для XRF и XRD-анализов были подготовлены с использованием метода взаимной нагрузки. Полученные таблетки были проанализированы с помощью спектрометра WorkStation ARL 9900 (Thermo Scientific, USA), с использованием излучения Co-анода.Качественный XRD анализ был осуществлен с использованием базы данных PDF-2. Для осуществления полнопрофильного количественного XRD анализа было использовано программное обеспечение DDM v.1.95e в алгоритме DDM (Derivative Difference Minimization). Основное преимущество использования алгоритма DDM для осуществления полнопрофильного количественного XRD-анализа состоит в том, что нет необходимости пересчета параметров фона рентгеновского дифракционного образца. Это существенно упрощает процедуру анализа, поскольку фон XRD-образцов исследуемых компонентов имеет сложную структуру, и его аппроксимация является источником дополнительных погрешностей.Оценка размеров кристаллитов Fe-компонента в составе перлита, а также в составе геополимерного вяжущего осуществлялась расчетным путем с использованием классической формулы Шеррера (1):   ,(1)где K – это постоянная Шеррера (фактор формы, безразмерная величина); λ – длина волны рентгеновского излучения; β – полуширина рефлекса на полувысоте; θ – угол диффракции (угол Брегга).Объемы элементарных ячеек фазовых компонентов перлита и геополимерного вяжущего на его основе были взяты из международной базы данных ICSD (Inorganic Crystal Structure Database).Морфология поверхности образцов геополимерного вяжущего была изучена с помощью растровой электронной микроскопии РЭМ. Поверхность образцов была покрыта слоем углерода и исследована с помощью электронного сканирующего микроскопа Mira 3 FesSem (Tescan, Чехия). Физико-механические характеристики геополимерного вяжущего определялись в соответствии со стандартом ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».Экспериментальная часть. Для возможности сравнения результатов использовался перлит, измельченный в обоих мелющих агрегатах до одинаковой удельной поверхности – 450 м2/кг. Результаты химического анализа (табл. 1) показали, что измельчение в планетарной мельнице с металлической футеровкой приводит к значительному увеличению оксида FeO (до 69 % при помоле в течение 2 часов). Помол в шаровой мельнице с уралитовой футеровкой значительных изменений в химический состав перлита не вносит. Таблица 1 Характер изменения химического состава перлита, измельченного в различныхмелющих агрегатахСодержание оксидов, % масс.ПримечаниеSiO2Al2O3Na2OK2OCaOFe2O3MgOFe/Al соотношение71,9716,344,434,631,070,8720,740,61/8,45–Планетарная мельницаSiO2Al2O3Na2OK2OCaOFe2O3MgOFeПримечание71,8816,34,094,10,731,470,371,03УвеличениеFe-катионов на 69 %Шаровая мельницаSiO2Al2O3Na2OK2OCaOFe2O3MgOAlПримечание7216,424,084,380,930,930,498,61УвеличениеAl-катионов на 2 % При подготовке составов геополимерного вяжущего содержание воды подбиралось в соответствии с обеспечением расплыва конуса в диапазоне 120–140 мм. После смешения водного раствора щелочных компонентов и перлита, геополимерные пасты были заформованы в формы-балочки 40×40×160 мм, уплотнены на вибростоле и подвержены термической сушке при температуре 70 оС в течение 24 часов с дальнейшей расформовкой и выдержкой при температуре 22±3 °C и относительной влажности 55±5 % до момента испытания. Тест на прочность для геополимерных паст осуществлялся в возрасте 28 суток твердения (табл. 2). Таблица 2Влияние Fe-компонента на характеристики геополимерного вяжущего Вид щелочного активатораПараметрПредел прочности при сжатии, МПаСредняя плотность, кг/м3без намола Fe-компонентас намолом Fe-компонентабез намола Fe-компонентас намолом Fe-компонентаNaOH36,931,817431726KOH36,130,417351712  Результаты XRD-анализа (рис. 2) подтверждают образование металлического намола после помола в планетарной мельнице, в то время как ренггенограмма перлита, молотого в шаровой мельнице, не продемонстрировала появление пика, отвечающего за железосодержащие фазы, (рис. 3).  a б Рис. 1. Визуальная оценка образцов геополимерных вяжущих с использованием NaOH-активатора: а– без намола Fe-компонента; б – с намолом Fe-компонента Наноразмерность образующегося Fe-компонента, содержащегося в механоактивированном перлите, подтверждается его высокой реакционной активностью, что в процессе щелочной активации позволяет ему активно вступать во взаимодействие с молекулами воды или гидроксид ионом OH– с образованием гидратных фаз типа берналита Fe(OH)3(H2O)0.25. Рис. 2. Рентгенограмма геополимерного вяжущего на основе перлита,молотого в планетарной мельнице в течение 24 часов  Согласно полученным данным, присутствие наноразмерного металлического железа вызывает деструктивные процессы при твердении геополимерного вяжущего (рис. 1) и способствует снижению прочностных характеристик на 13–16 %, а также снижению плотности (на 1–1,3 %).   Рис. 3. Сравнительный анализ рентгенограмм перлита,молотого в разных помольных агрегатах а) шаровой мельнице; б) планетарной мельнице Это явление может быть связано с тем, что объемы ячеек данных гидратных образований от 3 до 4,5 раз (в пересчете на 1 атом Fe) превышают объем исходного наноразмерного металлического железа (рис. 4). на 1 атом Fe приходится объем 11,8 Å3 + H2O на 1 атом Fe приходится объем 53,9 Å3   Рис. 4. Трансформация структуры металлического намола после взаимодействия с H2O  Таким образом, увеличение объема кристаллической решетки гидроокисла железа приводит к нарушению целостности формирующегося щелочеалюмосиликатного каркаса и разрушению структуры геополимера в целом, вызывая снижение прочностных и иных эксплуатационных характеристик геополимерного камня.Вывод. В рамках исследования установлено негативное влияние наноразмерного металлического железа в составе перлитового геополимерного вяжущего, образующегося в качестве намола в процессе диспергации перлита в мелющем агрегате с металлической футеровкой на формирование целостности структуры и, как следствие, показателей прочности в перлитовой геополимерной системе за счет образования гидратных фаз типа берналит Fe(OH)3(H2O)0.25. Объем ячейки этой фазы от 3 до 4,5 раз превышает объем исходной ячейки наноразмерного металлического железа, за счет чего происходит нарушение целостности формирующегося щелочеалюмосиликатного каркаса, что приводит к разрушению структуры геополимерного вяжущего в целом.Источник финансирования: Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием оборудования ЦВТ на базе БГТУ им. В.Г. Шухова