CC BY
82
УДК 691.545
Р. З. Рахимов, Н. Р. Рахимова, А. Р. Гайфуллин, О. В. Стоянов
ГЛИНИСТЫЕ ПУЦЦОЛАНЫ. ЧАСТЬ 2.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЦЦОЛАНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЛИН В ЗАВИСИМОСТИ
ОТ ПРИСУТСТВИЯ И СОДЕРЖАНИЯ В НИХ КАОЛИНИТА
Ключевые слова: пуццоланы, глина, минерал, полиминеральные, прокаливание, температура, помол, добавка, цементный
камень, прочность.
Представлены результаты исследований пуццоланической эффективности прокаленных молотых глин с различным содержанием каолинита и с полным его отсутствием. Показано, что прокаленные и молотые обычные повсеместно распространенные глины могут иметь пуццоланическую активность, не уступающую микрокремнезему и метакаолину.
Keywords: pozzolans, clay, mineral, polymineral, calcination, temperature, grinding, additive, cement paste, strength.
The results of studies pozzolanic efficiency of ground calcined clays with different contents of kaolinite and its complete absence. It is shown that the calcined and milled usual ubiquitous clay may have pozzolanic activity, not conceding silica fume and metakaolin.
Введение
К настоящему времени получило распространение применения в качестве пуццоланы одна из разновидностей глинистых материалов -метакаолина, получаемого прокаливанием при температурах 600-8000С каолиновых глин [1-3]. Оно базируется на представлениях о том, что глинит с достаточными пуццоланическимиможет быть получен только из каолиновых глин с содержанием каолинита более 50%. На начальном этапе исследований глин было распространенным представление о том, что каолин - единственный представитель глинообразующих минералов, и что именно он определяет свойства глин. В результате последующих исследований это представление было признано ошибочным. В определенной мере ошибочным является и представление о том, что высокой пуццоланической активностью из глинистых материалов является только метакаолин. В настоящее время известно значительное количество результатов систематических исследований, показавших возможность получения глинитов с достаточными пуццоланическими свойствами из обычных глин не только с пониженным содержанием каолинита, но и вовсе не содержащих его [4-7]. В настоящей статье приведены отдельные результаты систематических исследований получения наполнителей с достаточной пуццоланической активностью на основе каолиновых глин и некоторых полиминеральных глин месторождений Республики Татарстан, подобные которым широко распространены во многих регионах России и в других странах.
2. Материалы и методы исследований
2.1 Материалы
а) Характеристика глин. При исследованиях приняты глины:
- Ново-Орская (НОГ) месторождения в Оренбургской области;
- Нижне-Увельская (НУГ) - месторождения в Челябинской области;
- Арская (АГ) - месторождения Республики Татарстан
- Сарай-Чекурчинская (СЧГ) - месторождения Республики Татарстан.
В таблицах 1-3 приведены гранулометрический, химический и минеральный составы принятых при исследованиях глин.
*В структуре иллита до 10% разбухающих слоев; смешанно-слойный разбухающий минерал имеет состав смешанно-слоистый с содержанием неразбухающих слоев в СЧГ до 40%, в КГ до 20% расчет приведен без учета возможного содержания рентгеноаморфной составляющей.
б) Портландцемент
Для испытаний пуццоланической активности глинистых прокаленных наполнителей
использовался ПЦ500 Д-0-Н. Химический состав цемента, масс, %: СаО-63; БЮ2 - 20,5; А1203 - 4,5; Ре203 - 4,5; 803 - 3. Минералогический состав цемента: С38 - 67,0; С28 - 11,0; С3А - 4,0; С3АР -15,0. Показатели портландцемента: удельная поверхность - 345 см2/г (по цементу), насыпная плотность - 1000 г/л, - нормальная густота - 26%, начало схватывания 2 часа 50 минут, конец схватывания 4 часа 10 минут.
в) Метакаолин производства ООО «Синэрго». Характеристики метакаолина: насыпная плотность в рыхлом состоянии 460 кг/м3, массовая доля 54.1%
460 кг/м , массовая доля SiO2 Al2O3 43.2%, пуццоланическая активность мг Са(ОН)2/г. Удельная поверхность 1200
>1000 м2/кг.
г) Микрокремнезем. Характеристики
микрокремнезема: насыпная плотность в рыхлом состоянии 170-200 кг/м3, массовая доля 8Ю2 - 8692%, А1203 - 0.6-0.8%, пуццоланическая активность >1000 мг Са(ОН)2/г.
Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №1 Таблица 1 - Гранулометрический состав принятых при исследованиях глин
№ п/п Разновидность глины Фракции глин (%)
Глинистая <0.005 мм Пылеватая 0.05-0.05 мм Песчаная 0.05-1.0 мм
1 НОГ 61.3 24.5 14.2
2 НУГ 65 18.5 16.5
3 АГ 42.2 42.8 15.0
4 СЧГ 49.5 37.1 13.4
5 КГ 37.1 45.9 17.0
Таблица 2 - Химический состав принятых при исследованиях глин
№ Разновидность глин Н2О Содержание в % на абсолютно сухую навеску
SiO2 TiO2 AI2O3 Fe2Os MnO CaO MgO Na2O K2O P2O3 SO3/S ппп
1 НОГ 0.81 69.18 1.36 19.55 1.32 0.01 0.20 0.42 <0.3 0.92 0.10 <0.05 6.63
2 НУГ 0.66 66.79 0.98 20.71 1.63 0.04 0.62 0.41 <0.3 0.65 0.08 0.13 7.70
3 АГ 1.05 73.65 1.47 15.37 2.23 0.01 0.28 0.50 <0.3 0.55 <0.03 <0.05 5.63
4 СЧГ 3.41 68.52 0.86 13.42 6.18 0.10 1.33 1.66 1.20 1.82 0.09 <0.05 4.62
5 КГ 4.14 64.50 0.88 13.96 7.30 0.10 2.16 2.18 0.98 1.97 0.11 <0.05 5.66
Таблица 3 - Минеральный состав принятых при исследовании глин*
№ Разно- Минеральный состав в %
видность кварц каолинит иллит слюда ортоклаз плагиоклаз смешанно- хлорид
глин слоистый глинистый минерал
1 НОГ 41 51 8 - - - - -
2 НУГ 33 62 - 4 - 1 - -
3 АГ 47 40 13 - - - - -
4 СЧГ 28 - - 10 7 8 40 4
5 КГ 34 - - - 5 14 40 1
2.2 Методы исследований
Прокаливание глин производилось при 4000С, 6000С и 8000С со скоростью подогрева ~3 0С/мин и изотермической выдержкой при максимальной температуре в течение 3 часов. Прокаленные глины подвергались помолу в лабораторной планетарной мельнице до удельной поверхности 250, 500 и 800
м2/кг.
Количественный химический состав глин определялся с использованием ARLOPTYMX -спектрометра. Рентгенофазовый анализ глин выполнен на дифрактометреБ8 Advance фирмы Breeker.
Пуццоланическая эффективность добавок прокаленных молотых глинопределялась по изменению свойств портландцементного от содержания их в портландцементе. Цементный камень из теста нормальной густоты испытывался после тепловлажностной обработки по режиму 4+6+3 часа с изотермической выдержкой при 850С.
3. Результаты исследований и их обсуждение
В таблице 4 приведены результаты исследований прочности при сжатии, средней плотности, водопоглощения и коэффициента размягчения цементного камня в зависимости от содержания добавок в портландцемент прокаленных при 6000Си
молотых до 500 м2/кг глин различного химического, минерального и гранулометрического состава.
В таблице 5 приведены результаты сравнительных исследований влияния добавок микрокремнезема и метакаолина в портландцемент на прочность при сжатии цементного камня.
Изменения показателей водопоглощения, средней плотности и коэффициента размягчения от содержания добавок метакаолина подобны наблюдаемым показателям цементного камня с соответствующим содержанием добавок молотой прокаленной Кощаковской глины. Анализ приведенных в таблице 4 данных исследований приводит к следующим выводам в части влияния добавок прокаленных при 6000С и молотых до 500 м2/кг глин различного состава на свойства цементного камня:
- добавки 5-10% Ново-Орской глины повышают прочность при сжатии на 12.0-1.2%, водопоглощение с 1% до 1.21-1.32%. коэффициент размягчения с 0.92 до 0.95-0.93 и снижает среднюю плотность на 0.9-1.1%;
- добавки 5-15% Нижне-Увельской глины приводят к повышению прочности при сжатии на 23.2-0.7%; водопоглощения с 1% до 1.21-1.47%; при содержании добавки 5-10% повышается коэффициент размягчения с 0.92 до 0.95-0.93 и снижается средняя плотность на 0.9-1.1%;
Таблица 4 - Свойства цементного камня в зависимости от содержания прокаленных при 6000С и молотых до 500 м2/кг глин
Количество Средняя Предел прочности Водопоглощение, % Коэффициент
добавки, % плотность, кг/м3 при сжатии, кг/см2 размягчения
НОГ
0 2270 573 1 0.92
5 2250 642 1.21 0.95
10 2245 580 1.32 0.93
15 2222 530 1.47 0.9
20 2200 480 1.9 0.87
НУГ
0 2270 573 1 0.92
5 2235 703 2.3 0.97
10 2195 643 2.55 0.975
15 2165 577 2.8 0.965
20 2109 569 3.1 0.96
АГ
0 2270 573 1 0.92
5 2295 903 1.2 0.97
10 2293 804 1.5 0.98
15 2290 707 1.3 0.98
20 2283 691 1.1 0.97
СЧГ
0 2270 573 1 0.92
5 2316 841 1.9 0.97
10 2315 731 2 0.98
15 2274 631 2.1 0.98
20 2239 551 2.1 0.97
КГ
0 2270 573 1 0.92
5 2273 825 1.45 0.95
10 2239 733 1.9 0.96
15 2206 651 2.25 0.95
20 2169 581 2.45 0.935
Таблица 5 - Влияние добавок микрокремнезема и метакаолина в портландцемент на прочность при сжатии цементного камня
№ Содержание добавки, Прочность при сжатии, кг/см2
% Вид добавки
метакаолин микрокремнезем
1 0 573 573
2 5 740 725
3 10 629 633
4 15 523 513
5 20 507 473
- добавки 5-20% Арской глины повышает прочность при сжатии на 57.6-22.2%, водопоглощение с 1% до 1.4%, среднюю плотность на 0.8-0.3%, коэффициент размягчения с 0.92 до 0.98-0.97%;
- добавки 5-15% Сарай-Чекурчинской глины повышают прочность при сжатии на 46.8-10.1%, водопоглощение с 1 до 1.80-1.85%, коэффициент размягчения с 0.92 до 0.97-0.98, среднюю плотность на 2.0-2.2%;
- добавки 5-20% Кощаковской глины приводят к повышению прочности при сжатии на 44.0-1.4%; водопоглощения с 1% до 1.45-2.45%, коэффициента
размягчения с 0.92 до 0.95-0.935 и к снижению средней плотности на 0-4.4%.
Анализ приведенных в таблице 5 данных показывает, что в зависимости от содержания добавок в портландцемент прочность при сжатии цементного камня изменяется следующим образом:
- добавки 5-10% метакаолина увеличивают прочность при сжатии на 29.1-9.8%;
- добавки 5-10% микрокремнезема увеличивают прочность при сжатии 26.5-10.5%.
Наиболее высокие показатели свойств цементного камня наблюдаются при содержании 5% добавок в портландцемент как прокаленных глин, так и метакаолина и микрокремнезема.
Заключение
Сравнительный анализ приведенных выше результатов исследований показывает, что пуццоланическая эффективность каолиновых глин с пониженным содержанием каолинита и полным его отсутствием в составе может быть не ниже, а при определенных температурах прокаливания, удельной поверхности и содержании их добавок в портландцементе и выше, чем и микрокремнезем и метакаолин. Расширение исследований и разработок в этом направлении является актуальным в части рационального использования местного сырья и развития производства на его базе эффективных пуццолановых добавок к минеральным вяжущим и материалам на их основе.
Литература
1. Брыков А. С. Метакаолин / А. С. Брыков // Цемент и его применение. 2012. №7-8. C. 36-41.
2. Badogiamics S. Metakaolin as supplementary cementitious material. Optimization of kaolin to metakaolin conversion /
S. Badogiamics, G. Kakali, S. Tsivilis // J. Therm. Anal.Calorim. 2005. №2. P. 457-462.
3. Siddique R., Klaus J. Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete // Applied Clay Science, 2009, Vol.43. N3-4, P. 392-400.
4. Глинит-цемент. Сборник статей ВНИЦ. Под ред. Аксенова В.И. Вып.11. М.: Главная ре-дакция строительной литературы, 1935. 171 с.
5. Fernandez R. The origin of the pozzolanic activity of calcined clay minerals: A comparison between kaolinite, illite and montmorrilonite / R. Fernandez, F. Martizena, K.L. Scrivener // Cement and Concrete Research. 2011. №41. Р. 113-122.
6. Castello L.R. Evolution of calcined clay soils as supplementary cementitious materials / L.R. Castello, H.J.F. Hernandes, K.L. Scrivener, M. Antonic // Proceedings of a XIII International Congress of the chemistry of cement. Madrid: Instituto de Ciencias de la Construction "Eduardo Torroja" / Madrid, 2011. P. 117.
7. He C. Pozzolanic reactions of six principal clay minerals: Activation, reactivity assessments and technological effects / C. He, B. Osbaeck, E. Makovicky // Cement and Concrete Research. 1995. №25. P. 1691-1702.
© Р. З. Рахимов - д-р техн. наук, проф., советник при ректорате КГАСУ, [email protected]; Н. Р. Рахимова - д-р техн. наук, проф. кафедры строительных материалов КГАСУ, [email protected]; А. Р. Гайфуллин - канд. техн. наук, ст. препод. кафедры строительных материалов КГАСУ, [email protected]; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф.технологии пластических масс КНИТУ, [email protected].
© R. Z. Rakhimov, DSc(Eng.), prof., advisor of university administration, KSUAE, [email protected]; N. R. Rakhimova, DSc(Eng.), prof., Department of building materials, KSUAE, [email protected]; A. R. Gayfullin, PhD(Eng), senior lecturer, Department of building materials, KSUAE, [email protected]; O. V. Stoyanov, DSc(Eng.), prof., Department of technology of plastic mixtures, KNRTU, [email protected].
