CC BY
28Исследование влияния дунитовых минеральных добавок на свойства смешанных
цементов
Ь Л московский
■р ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
УДК 691.335 DOI 10.24411/2413-046Х-2019-10144
А.А.Васильева,
ИФТПС СО РАН им. В.П. Ларионова, Республика Саха (Якутия), город Якутск, Россия С.Г.Москвитин,
ИФТПС СО РАН им. В.П. Ларионова, Республика Саха (Якутия), город Якутск, Россия Л.В.Москвитина,
ИФТПС СО РАН им. В.П. Ларионова, Республика Саха (Якутия), город Якутск, Россия Н.И. Гермогенова,
ФГАОУВО СВФУ им. М.К. Аммосова, Республика Саха (Якутия), город Якутск, Россия Аннотация: В статье рассматривается возможность использования дунитовых пород массива Инагли для получения смешанного цемента. Представлены химический и минералогический составы дунитовой породы массива Инангли (Южная Якутия). По химическому и минералогическому составу данная дунитовая порода относится к магнезиально-силикатным породам. Представлены результаты исследования дунитовой породы в качестве добавки к портландцементы. Установлено, что дунит не обладает гидравлической активностью и может использовать в качестве добавки-наполнителя к портландцементу в количестве до 40%. Выявлено, что при совместном помоле портландцемента и дунитового песка при удельной поверхности 5500см2/г возможно получать цемент, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 31108-2016 для типов ЦEМ II и ЦЕМ V класс по прочности 32,5, 42,5 нормального твердения.
Summary: This article considers a possibility of using dunite rocks of the Inagli massif for obtaining mixed cement. Chemical and mineralogical compositions of the dunite rocks of the Inagli Massif (South Yakutia) are presented. According to the chemical and mineralogical composition, this dunite rock is related to magnesian-silicate rocks. Results of a study of the dunite rock as an additive to Portland cements are presented. It is established that the dunite does
not possess hydraulic activity and can be used as a filler additive to the Portland cement in an amount up to 40%. It is discovered that when the Portland cement and dunite sand are ground together with a specific surface of 5500 cm2/g, it is possible to obtain the cement that satisfies requirements of GOST 31108-2016 for types of CEM II and CEM V of a strength class of 32.5, 42.5 of normal hardening.
Ключевые слова: дунитовые минеральные добавки, смешанные цементы, дунитовая порода.
Keywords: dunite mineral additives, mixed cements, dunite rock.
Введение
Разработка смешанных цементов с использованием различных минеральных добавок является одной из актуальных задач строительного материаловедения, так как при этом уменьшается расход портландцементного клинкера Производство портландцемента требует большой расход электроэнергии и сопровождается выделением СО2, который является потенциально токсичным газом, избыток которого представляет опасность для здоровье человека. Таким образом, использование смешанных цементов уменьшает стоимость строительных материалов, но и решает экологическую безопасность окружающей среды.
Целью настоящей работы является исследование возможности применения дунитовой породы месторождения «Инагли» в качестве минеральной добавки к портландцементу.
Инаглинский щелочно-ультраосновной массив находится в северной краевой части Алданского щита, в верховьях р. Инагли - правого притока р. Алдана, в 30 км к западу от г. Алдана. Для массива характерно кольцевое строение и серии концентрических разломов, окаймляющих его центральную ультраосновную-щелочную часть.
Массив залегает среди гравелитов и песчаников верхнего протерозоя, доломитов и доломитизированных известняков юдомской свиты нижнего кембрия и прорывает кристаллические породы фундамента Алданского щита.
В плане массив имеет форму, близкую к изометричной. Площадь около 20 км2 . Обнажается в котловине эродированной верхней частью руч. Инагли. Центральная часть массива площадью 16 км2 сложена форстеритовыми дунитами, отороченными узкой (5-25 м) прерывистой каймой пироксен-оливиновых пород, по составу отвечающих перидотитам и слюдосодержащими пироксенитам. Инаглинский массив является платформенной интрузией центрального типа, образовавшего в два разновозрастных этапа тектогенеза - дунитовый шток центральной части в протерозое, а сиениты, шонкиниты,
щелочные пегматиты и связанные с ними метасоматиты в верхнеюрское-нижнемеловое время.
Дуниты представляют собой средне-или мелкозернистые породы темно-серого цвета со стальным оттенком. Для неизмененных дунитов характерна панидиоморфнозернистая структура, в серпентинизированных разностях - петельчатая. Рентгенограмма и термограмма пробы представлена на рис. 1 и 2.
Анализ результатов обработки данных рентгенограмм дунита и месторождения Инагли показывает, что основными породобразующими минералами являются оливин (Mg,Fe)2SiO4, форстерит Mg2SiO4, хризолит (Mg,Fe)2SiO4, железистый минерал -вюсти^еО. Содержание в породе минералов группы серпентинита клинохризотила Mg3Si2O5(OH)4(3MgO-2SiO2-2H2O) и лизардита Mg3Si2O5(OH)4 говорит о значительном изменении, серпентинизации дунитовой породы. Данные термограммы подтверждают результаты рентгенофазового анализа содержание минералов серпентиновой группы. Так, на термограмме наблюдаются эндотермические эффекты, соответствующие при 81,4 °С удалению свободной воды; при температурах 134,1, 177,2 и 360,3 °С происходит ступенчатая дегидратация клинохризотила и лизардита; при температуре 684,4 °С с перегибом примерно в 630 °С происходит удаление конституционной, химически связанной воды. Экзотермический эффект с максимумов в 822,6 °С соответствует кристаллизации новой фазы - форстерита из дегидратированныхсерпентиновых минералов.
В таблице 1 приведен химический состав дунитов, из которой видно, что дунит является магнезиально-силикатной магматической породой в химическом составе которого преобладают окись кремния (от 37,9 до 40,5%), оксид магния (42,0-48,8%) и оксиды железа ( Fe2+ -2,26-6,5% и Fe3+-2,35-3,16%).
Таблица 1. Химический состав дунитов
Обр.48_ Обр. 91 к. с л аоо Обр.217. Типовой
Компоненты свежий серпен- Серпент инизн- состав
дунит тинизированный рованный душ ira
дунит дунит по Дэли
SiOz 39,0 38,0 37,9 40,5
TÍO; Сл. Сл. 0,06 0,02
Ah Oj 0,15 0,62 1,39 0,36
Fe- Oj 2,42 3,16 2,3 5 2,S4
Cr^Oj Не опр Не опр. - -
FeO 3,43 2,26 6,50 5,54
MnO 0,12 0,11 0,21 0,16
MgO 48.S 46.S 42.0 46,3
CaO 0,3? 0,31 0,45 0,70
NaiO 0,3 S 0,0 S 0,20 0,10
K;0 0,13 0,0 S 0,20 0,04
PÜOü 0,04 0,0 S - 0,05
SOj 0,03 0,03 - -
HiO+ 6,72 7,06 0,72 2,88
H: О 0,15 0,43 - -
П.п.п. 0,14 0,56 8,12
Сумма 99,S9 99.55 99,43 -
Обр.48- свежий дунит (СКВ.4, глуб. 100 м.);91-к - дунит, слабо серпентинизированный (СКВ.1, глуб.48 м); 217 - дунит, сильно серпентинизированный с хромдиопсидом; средний состав по Дэли.
Материалы и методики
Для проведения экспериментов использованы следующие исходные материалы: -портландцемент ПЦ 400-Д0, выпускаемый АО ПО «Якутцемент» РС(Я), минералогический и физико-механический состав приведен в таблицах 2 и 3;
Таблица 2. Минералогический состав портландцементного клинкера АО ПО
«Якутцемент:»
Сзй С±А ОАБ Силикатный модуль Глиноземный модуль Коэффициент насыщения
58.70 16.38 6.44 14.35 2.08 1,15 0,91
Таблица 3. Физико-механические характеристики ПЩОО-ДО.
п/ п Наименование показателей Требования ГОСТШ178- 85 Фактические значения
1 2 3 4
1 Массовая доля добавок. % не допускается отсутствуют
2 Активность при пропарив ании, не менее, МПа 24,0 28,3-27,9
3 Группа эффективности при пропаривании - 1гр.
4 Нормальная густота цементного теста, % - 26,50-2(5.75
5 Массовая доля оксида серы, % - 2,82-2,91
6 Признаки ложного схватывания не допускается отсутствуют
7 Удельная эффективная поверхность естественных радионуклидов. Бю'кг, не более 370 менее 370
Результаты исследования и обсуждение
В работе приведена оценка эффективности исследуемого способа приготовления портландцемента с минеральной добавкой (20%Дз) и смешанного цемента с минеральной добавкой (40%Дз), изготовленных двумя способами: механическим перемешиванием
портландцемента ПЦ 400-Д0 с растертым в порошок дунитом Дз; совместный помол портландцемента ПЦ 400-Д0 и дунитового песка в шаровой мельнице «Активатор 2S».
Удельная поверхность исходного цемента и смешанных цементахпри совместном помоле выше, чем при механическом перемешивании, а средний диаметр частиц при совместном помоле значительно меньше, чем при механическом перемешивании (таблица
Таблица 4. Удельная поверхность и средний диаметр цементов
Маркировка цементов Состав цемента Способ приготовления цемента с добавкой Удельная поверхность. см2 кг Средний диаметр частиц, мкм
ДО 100%ПЦ 400-ДО - 3140 6.2
Д20 80%ПЦ + 20% Дз Механическое перемешивание 3840 5,2
Д40 60%ПЦ +40% Дз 4100 5,0
Ддп20 80%ПЦ + 20% ДП Совместный помол 5570 3,5
Ддп40 60%ГЩ + 40% ДП 5540 3.7
Для определения прочности на сжатие изготовлены образцы из цементного теста с В/Ц=0,4 размером 2 х 2х 2 см, которые твердели в камере нормально-влажного хранения в течении 3, 7, 14 и 28 суток.
Таблица 5. Прочность на сжатие цементного ка^шя с В/Ц= 0,4
Маркировка Состав смешанного Прочность образцов смешанного цемента
цементов цемента на сжатие в МПа (% от Н.:з) в
зависимости от времени твердения.
суток.
3 7 14 28
до ПЦ 400-ДО 26.0 32,2 43.0 51,0
Д20 80%ГЩ + 20% Дз 18.2 18,4 18.2 23.4
Д40 60%ГЩ +40% Дз 13,6 12,9 22.4 20.9
Ддп20 80%ГЩ + 20% ДП 28.7 36,6 41.6 41,7
Ддп40 60%ГЩ + 40% ДП 176 24,8 34.3 35,1
Плотность смешанного цемента независимо от способа перемешивания с течением времени незначительно падает, видимо, это связано с тем, что в цементе не происходит структурообразование системы и, как следствие, не образуются гидроксид магния и кремнегель. Гидроксид магния должен выпасть в осадок, заполняя пустоты в поровом пространстве цементного камня, тем самым уплотняя его структуру. А кремнегель,
поглощая значительную часть жидкости затворения, должен способствовать ускорению выделения гидроксидов кальция, которые являются центрами кристаллизации гидратных новообразований. Результаты испытаний прочности испытуемых образцов показало, что все цементы с минеральной добавкой независимо от способа перемешивания показали прочность ниже прочности исходного портландцемента(табл.б).
Для выяснения причин полученных результатов по прочности было решено исследовать структуру цементных камней. Пробы были отобраны после испытания образцов в 7-суточном возрасте. Снимки, полученные с помощью СЭМ «JEOL 3700», представлены на рисунке 3. Сравнение снимков цементных камней при 500 кратном увеличении (а, г, к) показывает, что у цементов с минеральными добавками наблюдается значительное трещинообразование в цементном камне, чем у исходного цемента. При этом раскрытие трещин тем больше, чем больше содержание добавки. Это согласуется с данными по прочности. На снимках 5000 и 10000 - кратного увеличения можно увидеть зерна минеральной добавки и наблюдать за контактной зоной между добавкой и цементным камнем. Обнаруженные в контактной зоне трещины, вероятно, появились при испытании образцов и указывают на слабую прочность контактной зоны.
а) г) и)
Рис.3 Структура цементного камня при 500, 5000 и 10000 кратном увеличении: 100% ПЦ 400-Д0 (аДв);80%ПЦ + 20% Дз (гд:е) и 60%ПЦ +40% Дз(и,к,л)
Инертное поведение добавки дунита, вероятно, связано с тем, что образцы дунита не были достаточно активированы при дроблении и истирании. Известно, что в результате механоактивации происходит нарушение кристаллической решетки в его поверхностном слое породы (слагающих минералов), в результате которого происходит интенсивное структурообразование [5-6].
О 7 14 21 23 —^Ддп^О
Возрлет тщетного камни, суг
Рис 4. Зависимость прочности портландцемента и смешанных цементов
от времени твердения (суток).
Наиболее высокую прочность из них показал вяжущее 80%ПЦ + 20%ДП, изготовленное совместным помолом, равную 41,7 МПа. Прочность полученных разными способами смешанных цементов по мере увеличения времени твердения нарастает. По-видимому, повышение прочности смешанного цемента с минеральной добавкой обусловлено высокой удельной поверхностью введенного портландцемента (ДО). Это свидетельствует, что дунитовая порода, введенная в портландцемент различными способами является инертным и выполняет роль наполнителя. Но в тоже время, предварительные испытания показали, что совместный помол портландцемента с дунитом более эффективно, чем введение тонкомолотой минеральной добавки в цемент (рис. 4).
Предварительными экспериментами по изучению возможности применения дунитовых пород месторождения «Инагли» в качестве минеральной добавки к портландцементу на данной стадии исследования установлено, что при совместном помоле цемента и дунитового песка получены более высокие прочности цементов 80%ПЦ + 20% ДП и 60%ПЦ + 40% ДП (соответственно 41,7 и 35,1 МПа), чем при механическом смешивании цемента и минеральной добавки в тех же пропорциях дунитовой добавки (23,4 и 20,9 МПа).
Заключение. В ходе выполнения работы изучено влияние способа смешивания портландцемента с минеральной добавкой-дунита для получения смешанного цемента. На основании вышеуказанного, необходимы дальнейшие комплексные исследования по
выбору способа подготовки минеральной добавки и оптимизации состава смешанных цементов с целью получения марки цемента ПЦ 400 Д30 и ПЦ 400 Д40 с определением всех нормируемых показателей цемента, в том числе показателя равномерности изменения объема.
Список литературы
1. ГлаголевА.А., КорчагинА.М., Харченков А.Г. Инаглинский щелочно-ультраосновной массив (Щелочно-ультраосновные массивы Арбарастах и Инагли). Наука М: 1974. - 176 с.
2. Худякова Л.И., Войлошников О.В., Котова И.И. и др. Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для получения строительных материалов.- Вестник ДВО РАН-2010.-№1.- С. 81-84.
3. БердовГ.И., ИльинаЛ.В. и др. Влияние вида и количества минеральных добавокна прочность цементного камня//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований.- 2010.-№9.- С.87-91.
4. Мальквори Дж., Пуццолановый портландцемент // Четвертый Международный конгресс по химии цемента. М.:Стройиздат.1964-№12.-С.576-585.
5. Худякова Л.И., Константинова К.К. НарихановаБ.Л.. Вяжущие материалы на основе дунита.- Строительные материалы, 2000 -№8.-С.26-40.
6. Коновалов В.М., Бандурин А.А., Гончаров А.А., Гелич В.А. Получениевысококачественного цемента класса СЕМ III// Наукоемкие технологии и инновации (XXI научные чтения): сб. докладов. Ч 1. - Белгород, 2014. - С. 136-139.
