Изменение физико-механических свойств материалов карбонатного твердения на основе известково-известняковых систем с течением времени Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.316

ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ КАРБОНАТНОГО ТВЕРДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИЗВЕСТКОВО-ИЗВЕСТНЯКОВЫХ СИСТЕМ С ТЕЧЕНИЕМ

ВРЕМЕНИ

Любомирский Н.В., Николаенко В.В., Николаенко Е.Ю.

ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», 295007, Республика Крым, г. Симферополь, проспект Академика Вернадского, 4, [email protected]; [email protected]; [email protected]

Аннотация. В работе представлены исследования изменений физико-механических свойств опытных образцов на основе известково-известняковых композиций, твердеющихв среде с повышенной концентрацией углекислого газа, после их хранения в естественных условиях в течение 24 месяцев. Образцы представляют собой цилиндры полусухого прессования (давление прессования - 30 МПа), изготовленные из смеси низкоактивной известковой пыли и заполнителя в виде отходов добычи мраморовидного известняка.

Проведенные исследования показали, что наблюдается рост прочности образцов как вследствие перехода портландита в кальцит при принудительной карбонизации, так и в результате перекристаллизации скаленоэдрическогокальцита в ромбоэдрическую форму при хранении образцов в естественных условиях.

Доказана возможность применения отходов содового производства в виде низкоактивной известковой пыли и печных газов в технологии производства прочных строительных материалов.

Предмет исследования: закономерности процесса структурообразования дисперсной кристаллической микроструктуры образцов на основе известьсодержащих отходов при организации их твердения в средах с повышенной концентрацией углекислого газа.

Материалы и методы: исследование свойствизвестково-карбонатных композиций проводили на образцах-цилиндрах полусухого прессования (удельное давление прессования - 30 МПа) диаметром 30 мм, твердение которых осуществлялось в карбонизационной камере в условиях 40% концентрации углекислого газа с варьированием времени обработки - 1, 3, 6 и 9 часов. Для изготовления образцов в качестве вяжущего компонента использовали пушенку кальциевую, которая представляет собой низкоактивную известковую пыль, осаждающуюся в электрофильтрах шахтных печей при обжиге известняка. В качестве карбонатного заполнителя применялся мраморовидный известняк Балаклавского месторождения фракционированного состава. Были проведены исследования изменения фазового состава извести пушенки с помощью дериватографического термогравиметрического анализа на синхронном (ТГА/ДСК/ДТА) анализаторе STA 8000, PerkinElmer (США).

Результаты: общий анализ испытаний опытных образцов показывает, что с течением времени композиции из известковой печной пыли и известнякового заполнителя набирают прочность как в процессе обработки углекислым газом, так и в естественных условиях за счет перекристаллизации кальцита. Так, прочность образцов, прошедших обработку углекислым газом в течение 1, 3, 6 и 9 часов, увеличилась через 24 месяца хранения в естественных условиях на 55,8%, 28,5%, 70% и 68,8% процентов соответственно. Однако в период времени с 6 до 24 месяцев наблюдается незначительное снижение прочности в связи с наличием пережженных непогашенных частиц известковой пыли в составе сырьевой смеси. Выводы: установлено, что при комбинированном твердении газобетона на основе цементного и цементно-известкового вяжущего, включающем пропаривание и последующую выдержку в среде с высокой концентрацией СО2, обеспечиваются условия для протекания как гидратационного, так и карбонатного твердения. Это обеспечивает появление максимального количества кристаллических новообразований и повышение прочностных характеристик материала. Выявленные особенности физико-химических процессов карбонизации цементных и цементно-известковых систем позволяют говорить об эффективности использования техногенного СО2 в технологии производства неармированных бетонных изделий.

Ключевые слова: известковые отходы, мраморовидный известняк, карбонизационное твердение, долговечность

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время все более остро стоит вопрос сбережения природных ресурсов и снижения уровня загрязнения атмосферы различными техногенными отходами. Анализ состояния проблемы показывает, что для большинства промышленных производств характерно образование отходов при низкой степени их использования, что сказывается на увеличении площади отвалов и шламонакопителей.

На территории Крымского полуострова расположено несколько крупных промышленных предприятий, которые ежегодно вносят свой вклад в формирование антропогенной нагрузки в регионе путем образования миллионов тонн отходов и выбросов вредных веществ в атмосферу.

Производство кальцинированной соды не является исключением. Химический процесс производства кальцинированной соды по аммиачной технологии основывается на пяти реакциях, одной из которых является получение оксида кальция и диоксида углерода путем обжига карбоната кальция в известково-обжиговых печах [1,2,3]. В результате очистки углекислого газа для дальнейшего его использования получают такой побочный продукт, как известковая пыль, которая отличается низкой активностью и высоким содержанием примесей карбоната кальция. Возможна организация ее частичной реализации как низкоактивной извести. Однако это не позволяет уйти от проблемы скопления данного побочного продукта в отвалах и негативного влияния на окружающую среду.

Решить проблему утилизации минеральных отходов можно за счет их применения в такой материалоемкой отрасли народного хозяйства, как производство строительных материалов и изделий [4,5,6]. Это предопределяет необходимость развития исследований в области получения экономичных и экологичных строительных материалов и внедрение разработанных ресурсосберегающих технологий в производство.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ

В связи с этим актуальным является изучение вопроса применения СО2 в технологии строительных материалов на основе техногенного известкового вяжущего и известняковых отходов с целью утилизации побочных продуктов производств и уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу.

В результате перехода гидратной извести в карбонат кальция материал упрочняется, увеличивается его водостойкость и морозостойкость. Долговечность известковых материалов доказана временем (дворцы древнего города Кносса XVII - XV вв. до н.э. нао. Крит, Софийский собор в г. Киеве, XI век н.э., древние оборонительные здания и сооружения на побережье Лиссабонаит.п.[7]). Однако, процесс этот длителен и может занимать годы и даже десятилетия.

Интенсифицировать его возможно принудительной карбонизацией материалов на основе извести за счет утилизации специальным образом подготовленных дымовых газов от известковых печей [8,9,10,11].

Авторами статьи были получены оптимальные параметры для получения карбонизированных известково-карбонатных строительных стеновых материалов с необходимыми физико-механическими свойствами [12,13,14,15]. Однако неисследованными остаются вопросы изменения свойств материалов на основе низкоактивного известкового вяжущего принудительного карбонатного твердения с течением времени.

Согласно современным воззрениям структура материала не остается неизменной, а непрерывно претерпевает изменения в пространстве и во времени под действием как внешних, так и внутренних факторов [16]. Исследованию изменений физико-механических свойств строительных материалов с течением времени с целью повышения их эксплуатационной стойкости и долговечности всегда уделялось много внимания [17,18,19]. Ввиду того, что перекристаллизация Са(ОН)2 осуществляется в относительно короткие технологические сроки [20], то необходимы исследования изменения структуры и свойств карбонизированных известково-карбонатных

материалов с течением времени, которые дадут представление о сохранении механических свойств, как одних из определяющих долговечность материалов и изделий.

Целью данной работы является исследование изменения физико-механических свойств и кинетики структурообразования принудительно карбонизированных образцов на основе техногенной низкоактивнойизвести и отходов камнедобычи крымских мраморовидных известняковпосле длительного хранения. Срок хранения составил 2 года.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование свойствизвестково-карбонатных композиций проводили на образцах-цилиндрах полусухого прессования (удельное давление прессования - 30 МПа) диаметром 30 мм, твердение которых осуществлялось в карбонизационной камере [21] в условиях 40% концентрации углекислого газа с варьированием времени обработки - 1, 3, 6 и 9 часов.

Для изготовления образцов в качестве вяжущего компонента использовали пушенку кальциевую, которая представляет собой низкоактивную известковую пыль, осаждающуюся в электрофильтрах шахтных печей при обжиге известняка. В качестве карбонатного заполнителя применялся мраморовидный известняк

Балаклавского месторождения

фракционированного состава.

Были проведены исследования изменения фазового состава извести пушенки с помощью

дериватографического термогравиметрического анализа на синхронном (ТГА/ДСК/ДТА) анализаторе STA 8000, PerkinElmer (США).

Полученные дериватограммы пушенки кальциевой, представленные на рисунке 1, имеют три ярко выраженных эндотермических эффекта в интервале температур от 100 до 300 °С, от 350 до 550 °С и от 550 до 850 °С и один незначительный экзотермический - в интервале температур от 300 до

350 °С. Эндотермические эффекты относятся к разложению, соответственно, Са(НСО3)2, Са(ОН)2 и СаСОЗ, экзотермический эффект свидетельствует о наличии каких-либо органических примесей, возможно, наличие остатков каменного угля. Исследованию подвергали пробы пушенки кальциевой в естественном состоянии и после гашения при разных условиях.

Рисунок 1. Дериватограммы пушенки кальциевой в зависимости от условий обработки: (а) в естественном состоянии; (b) после гашения и выдерживания в течение 120 мин; (с) после гашения и выдерживания в течение 420 мин; (d) после гашения и выдерживания в течение 420 мин с дополнительным кипячением.

Figure 1. Thermograms of calcium powder lime depending on the processing conditions:(a) in its natural state; (b) after quenching and aging for 120 minutes; (c) after quenching and aging for 420 minutes; (d) after quenching and aging for 420

minutes with additional boiling.

Изменения количественного содержания кривой, в зависимости от условий ее основных фаз в пушенке кальциевой, определенные предварительной подготовки представлены в расчетным методом по термогравиметрической таблице 1.

Таблица 1. Состав пушенки кальциевой при различных условиях предварительной подготовки.

Условия подготовки пушенки кальциевой Са(НСО3)2 Са(ОН)2 (в пересчете на CaO) CaCO3

В естественном состоянии 3,4 40,3 (30,5) 22,5

После гашения и выдержки в течение 120 мин 4,4 50,9 (38,5) 29,1

После гашения и выдержки в течение 420 мин 3,7 55,1 (41,7) 28,4

После гашения и выдержки в течение 420 мин с дополнительным кипячением 2,4 58,8 (44,5) 24,3

Анализ экспериментальных данных изменения минералогического состава пушенки кальциевой в зависимости от условий ее подготовки показывает,

что в естественном состоянии пушенка кальциевая содержит около 40% Са(ОН)2. В пересчете на СаО это составляет 30,5 %.

Дериватограммы пробы свежегашеной пушенки кальциевой показывают, что содержание Са(ОН)2 увеличивается. Однако, по процентному соотношению в пересчете на СаО видно, что в составе остается еще значительное количество (около 3 %) непогасившихся частиц оксида кальция, представляющие собой, так называемый, пережог.

Исходная сырьевая смесь представляла собой композицию из пушенки кальциевой количеством

s s

I &

Ш j! JD

Е

Я-о.

X

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

С целью определениядинамики изменений физико-механических характеристик полученного материала опытные образцы испытывались в разные временные промежутки. Изменения прочности при сжатии, плотности и массы образцов в зависимости от их возраста и времени обработки углекислым газом сведены в таблице 2, из которой

по массе 35% и заполнителя из мраморовидного известняка в количестве 65%. Влажность сырьевой смеси составляла 6% от массы сухой композиции. Термический анализ исходной сырьевой смеси показывает, что содержание чистого Ca(OH) составляло 10,3% по массе исходя из экзотермического пика с потерей массы в 2,513% (рисунок 2).

Л

•S3

о

is

.51

следует, что прочность всех образцов с течением времени увеличивается. Также наблюдается увеличение плотности и прирост массы образцов.Прирост массы свидетельствует о том, что процесс превращения Са(ОН)2 в СаС03 продолжается даже после обработки углекислым газом - оставшийся свободный

портландитперекристаллизовывается в кальцит, а сами кристаллы скаленоэдрическогокальцита принимают ромбоэдрическую форму [20].

Время обработ ки C02 Rсжср(МПа) Дтср(г) р (кг/м3)

Возраст образцов Возраст образцов Возраст образцов

1 день 1 месяц 6 месяце в 24 месяца 1 день 1 месяц 6 месяце в 24 месяца 1 день 1 месяц 6 месяцев 24 месяца

1 час 24,53 34,63 43,78 38,22 2,037 2,420 2,473 2,534 1913 1938 1951 1955

3 часа 38,5 43,12 51,43 49,47 1,967 2,439 2,565 2,669 1910 1934 1949 1950

6 часов 25,76 37,65 47,65 43,88 2,032 2,423 2,541 2,584 1913 1929 1941 1945

9 часов 26,42 40,86 48,41 44,59 2,09 2,380 2,572 2,624 1910 1931 1952 1953

Temperature (°С)

Рисунок 2. Дериватограмма сырьевой смеси для получения опытных образцов. Figure 2. Thermogram of the raw mix for obtaining test samples.

Таблица 2. Изменение физико-механических характеристик опытных образцов материала с течением времени в зависимости от времени обработки углекислым газом.

Table 2. Changes in the physicomechanical characteristics of the test samples of the material over time depending on the

time of treatment with carbon dioxide.

Результаты термического анализа исходной сырьевой смеси и материала полученных опытных образцов в зависимости от времени обработки углекислым газом показывают, что количество свободного портландита с увеличением времени обработки уменьшается. Это обусловлено переходом гидроксида кальция в карбонат.

Однако при повышенной продолжительности обработке образцов углекислым газом (6 и 9 часов) наблюдается снижение прочности, что связано с растворением (коррозией) скаленоэдрических кристаллов кальцита при наличии в системе достаточного количества жидкой фазы. Термический анализ материала опытных образцов в зависимости от времени их обработки углекислым газом представлен на рисунке 3.

Полученные данные показывают, что наибольший переход по массе свободного портландита в кальцит происходит в первый час обработки углекислым газом (падению массы в 1,216% процента соответствует наличие 4,9%

свободного портландита). С дальнейшим увеличением времени обработки углекислым газом количеств свободного портландита уменьшается до 1,48% и 1,18% при 3 и 6 часах принудительной карбонизации соответственно. При обработке в течение 9 часов наличие свободного портландита минимально и составляет 0,4%.

Снижение прочности образцов в возрасте 24 месяцев относительно прочности в возрасте 6 месяцев может быть обусловлено возникновением деструктивных процессов, которые развиваются в связи с наличием пережженных непогашенных частиц известковой пыли в составе сырьевой смеси. Так как при применении в качестве вяжущего высококачественной извести с высокой активностью прочность карбонизированных образцов при хранении в естественных условиях в течении 6 лет увеличивается на 145% и снижение показателей прочности на сжатие на протяжении всего периода не наблюдается [22].

Рисунок 3. Дериватограммы материала опытных образцов после обработки углекислым газом в течение:

(а) 1 час (b) 3 часа (c) 6 часов (d) 9 часов.

Figure 3. Thermogram of the material of the test samples after treatment with carbon dioxide during: (a) 1 hour (b) 3 hours (c) 6 hours, and (d) 9 hours.

Дериватограммы образцов спустя 2 года естественного твердения (рисунок 4) независимо от времени первоначальной обработки углекислым газом идентичны данным, полученным сразу после

принудительной карбонизации. Наличие карбоната кальция в материале опытных образцов составляет порядка 91% (потери массы - 39,187%).

500 600 Temperature (°С)

Рисунок 4. Дериватограмма материала опытных образцов после естественного твердения в течение 2 лет. Figure 4. Thermogram of the material of the samples after natural hardening for 2 years.

Таким образом, сопоставляя данные термического анализа образцов, прошедших обработку углекислым газом, через 1 сутки и через 24 месяца после реакции, можно сделать вывод, что изначальный набор прочности происходит за счет продолжающейся реакции карбонизации Са(ОН)2, но, в большей степени, увеличение прочностных показателей следует связать с процессами перекристаллизации кристаллов кальцита из скаленоэдрической формы вромбоэдрическую и, связанными с этим, уплотнением и упорядочением микроструктуры материала. В подтверждение приведены данные об изменениях содержания

гашеной извести и карбоната кальция в образцах разного возраста в зависимости от времени обработки углекислым газом (таблица 3). При анализе процентного содержания карбоната кальция наблюдается незначительное его повышение с течением времени при храненииматериала в естественных условиях. Повышения количества СаСОЗ на 0,3-0,7% в образцах недостаточно для обеспечения такого прироста прочности, что дает возможность говорить влиянии на данный процесс перекристаллизации кристаллов кальцита.

Таблица 3. Изменение содержания гашеной извести и карбоната кальция в образцах разного возраста в зависимости

от времени обработки углекислым газом. Table 3. Changes in the physicomechanical characteristics of the test samples of the material over time depending on the

time of treatment with carbon dioxide.

Время обработки углекислым газом Содержание Ca(OH> (%) Содержание CaCO3 (%)

1 сутки 24 месяца 1 сутки 24 месяца

1 час 1,9 — 90,6 90,9

3 часа 1,5 — 90,4 90,8

6 часов 1,2 — 90,2 90,9

9 часов 0,4 — 90,9 91,1

ВЫВОДЫ

Общий анализ испытаний опытных образцов показывает, что с течением времени композиции из известковой печной пыли и известнякового заполнителя набирают прочность как в процессе обработки углекислым газом, так и в естественных условиях за счет перекристаллизации кальцита. Так,

прочность образцов, прошедших обработку углекислым газом в течение 1, 3, 6 и 9 часов, увеличилась через 24 месяцахранения в естественных условияхна 55,8%, 28,5%, 70% и 68,8% процентов соответственно. Однако в период времени с 6 до 24 месяцев наблюдается незначительное снижение прочности в связи с

наличием пережженных непогашенных частиц известковой пыли в составе сырьевой смеси.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что низкоактивная известковая пыль может выступать в качестве вяжущего компонента в композиции с известняковым заполнителем для получения прочных строительных материалов полусухого прессования, набор прочности которых достигается за счет карбонатного твердения в среде повышенной концентрации углекислого газа. Однако, необходимо уделять особое внимание содержанию в ней пережженных частиц СаО и применять различные технологические приемы для уменьшенияи сведения их количества к минимуму.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. И. Х. Бикбулатов, Р. Р. Насыров, Р. Р. Даминов, А. Ю. Воронин, Способ утилизации основных отходов производства кальцинированной соды // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2007. №2. С. 1-16

2 М. Х. Курбангалеев, А. А. Хасанова, Л. Ф. Янбеков, Использование твердых бытовых отходов содового производства в качестве сырья для производства товарной продукции // Сборник статей города России: Проблемы строительства, инжиниринга, благоустройства и экологии. 2015. С. 59-62

3 М. Джандулаева, М. Адилова З. Алиева, Ф. Холмухаматова, Использование карбонатных отходов содового производства в качестве сырья при производстве силикатного кирпича // Universum: технические науки. 2018. №12. С. 77-80

4 M.A. Latifa, S. Naganathanb, H.A. Razakc, K. N. Mustaphab, Performance of lime kiln dust as cementitious material // Procedia Engineering. 2015. №125. Рр. 780 - 787

5 A. Arulrajah, A. Mohammadinia, A. D'Amico, S. Horpibulsuk,Effect of lime kiln dust as an alternative binder in the stabilization of construction and demolition materials // Construction and Building Materials. 2017. № 152. Рр. 999-1007

6 P. Jitsanigam, W.K. Biswas, M. Compton, Sustainable utilization of lime kiln dust as active filler in hot mix asphalt with moisture damage resistance // Sustainable Materials and Technologies. 2018. №17. Рр. 69-71

7 C. Borges, A. Santos Silva, R. Veiga, Durability of ancient lime mortars in humid environment // Construction and Building Materials. 2014. № 66. Рр. 606-620

8 Pollmann H, Mineralogical Strategies to reduce CO2 in the fabrication of alternative cements Proc. // IBAUSIL, 2015. №1 рр. 11-129

9 D.R. Moorehead, Cementation by the carbonation of hydrated lime // Cement and Concrete research. 1986. № 16 рр. 700-708

10 P.De Silva, L. Bucea, D.R. Moorehead, V. Sirivivatnanon, Carbonate binders: Reaction kinetics, strength and microstructure// Cement & Concrete Composites. 2006. № 28 рр. 613-620

11 K. Van Balen, D. Van Gemert, Modelling lime mortar carbonation // Materials and Structures. 1994. № 27 рр. 393-398

12 Н.В. Любомирский, С.И. Федоркин, А.С. Бахтин, Т.А. Бахтина, Т.В. Любомирская, Исследование влияния режимов принудительного карбонатного твердения на свойства материалов на основе известково-известняковых композиций полусухого прессования // Строительные материалы. 2017. №8. С. 7-12

13 С.И. Федоркин, Н.В. Любомирский, М.А. Лукьянченко, Системы на основе извести карбонизационного твердения // Строительные материалы. 2008. №11. С. 45-47

14 Н.В. Любомирский, С.И. Федоркин, Влияние давления углекислого газа на кинетику принудительной карбонизации известкового камня полусухого прессования и формирование его прочности // Строительная и техногенная безопасность. 2016. № 3 С. 28-38

15 Н.В. Любомирский, А.С. Бахтин, Т.А. Бахтина, Е.Ю. Николаенко, В.В. Николаенко, Влияние гидрокарбоната кальция на структурообразование и свойства материалов на основе извести карбонизационного твердения // Международный научно -исследовательский журнал. 2016. № 11. С. 86-93

16 М. Фолмер, Кинетика образования новой фазы // ФИЗМАТЛИТ. Москва. 1986

17 A. NevesJuniora, S.R. Ferreirab, R.D. Toledo Filhoc, Е.М. Rego Fairbairnd, J. Dweck, Effect of early age curing carbonation on the mechanical properties and durability of high initial strength Portland cement and lime-pozolan composites reinforced with long sisal fibres // Composites Part B. 2019. № 163 рр. 351-362

18 C. Borges, A. Santos Silva, R. Veiga, Durability of ancient lime mortars in humid environment // Construction and Building Materials. 2014. № 66 рр. 606-620

19 M. Abed, R. Nemes, Long-term durability of self-compacting high-performance concrete produced with waste materials // Construction and Building Materials. 2019. № 212 рр. 350-361

20 O. Cizer, K. VanBalen, J. Elsen, D. VanGemert, Crystal morphology of precipitated calcite crystals from accelerated carbonation of lime binders // 2nd Int. Conf. on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering. 2008 рр. 149-158

21 С.И. Федоркин, Н.В. Любомирский, В.Г. Носатов, Т.А. Локтионова, Автоматическая установка и методика изучения процесса карбонизации извести // Строительная и техногенная безопасность. 2007. № 19-20. рр. 74-78.

22 Н.В. Любомирский, А.С.Бахтин, Т.А.Бахтина, Изменение физико-механических свойств известковокарбонатнокальциевых материалов принудительного карбонатного твердения во времени // Строительная и Техногенная безопасность. 2017. № 8. С. 67-73

REFERENCES

1 I.Kh. Bikbulatov, R.R. Nasyrov, R.R. Daminov, A.Yu. Voronin, Method of utilization of the main waste of soda ash production, Electronic scientific journal Oil and gas business, 2 (2007) 1-16 (in Russian)

2 M.H. Kurbangaleev, A.A. Khasanova, L.F. Yanbekov,The use of solid solid waste soda production as a raw material for commercial products,Collected papers CITIES OF RUSSIA: PROBLEMS OF CONSTRUCTION, ENGINEERING, LANDSCAPING AND ECOLOGY, (2015) 59-62 (in Russian)

3 M. Dzhandullaeva, M. Adilova, Z. Aliyeva, F. Kholmukhamatova, The use of carbonate waste soda production as a raw material in the production of silicate bricks, Universum: Technical Sciences, 12 (2018), 7780 (in Russian)

4 M.A. Latifa, S. Naganathanb, H.A. Razakc, K. N. Mustaphab, Performance of lime kiln dust as cementitious material, Procedia Engineering 125 (2015) 780 - 787

5 A. Arulrajah, A. Mohammadinia, A. D'Amico, S. Horpibulsuk, Effect of lime kiln dust as an alternative binder in the stabilization of construction and demolition materials, Construction and Building Materials 152 (2017) 999-1007

6 P. Jitsanigam, W.K. Biswas, M. Compton, Sustainable utilization of lime kiln dust as active filler in hot mix asphalt with moisture damage resistance, Sustainable Materials and Technologies 17 (2018) e00071

7 C. Borges, A. Santos Silva, R. Veiga, Durability of ancient lime mortars in humid environment, Construction and Building Materials 66 (2014) 606-620

8 Pollmann H, Mineralogical Strategies to reduce CO2 in the fabrication of alternative cements Proc., IBAUSIL, 1 (2015) 11-129

9 D.R. Moorehead, Cementation by the carbonation of hydrated lime, Cement and Concrete research16 (1986) 700-708.

10 P.De Silva, L. Bucea, D.R. Moorehead, V. Sirivivatnanon, Carbonate binders: Reaction kinetics, strength and microstructure, Cement & Concrete Composites 28 (2006) 613-620

11 K. Van Balen, D. Van Gemert, Modelling lime mortar carbonation, Materials and Structures 27(1994) 393-398

12 N.V. Lyubomirskiy, S.I. Fedorkin, A.S. Bakhtin, T.A. Bakhtina, T.V. Lyubomirskaya, Research in

influence of regimes of forced carbonate hardening on properties of materials on the basis of lime-limestone compositions of semidry pressing, Stroitel'nye materialy 8 (2017) 7-12

13 S.I. Fedorkin, N.V. Lyubomirskiy, M.A. Lukyanchenko, System based on lime of carbonizing hardening Constr. Mater. 11 45-47 (in Russian)

14 N.V. Lyubomirskiy, S.I. Fedorkin, The influence of carbon dioxide pressure on the kinetics of forced carbonation of limestone semi-dry pressing and the formation of its strength, Construction and technogenic safety 3 (2016) 28-38 (in Russian)

15 N.V. Lyubomirskiy, A.S. Bakhtin, T.A. Bakhtina, E. Yu. Nikolaenko, V.V. Nikolaenko, Influence of calcium bicarbonate on the structure and properties of materials based on lime carbonation hardening, International research journal 11-4 (2016) 86-93 (in Russian)

16 M. Folmer, Kinetics of formation of a new phase, FIZMATLIT, Moscow 1986(in Russian)

17 A. NevesJuniora, S.R. Ferreirab, R.D. Toledo Filhoc, E.M. Rego Fairbairnd, J. Dweck, Effect of early age curing carbonation on the mechanical properties and durability of high initial strength Portland cement and lime-pozolan composites reinforced with long sisal fibres, Composites Part B 163 (2019) 351-362

18 C. Borges, A. Santos Silva, R. Veiga, Durability of ancient lime mortars in humid environment, Construction and Building Materials 66 (2014) 606-620

19 M. Abed, R. Nemes, Long-term durability of self-compacting high-performance concrete produced with waste materials, Construction and Building Materials 212 (2019) 350-361

20 O. Cizer, K. VanBalen, J. Elsen, D. VanGemert, Crystal morphology of precipitated calcite crystals from accelerated carbonation of lime binders, 2nd Int. Conf. on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering (2008) 149-158

21 S. I. Fedorkin, N. V. Lyubomirskiy, V. G. Nosatov, T.A. Loktionova, Automatic installation and technique of studying of process of carbonization of lime, Construction and technogenic safety 19-20 (2007) 74-78.

22 N.V. Lyubomirskiy, A.S. Bakhtin, T.A. Bakhtina, Change of physical and mechanical properties of lime-carbonate calcium materials of forced carbonate hardening in time, Construction and technogenic safety 8 (2017) 67-73

CHANGES IN THE PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS OF CARBONATE HARDENING ON THE BASIS OF LIME AND LIME STONE SYSTEMS WITH THE COURSE OF

TIME

Lyubomirskiy N., Nikolaenko V., Nikolaenko E.

Summary The paper presents the study of changes in the physical and mechanical properties of prototypes based on lime-limestone compositions hardening in a medium with a high concentration of carbon dioxide, after storage in vivo for 24 months. The samples are cylinders of semi-dry pressing (pressing pressure - 30 MPa), made of a mixture of low-active lime dust and filler in the form of waste marble limestone.

Studies have shown that there is an increase in the strength of the samples as a result of the transition of portlandite to calcite during forced carbonation, and as a result of recrystallization of rock-Edric calcite in rhombohedral form during storage of samples in vivo.

The possibility of using soda production waste in the form of low-active lime dust and furnace gases in the production technology of durable building materials is proved.

Subject: regularities of the process of structure formation of dispersed crystalline microstructure of samples based on lime-containing waste in the organization of their hardening in environments with high concentrations of carbon dioxide.00

Materials and methods: the study of the properties of calcareous-carbonate compositions was carried out on the samples-cylinders of semi-dry pressing (specific pressing pressure - 30 MPa) with a diameter of 30 mm, the hardening of which was carried out in a carbonizing chamber under 40% concentration of carbon dioxide with varying processing time - 1, 3, 6 and 9 hours. For the manufacture of samples as a binder, calcium gun was used, which is a low-active lime dust deposited in the electric filters of mine furnaces during calcination of limestone. As the carbonate filler used marble-like limestone Balaklava deposits graded composition. Studies have been conducted on changes in the phase composition of lime pushenki using derivatographic thermogravimetric analysis on synchronous (TGA/DSC/DTA) analyzer STA 8000, PerkinElmer (USA).

Results: the General analysis of tests of prototypes shows that over time compositions from a limy furnace dust and a limestone filler gain durability both in the course of processing by carbon dioxide, and in natural conditions due to recrystallization of calcite. Thus, the strength of samples treated with carbon dioxide for 1, 3, 6 and 9 hours increased after 24 months of storage in vivo by 55.8%, 28.5%, 70% and 68.8%, respectively. However, in the period from 6 to 24 months there is a slight decrease in strength due to the presence of burnt outstanding particles of lime dust in the raw mixture.

Conclusions: it is established that the combined hardening of aerated concrete based on cement and cement-lime binder, including steaming and subsequent aging in a medium with a high concentration of CO2, provides the conditions for the flow of both hydration and carbonate hardening. This ensures the appearance of the maximum number of crystalline tumors and increase the strength characteristics of the material. The revealed features of physical and chemical processes of carbonation of cement and cement-lime systems allow us to talk about the effectiveness of the use of man-made CO2 in the production of unreinforced concrete products.

Key words: lime waste, marble-like limestone, carbonation hardening, durability, carbon dioxide.