CC BY
43
№ 7 (52)
АД UNI
Л5Д ТЕ)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
июль, 2018 г.
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО БОЯ В КАЧЕСТВЕ АЛЮМОСИЛИКАТНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ ЦЕМЕНТА
Батыров Бурхан Бабирович
базовый докторант
Институт общей и неорганической химии Академии и наук Республики Узбекистан, Научно-исследовательская лаборатория и испытательный центр <<СТРОМ>> 100170, Узбекистан, г. Ташкент, Мирзо Улугбекский район, ул. Мирзо Улугбека, 77а
E-mail: [email protected]
Бегжанова Гулрух Бахтияровна
канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Институт общей и неорганической химии Академии и наук Республики Узбекистан, Научно- исследовательская лаборатория и испытательный центр <<СТРОМ>>, 100170, Узбекистан, г.Ташкент, Мирзо Улугбекский район, ул. Мирзо Улугбека, 77а
E-mail: [email protected]
Искандарова Мастура
д-р техн. наук, профессор, член-корреспондент Российской Академии естественных наук, Институт общей и неорганической химии Академии и наук Республики Узбекистан, Научно-исследовательская и испытательный центр <<СТРОМ>>, 100170, Узбекистан, г. Ташкент, Мирзо Улугбекский район, ул. Мирзо Улугбека, 77а
E-mail: [email protected]
TO THE ISSUE OF USING CERAMIC BATTLES AS AN ALUMINOSILICATE ADDITIVE
FOR CEMENT
Burhan Botirov
basic doctoral student of the scientific-research and test center "STROM" Institute of General and Inorganic chemistry of Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan,
100170, Uzbekistan, Mirzo Ulugbek street, 77a
Gulhur Begzhanova
doctor of philosophy (Ph.D. )in technics, senior scientific research head of the scientific-research and test center "STROM" Institute of General and Inorganic chemistry of Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan,
100170, Uzbekistan, M irzo Ulugbek street, 77a
Mastura Iskandarova
dоctor of technical Sciences, professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Natural Sciences head
of the scientific-research and test center "STROM" Institute of General and Inorganic chemistry of Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan,
100170, Uzbekistan, M irzo Ulugbek street,77a
АННОТАЦИЯ
В статье обоснована эффективность использования отходов керамического производства в качестве добавки для получения смешанных цементов при значительной экономии (до 20%) дорогостоящего клинкера составляющей с получением добавочного цемента, по гидравлической активности обеспечивающего марки цемента 400.
ABSTRACT
The article substantiates the efficiency of the use of ceramic waste as an additive for the production of mixed cements with significant savings (to 20%)of the costly clinker component with the production of additional cement, in terms of the hydraulic activity providing the cement grade 400.
Библиографическое описание: Батыров Б.Б., Бегжанова Г.Б., Искандарова М. К вопросу использования керамического боя в качестве алюмосиликатной добавки для цемента // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2018. № 7(52). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/6135
№ 7 (52)
ЛД1
/ИЛ
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
июль, 2018 г.
Ключевые слова: бой керамических плиток, термоактивированная алюмосиликатная добавка, добавочный цемент, физико-механические свойства, соответствие требованиям НД.
Keywords: battle of ceramic tiles, thermoactivited aluminosilicate additive, additional cement, physical and mechanical properties, compliance with the ND requirement.
В связи с тем, что метакаолин (ВМК) представляет собой химическую фазу, которая образуется при термической обработке каолина, последние годы во всем мире сильно возрос интерес к нему, как добавки в цемент, сухим строительным смесям, в бетон и т. д. Химический состав каолинита представлен формулой АЪ0з^28Ю2-2Н20. В результате термообработки при температуре кристаллическая вода из него удаляется и образуется аморфный силикат алюминия [1]. В настоящее время промышленный выпуск высокоактивного метакаолина налажен в США и ряде стран Европы. Замещение части цемента метакаолином способствует увеличению прочности цементного камня при сжатии, адгезии цементного геля к частицам заполнителя, сокращению пористости, уменьшению проницаемости, повышению устойчивости материала к циклическому замораживанию и оттаиванию, а также к коррозионным воздействиям [2-4]. Влияние метакаолина на гидратацию цемента и формирование структуры цементного камня обусловлено высокой дисперсностью частиц метакао-лина и его пуццолановыми свойствами, количества и природы примесных компонентов. Эти характеристики метакаолина, в свою очередь, определяются составом сырья и параметрами его технологической обработки, в связи с чем, метакаолины различных производителей могут довольно существенно различаться по активности в составе твердеющего порт-ландцементного теста и цементных растворов [5-8]. В России в последние годы заметно возрос интерес к метакаолину, как пуццолановой добавке, частично замещающей цемент в составе портландцементных композиций — бетонов и сухих строительных смесей. Это во многом обусловлено появлением нескольких крупных отечественных производителей метакаолина, осуществляющих его выпуск на базе месторождений каолинитовых глин Челябинской области. По данным авторов работы [9], метакаолин на 80-85 % представлен зернами, аморфными агрегатами, пластинами метакаолинита с показателем светопреломления, близким к 1,530. Размер частиц метакаолина - 3-5 мкм, агрегатов — до 40 мкм. Присутствуют примесные фазы: около 8-10 % гидрослюды в виде игл и тонких пластинок, перемежающихся с вростками остаточного каолина; 5-7 % тонкочешуйчатых пластинок, реже изогнутых полусфер, заполненных аморфным SiO2 и метакаолином; 2-3 % аморфного SЮ2 внутри зерен каолина; 3-4 % кварца и редких зерен полевого шпата; единичные зерна рудных минералов. Установлено, что при замене в портландцементе 5-30 % клинкерной части на метакаолин МКЖЛ, в условиях относительной влажности не ниже 90 %, максимальное повышение прочности отмечено при его содержании 10 %. Прочность раствора цемента с метакаолином через 7-28 сут твердения на 30-60 % выше, чем у раствора на основе бездобавочного цемента.
В Узбекистане также имеется определенный опыт использования метакаолина в качестве добавки к белому портландцементу. Авторами работ [10-12] быль разработан состав декоративной вяжущей композиции на основе белого портландцементного клинкера путем совместного его помола композиции сульфоклинкераи фосфоангидрита. Отмечено, что введение композиционной добавки, полученной путем термоактивации смеси каолиновой глины и фосфогипса при 750-800оС, способствует повышению марки белого портландцемента до 500 и выше, твердению без выделения известковых выцветов и повышению атмосферо-, морозо- и сульфатостойкости камня на его основе.
Известно, что для производства керамических изделий (плиток, санитарно-технических и художественных изделий, изделий бытового назначения и др.) используется каолиновая глина. В процессе их сушки и обжига, и после обжига образуются отходы производства в виде брака, боя и т. п., состав которых представлен термически активированным метакао-лином, в связи с чем исследование возможности их использования в качестве активной минеральной добавки в цемент представляет определенный научный и практический интерес.
Постановка проблемы. Использование отходов керамического производства (керамического боя) в цементной промышленности в качестве активной минеральной добавки для получения добавочного цемента, по качественным показателям соответствующего требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент».
Объекты исследования и методика выполнения экспериментов
В качестве исходных материалов приняты: порт-ландцементный клинкер АО «Ахангаранцемент», отходы керамического производства АО «Кулол», отвалы которых в настоящее время принадлежат ООО «Career universal trans» и двуводный гипс Карнабского месторождения.
Подготовку аналитической пробы боя керамических плиток для проведения химического анализа осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 5382-91. Соответствие гидравлической активности керамического боя требованиям O'z DSt 901-98 «Добавки для цементов. Активные минеральные добавки и добавки наполнители. Технические условия» по критерию Стьюдента определяли по методике ГОСТ 25094-94 «Добавки активные минеральные для цементов. Методы испытаний». Совместный помол клинкера с 5 % гипсового камня и добавки боя керамических плиток осуществляли в лабораторной шаровой мельнице. Количество введенной добавки боя керамических плиток составляло (5, 10, 20) % от массы клинкера. В качестве контрольного использовали бездобавочный цемент, содержащий 95 % клинкера и 5 % гипсового камня. Определение
№ 7 (52)
ЛД1
да
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
июль, 2018 г.
физико-механических свойств добавочных порт-ландцементов на соответствие требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортланд-цемент. Технические условия» выполнили по методикам ГОСТ 310.1-310.4.
Полученные результаты и их обсуждение. Результаты определения химического состава применяемых сырьевых компонентов показали, что клинкер, отобранный для испытания из клинкерного склада АО «Ахангаранцемент», соответствует требованиям 0^ Б81 280:2013 «Клинкер портландцементный. Технические условия», предъявляемым к портланд-цементному клинкеру для получения общестроительных цементов. а гипсовый камень - 2-сорту, который согласно требованию & Б81 760-96, может быть использован в производстве цемента в качестве регулятора сроков схватывания. Химический состав керамических отходов в виде боя и отработанных керамических плиток представлен преимущественным
содержанием оксида кремния (8Ю2) в количестве 64,85 % и оксида алюминия (АЪОз) - 23,89 %. Присутствуют оксиды кальция (СаО) -2,24 %; железа ^Оз) - 2,79 %; магния (М§0) - 1,00 %. Величина потери массы при прокаливании, составившая п.п.п. - 1,70 %, а также наличие 1,28 % 8О3 указывают на присутствие в исследуемых пробах остаточного количества (приблизительно до 8,0 %) затвердевшего цементного раствора (табл. 1).
Проведенными испытаниями по определению критерия Стьюдента (1= 21,21>2,07) установлено соответствие боя керамических плиток требованиям 0^ Б81 901-98 «Добавки для цементов. Активные минеральные добавки и добавки-наполнители. Технические условия», что обосновывает возможность их использования в качестве активной минеральной добавки при производстве общестроительных порт-ландцементов.
Таблица 1.
Химическии состав исходных материалов
Наименование Содержание массовой доли оксидов, %
П.п.п SiО2 АЪО3 Fe2Оз СаО MgO SОз Пр.
ПЦ клинкер АО «Ахангаранцемент» 0,75 20,54 5,19 3,56 62,04 3,60 0,62 4,24
Камень гипсовый Карнабского месторождения При 400° С 19,10 1,52 0,13 0,14 33,04 0,20 43,46 2,41
Бой керамических плиток 1,70 64,85 23,89 2,79 2,24 1,00 1,28 2,25
Установлено, что присутствие в цементе 5, 10 % добавки боя керамических плиток не оказывает заметного влияния на скорость процесса помола добавочных цементов по сравнению с бездобавочным цементом. Тонкость помола, определяемая по остатку на сите с сеткой № 008 цементов с добавками и без добавок составила 10 %. С повышением содержания добавки до 20 %, процесс помола интенсифицируется. При идентичном времени помола, остаток на сите № 008 в цементе с 20 % добавками составил 8 %.
Полученные в лабораторных условиях цементы с добавкой (5, 10, 20) % боя керамических плиток, были испытаны на соответствие требованиям ГОСТ 10178-85
«Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия» по методикам ГОСТ 310.1 -310.4 «Цементы. Методы испытаний». Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Результаты испытаний опытных портландцемен-тов ПЦ-Д5, ПЦ-Д10, ПЦ-Д20 показали, что основные их физико-механические свойства отличаются от свойств контрольного цемента ПЦ-Д0. При введении в портландцемент (5 -20) % керамических отходов водопотребность цементного теста по сравнению с контрольным цементом повышается на (5-9) %, сроки схватывания удлиняются от 200 до 345 min.
Таблица 2.
Зависимость физико-механических свойств портландцементов от содержания добавки керамического боя
Обозначение цементов Норм. густота цем. теста % Сроки схватывания, h - min Предел прочности при изгибе и МРа в возрасте (сут) на:
начало конец 7 28
изгиб сжатие изгиб сжатие
ПЦ-Д0 25,70 3-20 5-00 55,96 214 62,1 402
ПЦ-Д5 27,00 5-45 6-30 59,00 227 65,47 419
ПЦ-Д10 27,00 5-35 6-10 59,76 240 67,20 428
ПЦ- Д20 28,00 5-25 6-10 53,20 230 67,30 415
№ 7 (52)
ЛД1
/ИЛ
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
июль, 2018 г.
Добавка, введенная в количестве (5-20) %, оказывает ускоряющее влияние на процесс твердения цементов, особенно в начальные сроки. Так, в возрасте 7 суток предел прочности при сжатии цементов с добавкой керамических отходов на (6-12) % выше прочности контрольного бездобавочного цемента (состав ПЦ-Д0). Такие же закономерности набора прочности добавочных цементов, содержащих керамические отходы, отмечены к 28 суткам твердения. При этом наибольшую активность (42,8 МРа) показал цемент, содержащий 10 % керамического боя. Модифицирующее действие боя керамических плиток в составе вяжущих композиций проявляется за счет пуццоланического эффекта путем связывания гид-ратной извести (портландита) и микронаполнения гидратной структуры и увеличении плотности формирующегося цементного камня.
Результаты физико-механических испытаний показали, что цементы, содержащие от 5 до 20 % керамических отходов, в 28 суточном возрасте нормального твердения имеют прочность при сжатии в пределах (41,9-42,8) МРа, что выше прочности бездобавочного цемента и, согласно требованиям ГОСТ 10178- 85, соответствует цементу марки 400.
Заключение
Обожженные отходы керамического производства представляют собой смесь боя бывших в употреблении обожженных керамических плиток и затвердевшего цементного раствора, состав которых представлен безводными алюмосиликатами с высоким содержанием оксидов алюминия (23,89%) и кремния (64,85%). Значение критерия Стьюдента, характеризующее гидравлическую активность керамического боя, составляет 1=21,21, что соответствует требованиям ГОСТ 25094 на активные минеральные добавки и следовательно - требованиям О^ Б81 901-98 «Добавки для цементов. Активные минеральные добавки и добавки-наполнители. Технические условия» п. 4.2. Добавка керамических отходов, введенная в количестве (5-20) %, оказывает ускоряющее влияние на процесс твердения цементов в начальные сроки твердения (до 7 суток) и их прочность через 28 суток твердения в нормальных условиях составляет (41,5-42,8) МРа при сжатии, что обеспечивает марку цемента ПЦ 400-Д20 по ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия».
Список литературы:
1. Брыков А.С. Метакаолин // Цемент и его применение. 2012г. № 4. 36-40 с.
2. Джамалов Ш.О., Искандарова М.И., Сиражиддинов Н.А. Высокопрочные белые портландцементы с композиционными добавками на сульфоалюминатной основе //ДАН УзССР. 1985 г. № 1. 34-35 с.
3. Искандарова М.И., Джамалов Ш.О., Сиражиддинов Н.А., Атакузиев Т.А.
1. Химия и технология высокопрочных белых цементов на базе промышленных отходов // Узб. хим. ж. 1984 г. № 5. 62-67 с.
4. Искандарова М.И., Джамалов Ш.О., Атакузиев Т.А. Влияние комплексных добавок сульфоалюминатного твердения на процесс структурообразования белого портландцемента // Тр. НИИЦемента «Использование пром. отходов и техногенных продуктов при производстве цемента». Вып. 89. -М. 1986г. 39-56 с.
5. Краснобаева С.А., Брыков А.С., Стафеева З.В. Свойства материалов на основе портландцемента с добавкой метакаолина МКЖЛ // Цемент и его применение. -Санкт-Петербург, 2012 г. № 4. 50-55 с
6. Badogiannis E., Kakali G., Dimopoulou G. et al. Metakaolin as a main cement constituent. Exploitation of poor Greek kaolins // Cement and Concrete Composites. 2005y. Vol. 27. 197-203 p.
7. Janotka I., Puertas |F., Palacios M. et al. Metakaolin sand-blended-cement pastes: rheology, hydration process and mechanical properties // Construction and Buildings Materials. 2010y. Vol. 24. 791-802 p.
8. Lagier F., Kurtis K.E. Influence of Portland cement composition on early age reactions with metakaolin // Cement and Concrete Res. 2007y. Vol. 37. 1411-1417 p.
9. Mendes A., Gates W.P., Sanjayan J.G., Collins F. NMR, XRD, IR and synchrotron NEXAFS spectroscopic studies of OPC and OPC/slag cement paste hydrates // Materials and Structures. 2011y. Vol. 44. № 10. 1773-1791 p.
10. Ramachandran V.S. Handbook of analytical techniques in concrete science and technology. Norwich, NY [etc]: William Andrew Publishing, 2001y. -990 p.
11. Siddique R., Khan M.I. Supplementary cementing materials //Springer, 2011y. - 287 p.
12. Siddique R., Klaus J. Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete // Applied Clay Sci. 2009y. Vol. 43, № 3-4. 392-400 p.
