Применение метакаолина в сухих строительных смесях Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.3.016

А.П. ПУСТОВГАР, А.Ф. БУРЬЯНОВ, кандидаты техн. наук, Е.В. ВАСИЛЬЕВ, инженер (evgenyv2@ya.ru),

ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет

Применение метакаолина в сухих строительных смесях

Метакаолин представляет собой силикат алюминия, получаемый при термической обработке каолинита в заданном режиме. Каолинит — основная составляющая глин белого цвета (каолинов), образующихся при разрушении (выветривании) гранитов, гнейсов и других горных пород, содержащих полевые шпаты (первичные каолины). Название «каолин» происходит от названия местности в провинции Цзянси в Китае, где впервые был найден каолин. Наиболее крупные месторождения каолина находятся в Великобритании, Германии, Чехии, США, Украине, Казахстане и др. В России крупнейшие залежи каолина находятся на Урале.

Режимы термической обработки оказывают существенное влияние на активность метакаолина. Оптимальной для обжига считается температура 500—800оС. Низкая температура обжига приводит к неполной дегидратации исходного продукта, а высокая температура обжига приводит к спеканию и формированию муллита. В обоих случаях наблюдается резкое снижение активности метакаолина как минеральной добавки для составов на основе цементных вяжущих.

Положительный эффект действия метокаолина базируется на его способности связывать гидроксид кальция, образующийся в результате гидратации минералов портландцемента в присутствии воды при обычной температуре. Данный факт обусловлен содержанием в метакаолине групп А1203 и ¿Ю2 в химически активной форме, поэтому характер и интенсивность взаимодействия с известью различны и зависят от количества А1203 и 8Ю2, содержание которых может колебаться от 70 до 98%.

В литературных источниках [1, 2, 3, 4] отмечена высокая активность метакаолина по сравнению с известными пуццолановыми добавками. Однако на практике многие производители сухих строительных смесей сталкиваются с противоречивыми результатами эффективности применения метакаолина.

Для оценки эффективности применения были проведены сравнительные исследования физико-химических характеристик и строительно-технологических свойств сухих строительных смесей с метакаолином различных производителей.

С помощью термоанализатора Labsys фирмы 8е1агаш, методами ТГА и ДСК было исследовано пове-

дение и свойства четырех образцов метакаолина различных производителей. Образцы 1 и 2 зарубежных производителей и образцы 3 и 4 продукции российского производителя ЗАО «ПЛАСТ-РИФЕЙ». Исследования проводились в температурном интервале 40—700оС при постоянной скорости нагрева 10оС/мин в закрытом тигле. Результаты анализа приведены на рис. 1.

При анализе полученных результатов выявлено наличие каолинита (А1203-28Ю2-2Н20) в образцах 1 и 2. В образцах 3 и 4 остаточного каолинита не обнаружено.

Содержание каолинита в метакаолине определялось двумя методами:

1. Методом ТГА по потере массы в температурном интервале 475—625оС.

2. Методом ДСК по площади эндотермического пика в температурном интервале 475—625оС с максимумом при 562оС.

Оба процесса соответствуют термическому удалению воды из каолинита, который протекает по уравнению реакции:

А1203-28Ю2-2Н20 ^ А1203-28Ю2 + 2Н20.

В образце метакаолина 1 содержится около 30% каолинита. В образце метакаолина 2 содержится около 35% каолинита. Также в данном образце обнаружено наличие органической добавки, о чем свидетельствуют потеря массы (0,6% мас.) на кривой ТГА в интервале температур 260—320оС и эндотермический эффект на кривой ДСК с максимумом при 295оС, которые соответствуют ее термическому разложению. Сложный характер кривых ТГА и ДСК после 575оС связан с дальнейшими термическими превращениями продуктов распада данной органической добавки.

Наличие каолинита в образцах метакаолина 1 и 2, вероятно, связано с низкой температурой обжига, недостаточной для полной дегидратации каолинита.

Микроскопический анализ образцов метакаолина рис. 1 также указывает на наличие остаточного каолинита в образцах 1 и 2.

Химический состав, определенный методом энергодисперсионного анализа различных образцов метакаолина, показал различное содержание А1203 и 8Ю2

Рис. 1. Микрофотография образцов: а - метакаолин 1; б - метакаолин 2; в - метакаолин 3; г - метакаолин 4

www.rifsm.ru

научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13

78

октябрь 2010

Таблица 1

Химический состав метакаолина различных производителей

Элемент Щ, %

Образец 1 Образец 2 Образец Э Образец 4

^ 42,05 Э6,87 45,08 44,15

SiO2 52,47 57,ЭЭ 51,5 5Э,2

К20 0,74 0,44 0,25 0,21

СаО 0,42 0 0,21 0,09

ТЮ2 0,84 0,79 0 0

Fe2Oз 1,Э1 1,46 0,7Э 0,58

СиО 2,17 Э,12 2,24 1,76

Таблица 2

Характеристики метакаолина различных производителей

Образцы метакаолина Активность, мг/г за Э0 сут Содержание, %, частиц размером менее 10 мкм Содержание А12Оэ, %

Образец 1 160 80 42,05

Образец 2 1Э7 50 Э6,87

Образец Э 250 50 45,08

Образец 4 242 50 44,15

(табл. 1), при этом наибольшее содержание А1203 в образце 3, а наименьшее — в образце 2.

Образцы метокаолина 2, 3 и 4 имеют приблизительно одинаковый средний размер частиц, при этом кривые распределения частиц по размерам образцов 3 и 4 (рис. 2) отличаются от кривой распределения частиц образца 2. Средний размер частиц образца 1 существенно ниже, чем в образцах метакаолина 2,3 и 4.

Использование метакаолина в составах сухих строительных смесей способствует улучшению реологии, формированию плотной структуры материала, благодаря чему существенно повышаются прочностные характеристики, морозостойкость, устойчивость к различным видам коррозии, снижается проницаемость и усадка.

При определении активности метакаолина различных производителей использовался метод, основанный на способности поглощения добавками извести из известкового раствора в течение 30 сут. (табл. 2).

Поглощение извести образцами 3 и 4 через 30 сут значительно превышает аналогичный показатель образцов 1 и 2, что, вероятно, обусловлено наличием остаточного каолинита в образцах 1 и 2 и пониженным содержанием активных групп A12O3—SiO2. Увеличение поглощения извести образца 1 по сравнению с образцом 2 можно объяснить повышенным содержанием А1203, а также высокой дисперсностью образца 1.

Дальнейшие испытания проводились для составов сухих строительных смесей с различными образцами метакаолина при замещении ими портландцемента в количестве 10%. Для снижения водопотребности в составы сухих строительных смесей дополнительно вводился суперпластификатор на поликарбоксилатной основе (табл. 3).

ОЭ(ж) 100 90 80 70 60 50 40 Э0 20 10

90 80 70 60 50 40 Э0 20 10

90 80 70 60 50 40 Э0 20 10 0

90 80 70 60 50 40 Э0 20 10

0,1

ПТГ0Ш

сЮЭ(ж) 5

К

0,1

ОЭ(ж) 100-

0,5 1

5 10

50 100

500 1000 Ыт]

СОЭ(ж) 5

0,1

в

ОЭ(ж) 1001-

0,5 1

5 10

50 100

500 1000 Ыт]

СОЭ(ж) 5

0,1

ОЭ(ж) 100|-

0,5 1

5 10

50 100

500 1000 Ыт]

СОЭ(ж) 5

I

0,5 1

5 10

50 100

500 1000 Ыт]

Рис. 2. Распределение частиц по размерам: а - образец 1; б - образец 2; в - образец Э; г - образец 4

а

0

б

0

0

г

0

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Л] : : ® октябрь 2010 79""

Таблица 3

Составы сухих строительных смесей для испытаний

Компоненты состава Экспериментальные составы

Контрольный № 1 № 2 № 3 № 4

Портландцемент М400 Д0 (ОАО Воскресенский цементный завод - Lafarge) 250 225 225 225 225

Песок кварцевый ПБ 150 (ОАО Сибелко Рус) 749,8 749,8 749,8 749,8 749,8

Суперпластификатор 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Метакаолин образец 1 - 25 - - -

Метакаолин образец 2 - - 25 - -

Метакаолин образец 3 - - - 25 -

Метакаолин образец 4 - - - - 25

и ,

V :> к

L Ч

а

Щ-v

V

9 ■ ГГ1 Л

i : i * В Ят

Рис. 3. Микроструктура строительного раствора с метакаолином: а - образец 1; б - образец 2; в - образец 3; г - образец 4; д - контрольный образец

Совместное использование суперпластификатора и метакаолина положительно влияет на формирование плотной структуры строительного раствора (рис. 3) по сравнению с контрольным составом и на прочность затвердевшего раствора в возрасте 28 сут (рис. 4, 5). Однако эффект повышения прочности при использовании различных образцов метакаолина неодинаков, и повышение прочности при сжатии экспериментальных составов № 1 и № 2 незначительно по сравнению с контрольным составом. Напротив, прочность образцов № 3 и № 4 практически в два раза превышает прочность при сжатии образцов контрольного состава. Ранняя прочность при сжатии в возрасте 1 сут для составов № 1 и № 2 ниже аналогичного показателя контрольных образцов, а прочность составов № 3 и № 4 в возрасте 1 сут незначительно превышает прочность образцов контрольного состава.

Исследования показали, что при твердении на воздухе при t = 20оС и W = 50% составов с метакаолином

существенно снижаются усадочные деформации по сравнению с контрольным образцом (рис. 6) за счет формирования на ранней стадии твердения эттрингита, кристаллы которого хорошо видны на рис. 3, а, б, в, г. При этом следует отметить некоторое ускорение сроков схватывания экспериментальных составов, что, вероятно, связано с недостатком гипса на ранней стадии гидратации портландцемента за счет значительного увеличения активных групп Л1203. Введение в состав строительного раствора гипса позволит избежать сокращения сроков схватывания и может стать дополнительным инструментом компенсации усадочных деформаций.

Эффективность применения метакаолина различных производителей в составах сухих строительных смесей неодинакова и зависит прежде всего от правильного выбора и четкого соблюдения технологических режимов обжига и измельчения. Результаты сравнительных испытаний метакаолина различных производителей по-

30

25

20

о. 15

10

Составы

Составы

Составы

5

0

Рис. 4. Прочность экспериментальных составов при сжатии в возрасте 28 сут: 1 - контрольный; 2 - состав 1; 3 - состав 2; 4 - состав 3; 5 - состав 4

Рис. 5. Прочность экспериментальных составов при сжатии в возрасте 1 сут: 1 - контрольный состав; 2 - состав 1; 3 - состав 2; 4 - состав 3; 5 - состав 4

Рис. 6. Усадочные деформации затвердевших растворов в возрасте 28 сут: 1 - контрольный состав; 2 - состав 1; 3 - состав 2; 4 - состав 3; 5 - состав 4

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q'ff Э^МЗ^ШЙМЗ

~80 октябрь 2010 MU^SWiAJJiif

казывают, что в производстве сухих строительных смесей следует использовать продукцию, выпускаемую специально для применения в качестве добавок в ССС и обеспечивающих максимальный эффект действия. Применение таких добавок при оптимальной дозировке, и особенно в сочетании с суперпластификаторами, позволит получать сухие смеси с высокими прочностными характеристиками, низкими усадочными деформациями, высокой морозостойкостью и стойкостью к различным видам коррозии.

Ключевые слова: метакаолин, каолинит, сухие строительные смеси, суперпластификатор.

Список литературы

1. N.J. Saikia et al., Cementitious properties of Metakaolin-normal Portland Cement Mixture in the presence of petroleum effluent treatment plant sludge. Cement and Concrete Research, 32 (2002): pp. 1717-1724.

2. Dubey A., Banthia N. Influence of High Reactivity Metakaolin and Silica Fume on the Flexural Toughness of High Performance Steel Fiber-Reinforced Concrete. // ACI Materials Journal. 1998. № 3. Р. 284.

3. Calderone M.A., Gruber K.A. High Reactivity Metakaolin — A Mineral Admixture for High Performance Concrete. // Concrete Under Severe Conditions. 1995. Р. 1015—1024.

4. Kim Hong-Sam, Lee, Sang-Ho, Moon Han-Young Strength properties and durability aspects of high strength concrete using Korean metakaolin. // Construction and Building Materials Journal. 2007. № 1. Р. 128.

Информационно-консалтинговая фирма

«ИТКОР»

ftя

4—IP

Научно-практическая конференция «Текущее состояние строительного комплекса и перспективы посткризисного развития промышленности строительных материалов в РФ» 16 февраля 2011 г. Москва

В программе:

■ Текущее состояние строительного комплекса Российской Федерации

■ Деятельность подотраслей промышленности строительных материалов за 2008-2010 гг.

■ Стратегия развития промышленности строительных материалов до 2020 г.: обсуждение и предложения по дальнейшему совершенствованию

■ Перспективные направления инвестиционной деятельности

■ Пути преодоления кризисных явлений в отрасли и перспективы посткризисного развития

Докладчики: ведущие отраслевые аналитики и исследователи рынка строительных материалов; руководители профессиональных Союзов и Ассоциаций стройиндустрии; представители органов исполнительной власти и инвестиционных компаний.

www.ikf-itcor.ru,ikf-itcor@ikf-itcor.ru, itkor@mail.ru Телефон/факс: (495) 232-47-56

Информационные партнеры конференции научно-технические и производственные журналы «Строительные материалы»® и «Жилищное строительство»

От та г шь>ы= .А •

итиялыли

——

—

А ■

-

АКТИВНАЯ ПУЦЦОЛАНОВАЯ ДОБАВКА

ПЛАСТ

РИФЕЙ

* *

каолин журавлиный лог

РОССИЯ ЧЕЛЯБИНСКАЯ ОБЛАСТЬ

г. Пласт

ул. Магнитогорский тракт, д. 1

Тел./ факс: (35160) 2-26-56;

2-29-45

www.kaolinzhl.ru plast-rifey@chel.surnet.ru

■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

iVJ октябрь 2010 81"