CC BY
22
УДК 666.952
Кузьменко М. К., Дмитриева Е. А., Потапова Е. Н.
ВЛИЯНИЕ ТЕРМОАКТИВИРОВАННЫХ ГЛИН НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТА
Кузьменко Маргарита Константиновна - магистрант 1-го года обучения кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов; marakonstanta4114@mail.ru
Дмитриева Екатерина Алексеевна, студентка 2 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов; ekaterina.dmitriewa2010@yandex.ru
Потапова Екатерина Николаевна - доктор химических наук, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Показано влияние термохимической активации глинистых компонентов на прочностные свойства цемента. Термохимически активированную глину получали обжигом при 850 оС глинистого компонента, предварительно обработанного раствором хлорида алюминия. Установлено содержание термоактивированной и термохимически активированных глин в составе цементных композитов, приводящее к повышению прочности в 1,5 раза.
Ключевые слова: портландцемент, активные минеральные добавки, термоактивированные глины, прочностные характеристики
INFLUENCE OF THERMALLY ACTIVATED CLAYS ON CEMENT PROPERTIES
Kyzmenko M. K, Dmitrieva E. A., Potapova E. N. 1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
Thermochemical activated clay was prepared by firing at 850 oC of a clay component pretreated with a raster of aluminum chloride. The content of thermally activated and thermochemical activated clays in the composition of cement composites, which leads to an increase in strength by 1.5 times, is established.
Key words: Portland cement, active mineral additives, thermally activated clays, strength characteristics
В развивающихся странах растет спрос на вяжущие материалы. С увеличением потребности бетона, растет и экономическая составляющая производства данного материала. Чтобы обеспечить тем же количеством материала, снизить энерговложения и воздействия на окружающую среду, используются специализированные добавки, которые, в соответствующих пропорциях, заменяют клинкер.
В последние годы в качестве добавки -заменителя части портландцементного клинкера, все чаще стали использовать метакаолин - продукт термической обработки чистой каолиновой глины. Однако более экономично использовать не чистые каолиновые глины, а традиционные глинистые материалы, встречающиеся повсеместно [1, 2].
Поскольку исследований, основанных на использовании метакаолина в качестве добавки, повышающей прочность, достаточно мало, и само использование чистого обожжённого метакаолина невыгодно, то в этой работе использовались глины различного состава. Термически обработанные (термоактивированные) глины имеют пуццолановые свойства и способствуют повышению прочности при
смешивании с цементом. В свою очередь использование солевых компонентов, в частности хлоридов, в качестве затравок - способны увеличить пуццолановую активность и улучшить прочностные характеристики готовых бетонных композиций [3].
Для проверки теоретических основ, были проведены исследования по определению прочностных характеристик цементов, содержавших термически обработанные глины.
В работе были использованы следующие материалы: портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н производства филиал ООО
«ХайдельбергЦементРус», пос. Новогуровский; в качестве алюмосиликатных материалов - две глины (ОАО «Вольскцемент» Глина 1) и (ЗАО «Мальцовский цементный завод» Глина 2). Состав глин приведен в табл. 1
Для образования кристаллизационных компонентов (крентов) алюмосиликатные материалы обрабатывали раствором водного кристаллогидрата AlClз*6H2O, а затем подвергали обжигу при температуре 850°С. Параметры термообработки были выбраны на основании ранее проведенных работ [4].
Таблица 1 - Химический состав алюмосиликатных компонентов
Обозначение Содержание, %
SiO2 AhOs Fe2O3 CaO MgO SO3 R2O P2O5 TiO2
Глина 1 57,79 13,50 5,42 6,32 1,93 - 2,33 - -
Глина 2 60,59 17,89 7,53 1,08 1,73 - 2,30 - -
Исходные глины были измельчены и просеяны через сита 3-х фракций (остатки на ситах 020, 008, 063) и поэтапно прошли термическую обработку в течение 1 час при 850 °С. Далее для удобства термообработанные глины по тексту называли просто глинами Гл1-Т и Гл2-Т, без добавления слова «термообработанная».
Произведенная проверка удельной поверхности глин показала, что Гл2-Т характеризуется большей удельной поверхностью (008 - 250 м2/кг, 063 - 460 м2/кг), следовательно, можно предположить, что она будет более активна по отношению к цементу.
Ускоренным методом была определена пуццолановая активность. Для этого предварительно просушенный и взвешенный материал заливали раствором СаО и сушили в сушильном шкафу при 100 °С температуре на 8 час. После продолжительного нагревания, полученный раствор титровался 1 М HCl. По результатам расчетов было определено, что наиболее активной являются глины фракции 063, причем пуццолановая активность Гл1-Т = 56,5, Гл2-Т = 68.
Проводимая проверка прочностных
характеристик (портландцемент +
термоактивированные глины разной дисперсности) показала, что лучший набор прочности происходит у состава, в который входят глины фракции 063. Это свидетельствует о том, что чем меньше размер частиц, тем быстрее протекают процессы взаимодействия активных оксидов алюминия и кремния с Ca(OH)2, в результате которых дополнительно образуются гелевидные или мелкокристаллические гидросиликаты и
гидроалюминаты кальция, которые уплотняют твердеющую систему и провидят к повышению прочностных показателей.
Далее исходные глины термообрабатывали в присутствии 20-% раствора соли AlCb и без хлорида алюминия. Определение пуццолановой активности показало, что в результате обработки раствором соли AlCb активность глин повышается, по сравнению с просто термически обработанными глинами. Для Гл1-К активность повысилась до 60,0, а для глины Гл2-К - до 73,3.
Термоактивированные глины добавляли к портландцементу в количестве 5, 10, 15 и 20 %. Изучение прочностных показателей цементов с термически активированными глинами показало, что наибольшей прочностью характеризуются составы, содержащие 10 % глин. При этом составы, содержащие термоактивированную Глину 2, при любом способе термической обработке активнее, по сравнению с составами, содержащими Глину 1. Наибольшей прочность характеризуются составы с глиной, подвергнутой и химической, и термической активацией. Так введении к портландцементу 10 %
Гл2-К, прочность при изгибе возрастает с 7,5 МПа до 14,3 МПа при, а при сжатии - прочность возрастает с
42,2 до 68,2 МПа (рис. 1).
о X Т
о а.
Рис. 1. Прочность цементов (28 сут), содержащих 10 % термоактивированных глин.
Составы: 1 - без добавок; 2, 3 - термообработанные глины без А1С1з;
4, 5 - термообработанные глины с А1С1з; 2 4 - Глина 1; 3, 5 - Глина 2
Далее к портландцементу добавляли одновременно и термически- и химически активированные глины. Так как Глина 1 характеризовалась несколько меньшими значениями пуццолановой активности, по сравнению с глиной 2, то было принято решение дальше исследовать только ее.
Поскольку процесс термохимической активации несколько сложнее, по сравнению с просто термической активацией, то для исследований за основу был взят состав портландцемент + 10 % термически активированной глины (Гл 1Т), в который добавляли 5, 10, 15 и 20 % химический активированной глины этого же состава (Гл 1К).
Полученные результаты (рис. 2) показывают, что содержание химически активированной глины оказывает существенное влияние на прочностные показатели затвердевшего цемента, как в ранние, так и в более поздние сроки. Так уже на первые сутки твердения прочность при сжатии композита, содержавшего 10% Гл 1Т и 5 % Гл 1К, повышается в 1,5 раза - с 21,8 до 31,7 МПа. Составы с содержанием 15 и 20% Гл 1К снизили прочность, по сравнению с исходным до 8,9-14,4 МПа. Вероятно, при одновременно большом количестве центров кристаллизации происходят нарушения
формирующейся структуры, что и приводит к снижению прочности. В дальнейшем при твердении прочность таких композитов начинает выравниваться и достигает прочности исходного (референтного) состава.
■ПЦ+1СГК Гл1Т • 5%Гл1К — —10% Гл 1К Я 15% Гл 1К . 20% Гл 1К
5
и
щ
и
о. =
Б о
X
5
а.
" —
10 20 Время твердения, сут
Рис. 2. Влияние содержания химической активированной глины (Гл 1К) на прочность композиции портландцемент (ПЦ) + 10% термически активированной глины (Гл 1Т)
Наибольшей прочностью на всем временном интервале твердения характеризуется композиция с 5 % Гл 1К (прочность при сжатии в возрасте 28 сут составляет 70,1 МПа). Немного меньшая прочность (66,6 МПа) отмечена для состава с 10 % Гл 1К.
А если сравнивать изменение прочностных показателей по сравнению с исходным цементом, то разница еще более существенная (рис. 3) - прочность при изгибе повысилась с 7,5 до 14,9 МПа, а при сжатии - с 42,2 до 70,1 МПа.
£
т о о.
1 б
Составы
Рис. 3. Повышение прочности цемента при введении комплекса термически активированных глин.
Составы: 1 - ПЦ без добавок; 6 - ПЦ + 10% Гл 1Т + 5% Гл 1К
Таким образом, проведенные исследования показали эффективность термической и термохимической активации глинистых
компонентов. Заменяя часть портландцементного клинкера в составе цемента термоактивированными глинами, возможно не только снизить клинкер -фактор, но и существенно повысить прочностные показатели. А это, в свою очередь, позволит в еще большей степени уменьшить количество цемента в бетоне.
Список литературы
1. Potapova E., Dmitrieva E. The metakaolin - a new hydraulically active pozzolanic additive/ Materials Science Forum. 2019. Vol. 974. Рр. 319-324.
2. Adu-Amankwah S., Zajac M., Stabler C., Lothenbach B., Black L. Influence of limestone on the hydration of ternary slag cements// Cement and Concrete Research. 2017. 100. Pp. 96-109.
3. Chappex T., Scrivener K.L. The influence of aluminium on the dissolution of amorphous silica and its relation to alkali silica reaction// Cement and Concrete Research. 2012. 42(12). Pp. 1645-1649.
4. Dmitrieva E., Potapova E. The effect of heat-treated polymineral clays on the properties of Portland cement paste// Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 38, Part 4. Pp. 1663-1668.
