CC BY
33
УДК 666.945
Дмитриева Е.А., Потапова Е.Н.
ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТАННЫХ ГЛИН НА ПРОЧНОСТЬ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
Дмитриева Екатерина Алексеевна, студентка 4 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: ekaterina.dmitriewa2010@Yandex.ru;
Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В процессе производства портландцемента выделяется большое количество CO2. За счет замены части клинкера в составе портландцемента на термообработанные глины можно снизить общее количество парникового газа. Установлено, что введение термоактивиронных при различных режимах термообработки глин, приводит к повышению прочности цемента.
Ключевые слова: термообработанные глины, портландцемент, прочность, метакаолин, активность THE EFFECT OF HEAT-TREATED CLAY ON THE STRENGTH OF PORTLAND CEMENT Dmitrieva E.A., Potapova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Portland cement produces a large amount of CO2. By replacing part of the clinker in the composition of Portland cement to heat-treated clay, the total amount of greenhouse gas can be reduced. It is established that the introduction of heat-activated clay under different modes of heat treatment leads to an increase in the strength of cement.
Keywords: heat-treated clays, portland cement, strength, metakaolin, activity
В настоящее время остро стоит вопрос о защите окружающей среды. В процессе производства портландцементного клинкера выделяется большое количество углекислого газа, а именно 8% всех мировых антропогенных выбросов. Известно, что углекислый газ является парниковым газом, который, скапливаясь в атмосфере, может привести в глобальной катастрофе, а именно - к созданию парникового эффекта (повышение температуры поверхности земли по причине скопления парниковых газов в атмосфере). При производстве цемента выброс парниковых газов - С02 связан со сжиганием топлива и декарбонизацией известняка, который в чистом виде содержит 44 (масс.) процента С02 [1]. Ученые во всем мире стараются снизить количество выделяемого углекислого газа за счет замены основного компонента цемента - клинкера. Альтернативой клинкеру могут быть различные шлаки и золы, но их количество в составе цемента ограничено, поскольку требуются определенные свойства полученных вяжущих материалов [2].
Поэтому, особое внимание уделяется изучению термообработанных (кальцинированных) глин, которые могут выступать как пуццолановые добавки. Глина, как минеральное сырье, присутствует практически во всех странах мира, и довольно легко добывается, в результате чего, производство с использованием глинистых добавок экономически выгодное. Обычно глина содержит смесь различных глинистых минералов, таких как каолинит, иллит, монтмориллонит и большую часть примесных минералов, таких как кварц, кальцит, слюды. Термообработка глин протекает при температурах 650850 °С с выделением паров воды. При этом образуются
активные аморфные фазы А1203 ■ БЮ2. Поэтому термическая обработка глин - одно из важных направлений снижения содержания клинкера в цементе.
Активные минеральные добавки содержат аморфный диоксид кремния, который способен взаимодействовать с гидроксидом кальция, образуя гидросиликаты кальция. Наиболее эффективной и изученной добавкой является метакаолин - термически обработанный каолинит. Каолинит
(А120з ■ 2БЮ2 ■ 2Н20) характеризуется высокой адсорбционной способностью и гидрофильностью [3]. Положительный эффект действия метакаолина основывается на его способности связывать гидроксид кальция, образующийся в результате гидратации минералов портландцемента в присутствии воды при обычной температуре. Данный факт обусловлен содержанием в метакаолине оксидов А1203 и SiO2 в химически активной форме, поэтому характер и интенсивность взаимодействия с известью различны и зависят от количества данных оксидов, содержание которых может колебаться от 70 до 98 %. [4].
Были изучены четыре глины с разным химико-минералогическим составом. Определены
оптимальные температуры обжига для каждого состава на основе дифференциально - термического, рентгенофазового анализов и инфракрасной спектроскопии. Каждая глина обжигалась при оптимальной температуре с разными изотермическими выдержками, чтобы достичь максимальной активности (табл.1).
Максимальной активностью характеризуются образцы, обжигаемые в течение 60 мин, за исключением Глины 3, которая характеризуется
максимальной активностью при обжиге 90 мин. Самым активным образцом является Глина 4 (количество CaO поглощенного 1 г добавки достигает 410 мг), которая обжигалась в течение 60 мин при Т= 800 °С. Менее активным образцом является Глина 3, обжигаемая при Т = 850 °С в течение 30 мин (активность составляет 330 мг/г).
Далее были изучены прочностные характеристики портландцемента с введением данных термоактивированных глин в количестве от 5 до 20 % (табл.1). Увеличение содержания минеральной добавки повышает прочностные характеристики цементного камня при изгибе и при сжатии.
Так для портландцемента с термоактивированной Глиной 1 (рис. 1) наибольшей прочностью на 28 сут при изгибе (38,8 МПа), при сжатии (69,2 МПа) обладает состав 1.2.3 с содержанием обожженной глины равным 15 %. Это означает, что для глины данного состава при температуре обжига 900 °С , оптимальное время обжига составляет 60 мин, а содержание добавки более 15 % приводит к уменьшению прочностных характеристик.
Для портландцемента с Глиной 2 (рис. 2) наибольшей прочностью на 28 сут при изгибе (40,8 МПа), при сжатии (67,3 МПа) обладает состав 2.2.4 с содержанием обожженной глины - 20 %. Данная глина обжигалась при температуре 800 °С в течение 60 мин.
Таблица 1. Составы портландцемента с термообработанными глинами
Составы Добавка (Т термообработаки, °С) t обжига, : С Составы при содержании добавок к цементу,%
30' 60' 90' 5 10 15 20
1.1 Глина 1 (900) + 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4
1.2 + 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4
1.3 + 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4
2.1 Глина 2 (800) + 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4
2.2 + 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4
2.3 + 2.3.1 2.3.2 2.3.4 2.3.4
3.1 Глина 3 (850) + 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4
3.2 + 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4
3.3 + 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4
4.1 Глина 4 (800) + 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4
4.2 + 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4
4.3 + 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4
75.00
ря
^ 65.00
55.00
Рис. 1. Прочностные характеристики портландцемента с Глиной 1 после твердения 28 сут
Изгиб 4 Сжатие
15.00
Рис. 2. Прочностные характеристики портландцемента с Глиной 2 после твердения 28 сут
Для портландцемента с Глиной 3 (рис. 3) наибольшей прочностью на 28 сутки при изгибе (40,1 МПа), при сжатии (75,2 МПа) обладает состав 3.3.3 с содержанием обожженной глины равным 15 %. Это означает, что для глины данного состава при температуре обжига 850 °С , оптимальное время обжига составляет 90 мин.
Портландцемент с Глиной 4 (рис. 4) отличается самыми высокими показателями прочности при изгибе (38,10 МПа), при сжатии (74,3 МПа) для состава 4.2.3 с содержанием добавки 15 % и обжигаемой в течение 60 мин. Для всех образцов 4 состава характерно падение прочности при содержании добавки - 20 %.
85,00
J3 75,00
65,00
X 14 55,00
Л
1 45,00
35,00
£
35,00
15,00
'Изгиб ■ Сжапк
Изгиб
I Сжаш?
Рис. 4. Прочностные характеристики портландцемента с Глиной 4 после твердения 28 сут
В результате проведенных исследований установлено, что цемент с содержанием термообработанных глин в количестве от 5 до 20 % характеризуется более высокими показатели прочности по сравнению с бездобавочным образцом. Максимальной прочностью характеризуется состав 3.3.3 - 75,2 МПа на сжатие, и 40,1 МПа на изгиб, содержащий термообработанную при Т = 850 °С в течение 90 мин глину. При этом важно подбирать оптимальный режим термообработки, так как в зависимости от времени и температуры обжига, меняется активность глин, а в последствие изменяется и прочность. Так, для Глины 1 оптимальный режим термообработки: обжиг при Т=900 °С в течение 60 мин, для Глины 2 - Т=800 °С в течение 60 мин, для Глины 3 - 850 °С в течение 90 мин, а для Глины 4 - 800 °С в течение 60 мин.
Для всех составов максимальная прочность за 28 сут достигается составами, содержание добавок в которых до 15 % включительно, за исключением второго состава, для которого максимальная прочность с содержанием обожженной глины - 20 %.
Список литературы
1. Alujas A., Fernandez R., Quintana R., Scrivener K.L., Martirena F., Pozzolanic reactivity of lowgrade kaolinitic clays: Influence of calcination temperature and impact of calcination products on OPC hydration // Applied Clay Science - 2015 - Vol.108 - Pp. 94-101.
2. Alejandra Tironi, Мушса A. Trezza, Alberto N. Scian, Edgardo F. Irassar. Kaolinitic calcined clays: Factors affecting its performance as pozzolans // Applied Clay Science - 2011. - Pp. 276 - 281.
3. Дмитриева Е.А., Манушина А.С., Потапова Е.Н. Влияние различного содержания метакаолина на свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Успехи в химии и химической технологии. - 2017 - Том 31. - №3 - С. 28-30.
4. Голубков В.В., Стафеева З.В., Потапова Е.Н. Применение каолина месторождения «Журавлиный Лог» // Проблемы геологии и освоения недр: Труды XVI Международного симпозиума им. академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 110-летию со дня основания горногеологического образования в Сибири. - 2012. - Т. 2. - С. 647-649.
Рис. 3. Прочностные характеристики портландцемента с Глиной 3 после твердения 28 сут
