Термически обработанный трепел как активная минеральная добавка в цемент

PУДК 691.542

Р. З. Рахимов, З. А. Качалова, Е. Ю. Ермилова, О. В. Стоянов

ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫЙ ТРЕПЕЛ КАК АКТИВНАЯ МИНЕРАЛЬНАЯ ДОБАВКА В ЦЕМЕНТ

Ключевые слова: композиционный цемент, трепел, активные минеральные добавки, обжиг.

В работе представлены результаты экспериментов термической обработки трепела при различных температурных режимах. Эффективность полученного материала оценивалась влиянием на физико-механические характеристики портландцемента в составе композиционного цемента.

Keywords: composite cement, tripoli, active mineral additives, burning.

The paper presents the experimental results of heat treatment of tripoli under different temperature regimes. The effectiveness of the obtained material was estimated by the effect on physico-mechanical properties of Portland cement in the composition of the cement.

Введение

Активные минеральные добавки, обладающие пуццолановыми свойствами, используются уже много десятков лет для улучшения физико-механических свойств получаемых материалов на основе

портландцемента, повышения их долговечности, а также химической стойкости. Одной из таких минеральных добавок является трепел. Это природная минеральная добавка осадочного происхождения. Как и любая другая кислая кремнеземисто-глиноземистая добавка при добавлении в портландцемент она способствует улучшению ряда его технических свойств, таких как водостойкость и сульфатостойкость, снижает экзотермию. При этом основным достоинством такого материала является способность связывать гидроксид кальция, образующийся при гидратации портландцементных минералов в присутствии воды при обычной температуре, и предотвращать тем самым выщелачивание Са(ОН)2. При его взаимодействии с трепелом происходит так называемая пуццолановая реакция, в результате которой увеличивается содержание гидросиликатов кальция[1-4]:

БЮ2 +Са(ОН)2+п-Н2О=СаО-БЮ2 -тНО.

Активность и эффективность трепела в цементных системах согласно многим источникам зависит от его дисперсности, химического и минерального состава.

Трепел по своей природе и эффективности влияния на портландцемент очень сильно похож на диатомит. Согласно исследованиям [4] диатомиты в естественном состоянии обладают плохой адсорбционной способностью, большой пористостью, что негативно влияет на прочностные свойства цемента, при добавлении диатомита к клинкеру. Согласно [4] химическая активация природных диатомитов кислотами и щелочами приводит к увеличению прочности композиционного портландцемента с диатомитом на 30%. Причем такой эффект обусловлен химической модификацией диатомита, в результате которой происходит изменение природы части активных

центров на поверхности диатомитовых частиц, которые в свою очередь становятся центрами кристаллизации при структурообразовании.

Согласно последним данным [5,6] обожженный при 900 °С диатомит в составе портландцементного клинкера позволяет уплотнить структуру таких композиционных цементов за счет изменения поровых структур.

В настоящей работе приводятся результаты исследований по оценке возможности повышения физико-механических и других эксплуатационных свойств композиционных цементов с добавлением трепела, обожженного при разных температурных режимах, т.к. согласно литературным данным [5,6]пуццолановая активность опал-

кристобалитовых пород повышается при их термической обработке, и выше по сравнению с активностью золу-унос, метакаолина, шлака.

Материалы и методы исследования Испытания проводились на трепеле месторождения «Мурачевская гора» Калужской области. Химический и минеральный составы приведены в таблицах 1,2. Температура обжига была принята в диапазоне от 400 до 800 °Сс шагом 200 °С и временем обжига 4 часа и при температуре 900°С со временем обжига 1 час.

В качестве цемента использовался низкоалюминатный портландцемент ЦЕМ I 42.5Б ОАО «Вольскцемент» марки М500 Д0 (ГОСТ 31108-2003) (таблица 2), как наиболее широко применяемый среди строительных предприятий в Республики Татарстан.

Таблица 1 - Минеральный состав трепела месторождения «Мурачевская гора», Калужская область

Минерал Содержание, %

Кварц 32

Полевой шпат 2,5

Гидрослюда 1,5

Монтмориллонит 8

Опал 51

кристобаллитридимитовый

Клиноптиллолит 5

Таблица 2 - Химический экспериментальных материалов

состав

Вольский ПЦ 500-Д0-Н Трепел месторождения «Мурачевская гора», Калужская область

СаО 63,0 1,43-0,622

БЮ 2 20,5 86-80,46

А1 О 2 3 4,5 8,27-7,14

Ре О 2 3 4,5 3,3-3,54

- 1,33-0,834

БО 3 3,0 0,03-0,0102

^О - 5,67-0,0356

ТЮ2 - 2-0,387

ZrO - 2-0,0096

Обжиг производился в лабораторной камерной электропечи 8МОЬ 13/1100 Ь с камерой из вакуумированного волокна.

Исследования проводились на цементных образцах-кубиках с ребром 2 см. Физико-механические свойства цементного камня на тесте НГ оценивались по изменению показателя прочности на сжатие, водопоглощению и средней плотности.

Трепел, обожженный при разных температурных режимах (Т400, Т600, Т800, Т900) вводился в состав портландцемента в количестве 3,6, 10, 15% от его массы.

Результаты и обсуждение

Согласно полученным данным,

представленным на рис.1 максимальная прочность композиционного цемента достигается при использовании трепела, обожженного при температуре 900°С в течении 1 часа, в количестве 36% от массы портландцемента.

Также следует отметить, что при использовании трепела, обожженного при температуре 800°С в течении 4 часов, прочность остается на уровне прочности бездобавочного цементного камня.

Снижение температуры обжига трепела ниже 600 °Сприводит к снижению прочности композиционного цементного камня.

Таким образом, оптимальными режимами обжига трепела согласно исследованиям можно считать 800°С при времени обжига 4 часа и 900 °С при времени обжига 1час. Оптимальным можно считать 3-6% замещения портландцемента от его массы.

Как видно из рисунков 2 и 3 максимальная плотность и минимальное водопоглощение для композиционного цемента сохраняется при введении до 6% трепела, обожженного при температуре 900°С/1 час или 800°С/4 часа. При более низких 1°-ах обжига плотность снижается в 1,2 раза, водопоглощение возрастает в 1,5 раза.

Рис. 1 - Зависимость предела прочности на сжатие композиционного цементного камня в возрасте 28 суток от температуры обжига трепела и количества вводимой добавки

Рис. 2 - Зависимость средней плотности композиционного цементного камня в возрасте 28 суток от температуры обжига трепела и количества вводимой добавки

Рис. 3 - Зависимость водопоглощения композиционного цементного камня в возрасте 28 суток от температуры обжига трепела и количества вводимой добавки

Таким образом, можно сделать вывод о возможности и целесообразности замены части портландцемента на 3-6% трепела, термически обработанного при температуре 900°С и времени обжига 1 час.

Выводы

1. Оптимальными температурными режимами обжига для трепела являются: температуре 900°С со временем обжига 1 час или 800°С со временем обжига 4 часа.

2. При добавлении в цемент трепела, обожженного при температурах 800-900°С, в количестве 3-6% от масс.части портландцемента, прочность композиционного цементного камня сохраняется на уровне прочности бездобавочного цементного камня, что свидетельствует о возможности замены части портландцемента на термически обработанный трепел.

Литература

1. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. Технология и свойства: учебник / А.В.Волженский, Ю.С.Буров, В.С.Колокольников. / 3-е изд., перераб. и

доп. / Репринтное воспроизведение издания 1979 г. - М.: ЭКОЛИТ, 2011. - 480 с.

2. Бутт Н.М. Технология цемента и других вяжущих материалов. М.: Стройиздат. 1976. С.344.

3. Тейлор Х.Ф. Химия цементов [Текст]: монография / Х.Ф.Тейлор. - М., 1969.- 501 с.

4. Пустовгар А.П. Эффективность применения активированного диатомита в сухих строительных смесях // Строительные материалы. 2006. №10. С.2-4.

5. Черкасов В. Д. О химическом модифицировании диатомита и возможности его дальнейшего использования в качестве активной минеральной добавки/ В. Д. Черкасов, В. И. Бузулуков, А. И. Емельянов, Д. В. Черкасов // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит. 2013. Вып. 31(60). Ч. 2. Строительные науки. С. 207 - 210.

6. Janotka I., Krajci L., Unlik P., Bacuvcik M. Natural and calcimined diatomite as cement replacement materials: microstructure and pore structure study // NTCC 2014: International Conference on Non-Traditional Cement and Concrete. 2014. June 16-19, Brno, Crech Republic. Pp.99100.

7. Janotka I., Krajci L., Kuliffayova M. Ternary Cement Composites with Metakaolin Sand and Calcined Clayey Diatomite // Concrete and Concrete Structures 2013 Conference.Procedia Engineering 65(2013). Pp.7-13.

© З. А. Качалова - канд. техн. наук, проф. КГАСУ; Е. Ю. Ермилова - асп. КГАСУ, lizabeta_91@list.ru; Р. З. Рахимов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. строительных материалов КГАСУ, rahimov@ksaba.ru; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф. КНИТУ, ov_stoyanov@mail.ru.

© Z. A. Kamalova - candidate of technical sciences, associate professor KSUAE; E. U. Ermilova - post-graduate student KSUAE, lizabeta_91@list.ru; R. Z. Rakhimov - doctor of technical sciences, professor KSUAE, rahimov@ksaba.ru; О. V. Stoyanov - doctor of technical sciences, professor MNRXU, ov_stoyanov@mail.ru.