Влияние добавок в портландцемент прокаленной и молотой глины с содержанием 40% каолинита на прочность цементного камня

Влияние добавок в портландцемент прокаленной и молотой глины с содержанием 40% каолинита на прочность цементного камня

Р.З.Рахимов, Н.Р.Рахимова, А.Р.Гайфуллин

Введение

В настоящее время глубокое понимание механизмов гидратации портландцемента способствует введению большого содержания минеральных добавок. Наиболее известные - доменный шлак и зола доступны не во всех странах/регионах и в гораздо меньших объемах, чем производится портландцемента, поэтому большее замещение клинкера может быть достигнуто только за счет расширения сырьевой базы таких минеральных добавок, как натуральные пуццоланы и активированные глины [1].

Наполнители из прокаленных и обожженных до частичного или полного спекания глин с древних времен находят применение в качестве тонкомолотых пуццолановых добавок в цементные и известковые вяжущие и материалы и изделия на их основе [2-4].

Глины - повсеместно распространенное, доступное и дешевое сырье для получения пуццоланов. Термически активированные глины классифицируются как искусственные пуццоланы европейским стандартом EN197-1-2000.

Пуццоланы применяются в виде цемянки, глинита, горелых пород, аглопорита, керамзита и керамзитовой пыли [5, 6]. Глинит получают измельчением обожженных глин при температурах 600-800оС [5,7]. В последнее время определенное применение в качестве пуццолановой добавки для повышения показателей физико-технических свойств цементных композитов получила одна из разновидностей глинита - метакаолин. Метакаолин представляет собой продукт термической обработки мономинеральных с высоким содержанием минерала каолинита каолиновых глин [8,9]. В состав качественных сортов метакаолина входят 50-55% SiO2 и 40-45% А1203 [9,10]. Благодаря пластинчатой морфологии частиц метакаолин положительно влияет на удобоуклады-ваемость бетонной смеси и повышает ее устойчивость к водоотделению, а также прочность, химическую стойкость, морозостойкость и долговечность бетона [11,12].

Установлено, что метакаолин имеет достаточную пуццо-ланическую активность при удельной поверхности 12 м2/г [13], а высокую активность он приобретает при удельной поверхности 30 м2/г [14,15].

Однако широкому производству и применению метакаолина препятствует ограниченность месторождений и запасов каолиновых глин во многих странах, в том числе и в России. Этим обстоятельством объясняются проведение в последнее десятилетие в ряде стран исследований пуццоланической активности прокаленных глинистых минералов помимо као-

линита [16] и возможности получения пуццолановых добавок из глинистого сырья с различным содержанием каолинита или полным его отсутствием [17,18].

Согласно проводившимся в 1940-х годах исследованиям пуццоланической активности распространенных на территории СССР месторождений 207 разновидностей глин [7], только 11% глин оказались непригодными для получения продукта с достаточной пуццоланической активностью. Сегодня целесообразным представляется возобновление в нашей стране исследований и разработок в этом направлении для создания научной базы организации производства пуццолановых добавок на основе местных глин в различных регионах.

Ниже приведены некоторые результаты исследований влияния добавок прокаленной и молотой полиминеральной глины с содержанием 40% каолинита на прочность при сжатии цементного камня.

Материалы исследований

1. Арская глина (месторождение Арское, Республика Татарстан).

Химический состав (% на абсолютно сухую навеску): SiO2

- 73,65; AL2O3 - 15,37; Fe203 - 2,23; TiO2 - 1,47; MgO - 0,50; CaO - 0,28; K90 - 0,55; PA <0,03; Na0< 0,3; SO/S - 0,05;

2 2 5 2 3'

п.п.п. - 5,63; H20- 1,05.

Химический состав глины определялся по содержанию оксидов с использованием ARL0PTYMK - спектрометра.

Минеральный состав (%): кварц - 47, каолинит - 40, илит

- 13. В структуре илита до 10% разбухающих слоев. Рентгено-фазовый анализ проведен с использованием дифрактометра D8 Advance фирмы Breeker.

Гранулометрический состав фракций глины (%): глинистых - 42,2; пылевидных - 42,8; песчаных - 15,0.

2. Метакаолин ВМК производства ООО «Синерго» (Магнитогорск). ТУ572901-001-65767184-2010.

Химический состав метакаолина (%): Si02 - 51,4; AL203 > 42; Fe203 - 0,8; H20< 0,5; п.п.п. < 1. Удельная поверхность - 1200 м2/кг.

Пуццоланическая активность (мг) Ca(0H)2> 1000/г.

3. Портландцемент.

Для определения пуццоланической активности глинистых термоактивированных наполнителей использовался портландцемент ПЦ500 Д-0-Н.

Химический состав масс цемента (%): Ca0 - 63; Si02 - 20,5; AL203 - 4,5; Fe203 - 4,5; S03 - 3.

Минералогический состав цемента (%): QjS - 67,0; C2S -11,0; C3A - 4,0; C3AF - 15,0.

Показатели портландцемента:

- удельная поверхность - 345 см2/г (по цементу);

- насыпная плотность - 1000 г/л;

- нормальная густота - 26%;

- начало схватывания - 2 ч. 50 м.;

- конец схватывания - 4 ч. 10 м.

Методы исследования

Прокаливание глины производилось при 400, 600 и 8000С со скоростью подогрева 1,7; 2,5 и 3,30С в минуту и изотермической выдержкой при этих температурах в течение трех часов.

Прокаленная глина подвергалась помолу в лабораторной мельнице МПЛ-1 до удельной поверхности 250 и 500 м2/кг.

Пуццоланическая эффективность прокаленных и молотых навесок глины определялась по изменению свойств портланд-цементного камня в зависимости от содержания их добавок в портландцемент. Цементный камень из теста нормальной густоты испытывался после термовлажной обработки по режиму 4 +6 +3 ч. с изотермической выдержкой при 850С.

Результаты исследований

На рисунках 1-3 приведены результаты исследований влияния добавок в портландцемент прокаленной при различных температурах и молотой до различной удельной поверхности арской глины на прочность при сжатии цементного камня, на рисунке 4 - результаты исследований влияния добавок метакаолина в портландцемент на прочность при сжатии цементного камня.

Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы о влиянии добавок в портландцемент прокаленной и молотой арской глины и метакаолина ВМК на прочность при сжатии цементного камня.

Добавки глины, прокаленной при 400 0С:

- 5-10% молотой до 250 м2/кг повышают прочность на 7,1-4,7%;

- 5-15% молотой до 500 м2/кг - на 22,1-0,0%;

- 5-15% молотой до 800 м2/кг - на 31,0-8,2%.

Добавки глины, прокаленной при 6000С:

Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии цементного камня от содержания добавок арской глины, молотой до удельной поверхности 250 м2/кг после термообработки при температурах: ♦ 400оС,  600оС,  800оС

- 5-15% молотой до 250 м2/кг повышают прочность на 35,2-1,8%;

- 5-20% молотой до 500 м2/кг - на 57,6-22,2%;

- 5-10% молотой до 800 м2/кг - на 4,7%. Добавки глины, прокаленной при 8000С:

- 5-20% молотой до 250 м2/кг повышают прочность на 17,1-24,1%;

5 10 15 20

Содержание добавки, %

Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии цементного камня от содержания добавок арской глины, молотой до удельной поверхности 500 м2/кг после термообработки при температурах: ♦ 400оС,  600оС,  800оС

О 5 10 15

Содержание добавки, %

Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии цементного камня от содержания добавок арской глины, прокаленной при 800оС и молотой до удельной поверхности 800 м2/кг после термообработки при температурах: ♦ 400оС,  600оС,  800оС

д

Э50 900 350 300 750 700 650 600 550 500 450 400 350

0 1 0 1 5 2С

Содержание добавки, %

Рис 4. Зависимость прочности при сжатии цементного камня от добавок метакаолина

132

2 2015

- 5-20% молотой до 500 м2/кг - на 50,1-4,7%;

- 5-10% молотой до 800 м2/кг - на 13,4-12,6%.

Добавки метакаолина: 5-10% добавок повышают прочность цементного камня на 29,1-9,8%.

Наиболее высокие показатели повышения прочности цементного камня достигаются при содержании 5% прокаленной и молотой глины и метакаолина.

Наибольшее повышение прочности по сравнению с аналогичными добавками метакаолина обеспечивают 5-10% прокаленной при 6000С и молотой до 250-500 м2/кг полиминеральной глины.

Таким образом, добавки в портландцемент 5-10% глинита на основе прокаленной при определенной температуре и молотой до 250-800 м2/кг полиминеральной глины с содержанием 40% каолинита приводят к более значительному повышению прочности цементного камня, чем аналогичные добавки метакаолина ВМК с удельной поверхностью 1200 м2/кг.

Литература

1. Scrivener K.L., Nonut A. Hydratation of Cementations Materials, Present and Future// Cement and Concrete Research. 2011. №41. P. 651-665.

2. Витрувий М. Десять книг об архитектуре. М.: Архи-тектура-С, 2006.

3. Ramachandran V.S.(ed). Concrete Admixtures Handbook - Properties, Science and Technology. NY: WiLLiam Andrew PubLishing, 1995.

4. Castello L.R., Hernandles H.I.F., Scrivener K.L., Antonic M. EvoLution of CaLcined CLay SoiLs as SuppLementary Cementations MateriaLs // Proceedings of a XIII InternationaL Congress of the Chemistry of Cement. Madrid: Instituto of Ciencias de La Construction «Ednardo torroja», 2011. Р.117.

5. Волженский А.Р., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества, технология и свойства: учебник. М.: Стройиздат, 1979.

6. Рахимов Р.З., Халиуллин М.И., Гайфуллин А.Р. Состав и пуццолановые свойства керамзитовой пыли // Academia. Архитектура и строительство. 2013. №4. С. 112-116.

7. Глинит - цемент: сборник статей ВНИИЦ / Под ред. В.И.Аксенова. Вып. 11. М.; Л., 1935.

8. Siddigye R., Klaus I. InfLuence of MetakaoLin on the Properties of Mortar and Concrete // AppLied CLay Science. 2009. VoL. 43. №3-4. P. 392-400.

9. БрыковА.С. Метакаолин//Цемент и егоприменение.2012. №7-8. С. 36-40.

10. Badogiamics S., Kakali G., Tsivilis S. MetakaoLin as SuppLementary Cementitious MateriaL. 0ptimization of KaoLin to MetakaoLin Conversion // Therm. AnaL. CaLorim. 2005. VoL.81. №2. Р. 425-432.

11. Concrete Construction Engineering Handbook / Ed. by E.G.Nawy. FLоrida: CRC Press, 2008.

12. Advanced Concrete TechnoLogy. Constituent MateriaLs / Eds. I. Newman, B.S. Choo. ELsevier, 2003.

13. Хераб Х.Ю., Ахмед Х.Е.Х., Таврик А. Применение метакаолина в качестве заменителя цемента // Цемент и его применение. 2011. №11-12. С. 86-89.

14. Caldarone M.A., Gruber K.A., Burg R.G. High Reactivity MetakaoLin: A New Generation of MineraL Admixture //Concrete InternationaL. 1994.VoL. 16. №11. P. 32-40.

15. Sigh N.D., Middendort B. Chemistry of BLended Cements. PL. 2. SiLica Fume, MetakaoLin, Reactive Ash from AgricuLturaL Wastes, Inert MateriaLs and Non-PortLand BLended Cements // Cement InternationaL. 2009. VoL.7. №6. P. 78-82.

16. Fernandez R., Martirena F., Scrivener K.L. The 0rigin of the PozzoLanic Activity of CaLcined CLay MineraLs: A Comparison between KaoLinite, ILLite and MontmoriLLonite// Cement and Concrete Research. 2011. VoL.41. Issue 1. P. 113-122.

17. He C., Osbaeck B., Makovicky E. PozzoLanic Reactions of Six PrincipaL CLay MineraLs: Activation, Reactivity Assessments and TechnoLogicaL Effects // Cement and Concrete Research. 1995. №25. Р. 1961.

18. Ambroise J., Murat M., Pera J. Hydration Reaction and Hardening of CaLcined and ReLated MineraLs: Extension of the Research and GeneraL ConcLusions // Cement and Concrete Research. 1985. №15.

Literatura

2. VitruvijM. Desjat knig ob arhitekture. M.: Arhitektura-S, 2006.

5. VolzhenskijA.R., Burov Ju.S., Kolokolnikov V.S. MineraLnye vjazhushchie veshchestva, tehnoLogija i svojstva: uchebnik. M.: Strojizdat, 1979.

6. Rahimov R.Z., Haliullin M.I., Gaifullin A.R. Sostav i puccoLanovye svojstva keramzitovoj pyLi // Academia. Arhitektura i stroiteLstvo. 2013. №4. S. 112-116.

7. GLinit - cement: sbornik statej VNIIC / Pod red. V.I.Aksenova. Vyp. 11. M.; L., 1935.

9. BrykovA.S. MetakaoLin // Cement i ego primenenie. 2012. №7-8. S. 36-40.

13. Herab H.Ju., Ahmed H.E.H., Tavrik A. Primenenie metakaoLina v kachestve zameniteLja cementa // Cement i ego primenenie. 2011. №11-12. S. 86-89.

The Influence of Addition of Calcined and Grinded

Clay Containing 40% Kaolinite into Portland Cement

on the Solidity of the Cement Stone. By R.Z. Rahimov,

N.R.Rahimovа, A.R. Gaifullin

The articLe studies the effect of addition of caLcined at 400-600 0С and grinded to 200-500 m2/kg cLay containing 40% kaoLinite and metakaoLinite into PortLand Cement on the soLidity of the cement stone under compression.

Ключевые слова: добавка, глина, каолинит, метакаолин, глинит, прокаливание, удельная поверхность, портландцемент, прочность.

Key words: additive, cLay, kaoLinite, metakaoLinite, cLays, caLcination, the specific surface area, PortLand cement, strength.