Международный
научный журнал

К вопросу использования керамического боя в качестве алюмосиликатной добавки для цемента


the issue of using ceramic battles as an aluminosilicate additive for cement

Цитировать:
Батыров Б.Б., Бегжанова Г.Б., Искандарова М. К вопросу использования керамического боя в качестве алюмосиликатной добавки для цемента // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2018. № 7(52). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/6135 (дата обращения: 16.12.2019).
 
Прочитать статью:


АННОТАЦИЯ

В статье обоснована эффективность использования отходов керамического производства в качестве добавки для получения смешанных цементов при значительной экономии (до 20%) дорогостоящего клинкера составляющей с получением добавочного цемента, по гидравлической активности обеспечивающего марки цемента 400.

ABSTRACT

The article substantiates the efficiency of the use of ceramic waste as an additive for the production of mixed cements with significant savings (to 20%)of the costly clinker component with the production of additional cement, in terms of the hydraulic activity providing the cement grade 400.

 

Ключевые слова: бой керамических плиток, термоактивированная алюмосиликатная добавка, добавочный цемент, физико-механические свойства, соответствие требованиям НД.

Keywords: battle of ceramic tiles, thermoactivited aluminosilicate additive, additional cement, physical and mechanical properties, compliance with the ND requirement.

 

В связи с тем, что метакаолин (ВМК) представляет собой химическую фазу, которая образуется при термической обработке каолина, последние годы во всем мире сильно возрос интерес к нему, как добавки в цемент, сухим строительным смесям, в бетон и т. д. Химический состав каолинита представлен формулой Al2O3∙2SiO2∙2H2O. В результате термообработки при температуре кристаллическая вода из него удаляется и образуется аморфный силикат алюминия [1]. В настоящее время промышленный выпуск высокоактивного метакаолина налажен в США и ряде стран Европы. Замещение части цемента метакаолином способствует увеличению прочности цементного камня при сжатии, адгезии цементного геля к частицам заполнителя, сокращению пористости, уменьшению проницаемости, повышению устойчивости материала к циклическому замораживанию и оттаиванию, а также к коррозионным воздействиям [2-4]. Влияние метакаолина на гидратацию цемента и формирование структуры цементного камня обусловлено высокой дисперсностью частиц метакаолина и его пуццолановыми свойствами, количества и природы примесных компонентов. Эти характеристики метакаолина, в свою очередь, определяются составом сырья и параметрами его технологической обработки, в связи с чем, метакаолины различных производителей могут довольно существенно различаться по активности в составе твердеющего портландцементного теста и цементных растворов [5-8]. В России в последние годы заметно возрос интерес к метакаолину, как пуццолановой добавке, частично замещающей цемент в составе портландцементных композиций — бетонов и сухих строительных смесей. Это во многом обусловлено появлением нескольких крупных отечественных производителей метакаолина, осуществляющих его выпуск на базе месторождений каолинитовых глин Челябинской области. По данным авторов работы [9], метакаолин на 80‑85 % представлен зернами, аморфными агрегатами, пластинами метакаолинита с показателем светопреломления, близким к 1,530. Размер частиц метакаолина – 3‑5 мкм, агрегатов — до 40 мкм. Присутствуют примесные фазы: около 8‑10 % гидрослюды в виде игл и тонких пластинок, перемежающихся с вростками остаточного каолина; 5‑7 % тонкочешуйчатых пластинок, реже изогнутых полусфер, заполненных аморфным SiO2 и метакаолином; 2‑3 % аморфного SiO2 внутри зерен каолина; 3‑4 % кварца и редких зерен полевого шпата; единичные зерна рудных минералов. Установлено, что при замене в портландцементе 5‑30 % клинкерной части на метакаолин МКЖЛ, в условиях относительной влажности не ниже 90 %, максимальное повышение прочности отмечено при его содержании 10 %. Прочность раствора цемента с метакаолином через 7‑28 сут твердения на 30‑60 % выше, чем у раствора на основе бездобавочного цемента.

В Узбекистане также имеется определенный опыт использования метакаолина в качестве добавки к белому портландцементу. Авторами работ [10-12] быль разработан состав декоративной вяжущей композиции на основе белого портландцементного клинкера путем совместного его помола композиции сульфоклинкераи фосфоангидрита. Отмечено, что введение композиционной добавки, полученной путем термоактивации смеси каолиновой глины и фосфогипса при 750-800оС, способствует повышению марки белого портландцемента до 500 и выше, твердению без выделения известковых выцветов и повышению атмосферо-, морозо- и сульфатостойкости камня на его основе.

Известно, что для производства керамических изделий (плиток, санитарно–технических и художественных изделий, изделий бытового назначения и др.) используется каолиновая глина. В процессе их сушки и обжига, и после обжига образуются отходы производства в виде брака, боя и т. п., состав которых представлен термически активированным метакаолином, в связи с чем исследование возможности их использования в качестве активной минеральной добавки в цемент представляет определенный научный и практический интерес.

Постановка проблемы. Использованиеотходов керамического производства (керамического боя) в цементной промышленности в качестве активной минеральной добавки для получения добавочного цемента, по качественным показателям соответствующего требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент».

Объекты исследования и методика выполнения экспериментов

В качестве исходных материалов приняты: портландцементный клинкер АО «Ахангаранцемент», отходы керамического производства АО «Кулол», отвалы которых в настоящее время принадлежат ООО «Career universal trans» и двуводный гипс Карнабского месторождения.

Подготовку аналитической пробы боя керамических плиток для проведения химического анализа осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 5382-91. Соответствие гидравлической активности керамического боя требованиям O'z DSt 901-98 «Добавки для цементов. Активные минеральные добавки и добавки наполнители. Технические условия» по критерию Стьюдента определяли по методике ГОСТ 25094-94 «Добавки активные минеральные для цементов. Методы испытаний». Совместный помол клинкера с 5 % гипсового камня и добавки боя керамических плиток осуществляли в лабораторной шаровой мельнице. Количество введенной добавки боя керамических плиток составляло (5, 10, 20) % от массы клинкера. В качестве контрольного использовали бездобавочный цемент, содержащий 95 % клинкера и 5 % гипсового камня. Определение физико-механических свойств добавочных портландцементов на соответствие требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия» выполнили по методикам ГОСТ 310.1-310.4.

Полученные результаты и их обсуждение. Результаты определения химического состава приме­няемых сырьевых компонентов показали, что клинкер, отобранный для испытания из клинкерного склада АО «Ахангаранцемент», соответствует требованиям O'z DSt 280:2013 «Клин­кер портландцементный. Технические условия», предъявляемым к портланд­цементному клинкеру для получения общестрои­тельных цементов. а гипсовый камень – 2-сорту, который согласно требованию Ơz DSt 760-96, может быть использован в производстве цемента в качестве регулятора сроков схватывания. Химический состав керамических отходов в виде боя и отработанных керамических плиток представлен преимущественным содержанием оксида кремния (SiО2) в количестве 64,85 % и оксида алюминия (А12О3) - 23,89 %. Присутствуют оксиды кальция (СаО) -2,24 %; железа (Fe2О3) - 2,79 %; магния (MgO) - 1,00 %. Величина потери массы при прокаливании, соста­вившая п.п.п. - 1,70 %, а также наличие 1,28 % SО3указыва­ют на присутствие в исследуемых пробах остаточного количества (прибли­зительно до 8,0 %) затвердевшего цементного раствора (табл. 1).

Проведенными испытаниями по определению критерия Стьюдента (t= 21,21˃2,07) установлено соответствие боя керамических плиток требованиям O'z DSt 901-98 «Добавки для цементов. Активные минеральные добавки и добавки-наполнители. Технические условия», что обосновывает возможность их использования в качестве активной минеральной добавки при производстве общестрои­тельных портландцементов.

Таблица 1.

Химический состав исходных материалов

Наименование

Содержание массовой доли оксидов, %

П.п.п

SiО2

А12О3

Fe2О3

СаО

MgO

SО3

Пр.

ПЦ клинкер АО

«Ахангаранцемент»

0,75

20,54

5,19

3,56

62,04

3,60

0,62

4,24

Камень гипсовый
Карнабского месторождения

При 400° С 19,10

1,52

0,13

0,14

33,04

0,20

43,46

2,41

Бой керамических плиток

1,70

64,85

23,89

2,79

2,24

1,00

1,28

2,25

 

Установлено, что присутствие в цементе 5, 10 % добавки боя керамических плиток не оказывает заметного влияния на скорость процесса помола добавочных цементов по сравнению с бездобавочным цементом. Тонкость помола, определяемая по остатку на сите с сеткой № 008 цементов с добавками и без добавок составила 10 %. С повышением содержания добавки до 20 %, процесс помола интенсифицируется. При идентичном времени помола, остаток на сите № 008 в цементе с 20 % добавками составил 8 %.

Полученные в лабораторных условиях цементы с добавкой (5, 10, 20) % боя керамических плиток, были испытаны на соответствие требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия» по методикам ГОСТ 310.1 -310.4 «Цементы. Методы испытаний». Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Результаты испытаний опытных портландцементов ПЦ-Д5, ПЦ-Д10, ПЦ-Д20 показали, что основные их физико-механические свойства отличаются от свойств контрольного цемента ПЦ–Д0. При введении в портландцемент (5-20) % керамических отходов водопотребность цементного теста по сравнению с контрольным цементом повышается на (5-9) %, сроки схватывания удлиняются от 200 до 345 min.

Таблица 2.

Зависимость физико-механических свойств портландцементов от содержания добавки керамического боя

Обозна­чение це­ментов

Норм.

густо­та цем.

теста %

Сроки схватывания,

h - min

Предел прочности при изгибе

и МРа в возрасте (сут) на:

начало

конец

7

28

изгиб

сжатие

изгиб

сжатие

ПЦ-Д0

25,70

3-20

5-00

55,96

214

62,1

402

ПЦ-Д5

27,00

5-45

6-30

59,00

227

65,47

419

ПЦ-Д10

27,00

5-35

6-10

59,76

240

67,20

428

ПЦ- Д20

28,00

5-25

6-10

53,20

230

67,30

415

 

Добавка, введенная в количестве (5-20) %, оказывает ускоряющее влияние на процесс твердения цементов, особенно в начальные сроки. Так, в возрасте 7 суток предел прочности при сжатии цементов с добавкой керамических отходов на (6-12) % выше прочности контрольного бездобавочного цемента (состав ПЦ-Д0). Такие же закономерности набора прочности добавочных цементов, содержащих керамические отходы, отмечены к 28 суткам твердения. При этом наибольшую активность (42,8 МРа) показал цемент, содержащий 10 % керамического боя. Модифицирующее действие боя керамических плиток в составе вяжущих композиций проявляется за счет пуццоланического эффекта путем связывания гидратной извести (портландита) и микронаполнения гидратной структуры и увеличении плотности формирующегося цементного камня.

Результаты физико-механических испытаний показали, что цементы, содержащие от 5 до 20 % керамических отходов, в 28 суточном возрасте нормального твердения имеют прочность при сжатии в пределах (41,9-42,8) МРа, что выше прочности бездобавочного цемента и, согласно требованиям ГОСТ 10178- 85, соответствует цементу марки 400.

Заключение

Обожженные отходы керамического производства представляют собой смесь боя бывших в употреблении обожженных керамических плиток и затвердевшего цементного раствора, состав которых представлен безводными алюмосиликатами с высоким содержанием оксидов алюминия (23,89%) и кремния (64,85%). Значение критерия Стьюдента, характеризующее гидравлическую активность керамического боя, составляет t=21,21, что соответствует требованиям ГОСТ 25094 на активные минеральные добавки и следовательно - требованиям O'z DSt 901-98 «Добавки для цементов. Активные минеральные добавки и добавки-наполнители. Технические условия» п. 4.2. Добавка керамических отходов, введенная в количестве (5-20) %, оказывает ускоряющее влияние на процесс твердения цементов в начальные сроки твердения (до 7 суток) и их прочность через 28 суток твердения в нормальных условиях составляет (41,5-42,8) МРа при сжатии, что обеспечивает марку цемента ПЦ 400-Д20 по ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия».

 

Список литературы:
1. Брыков А.С. Метакаолин // Цемент и его применение. 2012г. № 4. 36-40 с.
2. Джамалов Ш.О., Искандарова М.И., Сиражиддинов Н.А. Высокопрочные белые портландцементы с компо-зиционными добавками на сульфоалюминатной основе //ДАН УзССР. 1985 г. № 1. 34-35 с.
3. Искандарова М.И., Джамалов Ш.О., Сиражиддинов Н.А., Атакузиев Т.А.
1. Химия и технология высокопрочных белых цементов на базе промышленных отходов // Узб. хим. ж. 1984 г. № 5. 62-67 с.
4. Искандарова М.И., Джамалов Ш.О., Атакузиев Т.А. Влияние комплексных добавок сульфоалюминатного твердения на процесс структурообразования белого портландцемента // Тр. НИИЦемента «Использование пром. отходов и техногенных продуктов при производстве цемента». Вып. 89. –М. 1986г. 39-56 с.
5. Краснобаева С.А., Брыков А.С., Стафеева З.В. Свойства материалов на основе портландцемента с добав-кой метакаолина МКЖЛ // Цемент и его применение. –Санкт-Петербург, 2012 г. № 4. 50-55 с
6. Badogiannis E., Kakali G., Dimopoulou G. et al. Metakaolin as a main cement constituent. Exploitation of poor Greek kaolins // Cement and Concrete Composites. 2005y. Vol. 27. 197-203 p.
7. Janotka I., Puertas |F., Palacios M. et al. Metakaolin sand-blended-cement pastes: rheology, hydration process and mechanical properties // Construction and Buildings Materials. 2010y. Vol. 24. 791-802 p.
8. Lagier F., Kurtis K.E. Influence of Portland cement composition on early age reactions with metakaolin // Cement and Concrete Res. 2007y. Vol. 37. 1411-1417 p.
9. Mendes A., Gates W.P., Sanjayan J.G., Collins F. NMR, XRD, IR and synchrotron NEXAFS spectroscopic studies of OPC and OPC/slag cement paste hydrates // Materials and Structures. 2011y. Vol. 44. № 10. 1773-1791 p.
10. Ramachandran V.S. Handbook of analytical techniques in concrete science and technology. Norwich, NY [etc]: William Andrew Publishing, 2001y. -990 p.
11. Siddique R., Khan M.I. Supplementary cementing materials //Springer, 2011y. - 287 p.
12. Siddique R., Klaus J. Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete // Applied Clay Sci. 2009y. Vol. 43, № 3 4. 392-400 p.

 

Информация об авторах:

Батыров Бурхан Бабирович Burhan Botirov

базовый докторант Институт общей и неорганической химии Академии и наук Республики Узбекистан, Научно-исследовательская лаборатория и испытательный центр <<СТРОМ>>, 100170, Узбекистан, г. Ташкент, Мирзо Улугбекский район, ул. Мирзо Улугбека, 77а

basic doctoral student of the scientific-research and test center “STROM” Institute of General and Inorganic chemistry of Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, 100170, Uzbekistan, Mirzo Ulugbek street, 77a


Бегжанова Г.Б.
Бегжанова Гулрух Бахтияровна Gulruh Begzhanova

канд. техн. наук, старший научный сотрудник, Институт общей неорганической химии академии наук Республики Узбекистан Научно исследовательский и испытательный центр «СТРОМ», 100170, Узбекистан, г. Ташкент, улица Мирзо Улугбека 77а

candidate of Technical Sciences, senior scientific research, head of the scientific-research and test center “Strom” Institute of General and inorganic chemistry of Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, 100170, Uzbekistan, Mirzo Ulugbek street, 77а


Искандарова Мастура Mastura Iskandarova

д-р техн. наук, профессор, член корреспондент Российской академии естественных наук Институт общей неорганической химии академии наук Республики Узбекистан Научно исследовательский и испытательный центр «СТРОМ», 100170, Узбекистан, г. Ташкент, улица Мирзо Улугбека 77а

doctor of technical Sciences, Professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Natural Sciences head of the scientific-research and test center “Strom” Institute of General and inorganic chemistry of Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, 100170, Uzbekistan, Mirzo Ulugbek street, 77а


Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5122

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013

ПИ №ФС77-66236 от 01.07.2016

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в: 

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

 

OpenAirediscovery

CiteFactor

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2019
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.