Исследование гидравлической активности добавок для цемента природного и техногенного происхождения

АННОТАЦИЯ

В статье излагаются результаты определения гидравлической активности некоторых природных и техногенных сырьевых материалов с целью определения возможности их использования в качествеактивной минеральной добавки для цемента. Установлено, что золошлаковая смесь сухого удаления Ангренской ТЭС характеризуется высокой степенью поглощения Са(ОН)₂, чем золошлакгидроудаления, а поглощающая способность апобазальт-ортосланца – ниже, чем у него. На основе полученных результатов рекомендованы к использованию новые виды местных гидравлических добавок, обеспечивающих частичную замену дорогостоящего портландцементного клинкера и улучшающих эксплуатационные свойства портландцементов.

ABSTRACT

The article presents the results of determining the hydraulic activity of some natural and technogenic raw materials in order to determine the possibility of their use as an active mineral additive for cement. It was found that the ash-and-slag mixture of dry removal of Angren TPP is characterized by a high degree of absorption of Ca (OH) 2 than the ash-and-slag from hydro removal, and the absorbing capacity of apobasalt-orthos-shale is lower than that of it. Based on the results obtained, new types of local hydraulic additives were recommended for use, providing a partial replacement for expensive Portland cement clinker and improving the performance of Portland cements.

Ключевые слова: гидравлические добавки, набухание, портландцемент, клинкер, известь, активированный золошлак сухого удаления, золошлак гидроудаления, апобазальт-ортосланец, гидроокись алюминия, гидроокиси железа, гидросиликат кальция.

Keywords: hydraulic additive, swelling, Portland cement, clinker, lime, activated dry ash and slag, hydro removal ash, apobasalt-orthosalt, aluminum hydroxide, iron hydroxide, calcium hydrosilicate.

Как известно, из целого ряда опытов наблюдений оценки активности кислых гидравлических добавок по степени набу­хания и по их способности поглощать из­весть из ее водного раствора, нередко приво­дили к некоторым расхождениям: более сильно набухающие добавки оказываются менее активными по поглощению извести и, наоборот. Точно так же для отдельных гидравлических добавок наблюдается раз­личие и в самом характере их набухания. Как известно, продолжение набухания гидравлических добавок в течение 2—2,5 мес. характерно тем, что в эти сроки обнаруживается снижение объема для трепела и более интенсивное набухание для вулканических пород.

Причины же различного поведения гид­равлических добавок, как в отношении сте­пени набухания, так и в отношении изме­рения их характера набухания при более продолжительных сроках поглощения изве­сти остаются пока недостаточно выяснен­ными. Между тем, знание этих свойств, является необходимым не только для оценки их, но и для объяснения отдельных свойств пуццолановых цементов, таких как, водоустойчиво­сть, коррозионная стойкость, усадка и др., так как эти их свойства зависят не только от активности вводимых гидравлических добавок, но и от их характера и степени набухания.

Исходя из этого были проведены исследования с целью выяснения причины указанных выше рас­хождений в характере и степени набуха­ния отдельных гидравлических добавок.

В качестве объектов исследования были выбраны золошлаки сухого и гидроудаления Ангренский ТЭС, апобазальт-ортосланец Карманинского Тиллятагского месторождения. Химические составы компонентов определены по ГОСТ 5382 (табл. 1).

Таблица 1.

Химический состав исходных материалов

Методика проведения эксперимента заключается в следующем. 2 г добавки (навеска добавки высушена при 105 110 °С и измельчена в агатовой ступке до прохождения через сито № 008) [1,3].

Активность исследуемых добавок по поглощению извести вы­ражена количеством мг СаО, поглощенной 1г добавки за 30 суток времени. Для более полной характери­стики активности этих добавок одновре­менно изучали максимальную величину степени набухания, наблюдаемую за время про­ведения этих опытов (30 суток), для чего приготовлены их пробы массой 2 г [1-4].

Для выяснения характера изменения сте­пени набухания гидравлических добавок в зависимости от времени поглощения из­вести был использован метод поглощения, описанный в методике по исследованию кислых гидравлических добавок[1-3].Опыты проводились в градуированных стеклянных цилиндрах емкостью в 100 см³ с притертыми пробками. Проведение опы­тов заключалось в следующем: предвари­тельно в цилиндр помещалась взвешенная на аналитических весах навеска добавки в количестве 0,5 г, после чего навеска в цилиндре заливалась раствором гидрата окиси кальция; содержимое цилиндров подвергалось ручному интенсивному взбалтыванию в течение 1 мин, и затем, полученная суспензия оставлялась в покое до следующего дня, после чего производилось повторное взбалтывание.

Через каждые двое суток от начала опы­тов в цилиндрах отмечался объем осадка добавки, затем из цилиндров отбиралось пипеткой 50 см³ раствора и титровалось раствором соляной кислоты в присутствии метилоранжа. После этого цилиндры доливались свежими растворами Са(ОН)₂ в ко­личестве 50 см³, взбалтывались и опять оставлялись для отстаивания.

Количество поглощенной извести добавкой вычислялось по разности между первоначальной концентрацией залитого в цилиндр раствора Са(ОН)₂ и определенной через двое суток путем титрования раствором соляной кислоты. Для проведения исследований использовали раствор гидрата оксида кальция, содержащий 1,1 г в пересчете на СаО в 1 л.

По данным табл.2, отдельные добавки, более силь­но набухающие, оказываются менее актив­ными по поглощению извести, что согласуется с ранее известными данными о расхождениях между гидравлической активности и поглощающей способности кислых гидравлических добавок. По показателям как гидравлической активности, так и степени набухания в растворе извести, исследованные добавки располагаются в следующем убывающем ряду: золошлак сухого удаления → золошлак гидроудаления → апобазальт-ортосланец.

Таблица 2.

Активность гидравлических добавок

Следовательно, характер и величина набухания гидравлических добавок в растворе гидрата окиси кальция должна зависеть от количества и скорости образования геля гидросиликата кальция, что свою очередь зависит от концентрации раствора Са(ОН)₂ и от степени активности гидравлических добавок, т. е. от содержания в них «активной» кремнекислоты.

Однако, поскольку для отдельных гидравлических добавок наблюдается различная степень набухания, независимая от их активности по поглощению извести, то, следовательно, на степень их набухания оказывают влияние и другие факторы, как, например, присутствующие в добавках отдельные минеральные примеси, связанные с условиями естественного и искусственного образования добавок.

При воздействии на золошлак сухого удаления гидрата оксида кальция, последний фактор, вероятно, оказывает такое же влияние на его степень набухания, как и свободный гидрат оксида алюминия на набухание аморфной кремнекислоты в растворе гидрата оксида кальция,  т. е., очевидно, и в этом случае образуются гидроалюминаты кальция, обладающие весьма высокой степенью набухания.

Следовательно, в соответствии с этим, различная степень набухания гидравлических добавок должна оказывать и различное влияние на свойства пуццолановых цементов с их использованием. Действительно, из литературных источников, например, о водоустойчивости и сопротивлении воздействию коррозии пуццолановых портландцементов, известно, что в большинстве случаев большей водоустойчивостью и сопротивлением коррозии обладают пуццолановые цементы, приготовленные с добавкой сиштоффа. Например, отход нефелинового производства сиштоф, вследствие большого содержания в нем аморфного кремнезема с очень развитой удельной поверхностью, обладает высокой химической активностью, он поглощает 350-410 мг СаО из известкового раствора и может использоваться как эффективная гидравлическая добавка при получении различных строительных материалов [5,6]. Этому способствует не только большая активность сиштофа по поглощению извести, но, несомненно, и то, что сиштоф, обладая большей степенью набухания, создает повышенную плотность цемента по сравнению с другими добавками и этим самым делает цемент (а также и цементный раствор) менее водопроницаемым. Это дает основание предполагать, что путем специального подбора гидравлических добавок или же путем соответствующего изменения степени их набухания можно значительно улучшить свойства пуццолановых цементов.

Выводы

На основе проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Степень набухания гидравлических добавок определяется двумя основными факторами: количеством и скоростью образования геля гидросиликата кальция, а также, присутствием в добавках примесей гидроксида алюминия или его образующих солей (возможно, также и гидроксида железа). Преобладающее значение того или иного фактора определяется физико-химическими условиями образования этих добавок.

2. Набухание гидравлических добавок, независимо от их активности, протекает с образованием максимума, по достижении которого происходит уменьшение объема осадка добавки, связанного со старением и уплотнением образовавшегося геля гидросиликата кальция. Скорость достижения максимума набухания гидравлической добавки в растворе гидрата оксида кальция зависит от ее активности, а именно, чем активнее добавка, тем быстрее наблюдается снижение ее объема и наоборот.

Список литературы:

1. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. – М.:Высшая школа, 1973. - 268 с.
2. Ботвинкин О.К., Клюковский Г.И., Мануйлов Л.А. Лабораторный практикум. По общей технологии силикатов и техническому анализу строительных материалов. 1966. – 99 с.
3. Отакузиев Т.А., Отакузиев Э.Т., Махмаёров И.Н. Боғловчи моддалар кимёвий технологиясига оид лаборатория ишлари. Ўқув-қўлланма.- 2011.-113 с.
4. Кузнецова И.Н., Ращупкина М.А., Косач А.Ф., Гутарева Н.А. «Гидравлические Вяжущие Вещества». Учебное пособие. – Омск: СибАДИ, 2012. - 53с.
5. Матвеев В.А., Майоров Д.В., Захаров К.В. Об использовании аморфного кремнезема – продукта кислотной переработки нефелина в производстве строительных и технических материалов // Материалы Второй международной научной конференции «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов». – Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. - С. 119-121.
6. Балбукова А.А., Захаров В.И., Князева А.И., Кондратенко Т.В., Майоров Д.В., Матвеев В.А. Исследование влияния условий кислотной переработки нефелина на структурно-поверхностные свойства образующихся кремнеземных продуктов // Журнал прикладной химии-. 2012.- Т. 85, № 11. - С. 1729-1735.