ХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА, ЦЕОЛИТА И МЕТАКАОЛИНОВЫХ МИНЕРАЛОВ, И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К ПОРТЛАНДЦЕМЕНТУ

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании минералы микрокремнезем, цеолит и метакаолин были химически активированы в 0,5%, 1%, 3% и 5% растворах триэтаноламина. Полученные активные минералы добавляли в количестве 5%, 10%, 15% и 20% по отношению к массе портландцемента и анализировали результаты. Согласно полученным результатам, прочность образца портландцемента с 10% добавкой активированного микрокремнезема и метакаолина была выше на 43,1% и 19,1% соответственно по сравнению с традиционным образцом портландцемента. Прочность активированного цеолитового минерала была ниже на 3,35% по сравнению с традиционным портландцементом.

ABSTRACT

In the article, the minerals microsilica, zeolite and metakaolin were chemically activated in 0.5%, 1%, 3% and 5% triethanolamine solution. The obtained active minerals were added in amounts of 5%, 10%, 15% and 20% relative to the weight of Portland cement and the results were analyzed. According to the results, the strength of the Portland cement sample with 10% addition of activated silica and methacaolin was 43.1% and 19.1% higher, respectively, compared with the traditional Portland cement sample. The strength of the activated zeolite mineral was 3.35% lower compared to traditional Portland cement.

Ключевые слова: микрокремнезем, триэтаноламин, цеолит, метакаолин, пузалон, гидроалюминат кальция.

Keywords: microsilica; triethanolamine; zeolite; methacaolin; puzalone; calcium hydroaluminate.

Введение. Мы знаем, что помимо большого количества энергии, необходимой для производства цемента, в атмосферу выбрасывается большое количество газа CO₂. Из-за высокого спроса на цемент для снижения расхода цемента используются минеральные добавки, такие как доменный шлак и микрокремнезем. При этом добавление 12% доменного шлака и 10% микрокремнезема в качестве добавки к цементу при водосвязывающем коэффициенте 0,42 вызывает повышение прочности [1]. В качестве сырья на производственных предприятиях эффективно использовать побочные продукты производства или отходы. изучили физико-химические свойства и механизмы реакций, схватывание бетона, пористость, прочность бетона на изгиб и сжатие [2]. Исследования бетонов и паст с микрокремнеземом и без него показывают, что вклад микрокремнезема в прочность также является результатом плотности переходной зоны. Он отметил, что плотность переходной зоны является результатом воздействия микрокремнезема на природу нового бетона [3]. При исследовании механических свойств и хлорид-ионопроницаемости нормального и высокопрочного бетона с добавкой метакаолина прочность за 28 суток образцов нормального и высокопрочного бетона составила 34 и 68 МПа соответственно. Цементы с 8-9% добавкой метакаолина сравнивали с исходными. Свежий бетон проверяли на текучесть, плотность и температуру бетона, а затвердевший бетон проверяли на прочность на сжатие, модуль упругости, модуль разрыва и проницаемость. В ходе испытания проницаемость бетона для хлорид-ионов была низкой, а после добавления метакаолина сообщалось, что проницаемость снизилась [4].

По мнению авторов, цеолит – это природный минерал, содержащий большое количество SiO₂ и Al₂O₃. Он широко используется в качестве дополнительного материала в производстве цемента во многих странах, в том числе в Китае [5]. В этом исследовании группа ученых изучала методы активации микрокремнезема, отхода производства ферросплавов, в щелочных и кислых средах и способы его использования для повышения прочности цемента, особенно для тяжелых бетонных конструкций [6]. В 2010 году группа учёных из Мексики изучила активацию метакаолина и доменного шлака в щелочной среде и статистику повышения прочности бетона в результате [7].

Цель исследований – разработать технологию получения портландцемента, модифицированного микрокремнеземом, цеолитом и метакаолином, и изучить влияние добавок на физико-механические свойства портландцементной смеси.

Методика исследования. В ходе исследования с использованием современных физико-химических методов проанализированы прочностные и физико-механические свойства портландцементных смесей с активными минеральными добавками. В частности, использовались такие методы, как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и проверка прочности на сжатие и изгиб.

Экспериментальная часть

Активацию микрокремнезема (цеолита и метакаолина) в присутствии триэтаноламина проводили в лабораторных условиях. Сначала готовили 0,5%, 1%, 3% и 5% растворы триэтаноламина. К растворам триэтаноламина добавляли 100 г микрокремнезема и нагревали при температуре 60-70°С в течение 3 часов при перемешивании. Затем фильтровали на вакуум-фильтре, полученный активный микрокремнезем сушили при 45°С в течение 1 суток и измельчали.

Результаты и их обсуждение

Активированный микрокремнезем, цеолит и метакаолиновые минералы добавляли в количествах 5, 10, 15 и 20% к массе портландцемента и изучали влияние на прочность портландцемента.

Таблица 1.

Прочность на сжатие (а) и изгиб (б) образцов бетона, полученного на основе цемента с добавлением минеральных добавок, активированных триэтаноламином в разных концентрациях

По результатам активации микрокремнезема в 1% растворе триэтаноламина прочность полученных образцов цемента была выше, чем в растворах других концентраций. При активации цеолитного минерала раствором триэтаноламина, согласно анализу полученных результатов, 3% раствор триэтаноламина дал относительно хорошие результаты. Результаты, полученные при активации минерала метакаолина 3% раствором триэтаноламина, были выше по сравнению с традиционным образцом цемента.

С целью удешевления портландцемента и повышения его прочности мы использовали цеолит и метакаолиновые минералы, полученные на основе микрокремнезема, обладающего пуццолановыми свойствами, и каолина - местного сырья. Микрокремнезем, цеолит и метакаолиновые минералы добавлялись в количестве 5;10;15;20% по отношению к массе цемента. Хороший результат был получен при добавлении минеральных добавок в количестве 10%. Использовался цемент марки СЭМ II/А-I 32,5Н Шерабадского цементного завода.

Таблица 2.

Оптимальное содержание добавок активированного микрокремнезема, цеолита и метакаолина в портландцемент

По полученным результатам установлено, что прочность образца портландцемента с 10% добавкой активированного микрокремнезема на 43,1% выше, чем у традиционного образца портландцемента. Образец портландцемента с 10% активированного метакаолина был на 19,1% прочнее традиционного образца портландцемента. Образец портландцемента с 10% добавкой активированного цеолита имеет на 3,35% меньшую прочность по сравнению с традиционным портландцементом.

Можно  допустить , что прочность цементной матрицы увеличивается за счет того, что кристаллы CSH и сульфоалюмината кальция заполняют пространства между цементной матрицей. Активированный микрокремнезем активно участвует в реакциях гидратации. В целом мелкие частицы микрокремнезема попадают в пространство между зернами цемента и наполнителями и реагируют с Са(ОН)₂, что приводит к уменьшению капиллярных пор цементного камня [8].

Эти доводы нашли свое подтверждение при проведении исследования поверхности образцов портландцемента с применением электронной сканирующей микроскопии. Мелкие частицы обычного образца цемента и образцов цемента с активированным цеолитом заполняют капиллярные пространства между цементом и заполнителями и повышают прочность цементной матрицы. Активированный цеолит повышает коррозионную стойкость железобетона и снижает проницаемость солей хлора. Это приводит лишь к снижению прочности цемента.

Результаты этих экспериментов иллюстрируются рисунками 1 – 3.

Рисунок 1. Результаты СЭМ анализа.

Образец микрокремнеземистого цемента (а, б), образец традиционного цемента (c, д)

Мелкие частицы активированного метакаолина заполняют капиллярные пространства и переходные зоны между цементом и заполнителями и повышают прочность цементной матрицы. При этом активный SiO₂, содержащийся в метакаолине, образует CSH за счет реакции пуцолана с Ca(OH)₂, являющимся основным продуктом вторичной гидратации. Высокое содержание Ca(OH)₂ в цементе приводит к снижению прочности цемента [9-12].

Выводы

В результате проведенных исследований химическая активация минералов микрокремнезема, цеолина и метакаолина триэтаноламином дала эффективные результаты для минералов микрокремнезема и метакаолина.

При химической активации микрокремнезема, цеолита и метакаолина хорошие результаты дали 1% раствор триэтаноламина для микрокремнезема и 3% для цеолита и метакаолина.

Добавление активированного микрокремнезема, цеолита и метакаолина в количестве 10% по отношению к массе портландцемента оказало положительное влияние на увеличение прочности портландцемента.

Список литературы:

1. Khan M.N., Singla., Garg R. and Garg R. Effect of Microsilica on Strength and Microstructure of the GGBS-based Cement composites. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 961 (2020) 012007
2. Rafat Siddique. Utilization of silica fume in concrete: Review of hardened properties Resources, Conservation and Recycling. Volume 55, Issue 11, September 2011, Pages 923-932
3. Wang X.H., Jacobsen S., Lee S.F. et al. Effect of silica fume, steel fiber and ITZ on the strength and fracture behavior of mortar. Mater Struct 43, 125–139 (2010). https://doi.org/10.1617/s11527-009-9475-1
4. Balaguru. P. Properties of Normal- and High-Strength Concrete Containing Metakaolin. International Concrete Abstracts Portal.Volume:199 2001, pages 737-756 DOI:10.14359/10545
5. Poon C.S., Lam L., Kou S. C., Lin Z. S. (1999). A study on the hydration rate of natural zeolite blended cement pastes. Construction and Building Materials, 13(8), pp 427-432. doi:10.1016/s0950-0618(99)00048-3
6. Tkach E., Soloviev V., Temirkanov R., Solovev, D. B. The Study of Cement Concrete with Improved Properties Based on the Use of Astivated Silica Fume. Materials Science Forum, 992, (2020). pages 228–232. doi:10.4028/www.scientific.net/msf.992.228
7. Burciaga O.D., Escalante J.I.G., Arellano R.A., Gorokhovsky A.. Statistical Analysis of Strength Development as a Function of Various Parameters on Activated Metakaolin/Slag Cemens.Journal of the American Ceramic Society. Volume 93, Issue 2, February 2010, Pages 541-547 https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2009.03414.х
8. Papachristoforou M.; Anastasiou E.K.; Papayianni I. Durability of Steel Fiber Reinforced Concrete with Coarse Steel Slag Aggregates Including Performance at Elevated Temperatures. Constr. Build. Mater. 2020, 262, 120569. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120569.
9. Xamzayev N.J., Turayev X.X., Mukimov A.S. “Xandiza” qayta ishlash zavodining flotatsiya chiqindisi qo‘shilgan sementning mexanik xususiyatlarini o‘rganish. Kompozitsion materiallar. Ilmiy-texnikaviy va amaliy jurnali. ISSN: 2091-5527. № 2/2023.
10. Мукимов А.С. Тураев Х.Х. Тоджиев П.Д. Каримов М. Эшмуродов Х.Э. Химическая активация микрокремнезема триэтаноламином // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2023. 12(117). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/16474.
11. Хамзаев Н.Ж., Тураев Х.Х., Эшмуродов Х.Э. Перспективы использования железной руды «Чуянкон» в цементной промышленности // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 9(102). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14232
12. Хамзаев Н.Ж., Тураев Х.Х., Эшмуродов Х.Э. Исследование влияния гранитных добавок на свойства цемента // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 9(102). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14233