ХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА ТРИЭТАНОЛАМИНОМ

АННОТАЦИЯ

В нашем исследовании предприятия по производству ферросиликоновых сплавов добавляют до 10% массы цемента с целью активации отделившегося микрокремнезема триэтаноламином и повышения прочности цемента. Активированный микрокремнезем в щелочной среде снижает расход цемента и приводит к тому, что марка цемента на 15-20% выше, чем у традиционного образца цемента. Прочность полученных образцов на сжатие испытывали на специальном прессе, изучали и сравнивали методами ИК-спектроскопии, CЭМ, элементного анализа и рентгеновской дифрактометрии.

ABSTRACT

In our study, enterprises producing ferrosilicon alloys add up to 10% of the cement mass in order to activate the separated microsilica with triethanolamine and increase the strength of the cement. Activated microsilica in an alkaline environment reduces cement consumption and resuls in a cement grade that is 15-20% higher than that of a traditional cement sample. The compressive strength of the obtained samples was tested on a special press, studied and compared using IR spectroscopy, SEM, elemental analysis and X-ray diffractometry.

Ключевые слова: активированный микрокремнезем, пуццолан, ферросилиций, гидратация, модификация, поликарбоксилат.

Keywords: activated microsilica, pozzolan, ferrosilicon, hydration, modification, polycarboxylate.

Введение. Мы знаем, что в строительной отрасли существует высокий спрос на цемент. Производство цемента является одной из отраслей с высокими издержками производства. Чтобы удовлетворить спрос на цемент без увеличения объемов производства, сегодня считается важным использование различных добавок с пуццолановыми свойствами. Одной из таких добавок является микрокремнезем, а при производстве ферросилициевых сплавов, используемых в производстве стали, пары Si и SiO₂ образуются в результате нагрева кварца при температуре до 2000°С. При этом SiO₂ конденсируется в виде аморфного оксида кремния при низкой температуре [1]. Целью исследование является, что улучшить прочность цемента с добавлением активированного микрокремнезема с триэтаноламином.

Таблица 1.

Химический состав микрокремнезема [3]

Микро кремнезём в основном аморфен и может содержать небольшое количество кристаллов кварца или кристоболита. Поверхностно-активные свойства и аморфная природа микрокремнезема повышают его реакционную способность. Гидратация C₃S, C₂S и C₄AF происходит быстрее в присутствии микрокремнезема. Добавление микрокремнезема в цемент ускоряет гидратацию цемента. Коэффициент насыщения Са(ОН)₂, характеризующий концентрацию ионов Са₂⁺ и ОН^-, в цементе с микрокремнеземом снизился по сравнению с обычным портландцементом. Тепловая энергия, выделяемая в результате гидратации, также выше по сравнению с обычным портландцементом [2,3]. Микрокремнезем реагирует с Ca(OH)₂ и играет важную роль в образовании C-S-H [4,5]. Кроме того, с целью улучшения пуццолановых свойств цемента и снижения расхода цемента местный минерал каолинит подвергают термической активации. При смешивании цемента с кальцинированной глиной его механические свойства зависят от крупности кальцинированной глины и процентного содержания добавки [6,7]. Добавление в обычный портландцемент 10 % микрокремнезема (МК) и 1 % суперпластификатора поликарбоксилата (ПК) положительно влияет на гидратационные и механические свойства цементного теста [8]. При модификации эмульсией полиакрилового эфира (ПАЭ) и микрокремнеземом (МК) с целью улучшения свойств портландцемента уменьшению пористости и увеличению плотности цементной матрицы способствуют пуццолановые свойства микрокремнезема (МК), в то время как потребление воды снижается за счет полимера полиакрилового эфира (ПАЭ) [9]. Кроме того, для повышения прочности цементного композита применяют также 1,5% базальтовые волокна с микрокремнеземом [10].

Экспериментальная часть. Микрокремнезем состоит из мелких частиц кремния аморфной структуры и сферической структуры с пуццолановыми свойствами. Микрокремнезем получают как побочный продукт на предприятиях «Уз Шиндон Силикон» и «Узмет Комбинат», которые в основном производят ферросилиций в нашей стране. При производстве 1 т ферросилиция в качестве побочного продукта выделяется 50-250 кг микрокремнезема. Количество SiO₂ в микрокремнеземе зависит от количества Si в ферросилиции. При содержании ферросилиция до 75% Si количество аморфного SiO₂ в микрокремнеземе достигает 85-95%. Уменьшение количества Si в получаемом ферросилиции приводит к уменьшению аморфного SiO₂ в микрокремнеземе. Для нас не секрет, что микрокремнезем уже много лет используется в качестве добавки к цементу. При этом прочность бетона на цементной основе, модифицированного микрокремнеземом, на 10-15 % выше, чем у обычного бетона на основе портландцемента. В наших исследованиях мы активировали микрокремнезем в присутствии триэтаноламина. Микрокремнезем обрабатывают 1%, 5% и 10% растворами триэтаноламина при температуре 60-70°С. Полученный продукт фильтруют на вакуум-фильтре, сушат при температуре 45°С в течение 24 часов и измельчают. На основании наших экспериментов доказано, что прочность образцов цемента с активированным микрокремнеземом в среднем на 15-20% выше, чем у образцов цемента с неактивированным микрокремнеземом (табл. 2).

Таблица 2.

Прочность образцов цемента на сжатие

Активированный микрокремнезем, полученный на основе наших экспериментов, был проанализирован методом ИК-спектроскопии (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектроскопический анализ микрокремнезема: а) неактивированный микрокремнезем б) активированный микрокремнезем

При обработке микрокремнезема триэтаноламином реакционная способность SiO₂ увеличивается. При ИК-спектроскопическом анализе активированного микрокремнезема видно, что длина волны 800,46-1035,77 см^-1 короче длины волны неактивированного микрокремнезема 804,3-1045,4 см-1. Из литературы известно, что в диапазоне 1100-750 см^-1 ему соответствуют симметричные и асимметричные колебания связей Si-O-Si и Si-O, а также связей Si-O-Al [11].

Рисунок 2. Результаты элементного анализа а) Неактивированный микрокремнезем б) Активированный микрокремнезем

Если обратить внимание на элементный анализ полученных образцов, то можно увидеть, что количество элементов Si и O в обоих образцах практически одинаково. Основное отличие в этом случае заключается в 3,7% углеродном элементе в активированном микрохемнезии на рисунке 2б, что в основном связано с триэтаноламином, используемым для активации микрохемнезия.

Рисунок 3. Результат рентгенодифрактометрического анализа. Активированный микрокремнезем

Мы знаем, что микрокремнезем на 90-92% состоит из аморфного SiO₂. Если мы посмотрим на интенсивные пики рентгеновской дифракции активированного микрокремнезема, то видно, что активированный микрокремнезем также является аморфным веществом. Аморфный SiO₂, образующийся в результате первичной гидратации цемента с Ca(OH)₂, в результате пуццолановой реакции образует кристаллы C-S-H и C-A-H и вызывает повышение прочности цемента. [12].

Выводы. Поскольку микрокремнезем получается как побочный продукт на предприятиях по производству ферросилиция, он считается дешевым отходом. Активация микрокремнезема триэтаноламином обеспечивает щелочную среду микрокремнезема. Это важно для повышения прочности цемента. Добавление микрокремнезема с целью снижения расхода цемента на бетонных заводах повышает прочность бетона и повышает его устойчивость к воздействию кислот, щелочей и холода. По нашему опыту, активация микрокремнезема в щелочной среде повышает прочность и устойчивость бетона к агрессивным средам.

Список литературы:

1. Lewis, R.C. (2018). Silica Fume. In: De Belie, N., Soutsos, M., Gruyaert, E. (eds) Properties of Fresh and Hardened Concrete Containing Supplementary Cementitious Materials. RILEM State-of-the-Art Repors, vol 25. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-70606-1_3
2. Kurdowski, W., Nocun-Wczelik, W.: The tricalcium silicate hydration in the presence of active silica. Cem. Concr. Res. 13(3), 341–348 (1983)
3. Тураев Х.Х., Мукимов А.С., Тожиев П.Дж., Каримов М.У. Физико-химические свойства микрокремнеземного цементного композита. Узбекский химический журнал 2023 выпуск № 4.
4. Uchikawa, H., Uchida, S. Influence of pozzolans on the hydration of C3A. In: Seventh International Congress on the Chemistry of Cement, Paris, pp. IV-23–IV-29 (1980).
5. Grutzeck, M., Atkinson, S., Roy, D.M.: Mechanism of hydration of condensed silica fume in calcium hydroxide solutions. ACI Special Publications SP-79 (2), pp. 643–664 (1983).
6. Sameta B., Mnifb T., Chaabounia M. Use of a kaolinitic clay as a pozzolanic material for cements: Formulation of blended cement Cement and Concrete Composites Volume 29, Issue 10, November 2007, Pages 741-749 https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2007.04.012
7. A.Chakchouka B.Sameta T.MnifbStudy on the potential use of Tunisian clays as pozzolanic material Applied Clay Science Volume 33, Issue 2, July 2006, Pages 79-88 https://doi.org/10.1016/j.clay.2006.03.009
8. M.Heikala M.S.Morsyb I.Aiadc Effect of treatment temperature on the early hydration characteristics of superplasticized silica fume blended cement pastes Cement and Concrete Research Volume 35, Issue 4, April 2005, Pages 680-687 https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2004.06.012
9. J.M.Gaoa C.X.Qiana B.Wanga K.Morinob Experimental study on properties of polymer-modified cement mortars with silica fume Cement and Concrete Research Volume 32, Issue 1, January 2002, Pages 41-45 https://doi.org/10.1016/S0008-8846(01)00626-3
10. Ali Sadrmomtazia Behzad Tahmouresia Ashkan Saradarb Effects of silica fume on mechanical strength and microstructure of basalt fiber reinforced cementitious composites (BFRCC) Construction and Building Materials Volume 162, 20 February 2018, Pages 321-333 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.11.159
11. 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.
12. 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.