Влияние активной минеральной добавки – термообработанного туффита на свойства силикатного кирпича

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты исследования нормального сцепления поверхности силикатных образцов с добавками термообработанного туффита с кладочным раствором. Показано, что обжиг природного туффита при температуре 600°С, в течение 2 часов позволяет повысить содержание активных SiO₂ и Al₂O₃ в туффите.

Установлено, что остаточная гидравлическая активность автоклавированных силикатных образцов с добавками термообработанного туффита обуславливает химическое взаимодействие их поверхности к кладочному раствору в процессе твердения.

Максимальное нормальное сцепление силикатных образцов, содержащих 20% термообработаного туффита с цементно-известково-песчаным раствором в 28 суточном возрасте равнялось 0,23 Мпа.

ABSTRACT

The paper presents the results of a study of the normal adhesion of the surface of silicate samples with the addition of heat-treated tuffite with masonry mortar. It was shown that firing of tuffites at a temperature of 600 ° C for 2 hours makes it possible to increase the content of active SiO₂ and Al₂O₃ in tuffite.

It is established that the residual hydraulic activity of autoclaved silicate samples with the addition of heat-treated tuffite causes the chemical interaction of their surface with the masonry mortar during hardening.

The maximum normal adhesion of silicate samples containing 20% ​​heat-treated tuffite with cement-lime-sand mortar at 28 days of age was 0,23 MPa.

Ключевые слова: гидравлически активная добавка, туффит, термообработка, сцепляемость, прочность, силикатный кирпич.

Keywords: hydraulically active additive, tuffit, heat treatment, adhesiveness, strength, silicate brick.

Туффит - природный дисперсный кремнезём, характеризующийся высокой прочностью при высокой пористости, неразмокаемостью в воде, устойчивостью к действию кислот и щелочей. Уникальные свойства этого природного аморфного кремнезёмсодержащего материала позволяют предположить возможность применения его в качестве активной гидравлической добавки для получения прессованных силикатных материалов автоклавного твердения с высокой адгезией к кладочным растворам, низкой теплопроводностью и плотностью.

Туффитовая порода Керменинского месторождения применявшегося в качестве гидравлически активной добавки распложен в 15 км к юго-западу от станции Кермени.

Химический состав туффита Керменинского месторождения состоит в основном из SiO₂ - 54,73%, и в значительном количестве в его составе содержатся Al₂O₃ -10,04% и CaO - 9,95%. Результаты химического анализа показали, что состав туффитовой породы характеризуется высоким содержанием карбонатов кальция и наличием значительного количества глинистой составляющей. Поэтому силикатные смеси с естественной туффитовой породой, вследствие содержания монтмориллонита в породе, характеризующегося высокой водопотребностью, вязки при формовке, плохо поддаются уплотнению при формовании. Все это ставит под сомнение целесообразность использования туффитовой породы в естественном виде в качестве активной минеральной добавки в производстве силикатного кирпича.

С целью устранения влияния глинистых примесей присутствующих в туффите и для установления оптимальной температуры обжига исследуемая добавка подвергалась термической обработке при температурах 500, 600, 700 и 900 °С. Обжиг туффитовой породы осуществляли в лабораторной муфельной печи и выдерживали в исследуемых температурах в течение 2 часов. Перед обжигом туффит подвергался дроблению в щековой дробилке до полного прохождения через сито № 0315.

Фазовые изменения, происходящие при обжиге туффитовых пород при температурах 500, 600, 700 и 900 °С, определяли сравнением рентгенограмм туффитов (рис.1).

Рисунок 1. Рентгенограммы туффитовых пород:

1-исходной туффит; 2-обожженный туффит при 500 °С; 3-обожженный туффит при 600 °С; 4-обожженный туффит при 700 °С; 5-обожженный туффит при 900 °С

На рентгенограмме исходного туффита четко фиксируется наличие кварца (d/n = 0,181; 0,199; 0,228; 0,333; 0,424 нм), кальцита (d/n = 0,187; 0,249; 0,302; 0,384 нм), полевых шпатов (d/n = 0,190; 0,295; 0,395 нм) гидрослюд (d/n =0,256; 0,298; 0,323 нм), каолинита (d/n = 0,278; 0,397; 0,409; 0,446; 0,766 нм) и монтмориллонита (d/n = 0,245; 0,98 нм) (рис.1.1).

Анализ рентгенограмм туффитов подтверждает устойчивость структуры туффита при 500 °С, и что нагрев туффита при 500 °С не приводит к потере пластических свойств и снижению водопотребности туффита (рис.1. 2).

На рентгенограмме образца, обожженного при 600 °С (рис.1.3), интенсивность рефлексов значительно уменьшилась по сравнению с исходным и обожженным при 500 ^оС туффитом. Сравнением результатов анализа рентгенограмм исходного и термообработанных при 500, 600 ^оС  туффитов отмечено, что на рентгенограмме у обожженного при 600 ^оС туффита степень аморфизации каолинита и монтмориллонита определяется по уменьшению их максимальных отражений. Это говорит о том, что при термической обработке туффита при 600 ^оС обезвоживается химически малоактивный каолинит (Al₂O₃∙2SiO₂∙2Н₂О) и переходит в активный каолинитовый ангидрид — метакаолинит Al₂O₃∙2SiO₂, аморфизированный в результате удаления гидратной воды, обладающий значительной активностью при взаимодействии с гидратом окиси кальция и водой, при этом уменьшается водопотребность добавки [1]. Этому способствует также аморфизация монтмориллонита. На рентгенограммах обожженного туффита при 600 °С интенсивность рефлексов кварца усиливается (d/n = 0,181; 0,199; 0,228; 0,333, 0,424 нм). Термическая обработка туффитовой породы при температуре 600 ^оС приводит к повышению активности глинистых компонентов, содержащихся в добавке, за счет образования активной аморфной фазы в результате разрушения структуры каолинита и монтмориллонита [2].

Как ранее отмечалось, изучаемые туффитовые породы, кроме глинистых минералов, содержат значительное количество карбоната кальция. В результате рентгеновского анализа обжиг туффитовой породы при температуре 600 °С не приводит к разложению СаСО₃ (рис.1.3), тогда как при обжиге туффита при 700 °С интенсивность линий СаСО₃ (d/n = 0,187; 0,249; 0,3029; 0,384 нм) падает, а при 900°С, они исчезают (рис.1. 4-5). Обжиг при высоких температурах (700-900°С) приводит к снижению активности породы за счёт связывания активных SiO₂ и Al₂O₃ известью, образующейся при разложения СаСО₃ содержащейся в породе.

В данном случае представляет интерес обжиг туффитов при 600°С, дегидратация глинистых минералов при этой температуре, в основном заканчивается, а процесс взаимодействия извести с активными компонентами породы протекает слабо.

Таким образом, у туффита рентгеновским анализом обнаруживаются изменения кристаллических фаз в процессе обжига, а следовательно, имеют место структурные изменения.

Активность минеральной добавки до и после термообработки определяли методом поглощения извести из известкового раствора [3], а содержание активных SiO₂ и Al₂O₃ в природном и термообработанном туффите определяли по O’z DSt 901-98 [4].

Результаты исследования приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Активность туффитовой породы в естественном состоянии и термообработанном при 600 °С

Из табл. 1 видно, что по содержанию активных SiO₂ и Al₂O₃, термообработанные туффиты значително отличаются от породы в естественном состоянии. Активность по поглощению извести из раствора у термообработанных образцов возросла, набухаемость их повысилась. Данный эффект обусловлен наличием в составе туффита аморфного кремнезема и глинозёма, и предположительно повышающейся активности за счет разложения природных гидратов, и удаления воды, связанной с кремнеземом и глинозёмом в макро- и микрокапиллярах, осуществляемой при температуре 600 ^оС. В прямой зависимости от содержания растворимого кремнезема находится активность образцов по поглощению оксида кальция.

Остаточная гидравлическая активность автоклавированных силикатных образцов с добавками термообработанного туффита обуславливает химическое взаимодействие их поверхности к кладочному раствору в процессе твердения, так же как и с взаимодействием обычных активных добавок с клинкерными минералами [5].

Для определения остаточной активности автоклавированные образцы с исходными и термообработанными туффитовыми добавками (по режиму 2+8+2 при давлении пара 0,8 МПа) измельчались до остатка 10% на сите № 008. Затем определяли поглощению измельченной пробой извести из раствора и содержание активных SiO₂ и Al₂O₃ по O’z DSt 901-98. Результаты исследований представлены в табл.2.

Полученные данные исследований свидетельствуют о том, что автоклавированные силикатные образцы с добавками исходного и термообработанного туффита обладают определенной остаточной гидравлической активностью и даже в том случае, когда количество добавки равно 10%.

При введении термообработанного туффита количество оксида кальция, поглощенной из насыщенного раствора 1 г материала, в несколько раз больше, чем у образцов содержащий исходной туффит и без добавочными. Повышение содержание термообработанного туффита увеличивает поглощение СаО и высокая активность (по поглощенной извести) свойственна образцам, содержащим 40% термообработанного туффита. Так и расчетное содержание остаточной активности SiO₂ пропорционально количеству введенного в шихту термообработанного туффита.

Таблица 2.

Остаточная активность автоклавированных образцов с добавками исходного и термообработанного туффита

Объем осадка в насыщенном известью растворе при увеличение содержании термообработанного туффита, также увеличивается в большей степени, чем для образцов с добавкой исходного туффита.

Остаточная гидравлическая активность автоклавированных образцов с добавкой термообработанного туффита обуславливается не только повышенным содержанием активного кремнезема, но и заметным содержанием активного Al₂O₃ (от 1,8% до 5,3%).

Определенный интерес представляет изучение нормального сцепления поверхности силикатных образцов с добавками термообработанного туффита с кладочным раствором, как конкретного следствия химического взаимодействия.

Для испытания на нормальное сцепление образцы размером 4х4х16 мм, склеивали цементным раствором марки 50 на крест. Применяли цементно-известково-песчаный раствор (1:0,7:6) из портландцемента М-400, гашеной извести (СаО_акт. 90%) и речного песка с модулем крупности (М_кр 1,24). Водотвердое отношение в растворе равно 0,27. Приготовление кладочного раствора осуществляли в соответствии с ГОСТ. После склеивания силикатные образцы в течение 7 и 28 суток, 3, 6, 12, 24 месяцев хранили в воздушно-сухих условиях (температура 20 ^оС, относительная влажность 85%) и затем испытывали на нормальное сцепление. Через определенное время твердения производили отрыв одного образца от другого силой, нормальной к плоскости шва. Прочность сцепления силикатного кирпича на отрыв с кладочным раствором определяли согласно КМК 2.01.03-96.

В рис. 2 приведены расчетные значения нормального сцепления автоклавированных силикатных образцов с добавкой термообработанного туффита.

Рисунок 2. Нормальное сцепление силикатных образцов с кладочным раствором

Из диаграммы видно, что нормальное сцепление 1 см² поверхности силикатных материалов с добавкой термообработаного туффита, обладающих остаточной гидравлической активностью, намного выше, чем силикатного образца без добавки. Полученные показатели нормального сцепления образцов не прямо пропорциональны содержанию добавки термообработаного туффита в исследуемых образцах. Напротив, при повышении во всех случаях содержания добавки термообработаного туффита до 40% нормальное сцепление образцов с кладочным раствором незначительно снижалось.

Таким образом, установлено что, максимальное нормальное сцепление силикатных образцов, содержащих 20% термообработаного туффита с цементно-известково-песчаным раствором марки 50 в 28 суточном возрасте равнялось 0,23 МПа, что удовлетворяет требованиям КМК 2-01-03-96 и отвечает кладке первой категории для строительства в сейсмических районах.

Нормальное сцепление образцов без добавки составила 0,08 МПа, что не отвечает требованиям КМК 2-01-03-96 для строительства в сейсмических районах.

Образцы с добавкой исходного туффита остаточная активность которых, меньше по количеству кремнезема и глинозема чем с образцами содержащий термобработанный туффит, имеют (от 0,11 до 0,13 МПа) в 28 суточном возрасте еще не достаточное сцепление с раствором для первой категории кладки R_н.с=0,18 МПа.

Новообразования, обуславливающими сцепление при взаимодействии извести с образцами термообработанного туффита, являются в основном гидросиликатами кальция, дальнейшая кристаллизация их и упрочнение в системе содержащей дополнительно активный метакаолинит происходит гораздо быстрее, чем в системе, содержащий активной кремнезем-известь-вода [6].

Приведенные экспериментальные данные показывают, что силикатный кирпич с активной добавкой термообработанного туффита, содержащий активный кремнезем и метакаолинит, прочно связывает гидроксид кальция кладочного раствора, при этом образуются кристаллические сростки новообразований на поверхности кирпича, повышающие адгезию к кладочным растворам. В процессе связывания извести, наряду с кремнеземом, принимает участие и активный метакаолинит, образовавщийся при обжиге туффита, причем скорость последнего процесса, по вероятности даже больше, чем первого.

Список литературы:
1. В.М. Коновалов, Д.М. Гликин, С.С. Соломатова. Использование аргиллитов в производстве смешанных цементов // Современные проблемы науки и образования. – 2015, – №2 (часть 2). – С 34-40.
2. М.Л. Павлов, Р.А. Басимова, О.С. Травкина, А.К. Рамадан, А.А. Имашева. Совершенствование способов синтеза порошкообразного цеолита типа морденит // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. – 2012, – № 2, – С. 1-12.
3. Бутт Ю.М. Практикум по технологии вяжущих веществ / – М.: Высшая школа, 1983. - 504 с.
4. O’z DSt 901-98. Добавка для цементов. Активные минеральные добавки и добавки-наполнители. Технические условия.
5. А.А. Таиров, Б.Н. Нудельман. Улучшение сцепления силикатного кирпича с раствором // Строительные материалы. – 1969. – № 9. – С. 27-31.
6. Джандуллаева М.С., Атакузиев Т.А. Возможность использования термообработанного туффита в качестве гидравлически активной добавки при производстве силикатных изделий // Химическая промышленность. - Санкт-Петербург, 2017. т. 94. - №1. - С. 27-30.