УДК 658.567, 691.59
Худякова Л.И., Войлошников О.В., Нархинова Б.Л.
Байкальский институт природопользования СО РАН
Применение местного минерального сырья и техногенных отходов является важным направлением в разработке ресурсосберегающих технологий производства строительных материалов. Производство цемента – одно из энергоемких. Поэтому необходимо разрабатывать те технологии, которые приведут к сокращению потребления электроэнергии. Одно из направлений в решении данной проблемы – применение минеральных добавок из местного сырья на стадии помола.
Целью работы явилось исследование возможностей использования дунитов при производстве портландцемента. Дуниты представляют собой ультраосновную горную породу, на 80-97% состоящую из идиоморфных кристаллов оливина [1]. Для них не характерны гидроксил- и щелочесодержащие минералы. Химический состав данных пород представлен в таблице 1.
В качестве сырьевых материалов использовались портландцементный клинкер марки М400 Тимлюйского цементного завода, гипс карьера Нукутский и дунит Йоко-Довыренского массива.
При изучении физико-химических взаимодействий дунита с портландцементом использован комплексный метод, включающий в себя химический, рентгеноструктурный анализы. При этом определялись следующие характеристики вяжущего вещества: фазовый состав, активность процессов гидратации и твердения в нормально-влажностных условиях.
В работе использовался стержневой вибрационный измельчитель типа 75Т-Др-М с ударно-сдвиговым характером нагружения. Навеска обрабатываемых смесей 500 г. Химический анализ выполнен на фотоколориметре КФК-2МП и атомно-абсорбционном спектрофотометре SOLAAR M. Рентгенофазовый анализ выполнен на дифрактометре ДРОН-УМ1 с использованием CuKα – излучение, Ni – фильтром со скоростью угломера 2о в минуту в интервале от 4 до 30о. Режим съемки рентгенограмм оставался для всех проб постоянным. Идентификация новообразований осуществлялась по известным методикам и справочным данным. Измерение основных показателей вяжущего выполнялось в соответствии с ГОСТ 310 «Цементы. Методы испытаний».
Задача исследований заключалась в установлении оптимального состава вяжущей композиции, выбора условий механоактивации сырьевых материалов и изучении механизма взаимодействия дунита с минералами портландцементного клинкера.
Первоначально были проведены исследования по выбору условий механоактивации сырьевых материалов. Для этого дунит соединяли с портландцементным клинкером, добавляли 3% гипса от массы смеси и измельчали в стержневом вибрационном измельчителе в течение различного времени. Известно, что существенное влияние на кинетику гидратации оказывает размер частиц цемента. Чем он меньше, тем больше площадь поверхности кристаллов и тем выше скорость реакции гидратации. Необходимо было установить оптимальное время измельчения сырьевой смеси, при которой физико-механические показатели вяжущих систем будут наилучшими. Полученные результаты представлены на рисунке 1.
Как видно из графической зависимости, оптимальным является время измельчения смеси 10 минут. При этом максимальная прочность образцов составляет 54,5 МПа. С увеличением времени активации предел прочности при сжатии образцов снижается. Это объясняется появлением сверхтонких фракций, которые снижают прочностные характеристики материала. К тому же увеличение продолжительности помола приводит к перерасходу электроэнергии к увеличению содержания примесей железа в вяжущем, что связано с износом мелющих тел и футеровки мельницы.
Для выбора оптимального содержания минеральной добавки — дунита были получены композиционные вяжущие материалы. Дунит соединяли с портландцементным клинкером в разных соотношениях. Содержание добавки в смеси составляло от 20 до 40%. Затем добавляли 3% гипса и измельчали в течение 10 минут. Затем затворяли водой при водотвердом соотношении 0,3. Из теста нормальной густоты формовали образцы-кубы размером 2х2х2 см. Образцы хранили в нормально-влажностных условиях в течение 7 и 28 суток, затем испытывали на сжатие. Прочностные показатели композиционных вяжущих материалов представлены в таблице 2.
Анализ полученных данных показывает, что прочность вяжущих зависит от количества магнийсиликатной добавки. Наибольшую механическую прочность имеют образцы, содержащие в композиции 30% дунита и 70% портландцементного клинкера.
При изучении физико-химических взаимодействий в данной системе был выполнен рентгенофазовый анализ (рис. 2.).
Из рисунка видно, что на рентгенограмме портландцемента преобладают линии двухкальциевых гидросиликатов (3,86; 3,01; 2,52; 1,76), трехкальциевого алюмината (2,78; 2,74; 2,61; 2,45; 2,18; 1,77), двухкальциевого силиката, алита и портландита (4,92; 2,63; 1,92).
На рентгенограмме цементного камня на основе дунита отмечены линии двухкальциевых гидросиликатов (3,05; 2,61; 2,19; 1,76), портландита (4,93; 1,93), минералов группы серпентина (3,52; 3,20), рефлексы минералов дунита – оливина (2,79; 2,51; 2,47), форстерита (3,92). Кроме того, отмечены реплики малой интенсивности непрореагировавших белита и эттрингита.
Таким образом, по результатам рентгенофазового анализа продуктами гидратации композиции с добавкой дунита являются гидросиликаты кальция и серпентинизированные магниевые силикаты. Твердение вяжущего протекает за счет накопления геля CaO.SiO2.H2O, имеющего меньшую основность, чем в бездобавочных составах, который затем переходит в CaO.SiO2.H2O(1).
Общее количество SiO2, входящее в состав новообразований с добавкой дунита, больше чем у вяжущего без добавки во все сроки твердения. Использование оптимальных количеств добавок позволяет интенсифицировать процесс связывания кристаллов в прочный цементирующий каркас.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что дуниты являются активной минеральной добавкой при производстве портландцемента на стадии помола. При этом оптимальные параметры составляют: время измельчения данной системы — 10 минут, количество добавки в смеси — 30%. Все это улучшает прочностные показатели цемента, снижает его себестоимость за счет использования местных сырьевых ресурсов и сокращения потребления электроэнергии.
Библиографический список
1. Кислов Е.В. Йоко-Довыренский расслоенный массив. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1998.- 268 с.
