ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ОБЖИГА НА СВОЙСТВА ДОЛОМИТОВОГО ЦЕМЕНТА

УДК 691.544:666.941.3

Д.К.Бирюлева,  Н.С.Шелихов, Р.З.Рахимов
Казанская государственная архитектурно-строительная академия

Дефицитность вяжущих веществ в строительной  индустрии Татарстана ставит актуальной задачу вовлечения местного минерального сырья в производство  строительных материалов. Распространенность и значительные запасы карбонатных пород, в том числе доломитов, в РТ позволяют рассматривать их  как один из основных  источников для производства  вяжущих веществ, доломитового цемента в частности.

Основными достоинствами вяжущего являются: высокая механическая прочность при быстром ее нарастании в начальный период  твердения, низкая теплопроводность, высокая прочность сцепления с заполнителями  при изготовлении  бетонов и растворов.

Доломитовый цемент или каустический доломит — это  воздушное вяжущее, получаемое обжигом доломитов при температуре разложения карбонатов магния в двойной соли доломита и, по возможности, получения карбоната кальция в неразложенном состоянии. Состав и свойства обожженных  доломитов в разное время изучались В.Н.Юнгом  [1], А.А.Байковым, А.С.Тумаевым [2], А.М.Кузнецовым [3], Л.Г.Бергом, С.Г.Ганелиной, М.Е.Казариновой [4-6], А.Я. Вайвадом [7] и рядом других исследователей, которые отмечали, что режим термической обработки сырья оказывает большое влияние на свойства вяжущего, при чем это влияние неоднозначно.

Анализ  научно-технической литературы показывает, что при обжиге  природного доломита при получении  доломитового цемента с максимальной прочностью  температура обжига изменяется в пределах 600-800 оС, а длительность термической выдержки от 2  до 6 часов в зависимости от минерального состава сырья, определенного для каждого конкретного месторождения  и гранулометрического состава  доломитового щебня. Конечной целью большинства исследователей  было получение вяжущего с максимальной прочностью. Роль влияния степени разложения   доломита  на  водостойкость  доломитового цемента в литературе не получила отражения. В связи с этим для более полной характеристики вяжущего и для рекомендаций по дальнейшему использованию его в различных изделиях  целью настоящей работы явилась конкретизация данных о влиянии режима обжига на свойства цемента.

Исходным  сырьем служили доломиты Матюшинского месторождения  РТ, химический состав которых представлен в табл. 1.

Химический состав доломитов Матюшинского месторождения

В качестве  затворителя использовался раствор хлористого магния MgCl2.6H2O, плотностью 1,22 г/см3.

Для получения доломитового цемента камень подвергали дроблению, рассеву по фракциям  0-10, 10-20 мм, обжигу при температуре  750 оС и помолу до удельной поверхности  2500 см2/г.

Обжиг доломитового камня в пробе массой 1 кг осуществлялся  в лабораторной муфельной печи  марки МП-2У, предварительно нагретой до заданной температуры . Охлаждение обожженного продукта осуществлялось на воздухе до 20 оС. Помол проводился  в лабораторной вибромельнице . Тонкость помола, нормальную густоту и равномерность изменения объема  доломитового цемента  определяли  в соответствии с ГОСТ 310.1-76 — 310.3-76.

Для изучения основных физико-механических свойств доломитового камня на основе вяжущего из теста нормальной густоты изготавливались образцы-кубики 2х2х2 см.

Образцы хранились в нормальных температурно-влажностных условиях, а по достижении 28 суточного возраста определяли: среднюю плотность , водонасыщение , предел прочности при сжатии, коэффициент размягчения как отношение  прочности при сжатии  водонасыщенных образцов к прочности образцов, высушенных до постоянной массы в возрасте 28 суток. Содержание гидратной воды в составе продуктов  твердении доломитового цемента, характеризующего степень его гидратации, определялось методом прокаливания  в соответствии с ГОСТ 23789-79.

Минеральный состав исходного материала и образцов затвердевшего вяжущего изучался при помощи рентгенографических исследований на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3М, управляемом от ПЭВМ «БК-0010-01».

На основании расшифровки полученных дифракционных картин от образцов обожженных  доломитов  было установлено, что с увеличением продолжительности обжига минеральный состав образцов меняется: происходит уменьшение содержания реликтового доломита и увеличение  содержания его продуктов распада — кальцита и периклаза .

При этом установлена и определенная зависимость структурных особенностей синтезированного периклаза от продолжительности обжига сырья. Увеличение продолжительности обжига  доломитов приводит к  тому, что периклаз, образовавшийся в более раннее время обжига, затем  испытывает перекристаллизацию, которая однозначно фиксируется по увеличению размеров областей его когерентного рассеяния (ОКР) [8], что устанавливается рентгенографически по уменьшению  полуширины его дифракционных максимумов  табл.2.

зависимость структурных особенностей синтезированного периклаза от продолжительности обжига сырья

В ходе экспериментов  по изучению степени гидратационной активности периклаза также установлено, что при одинаковых условиях твердения  доломитовых цементов в растворе бишофита с увеличением размеров ОКР периклаза его реакционная способность падает. Необходимо отметить и тот факт, что при одинаковых режимах обжига доломитов до полной их диссоциации на периклаз и кальцит обжиг более мелкообломочного материала приводит к образованию периклаза с большими размерами ОКР и, следовательно, менее реакционно способного . При этом обжиг крупнообломочного материала приводит к образованию периклаза, отличающегося  наибольшей гетерогенностью: такой периклаз имеет весьма широкий разброс размеров ОКР, то есть в нем  присутствуют кристаллы различной степени реакционной способности.

Оптимальное количество  наиболее реакционно  способного периклаза  наблюдается при обжиге 2,5-3 часа , что также подтверждается содержанием максимального количества новообразований цементного камня, к ним относится кристаллогидрат состава MgCl2х3Мg(ОН)2х8Н2О.

Результаты рентгенографических исследований подтверждаются также физико-механическими испытаниями.

Режим обжига доломитового щебня оказывает значительное влияние на прочность цементного камня (рис.1).

При достаточно полном разложении доломитового щебня фракций 10-20 мм ( содержание реликтового доломита не более 2%) при обжиге 3,5-4 часа прочность цементного камня максимальна — 95-110 Мпа (табл. 2). При этом отмечается, что при уменьшении крупности обжигаемого материала в два раза продолжительность обжига для получения вяжущего с максимальными прочностными характеристиками может быть снижена на 1 час. Дальнейший обжиг приводит к снижению прочности как  в следствии перекристаллизации MgO (вышеотмеченный факт), так и к началу разложения карбоната кальция.

Следовательно , для получения доломитового цемента  с максимальной прочностью предпочтительнее проводить обжиг сырья до полного разложения доломита (содержание MgCO3.CаCO3 не более 2%).

Степень разложения доломита  оказывает влияние и на водостойкость доломитового цемента (табл.2, рис.2)

Зависимость прочности цементного камня от продолжительности обжига Зависимость коэффициента размягчения цементного камня от продолжительности обжига

По мере увеличения продолжительности термической выдержки сырья до 2,5-3 часов уменьшается содержание реликтового доломита до 4%, при этом значение коэффициента размягчения растет с 0,2 до 0,59-0,66. По нашему мнению, это связано с оптимальным содержанием наиболее реакционноспособного МgО и части неразложившегося доломита. Последний может при твердении вяжущего играть роль активной минеральной добавки. Положительное влияние карбонатных добавок на свойства доломитового вяжущего отмечалось в работах А.Ю.Каминскаса, Ю.К. Причкайтене и других [8].

Приведенные экспериментальные данные, полученные в результате изучения продуктов термической диссоциации природного доломита и твердения  вяжущего, позволяют сформулировать ряд практических рекомендаций, которые могут быть учтены при определении оптимальных режимов обжига доломитового сырья   с целью получения доломитового цемента с высокими физико-механическими характеристиками.

Выводы:

  1. Для  получения доломитового вяжущего с максимальной прочностью обжиг доломитового щебня химического состава подобного составу доломита Матюшинского месторождения, необходимо проводить  при температуре 750 оС  в течение 3-4 ч.
  2. Для получения  доломитового цемента с максимальным значением коэффициента размягчения обжиг сырья необходимо проводить при температуре 750 оС в течение 2-3 ч.

Библиографический список

  1. Юнг В.Н. Технология вяжущих веществ. — М.: Госстройиздат, 1952.- 600 с.
  2. Байков А.А., Тумарев А.С.  Разложение природных углекислых солей при нагревании. — Изв. АН СССР  Отделение технических наук. N 4 , 1937 .-С. 565-592.
  3. Кузнецов А.М. Производство каустического магнезита . — М.: Промстройиздат, 1947.- 212с.
  4. Ганелина С.Г.  Исследование  методом термографии процессов разложения природных доломитов. — Автореферат дисс. … к.т.н.- Казань, 1956.- 20 с.
  5. Берг Л.Г. , Ганелина С.Г.  Каустический доломит . — Казань: Промстройиздат.- 14 с.
  6. Берг Л.Г., Казаринова М.Е.  Кинетика реакции гидратации МgО в доломитах различной степени обжига. — Новосибирск: Известия ВУЗов, Строительство и архитектура N6, 1967. — С. 74-78.
  7. Вайвад А.Я., Гофман Б.Э., Карлсон К.П.  Доломитовые вяжущие .- Рига: Изв. АН Латв.ССР , 1958. — 260 с.
  8. Причкайтене Ю.К., Каминскас А.Ю.  Влияние некоторых карбонатных добавок и углекислого газа на процесс твердения магензиального вяжущего вещества . — Сборник трудов ВНИИтеплоизоляции  , выпуск 8 , 1976. — с. 123-129.
  9. Липсон Г.,  Стипл Г. Интерпритация порошковых рентгенограмм. — М.: Мир, 1972. — 384 с.