Загрузка...Цемент с алюминий содержащей добавкой
К вопросу использования керамического боя в качестве алюмосиликатной добавки для цемента
Бегжанова Г.Б., Искандарова М.И., Батыров Б.Б. К вопросу использования керамического боя в качестве алюмосиликатной добавки для цемента // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2018. № 7 (52). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/6135 (дата обращения: 18.04.2023).
Прочитать статью:
АННОТАЦИЯ
В статье обоснована эффективность использования отходов керамического производства в качестве добавки для получения смешанных цементов при значительной экономии (до 20%) дорогостоящего клинкера составляющей с получением добавочного цемента, по гидравлической активности обеспечивающего марки цемента 400.
ABSTRACT
The article substantiates the efficiency of the use of ceramic waste as an additive for the production of mixed cements with significant savings (to 20%)of the costly clinker component with the production of additional cement, in terms of the hydraulic activity providing the cement grade 400.
Ключевые слова: бой керамических плиток, термоактивированная алюмосиликатная добавка, добавочный цемент, физико-механические свойства, соответствие требованиям НД.
Keywords: battle of ceramic tiles, thermoactivited aluminosilicate additive, additional cement, physical and mechanical properties, compliance with the ND requirement.
В связи с тем, что метакаолин (ВМК) представляет собой химическую фазу, которая образуется при термической обработке каолина, последние годы во всем мире сильно возрос интерес к нему, как добавки в цемент, сухим строительным смесям, в бетон и т. д. Химический состав каолинита представлен формулой Al2O3∙2SiO2∙2H2O. В результате термообработки при температуре кристаллическая вода из него удаляется и образуется аморфный силикат алюминия [1]. В настоящее время промышленный выпуск высокоактивного метакаолина налажен в США и ряде стран Европы. Замещение части цемента метакаолином способствует увеличению прочности цементного камня при сжатии, адгезии цементного геля к частицам заполнителя, сокращению пористости, уменьшению проницаемости, повышению устойчивости материала к циклическому замораживанию и оттаиванию, а также к коррозионным воздействиям [2-4]. Влияние метакаолина на гидратацию цемента и формирование структуры цементного камня обусловлено высокой дисперсностью частиц метакаолина и его пуццолановыми свойствами, количества и природы примесных компонентов. Эти характеристики метакаолина, в свою очередь, определяются составом сырья и параметрами его технологической обработки, в связи с чем, метакаолины различных производителей могут довольно существенно различаться по активности в составе твердеющего портландцементного теста и цементных растворов [5-8]. В России в последние годы заметно возрос интерес к метакаолину, как пуццолановой добавке, частично замещающей цемент в составе портландцементных композиций — бетонов и сухих строительных смесей. Это во многом обусловлено появлением нескольких крупных отечественных производителей метакаолина, осуществляющих его выпуск на базе месторождений каолинитовых глин Челябинской области. По данным авторов работы [9], метакаолин на 80‑85 % представлен зернами, аморфными агрегатами, пластинами метакаолинита с показателем светопреломления, близким к 1,530. Размер частиц метакаолина – 3‑5 мкм, агрегатов — до 40 мкм. Присутствуют примесные фазы: около 8‑10 % гидрослюды в виде игл и тонких пластинок, перемежающихся с вростками остаточного каолина; 5‑7 % тонкочешуйчатых пластинок, реже изогнутых полусфер, заполненных аморфным SiO2 и метакаолином; 2‑3 % аморфного SiO2 внутри зерен каолина; 3‑4 % кварца и редких зерен полевого шпата; единичные зерна рудных минералов. Установлено, что при замене в портландцементе 5‑30 % клинкерной части на метакаолин МКЖЛ, в условиях относительной влажности не ниже 90 %, максимальное повышение прочности отмечено при его содержании 10 %. Прочность раствора цемента с метакаолином через 7‑28 сут твердения на 30‑60 % выше, чем у раствора на основе бездобавочного цемента.
В Узбекистане также имеется определенный опыт использования метакаолина в качестве добавки к белому портландцементу. Авторами работ [10-12] быль разработан состав декоративной вяжущей композиции на основе белого портландцементного клинкера путем совместного его помола композиции сульфоклинкераи фосфоангидрита. Отмечено, что введение композиционной добавки, полученной путем термоактивации смеси каолиновой глины и фосфогипса при 750-800 о С, способствует повышению марки белого портландцемента до 500 и выше, твердению без выделения известковых выцветов и повышению атмосферо-, морозо- и сульфатостойкости камня на его основе.
Известно, что для производства керамических изделий (плиток, санитарно–технических и художественных изделий, изделий бытового назначения и др.) используется каолиновая глина. В процессе их сушки и обжига, и после обжига образуются отходы производства в виде брака, боя и т. п., состав которых представлен термически активированным метакаолином, в связи с чем исследование возможности их использования в качестве активной минеральной добавки в цемент представляет определенный научный и практический интерес.
Постановка проблемы. Использование отходов керамического производства (керамического боя) в цементной промышленности в качестве активной минеральной добавки для получения добавочного цемента, по качественным показателям соответствующего требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент».
Объекты исследования и методика выполнения экспериментов
В качестве исходных материалов приняты: портландцементный клинкер АО «Ахангаранцемент», отходы керамического производства АО «Кулол», отвалы которых в настоящее время принадлежат ООО «Career universal trans» и двуводный гипс Карнабского месторождения.
Подготовку аналитической пробы боя керамических плиток для проведения химического анализа осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 5382-91. Соответствие гидравлической активности керамического боя требованиям O’z DSt 901-98 «Добавки для цементов. Активные минеральные добавки и добавки наполнители. Технические условия» по критерию Стьюдента определяли по методике ГОСТ 25094-94 «Добавки активные минеральные для цементов. Методы испытаний». Совместный помол клинкера с 5 % гипсового камня и добавки боя керамических плиток осуществляли в лабораторной шаровой мельнице. Количество введенной добавки боя керамических плиток составляло (5, 10, 20) % от массы клинкера. В качестве контрольного использовали бездобавочный цемент, содержащий 95 % клинкера и 5 % гипсового камня. Определение физико-механических свойств добавочных портландцементов на соответствие требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия» выполнили по методикам ГОСТ 310.1-310.4.
Полученные результаты и их обсуждение. Результаты определения химического состава применяемых сырьевых компонентов показали, что клинкер, отобранный для испытания из клинкерного склада АО «Ахангаранцемент», соответствует требованиям O’z DSt 280:2013 «Клинкер портландцементный. Технические условия», предъявляемым к портландцементному клинкеру для получения общестроительных цементов. а гипсовый камень – 2-сорту, который согласно требованию Ơz DSt 760-96, может быть использован в производстве цемента в качестве регулятора сроков схватывания. Химический состав керамических отходов в виде боя и отработанных керамических плиток представлен преимущественным содержанием оксида кремния (SiО2) в количестве 64,85 % и оксида алюминия (А12О3) — 23,89 %. Присутствуют оксиды кальция (СаО) -2,24 %; железа (Fe2О3) — 2,79 %; магния (MgO) — 1,00 %. Величина потери массы при прокаливании, составившая п.п.п. — 1,70 %, а также наличие 1,28 % SО3 указывают на присутствие в исследуемых пробах остаточного количества (приблизительно до 8,0 %) затвердевшего цементного раствора (табл. 1).
Проведенными испытаниями по определению критерия Стьюдента (t= 21,21˃2,07) установлено соответствие боя керамических плиток требованиям O’z DSt 901-98 «Добавки для цементов. Активные минеральные добавки и добавки-наполнители. Технические условия», что обосновывает возможность их использования в качестве активной минеральной добавки при производстве общестроительных портландцементов.
Таблица 1.
Химический состав исходных материалов
Наименование
Содержание массовой доли оксидов, %
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Таким образом, высокоалюминатные цементы с повышенным содержанием гипса ( 10 %) показывают несколько меньшую прочность по сравнению с цементами с 3 и 5 % гипса, но являются более сульфатостойкими. [5]
В условиях сульфатной агрессии высокоалюминатные цементы показали себя менее стойкими, чем низкоалюминатные. [6]
Полученные данные показывают, что высокоалюминатные цементы с добавкой ангидрита обладают несколько большей сульфатостойкостью, чем цементы с добавкой а — и 3 — полугидратов. [7]
Для приготовления холодного бетона не следует применять высокоалюминатные цементы ( с содержанием С3А8 %), так как с повышением содержания в них СзА и при значительном количестве СаС12 возможно получение структурных дефектов за счет образования хлоралюминатов в уже затвердевшем бетоне. [8]
Но при этом упускается из вида, что белитовые и высокоалюминатные цементы все реже применяются в промышленно-гражданском и транспортном строительстве, а большинство отечественных ( к зарубежных) товарных цементов имеет преимущественно алитовую минералогическую характеристику. [9]
При замещении части ионов Mg2 ион-ами Fe2 показатели светопреломления увеличиваются и минерал становится плеохроичным, изменяя окраску на голубую. Встречается в высокоалюминатных цементах . [10]
Для затворения цемента применяется вода, свободная от карбонатов, так как они вызывают быстрое схватывание раствора. Отечественная рецептура разработана на основе высокоалюминатного цемента , к которому добавляются 0 5 % хлористого цинка, 1 2 — 1 8 % хлорного железа, 3 0 — 4 0 % хлористого кальция. Количество воды затворения при замесе тампонажного раствора уменьшается на величину добавок, содержащихся в водных растворах. [11]
Это можно объяснить тем, что С3А малоалюминатного клинкера почти полностью связывается с гипсом уже в первые дни твердения, приблизительно до 3 дней. Поэтому к 28 дням твердения низкоалюминатного цемента в нем накапливается гораздо меньше структурно-полезного сульфоалюмината кальция, чем в случае высокоалюминатного цемента , и резкого изменения интенсивности нарастания прочности в дальнейшем не происходит. Как видно из данных табл. 3, наилучшие результаты с точки зрения абсолютной величины прочности в начальные сроки твердения ( до 28 дней) показали цементы из высокоалюминатного клинкера с добавкой 5 % гипса и из низкоалюминатного — с добавкой 3 % гипса. [13]
Это объясняется тем, что минералы-плавни являются слабогидравлической частью цементного клинкера. Поэтому высокоалюминатные цементы не могут быть рекомендованы для пропаривания и особенно при высокой температуре. [14]
Изоляционная способность камня улучшается, если при твердении раствора происходит некоторое увеличение объема. Такой эффект может быть достигнут не только с помощью расширяющихся тампонажных смесей, но также при затворении тампонаж-ного портландцемента с содержанием не менее 12 % С3А на концентрированном растворе сернокислого натрия. Расширение камня при твердении обусловлено образованием в результате гидратации высокоалюминатного цемента гидросульфоалюмината кальция . Использовать Na2SO4 для приготовления расширяющегося тампонажного раствора рекомендуется в интервале температур от минус 5 до плюс 50 С. [15]
Микросфера алюмосиликатная в тампонажном цементе
Тампонажный цемент применяется в газо- и нефтедобыче для процесса заделки пространства между стволом скважины и обсадной колонной с целью защиты от грунтовых вод или разделения пластов нефти — тампонирование нефтяных и газовых скважин.
Тампонажный цемент производится с добавкой помола гипсового камня в количестве 2-3,5% от массы цементного клинкера и небольшой доли других минеральных веществ. Тампонирование скважин осуществляется жидким цементным тестом (без добавления песка) с содержанием воды в растворе до 50% от массы цемента.
Низкая плотность, возможность снизить удельный вес цементного раствора до 1,1-1,3 г/см3 (для традиционного облегченного гельцементного раствора 1,52-1,54 г/см3), и как следствие: снижение репрессии на продуктивный пласт, снижение проникновения фильтрата в продуктивную зону пласта, обеспечение заданной высоты подъема цемента.
Малая усадка раствора, соответственно, улучшение связи пласта с обсадными трубами скважины.
Легкое смешивание. Облегченный тампонаж можно готовить непосредственно на буровой, замешивая микросферы с цементом в сухом виде. Для этого может использоваться любой стандартный смеситель.
Экономичность. Снижение затрат за счет отказа от технологии двухступенчатого цементирования и уменьшения времени обустройства скважины.
Композиция состоит из содержащей полые алюмосиликатные микросферы, каолин и поверхностно-активный гидроксид алюминия.
Легковесный наполнитель содержит данные компоненты в следующих количествах, мас.%: полые алюмосиликатные микросферы — 80,0-95,0, каолин — 3,0-15,0, поверхностно-активный гидроксид алюминия — 2,0-5,0.
Температура плавления микросфер превышает 1350°С. Микросферы могут выдерживать давление 10,000 psi при уменьшении объема до 50%.
Поскольку полые алюмосиликатный микросферы имеют насыпную объемную массу 0,30-0,50 г/см 3 и высокую прочность — 5-6 по Моосу, использование их в качестве основного компонента легковесного наполнителя обеспечивает не только значительное уменьшение плотности тампонажных цементов, но и обеспечивает такое важное свойство, как безусадочность при образовании цементного камня. Содержание в легковесном наполнителе 80,0-95,0 мас.% (предпочтительно 90 мас.%) полых алюмосиликатных микросфер обеспечило уменьшение плотности тампонажных цементов до 1,1 г/см 3 при добавлении к портландцементу марки ПЦТ 1-100 легковесного наполнителя в количестве 45,0 мас.%. Использование микросфер позволило получить прочную структуру цементного камня с минимальной внутренней пористостью.
Технология использования микросфер для получения облегченных тампонажных материалов уже давно известна в мире, однако до последнего времени ее широкое использование ограничивалось высокой ценой на искусственные микросферы, предлагаемые западными производителями.
Предлагаемые алюмосиликатные микросферы являются побочным продуктом, образующимся при сжигания угля, и их цена на порядок ниже предлагаемых аналогов.
