ПУЦЦОЛАНОВАЯ АКТИВНОСТЬ МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОАКТИВИРОВАННОГО КАОЛИНА

Main Article Content

Н. М. Зайченко
С. В. Лахтарина
Н. Н. Лахтарина

Аннотация

Аннотация. Исследования связаны с важным актуальным вопросом изучения процессов трансформации каолинита в метакаолин при нагреве, которые позволяют дополнить существующие положения и закономерности в части снижения энергоемкости процесса термоактивации, с одной стороны, и пуццолановой активности получаемой добавки – с другой. Определен химический состав исходной каолиновой глины, по данным лазерной дифракции, дифференциально-термического и рентгенофазового анализов, а также инфракрасной спектроскопии установлено влияние температуры обжига каолинита на гранулометрический состав, степень дегидроксилирования и аморфизации метакаолина. Авторами установлена пуццолановая активность минеральной добавки метакаолина, полученной при термоактивации каолиновой глины в диапазоне температур 450-900 °C, при введении в качестве частичной замены портландцемента. Наибольший прирост прочности при сжатии камня вяжущего, как в раннем, так и в марочном возрасте достигается при замене части цемента минеральной добавкой – термоактивированным каолином при температуре 650 ºС. Отмечено повышение водопотребности композиционного цемента с добавкой полученного метакаолина. Более высокие значения показателя прочности цементного камня с добавкой метакаолина, полученной термообработкой каолиновой глины при температуре 650 ºС, вероятнее всего объясняются достижение оптимального температурного режима обжига каолинита, когда при неполном дегидроксилировании достигается максимальная степень аморфизации, что и определяет пуццолановую активность добавки по показателю прочности. Полученные результаты могут представлять интерес для практической реализации задачи снижения выбросов углекислого газа, ресурсо- и энергосбережения, повышения строительно-технических свойств материалов, полученных на основе композиционного вяжущего с добавкой метакаолина.


Предмет исследования: закономерности процесса термоактивации каолиновой глины в диапазоне температур 450-900 °C, пуццолановая активность добавки метакаолина в составе композиционного вяжущего при частичной замене портландцемента.


Материалы и методы: для выполнения экспериментальных исследований в качестве исходных компонентов применялись следующие материалы: портландцемент первого типа ЦЕМ I 42,5 Н, ЗАО «Углегорск-Цемент»; каолиновая глина Владимирского месторождения, ДНР. Каолиновая глина предварительно была термоактивирована при температурах 450-900 ºС (шаг 50ºС) для получения метакаолина и последующего использования в качестве минеральной добавки для цемента. Процесс трансформации каолинита в метакаолин изучен комплексом методов: дифференциально-термический и рентгенофазовый анализ, инфракрасная спектроскопия. Физико-механические свойства вяжущего изучены по стандартным методикам.


Результаты: по данным лазерной дифракции установлено, что гранулометрический состав частиц полученных проб метакаолина изменяется в сторону увеличения содержания частиц в диапазоне 0,7-4 мкм на 4-6 % относительно исходного каолина, что может свидетельствовать о процессе фазового перехода каолина при термоактивации, с частичным его разрушением. По результатам комплекса методов: дифференциально-термического и рентгенофазового анализов, инфракрасной спектроскопии можно сделать заключение, что при обжиге каолинита в диапазоне температур 600-850°С образуется аморфизированный материал с различной степенью дегидроксилирования. При этом максимальные показатели пуццолановой активности по показателю прочности достигаются при обжиге каолинита при температуре 650°С, что, вероятно, связано с максимальной степенью аморфизации материала.


Выводы: полученные результаты позволяют получать высокореакционную минеральную добавку для портландцемента при минимальных энергозатратах. В дальнейшем исследования будут направлены на исследование трансформации в процессе нагрева каолинита координационных связей катиона алюминия и их влияния на пуццолановую активность метакаолина.


Ключевые слова: каолинит, метакаолин, термоактивация, дегидроксилирование, аморфизация, пуццолановая активность.

Article Details

Как цитировать
[1]
Зайченко Н.М. ПУЦЦОЛАНОВАЯ АКТИВНОСТЬ МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОАКТИВИРОВАННОГО КАОЛИНА [Электронный ресурс]/ Н.М. Зайченко, С.В. Лахтарина, Н.Н. Лахтарина // Строительство и техногенная безопасность. — 2024. — № 35(87). — c.29-39. — DOI: 10.29039/2413-1873-2024-35-29-39.
Выпуск
Раздел
Строительные науки

Библиографические ссылки

Стратегия развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года : [утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 10 мая 2016 г. № 868-р]. – Текст : электронный // Правительство Российской Федерации : [сайт.]. 2023. URL: http://government.ru/docs/all/106510/ (дата обращения: 03.06.2023).

Limestone calcined clay cement and concrete: A state-of-the-art review / M. Sharma, S. Bishnoi, F. Martirena, K. Scrivener // Cement and Concrete Research. 2021. vol. 149, 106564. DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106564.

Модифицированные цементы с применением отходов промышленности Донбасса / С. В. Лахтарина, Н. М. Зайченко, Е. В. Егорова [и др.] // Современное промышленное и гражданское строительство. 2023. Т. 19, № 2. С. 51 – 60.

Li C., Sun H., Li L. A review: The comparison between alkali-activated slag (Si+Ca) and metakaolin (Si+Al) cements // Cement and Concrete Research. 2010. vol. 40(9). PP. 1341 – 1349. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.03.020.

Mitigating alkali-silica reaction induced concrete degradation through cement substitution by metakaolin and bentonite / J. Wei, B. Gencturk, A. Jain, M. Hanifehzadeh // Applied Clay Science. 2019. vol. 182, 105257. DOI: 10.1016/j.clay.2019.105257.

Sabir B. B., Wild S., Bai J. Metakaolin and calcined clays as pozzolans for concrete: a review // Cement and Concrete Composites. 2001. vol. 23(6). PP. 441 – 454.

Abdul Razak H., Wong H. S. Strength estimation model for high-strength concrete incorporating metakaolin and silica fume // Cement and Concrete Research. 2005. vol. 35. PP. 688 – 695. DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.05.040.

Jiang G. Effects of metakaolin on mechanical properties, pore structure and hydration heat of mortars at 0.17 w/b ratio // Construction and Building Materials. 2015. vol. 93. PP. 564 – 572. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.06.036.

Mo Z., Wang R., Gao X. Hydration and mechanical properties of UHPC matrix containing limestone and different levels of metakaolin // Construction and Building Materials. 2020. vol. 256, 119454. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119454.

Chen X., SunPang Z. J., Pang J. A research on durability degradation of mineral admixture concrete // Materials. 2021. vol. 14, 1752. DOI: 10.3390/ma14071752.

Influence of calcined clay morphology on flow in blended cementitious systems / D. Benkeser, K. Hernandez, F. Lolli, K. Kurtis // Cement and Concrete Research. 2022. vol. 160, 106927. DOI: 10.1016/j.cemconres.2022.106927.

Рассулов В. В., Платова Р. А., Платов Ю. Т. Контроль качества метакаолина методом спектроскопии в ближней инфракрасной области спектра // Строительные материалы. 2018. № 5. С. 53 – 56.

Thu-Ha Phung-Thi. Metakaolin as an additive in composite cement // A thesis presented for the Degree of Doctor of Engineering at the Faculty of Civil Engineering of the Weimar Bauhaus University. 2013, 119 pp.

Dehydroxylation of kaolinite to metakaolin – a molecular dynamics study / S. Sperinck, P. Raiteri, N. Marks, K. Wright // Journal of Materials Chemistry. 2011. vol. 21. PP. 2118 – 2125. DOI: https://doi.org/10.1039/C0JM01748E.

Pozzolanic activity of metakaolins by the French standard of the modified Chapelle test: A direct methodology / E. Ferraz, S. Andrejkovicova, W. Hajjaji [et al.] // Acta Geodynamica et Geomaterialia. 2015. vol. 12(3179). PP. 289 – 298. DOI: 10.13168/AGG.2015.0026.

Salvador S. Pozzolanic properties of flash-calcined kaolinite: A comparative study with soak-calcined products // Cement and Concrete Research. 1995. vol. 25(1). PP. 102 – 112.

The effect of dehydroxylation / amorphization degree on pozzolanic activity of kaolinite / A. Shvarzman, K. Kovler, G. S. Grader, G. E. Shter // Cement and Concrete Research. 2003. vol. 33(3). PP. 405 – 416.

Formation of aluminosilicate geopolymers from 1:1 layer-lattice minerals pre-treated by various methods: a comparative study / K. J. D. MacKenzie, D. R. M. Brew, R. A. Fletcher, R. Vagana // Journal of Materials Science. 2007. vol. 42. PP. 4667 – 4674. DOI: 10.1007/s10853-006-0173-x.

TEM study of kaolinite thermal decomposition by controlled-rate thermal analysis / F. Bergaya, P. Dion, J. F. Alcover [et al.] // Journal of Materials Science. 1996. vol. 31. PP. 5069 – 5075. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00355907.

Строганов В.Ф., Амельченко М. О., Потапова Л. И. Влияние кислотной и термической активации каолина на его дисперсность, химический состав и сорбционные свойства // Известия КГАСУ. 2016. № 1(35). С. 192 – 198.

Lagier F., Kurtis K. E. Influence of Portland cement composition on early age reactions with metakaolin // Cement and Concrete Research. 2007. vol. 37. PP. 1411 – 1417. DOI: 10.1016/j.cemconres.2007.07.002.

He C., Osbaeck B., Makovicky E. Pozzolanic reactions of six principal clay minerals: Activation, reactivity assessments and technological effects // Cement and Concrete Research. 1995. vol. 25, no. 8. PP 1691 – 1702.

Mitra G. B., Bhattacherjee S. X-ray diffraction studies on the transformation of kaolinite into metakaolin: I. variability of interlayer spacings // The American Mineralogist. 1969. vol. 54. PP. 1409 – 1418.

Salvador S. Pozzolanic properties of flash-calcined kaolinite: A comparative study with soak-calcined products // Cement and Concrete Research. 1995. vol. 25, no. 1. PP. 102 – 112.

Дятлова Е. М., Сергиевич О. А., Бобкова Н. М. Структурные особенности природных и обогащенных каолинов месторождений Республика Беларусь // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. хiм. навук. 2018. Т. 54, №1. С. 96 – 102.

Ilić B. R., Mitrović, A. A., Miličić Lj. R. Thermal treatment of kaolin clay to obtain metakaolin // Hemijska Industriya. – 2010. – Vol. 64, no. 4. PP. 351 – 356. DOI: 10.2298/HEMIND100322014I.

Mitrović A., Zdujić M. Mechanochemical treatment of Serbian kaolin clay to obtain a highly reactive pozzolana // Journal of the Serbian Chemical Society. 2013. vol. 78, no. 4. PP. 579 – 590. DOI: 10.2298/JSC120829107M.