ЦЕОЛИТ

Использование в строительной индустрии.

   

Использование природных цеолитов  
в производстве строительных материалов

 

А.С. Шакора,
кандидат технических наук,
доцент Красноярской
архитектурно-строительной академии

Цеолиты представляют собой группу минералов – алюмосиликатов с уникальными свойствами, обусловленными их каркасной структурой, которая обеспечивает высокую гидравлическую активность породы.

В Красноярском крае открыто несколько месторождений цеолитизированных туфов. Наиболее перспективными являются Пашенское, Сахаптинское и Вознесенское, характеризующиеся благоприятными горно-геологическими условиями залегания пластов для открытой разработки, близостью от промышленных центров. Химический состав пород приведен в таблице 1.

Целью нашей работы являлось исследование свойств цементно-цеолитовых, зольно-цеолитовых и цементно-зольно-цеолитовых композиций для использования их в строительных растворах, тяжелых и легких бетонах, ячеистых бетонах неавтоклавного твердения, а вскрышных цеолитизированных пород в производстве керамических изделий.

Породы измельчались в шаровой мельнице до тонкости помола, характеризующегося остатком на сите №008в количестве 15…20%. Затем составляли композиции с добавкой цеолитов от10 до 40; (от массы цемента и цементно-зольного вяжущего) с градацией через 5%.

В результате было установлено, что введение добавок цеолита 10…15% позволяет сократить расход цемента и использовать вяжущее оптимального соотношения в строительных растворах и тяжелых бетонах класса В 15…В10. Были изготовлены образцы из неавтоклавного газобетона марок Д500…Д700, в которых кремнеземистый компонент полностью заменен измельченным цеолитсодержащим туфом, а в качестве вяжущего были использованы цементно-зольные и цементно-зольно-цеолитовые композиции.

Из вскрышных цеолитсодержащих пород был получен кирпич марки 150 и керамзитовый гравий с насыпной плотностью 400…600 кг/м3.

На основании анализа результатов научно-исследовательской работы нами была установлена технико-экономическая целесообразность использования природных цеолитов в производстве основных видов строительных материалов.

Одним из направлений работы являлось использование цеолитсодержащих пород Пашенского месторождения для получения керамического кирпича. Это месторождение находится в 100км от г. Красноярска и имеет промышленные запасы цеолитсодержащих туфов.

Основными цеолитовыми компонентами этих пород являются гейландит и клиноптилолит. Цеолитовая фаза обогащена, в основном, щелочноземельными ионами, которые представляют собой преимущественно кальциевую форму. Сопутствующие минералы – кварц, кальцит, плагиоклаз, гидроокислы железа.

Вскрышные цеолитсодержащие породы по своему составу и свойствам приближаются к туфоаргиллитам. Пашенское месторождение характеризуется содержанием в породе 40% клиноптилолита и гейландита, 60 % глины (монтмориллонита) и песка.

Исследования физико-механических свойств образцов из вскрышных пород производились в соответствии с ГОСТ 26594-85 «Сырье глинистое для производства керамического кирпича и камней. Технические условия».

Вскрышные породы по числу пластичности (П=10…12) относятся к умеренно-пластичным, воздушная усадка 2…4%, связность по Rсж высушенных образцов составляла 6-8 МПа.

Образцы-цилиндры (d=50мм, h=50мм) формовали полусухим прессованием. Оптимальная влажность пресспорошка соответствовала 9%. Удельное прессовое давление – 20МПа; прессование двухстадийное: 1 стадия– 5…6 МПа, 2 стадия– 20 МПа.

Образцы высушивали при Т=105°С до остаточной влажности 5%.

Образцы обжигали в муфельной печи при различных температурах: 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100°С с выдержкой в течение 2ч. Результаты послеобжиговых свойств показали, что оптимальной температурой обжига является Т=950°С.

Морозостойкость кирпича размером 250ґ120ґ65 мм составляла 35-50 циклов, теплопроводность равна 0,71 Вт/мК.

Таким образом, на основании результатов проведенных нами исследований, можно сделать выводы: – из вскрышных цеолитсодержащих пород получен керамический кирпич марок 125; 150; 175; – все качественные показатели кирпича соответствуют требованиям ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические»; – установлена экономическая и практическая целесообразность использования вскрышных цеолитсодержащих пород Пашенского месторождения.

Вскрышные цеолитсодержащие породы, которые в большом количестве направляются в отвалы и занимают плодородные земли, являются также ценным сырьем для производства керамических изделий. На основе вскрышных пород был получен экологически чистый конструкционно-отделочный материал – лицевой керамический кирпич с высокими эстетическими и физико-механическими характеристиками, вполне соответствующими требованиям ГОСТ 7484-78 «Кирпич и камни лицевые» для марок 125, 150, 175.

Установлена возможность расширения сырьевой базы и решения проблемы оздоровления окружающей среды путем использования вскрышных цеолитсодержащих пород. 

Список литературы
1. А.С. Шакора, Н.М. Влодарчик, Стеновые и отделочные материалы на основе природных цеолитов Пашенского месторождения //Сб. тез. докл. Межд. конф. по проблемам использования вторичного сырья и производства строительных материалов. Новосибирск, 1994. С. 40.
2. А.С. Шакора, Н.М. Влодарчик, Природные цеолиты – ценное сырье для производства строительных материалов // Современные проблемы строительного материаловедения: Тез. докл. Межд. науч.-техн. конф., Самара, 1995. С. 60-61.
3. А.С. Шакора, Н.М. Влодарчик, М.А. Пьянкова, Использование природных цеолитов для производства керамического кирпича // Достижения науки и техники – развитию г. Красноярска: Тез. докл. науч.-практ. конф., Красноярск, 1997. С. 98-99;
4. А.С. Шакора, Н.М. Влодарчик, М.А. Пьянкова, Природные цеолиты – сырье для производства керамических изделий // Цеолиты Красноярского края: Материалы краевой науч.-практ. конф., Красноярск, 1998. С. 57-61.
5. А.Е. Бурученко, А.С. Шакора. Использование цеолитов Красноярского края для производства керамических изделий. // Сб. материалов Всеросс. науч.-практ. конф., Красноярск, 2001. С. 162.

 

Природные цеолиты в строительной индустрии

 

Основные направления использования: молотый цеолит вводится в цемент для улучшения его свойств и для создания среды порообразования.

Начиная с древности, цеолитовый туф использовался в строительстве как штучный камень. В настоящее время применяется как добавка в цемент или легкий заполнитель.

Цеолитовый туф как легкий заполнитель. Температура вспучивания порядка 1200°С, однако прочность выше, чем у вспученного перлита.

Туф для производства пенистых и ячеистых материалов.

Обломки туфа смешиваются с доломитом и смесь подвергается автоклавному твердению.

Туф для производства пуццолановых цементов. При введении добавки связывается свободная известь.

Получение монолитного материала, пригодного для строительных целей. 

Порошковатые и пылевидные отходы карьерного и дробильного производства были подвергнуты гидротермальной обработки в камерах, предназначенных для автоклавного твердения строительных блоков. В результате был получен твердый пористый камень, по сорбционным свойствам аналогичный природному цеолиту. Временное сопротивление сжатию выше 20 МПа.

 

Cтpyктypa и свойства конструкционного керамзитобетона с добавкой суперпластификатора

 

Одним из направлений рационального использования цемента в строительстве является широкое применение смешанных вяжущих, содержащих в своем составе повышенные дозировки активных минеральных добавок. Особое внимание среди минеральных добавок к цементам привлекают цеолитсодержащие породы (ЦСП). Эффективность таковых с высоким содержанием цеолитов показана в ряде работ [1, 2]. Однако возможность применения ЦСП с относительно малой долей цеолитового минерала изучена недостаточно. Отличительной особенностью смешанных вяжущих с использованием ЦСП является повышенная водопотребность, что вызывает необходимость использования пластификаторов [2, З].

В данной статье приводятся результаты экспериментальных исследований влияния добавки суперпластификатора С-3 на структуру и физико-механические свойства керамзитобетона марок 200—300, изготовленного на основе смешанного вяжущего из смесей с осадкой конуса от 5 до 15см. Применение суперпластификаторов, как следует из результатов ранее выполненных исследований [4, 5], особенно эффективно в легких конструкционных бетонах, изготовляемых из пластичных смесей и отличающихся высокими расходами цемента.

В эксперименте использовалось смешанное вяжущее, полученное путем домола портландцемента марки 400 Ульяновского завода совместно с природной минеральной добавкой — цеолитсодержащей породой Татарско-шатрашанского месторождения Республики Татарстан и суперпластификатора С-3 до удельной поверхности 415 м2/кг. Такой способ приготовления вяжущего позволяет активизировать не только клинкерную часть, но и активную минеральную добавку как за счет повышения дисперсности вяжущего с 285 до 415 м2кг, так и за счет аморфизации силикатной фазы цеолитсодержащей породы при совместном измельчении ее с добавкой суперпластификатора.

Активная минеральная добавка содержит в своем составе (мае. %): клиноптилолит — 19; кальцит — 18; кварц — 7; активный кремнезем — 30; глинистые и гидрослюдистые минералы — 26. Химический состав цеолитсодержащей породы, по массе %: SiO2 - 54,58; CaO - 17,94; TiО2 - 0,26; Аl2Оз - 5,27; Fe2О3 - 0,08;
MgO -1,12; Na2O - 0,19; K2O - 0,74; P2O5 - 0,04; ппп -19,78. Модуль основности этой породы (Мo) находится в пределах 0,26—0,31, что позволяет отнести ее к группе кислых пуццолановых добавок. Модуль активности (Мa) ЦСП находится в пределах 0,08-0,14, что также свидетельствует о высокой активности добавки. Как показали исследования гидравлической активности ЦСП по определению пуццолановой активности проб методом поглощения CaO из водной вытяжки цемента (ГОСТ 25094-94), ЦСП относится к эффективным минеральным добавкам и активно вступает во взаимодействие с гидроксидом кальция. Несмотря на малое содержание в породе клиноптилолита, ее пуццолановая активность оказалась выше, чем у диатомита. В целом по результатам эксперимента следует, что активными компонентами породы являются не только клиноптилолит и опалкристобалит, но и монтмориллонит.

В качестве заполнителей использовались речной кварцевый песок с модулем крупности 2,7 и керамзитовый гравий фракции 5-20 мм со средней плотностью 500 кг/м3 и прочностью при испытании в цилиндре 2,5 МПа.

Приготовление керамзитобетонной смеси осуществлялась в лабораторном бетоносмесителе. Из керамзитобетонной смеси заданного состава формовались образцы-кубы с ребром 15 см, которые пропаривались при 90°С по режиму 3+2+8+2 ч. Часть образцов испытывалась через 4 ч после окончания пропаривания, остальные через 28 сут последующего нормального хранения. Оптимизация состава керамзитобетона с добавкой суперпластификатора производилась при помощи четырехфакторного почти D-оптимального плана второго порядка. В качестве независимых переменных определен расход вяжущего (X) = 300,450, 600 кг/м3), расход керамзита (Х2 = 600, 750, 900 л/м3), удобоукладываемость керамзитобетонной смеси (Хз = 5, 10, 15 см) и содержание добавки С-3 (Х4 = 0; 0,3; 0,6 % от массы вяжущего).

В результате реализации планируемого эксперимента по специальной программе с помощью персонального компьютера получены математические модели формирования прочности легкого конструкционного бетона (R.28, МПа) и его средней плотности (Y, кг/м3) следующего вида:

R28= 27,1+4,4X1-l,25X2-0,5X3+l,9X4-3,lX1^2-2Х1Х2 + 1,07X1X4 -1,17Х3Х4 (1)

Y= 1714 +17X1-81X2 -8Х3+18Х4 -24Xl^2+38X4^2 -20Х1Х2+9Х1Х4-23Х2Х4 (2)

Анализ полученных моделей и результатов активного эксперимента позволил установить, что эффективность действия суперпластификатора в керамзитобетоне на смешанном вяжущем в условиях данного эксперимента возрастает с увеличением удобоукладываемости бетонной смеси, и особенно значительно - с увеличением содержания крупного заполнителя. По результатам этого эксперимента определены оптимальные составы легкого бетона марок 200, 250 и 300 как с добавкой, так и без добавки, анализ которых показывает, что на эффективность применения добавки суперпластификатора в количестве 0,6 мас. % смешанного вяжущего оказывает влияние прежде всего содержание керамзита. Для всех исследуемых марок бетона наибольшее снижение расходов смешанного вяжущего (20—25 %) достигается при максимальном содержании керамзита.

Добавка С-3 повышает плотность керамзитобетона на данном виде вяжущего и, как следует из уравнения регрессии (2), приводит к некоторому увеличению средней плотности бетонной смеси и затвердевшего бетона при всех фиксированных расходах вяжущего и керамзита. В оптимальных составах бетонов марок 200—300 в присутствии добавки наблюдается снижение средней плотности легкого бетона за счет уменьшения расхода вяжущего.

Реологические исследования смешанного вяжущего показали, что введение ЦСП в его состав увеличивает эффективную вязкость в 1,7-2 раза при равных В/В отношениях, Величина эффективной вязкости зависит при этом от скорости сдвига. Изменение эффективной вязкости от скорости сдвига в тесте на смешанном вяжущем проявляется в большей степени, чем в портландцементном. Введение пластификаторов в состав смешанного вяжущего при его помоле, как и следовало ожидать, снижает вязкость цементного теста при всех скоростях сдвига, но вместе с тем вязкость цементного теста при различных значениях В/Ц все-таки остается выше, чем теста на обычном портландцементе. Поэтому керамзитобетонная смесь на этом виде вяжущего при высоких значениях подвижности обладает хорошей связностью, однородностью и не расслаивается при формовании.

Изучение особенностей фазового состава продуктов гидратации смешанного вяжущего методами ДТА, РФА, ИКС и электронной микроскопии показало, что ЦСП приводит к увеличению объемной концентрации гидратных новообразований как за счет повышения степени гидратации клинкерных зерен, так и за счет взаимодействия Са(ОН)2 с активными компонентами породы. Благодаря высокой гидравлической активности ЦСП в условиях пониженной концентрации СаО в жидкой фазе образуются, главным образом, низкоосновные гидросиликаты кальция, кристаллизующиеся в присутствии суперпластификатора преимущественно в мелкодисперсном виде в форме игл и волокон.

Список литературы
1. Гальперина Т.Я., Вертопряхова Л.А., Соловьева И.А. и др. Применение цеолитизированных пород Шивыртуйского месторождения в производстве цемента // Цемент. 1992. № 4. С. 79-82.
2. Полюдова С. В., Коломиец В. И., Солома тов В. И. Цементоцеолитовые композиты // Известия вузов. Строительство. 1995. № 3, С. 41-46.
3. Изотов B.C., Морозова Н.Н. Смешанное вяжущее для бетонов, твердеющих при пропаривании // Строит, материалы. 1998. № 12. С. 19-20.
4. Изотов В. С. Структура и свойства конструктивного керамзитобетона с добавкой водо-растворимого сульфированного олигомера // ВНИИЭСМ. 1988. Вып. 8.№ 1592. С. 4-5.
5. Изотов В. С. Свойства бетонов, модифицированных водорастворимыми полимерами // Сб. трудов «Композиционные строительные материалы». Саратов: СПИ, 1990. С. 58-60.

Авторы: B.C. Изотов, канд. техн. наук, доц., О.Б. Кириленко, инженер (Казанская государственная архитектурно-строительная академия)
Источник: Журнал «Строительные материалы», январь 2001 г, № 1

 

НАЗАД

manezh@smila.com