Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Гаврилюк М.Н. 1 Семериков И.С. 1

---

1 ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

В данной работе синтезирован и изучен портландцемент из следующих нетрадиционных сырьевых материалов: горная порода Среднего Урала фельзит, известняк и флюорит (CaF2). Целью данной статьи было изучение возможности замены глинистого компонента на фельзит при производстве цементного клинкера. При помощи рентгенофазового анализа изучен минералогический состав фельзита (кварц 35–40 %, калиево-натриевый полевой шпат 30–33 %, плагиоклаз 30–33 %, серицит до 3–5 %). Для синтеза и определения прочностных характеристик опытного цемента был выбран следующий состав шихты: 0,95(80,96 % известняка + 19,04 % фельзита) + 5 % флюорита. Применение легкоплавкого фельзита взамен глинистого компонента сырьевой смеси позволило снизить температуру обжига клинкера до 1300 °C. Минералогический состав опытного цемента 43,76 % (3CaO·SiO2)6(2CaO·SiO2)2CaF2; 37,44 % 3CaO·SiO2; 8,85 % 11CaO·7Al2O3·CaF2; 2,47 % 6CaO·Al2O3·2Fe2O3 и остальное другие фазы. Сроки схватывания опытного цемента были в пределах нормы. Активность опытного цемента через 28 суток твердения приближается к прочности Невьянского цемента ПЦ 500Д0. Таким образом, проведенное исследование показывает, что при использовании в качестве алюмосиликатного и железосодержащего компонента легкоплавкого фельзита можно получить цементы при низких температурах обжига, такие цементы быстро набирают прочность без растрескивания и могут быть рекомендованы для производства энергоэкономичного цемента.

Статья в формате PDF

498 KB

фельзит

известняк

флюорит

синтез

энергоэкономичный цемент

прочность

1. Барбанягрэ В.Д. Низкотемпературный синтез портландцементного клинкера / В.Д. Барбанягрэ, Т.А. Коледаева // Цемент и его применение. – Июль-август, 2010. – С. 111–114.

2. Грим Р.Э. Минералогия и практическое использование глин. – М.: Мир, 1967. – 510 с.

3. Кащеев И.Д. Кислотоупорные изделия на основе гранодиорита, фельзита и Бускульской глины / И.Д. Кащеев, В.М. Устьянцев, И.А. Павлова // Стекло и керамика. – 2008. – № 3. – С. 26–30.

4. Минералы. Справочник. – т. III. – М.: Наука, 1981. – 398 с.

5. Патент РФ № 2310624, публ. 20.11.2007, бюл. № 32.

6. Пьячев В.А. Производство и свойства клинкерных цементов / В.А. Пьячев, Ф.Л. Капустин. – Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2008. – 319 с.

В настоящее время глина применяется почти во всех отраслях промышленности (керамическая, бумажная, цементная, металлургическая), в связи с чем происходит постепенное вырабатывание глинистых месторождений [1, 2]. Применение низкого качества исходного сырья, например, использование запесоченных глин в производстве портландцемента приводит к снижению качества клинкера и перерасходу топлива [1].

Альтернативой глинистого компонента при производстве портландцемента может быть горная порода Среднего Урала фельзит, которая в настоящее время применяется для производства строительного щебня и керамики [3, 4, 5]. Цвет фельзита может изменяться от белого до светло-серого. При помощи рентгенофазового анализа изучен минералогический состав природного фельзита (рис. 1).

Фельзит хорошо спекается с глинами и обладает широким интервалом спекания. Фельзит является алюмосиликатом, в нем преобладает оксид кремния SiO2 76,57 % и Al2O3 12,90 %. В фельзите содержатся 7–8 % щелочных оксидов K2O + Na2O, а также незначительное содержание оксидов железа. В фельзите содержится кварца 35–40 %, калиево-натриевого полевого шпата ‒ 30–33 %, плагиоклаза ‒ 30–33 %, серицита до 3–5 % [5]. Во время обжига фельзита при 1100 °С в кристаллическом виде остается только кварц, остальные минералы расплавляются и при охлаждении застывают в аморфном состоянии.

Рис. 1. Штрихрентгенограмма фельзита, где: K2O·Al2O3·6SiO2 ортоклаз; Na2O·Al2O3·6SiO2 альбит; CaO·Al2O3·2SiO2 анортит

Целью данной статьи является изучение возможности замены глинистого компонента на фельзит при производстве цементного клинкера.

Химический состав применяемых материалов указан в таблице.

По рекомендациям Гипроцемента оптимальным составом является смесь имеющая КН, равный 0,90 [6].

Химический состав сырьевых материалов

Расчет состава двухкомпонентной смеси (80,96 % известняк и 19,04 % фельзит) по формулам (1)–(7) представлен ниже [6]:

; (1)

; (2)

; (3)

3CaO·SiO2 = 4,07·CaO – 7,6·SiO2 – 6,72·AL2O3 – 1,42·Fe2O3 = 40,22 %; (4)

2CaO·SiO2 = 8,6·SiO2 + 5,07·AL2O3 + 1,07·Fe2O3 – 3,07CaO = 13,07 %; (5)

3CaO·AL2O3 = 2,65·AL2O3 – 1,7·Fe2O3 = 7,71 %; (6)

4CaO·AL2O3·Fe2O3 = 3,04·Fe2O3 = 2,22 %. (7)

Содержание других минеральных фаз (кроме алита, белита, трехкальциевого алюмината и браунмиллерита) составляет 36,78 %. Вероятными фазами являются: K2O·SiO2, Na2O·SiO2, MgO·SiO2, CaO·MgO·SiO2, свободный SiO2, свободный CaO и MgO. Силикаты калия, натрия и магния должны входить в твердые растворы с основными клинкерными минералами. На рентгенограммах оксиды и соединения K2O и Na2O не фиксируются. Исследуемая шихта обладает высоким силикатным и глиноземистым модулем.

Расчет двухкомпонентной смеси показывает возможность применения фельзита в качестве алюмосиликатного и железосодержащего компонента сырьевой смеси для производства портландцементного клинкера. По данным расчетов, представленных выше, была приготовлена и обожжена при 1250 °C двухкомпонентная смесь, содержащая 80,96 % известняка и 19,04 % фельзита, клинкер после обжига потрескался и рассыпался из-за неполного усвоения извести в клинкерные минералы, а также из-за образования g-модификации 2-кальциевого силиката. Разрушенные образцы дополнительно измельчались в шаровой мельнице.

Из измельченного клинкера было приготовлено цементное тесто нормальной густоты и заформованы образцы для испытания на сжатие. Прочность на сжатие через 28 суток составила 9,32 МПа, это можно объяснить повышенным содержанием Ca(OH)2 в цементном камне и повышенным количеством g-белита, который не обладает вяжущими свойствами.

Для устранения этих нежелательных явлений к двухкомпонентной смеси (80,96 % известняк и 19,04 % фельзит) был добавлен третий компонент ‒ минерализатор флюорит в количестве 5 %, и после обжига при температуре 1300 °C клинкер был измельчен.

Минералогический состав клинкера после обжига при температуре 1300 °C и после гидратации в течение 28 суток изучен при помощи рентгенофазового анализа (рис. 2).

Рис. 2. Штрихрентгенограмма трехкомпонентной смеси (80,96 % известняка, 19,04 % фельзита и 5 % CaF2) после обжига при температуре 1300 °C (а) и после гидратации в течении 28 суток (б)

В присутствии минерализатора CaF2 не образуются традиционные клинкерные минералы, такие как браунмиллерит (4CaO·Al2O3·Fe2O3) и трехкальциевый алюминат (3CaO·Al2O3), условно реакции разложения этих минералов на менее основные можно записать в следующем виде, представленном ниже (см. реакции (1), (2)) [6]:

14(4CaO·Al2O3·Fe2O3) + CaF2 → 11CaO·7Al2O3·CaF2 + 7(6CaO·Al2O3·2Fe2O3) + 3CaO (1)

7(3CaO·Al2O3) + CaF2 → 11CaO·7Al2O3·CaF2 + 10CaO (2)

Образовавшийся в результате CaO взаимодействует с белитом с образованием алита, тем самым уменьшается содержание в клинкере белита, и образуется дополнительное количество алита (см. реакцию (3)):

CaO + 2CaO·SiO2 → 3CaO·SiO2 (3)

Весь оставшийся в клинкере белит, после предыдущей реакции взаимодействует с алитом и флюоритом с образованием тройного соединения Ca6-0,5xSi2O10-xFx (при x = 0,5 формула примет вид (3CaO·SiO2)6(2CaO·SiO2)2CaF2). Соединение (3CaO·SiO2)6(2CaO·SiO2)2CaF2 не полностью связывает весь содержащийся в клинкере алит из-за нехватки белита (см. реакцию (4)):

6(3CaO·SiO2) + 2(2CaO·SiO2) + CaF2 → (3CaO·SiO2)6(2CaO·SiO2)2CaF2 (4)

На рентгенограмме клинкера отсутствуют линии, характерные для флюорита.

Таким образом, минералогический состав портландцементного клинкера, полученного в результате обжига смеси, состоящей из 80,96 % известняка, 19,04 % фельзита и 5 % CaF2 можно записать в следующем виде: 43,76 % (3CaO·SiO2)6(2CaO·SiO2)2CaF2; 37,44 % 3CaO·SiO2; 8,85 % 11CaO·7Al2O3·CaF2; 2,47 % 6CaO·Al2O3·2Fe2O3 и остальное другие фазы. Из измельченного клинкера, затворенного водой в количестве 29 %, были приготовлены и испытаны образцы на сжатие, параллельно испытывались образцы из портландцемента без добавки марки 500 производства ОАО «Невьянский цементник». Сроки схватывания опытного цемента были в пределах нормы.

В результате процесса гидратации клинкера на штрихрентгенограмме наблюдается уменьшение интенсивности пиков клинкера и появление линий, характерных для Ca(OH)2, то есть наблюдается интенсивное прохождение реакций гидратации клинкера, что и подтверждается высокой прочностью. Прочность опытных образцов приближается к прочности Невьянского цемента марки ПЦ500Д0, результаты испытаний представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость прочности на сжатие от времени твердения в воде образцов, сделанных из: 1 – портландцемента без добавок марки 500 производства ОАО «Невьянский цементник»; 2 – измельченного портландцементного клинкера, полученного в результате обжига трехкомпонентной смеси, состоящей из 80,96 %известняка, 19,04 % фельзита и 5 % CaF2 при температуре обжига 1300 °C

Опытный цемент, полученный в результате обжига трехкомпонентной смеси (0,95(80,96 % известняка + 19,04 % фельзита) + 5 % флюорита) при температуре 1300ºC можно рекомендовать для производства низкообжигового цемента. Вовлечение легкоплавкой горной породы фельзит в цементное производство позволит снизить температуру обжига клинкера на 150–200 °C, количество применяемых высокотемпературных огнеупоров, расход топлива, транспортные расходы и себестоимость цементного клинкера.

Рецензенты:

Дерябин В.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Технологии стекла» института материаловедения и металлургии, ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург;

Кащеев И.Д., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Химическая технология керамики и огнеупоров» института материаловедения и металлургии, ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург.

Работа поступила в редакцию 05.12.2013.

Библиографическая ссылка