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.
Abstract. The research is related to an important topical issue of studying the processes of kaolinite transformation into metakaolin during heating, which allow supplementing the existing provisions and patterns in terms of reducing the energy intensity of the thermal activation process and the pozzolanic activity of the resulting additive, on the other hand. The chemical composition of the original kaolin clay was determined. On the base of the results of laser diffraction, differential thermal and X-ray phase analysis, as well as infrared spectroscopy, the effect of kaolinite firing temperature on the granulometric composition, degree of dehydroxylation and amorphization of metakaolin was established. The authors determined the pozzolanic activity of the metakaolin mineral additive obtained by thermal activation of kaolin clay in the temperature range of 450-900 °C, when metakaolin was used as a partial replacement of Portland cement. The greatest increase in the compressive strength of the cement paste, both at the early and grade age is achieved by replacing part of the cement with a mineral additive - thermally activated kaolin at a temperature of 650 ºС. An increase in the water demand of the composite cement with the addition of the obtained metakaolin is noted. Higher values of the strength index of cement paste with the addition of metakaolin, obtained by heat treatment of kaolin clay at a temperature of 650 ºС, are most likely explained by achieving the optimal temperature regime for firing kaolinite. In this case incomplete dehydroxylation, but the maximum degree of amorphization that determines the pozzolanic activity of the additive in terms of strength is achieved. The results obtained may be of interest for the practical implementation of the problem of reducing carbon dioxide emissions, resource and energy conservation, improving the construction and technical properties of materials obtained on the basis of a composite cement with the addition of metakaolin.
Subject: regularities of the process of thermal activation of kaolin clay in the temperature range of 450-900 °C, pozzolanic activity of metakaolin additive in the formulation of composite binder with partial replacement of Portland cement.
Materials and methods: the following materials as initial components for the experimental studies were used: OPC CEM I 42.5 N, Uglegorsk-Cement; kaolin clay of the Vladimir deposit, DPR. Kaolin clay was preliminarily thermally activated at temperatures of 450-900 ºС (step 50 ºС) to obtain metakaolin and subsequent use as a mineral additive for cement. The process of kaolinite transformation into metakaolin was studied using a set of methods: differential thermal and X-ray phase analysis, infrared spectroscopy. The physical-mechanical properties of the binder were studied using standard methods.
Results: according to the laser diffraction data, it was found that the granulometric composition of the particles of metakaolin samples changes towards an increase in the content of particles in the range of 0.7-4 μm by 4-6 % relatively to the original kaolin, which may indicate a phase transition process of kaolin during thermal activation with its partial destruction. Based on the results of a set of methods: differential thermal and X-ray phase analysis, infrared spectroscopy it can be concluded that when firing kaolinite in the temperature range of 600-850 °C, an amorphized material with varying degrees of dehydroxylation is formed. At the same time, the maximum indicator of pozzolanic activity in terms of strength is achieved when firing kaolinite at a temperature of 650 °C. This is probably due to the maximum degree of amorphization of the material.
Conclusions: the obtained results allow obtaining a highly reactive mineral additive for Portland cement with minimal energy costs. In the future, the research will be aimed at studying the transformation of the coordination bonds of the aluminum cation during the heating of kaolinite and their effect on the pozzolanic activity of metakaolin.
Keywords: kaolinite, metakaolin, thermal activation, dehydroxylation, amorphization, pozzolanic activity.
полный текст на сайте stroyjurnal-asa.ru