Золы сапропелей как добавки к портландцементу

Применение отходов в производстве строительных материалов не только расширяет сырьевую базу, но и решает экологические проблемы. Настоящая работа посвящена актуальной задаче применения отходов сапропелевой промышленности. В Омской области эта отрасль начинает интенсивно развиваться. Запасы озерных сапропелей оцениваются в 156…186 млн тонн. На основном действующем месторождении, оз. Пучай, добывается до 20 тыс. тонн в год. Определены области применения как самих сапропелей, так и продуктов их переработки. Разработанные технологии позволяют перерабатывать сапропели с высокой эффективностью [1].

В сапропелях выделяют три составляющие компоненты: биологически активную, органическую и минеральную. Золы сапропелей или продукты их переработки состоят только из минеральной компоненты. Минеральная часть сапропелей образована скелетными остатками водной растительности (диатомитовые водоросли) и микроорганизмов. Генезис материала сапропелей предполагает содержание в нем кремнезема в аморфной растворимой форме. Поэтому золы представляют интерес в плане использования их в качестве активных минеральных добавок в цементы.

Цель работы: оценить пуццолановую активность зол сапропелей и изучить свойства цементного камня с добавками зол.

Исследовались золы сапропелей основных месторождений Омской области – озер: Пучай, Жилой Рям и Молоковское.

Золы получены прокаливанием при 900 °С измельченного отхода пиролиза сапропелей (предоставлены лабораторией каталитических превращений углеводородов ИППУ СО РАН). Пуццола-новую активность зол определяли по известной методике Ю.М. Бута и В.В. Тимашева, основанной на способности добавки поглощать известь из известкового раствора.

Согласно полученным результатам, показатели пуццолановой активности зол сапропелей озер Пучай и Жилой Рям близки и составляют соответственно 47 и 46 %. Это объясняется практически одинаковым содержанием диоксида кремния в их составе (табл. 1). Пуццолановая активность золы из сапропеля озера Молоковское значительно ниже и равна 34 %.

Таблица 1

Химический состав минеральной части сапропелей

Месторождение	Содержание, % на сухое вещество
	SiO 2	CaO	Fe 2 O 3	K 2 O	SO 3
Пучай	65,1	2,86	1,18	0,20	4,42
Жилой Рям	67,3	1,43	1,34	0,16	2,97

Эффективность пуццоланового действия зол, как активных минеральных добавок в цемент, оценивалась по их влиянию на прочностные свойства затвердевшего цемента. Испытания проводили по стандартной методике. Цементные смеси готовили из портландцемента ПЦ 400 Топкинского цементного завода. Для снижения водопотребности использовали пластификатор на основе эфиров поликарбоксилатов Glenium компании «BASF Строительные системы».

Результаты исследования прочностных показателей (после 28 суток твердения приводного твердения при 20 ± 5 °С) приведены на рис. 1.

Значения показателей прочности на сжатие образцов цементного камня с добавками зол сравнимы с показателями образцов с природной диатомитовой добавкой. Однако, как установлено нами раннее, по показателям пуццолановой активности диатомитовая крошка в 1,5 раза превышает активность исследуемых зол сапропелей (69 % по сравнению с 46 и 47 %). Это может быть объяснено различными морфологическими характеристиками используемых кремнеземистых добавок (табл. 2).

Измельченная зола сапропеля озера Пучай представляет собой безпористый порошок. Зола сапропеля озера Жилой Рям и диатомитовая крошка являются мезо-макропористыми материалами. Соотношение объемов мезо- и макропор составляет для золы сапропеля 2:1, а для диатомитовой крошки – 3:1. При этом общий объем пор и объем мезопор в крошке в 1,5 раза больше объема пор в золе.

Известно, что мезопоры ответственны за процессы сорбции из водной среды органических веществ со средней молекулярной массой. Кремнеземистые добавки, содержащие на своей поверхности силанольные группы [2], могут адсор- бировать карбоксильные группы пластификатора Glenium, согласно схеме:

│

R ─ COOH…OH

│                                                       │

─ Si ─ О ─ .

│

Логично считать, что в условиях твердеющей системы диатомитовая крошка может выступать в роли лучшего мезо-макропористого сорбента по отношению к пластификатору. При этом экранированные пластификатором участки поверхности добавки не будут участвовать в пуццолановой реакции. Прочность цементного камня, вследствие сорбционных процессов с участием кремнеземи- стой добавки и пластификатора, не будет отвечать потенциально возможной.

Золы совместно с пластификатором вызывают повышение прочности на 42…56 % по сравнению с цементным камнем, содержащим добавку одного пластификатора.

Так как наибольшая прочность отвечает составам с золой сапропеля озера Пучай, и именно это озеро является основным действующим месторождением в Омской области, дальнейшие исследования свойств цементного камня проведены именно с этой добавкой.

Найдено, что оптимальное содержание золы сапропеля озера Пучай в цементной смеси составляет 8 % (от массы цемента) (рис. 2).

Рис. 1. Прочность на сжатие цементного камня на основе ПЦ 400 с добавкой: 1 – 5 %, 2 – 10 %, 3 – 15 %; а – Glenium (Gl); б – Gl и зола сапропеля оз. Пучай; в – Gl и зола сапропеля оз. Жилой Рям; г – Gl и диатомитовая крошка

Таблица 2

Текстурные параметры добавок кремнезема

Добавка кремнезема	Объем пор, см3/г			S БЭТ, м2/г	R , нм
	общий	макро	мезо
Зола сапропеля озера Пучай	–	–	–	2	–
Зола сапропеля озера Жилой Рям	0,0694	0,0240	0,0454	15	61
Диатомитовая крошка	0,0926	0,0225	0,0661	36	39

Рис. 2. Изменение прочности на сжатие цементного камня на основе ПЦ 400 с увеличением содержания добавки «золы сапропеля озера Пучай» (пластификатор «Glenium»)

Хомич В.А., Данилина Е.В.

Золы сапропелей как добавки к портландцементу

Рис. 3. Кинетические кривые изменения прочности на сжатие цементного камня на основе ПЦ 400: 1 – без добавок; 2 – с добавкой «Glenium»; 3 – с комплексной добавкой «Glenium – зола сопропеля»

Кинетические кривые изменения прочности на сжатие в процессе твердения цементного камня с оптимальным количеством золы приведены на рис. 3. Уже после 1 суток твердения прочность на сжатие цементного камня с добавкой золы в 4 раза превышает прочность состава без добавок.

Водопоглощение затвердевшего цементного камня определяли по ГОСТ 12730.3. Водопогло-щение цементного камня с комплексной добавкой пластификатора и золы составляет 0,5 %.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие заключения.

• 1.    Золы озерных сапропелей и продуктов их переработки обладают пуццолановой активностью. Пуццолановая активность, в %, составляет для зол сапропелей озер: Пучай – 47, Жилой Рям – 46, Молоковское – 34.

• 2.    Золы сапропелей озер Пучай и Жилой Рям Омской области являются активными минеральными добавками к портландцементному вяжущему. Показатели прочности на сжатие цементного камня при их введении в цемент увеличиваются на 42…56 %.

• 3.    Оптимальное содержание в цементной смеси

• 4.    Наибольший прирост прочности цементного камня при введении комплексной добавки «Glenium – зола сапропеля» наблюдается после 1 суток твердения; прочность в 4 раза превышает прочность цементного камня без добавок.

• 5.    Введение добавки золы сапропелей озера Пучай приводит к получению практически водонепроницаемого цементного камня.

добавки золы озера Пучай составляет 8 % от массы цемента.

Полученные результаты позволяют говорить о перспективности использования зол сапропелей Омской области совместно с пластификатором Glenium для изготовления строительных композиций на основе портландцемента.