ПОРЬОЗНА СТРУКТУРА НА ЦИМЕНТОВИ ПАСТИ, СЪДЪРЖАЩИ ПЕПЕЛ ОТ ОРИЗОВИ ТРИЦИ (ЛЮСПИ) В КАЧЕСТВОТО НА АКТИВНА МИНЕРАЛНА

ДОБАВКА

Иван Александров Ростовски1, Николай Донков Баровски2, Иван Марков Узунов3

Централна Лаборатория по Физико-Химична Механика – БАН, Институт по Обща и Неорганична Химия - БАН

POROUS STRUCTURE OF CEMENT PASTES CONTAINING RICE HUSK ASH AS ACTIVE MINERAL ADDITION

Ivan Alexandrov Rostovsky, Nikolay Donkov Barovsky, Ivan Markov Uzunov

Abstract: The rice husk is byproduct from the rice production. The character feature of the rice is its metabolism is related with extraction from soil and accumulation of silicon dioxide mainly in the external epidermal layer of the rice husk. Quantity of SiO2 in the rice husk varies from 18 % to 23% therefore the rice husk can be examined as great and in the same time - restorable source of amorphous silicon dioxide.

Low volume density and high ash content of the rice husk make them unsuitable for cattle food. The use of rice husk as source of energy leads to problems such a release of tar and resinous substances during the process of its burning.

The rice husk ash, produced during the burning of rice husk is high effective mineral addition, which can be used successfully for construction glues, cement-based mortars and concrete.

The porous structure of cement pastes, produced with use of rice husk ash is examined in the recent paper.

Keywords: rice husk ash, porous structure, cement paste.

Въведение

Пепелта, получена при контролирано изгаряне на оризови люспи се характеризира с високо съдържание на аморфен силициев диоксид (над 90%), което позволява използването й като активна минерална добавка към композитни материали на циментова основа – бетони, строителни разтвори, различни видове сухи смеси.

Активните минерални добавка, наричани още пуцолани или пуцоланови добавки са материали, съдържащи силициев и/или алуминиев оксид в активна(аморфна) форма.

1 ст.н.с. д-р инж. Иван Александров Ростовски, Централна Лаборатория по Физико-Химична Механика-БАН, 1113 София, ул.”акад. Г. Бончев”, блок 1, email: i_rostovsky@abv.bg2 ст.н.с. д-р инж. Николай Донков Баровски, Централна Лаборатория по Физико-Химична Механика-БАН, 1113 София, ул.”акад. Г. Бончев”, блок 1, email: barovsky@gmail.com3 н.с. д-р инж. Иван Марков Узунов, Институт по обща и неорганична химия – БАН, 1113 София, ул.”акад. Г. Бончев”, блок 11, email: uzunov_iv@abv.bg

В смляно състояние и присъствие на вода те са способни да взаимодействат с калциевия хидроксид, получен при хидратацията на клинкерните минерали в състава на цимента (1) и (2):

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (1)

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2)

Калциевият хидроксид (гасена вар), чието съдържание достига до около 15% от продуктите на хидратация е относително лесно разтворима във вода (в сравнение с останалите продукти) и е възможно да бъде разтворена и отмита от циментовия камък и бетона.

Реагирайки с активните минерални добавки, калциевият хидроксид се трансформира в практически нератворими калциеви хидросиликати и хидроалуминати (циментов гел). Взаимодействието протича по схемата (3):

Ca(OH)2 + Активна минерална добавка = C – S – H (гел) (3)

Посочената по-горе реакция е известна под името пуцоланова реакция. Отличителна черта на пуцолановата реакция е нейното относително бавно протичане, в резултат на което топлоотделянето и нарастването на якостта също са относително бавни. Съдържанието на калциевият хидроксид Ca(OH)2 намалява, което прави втвърдяващите циментови пасти по-плътни и непроницаеми.

Материали

Специфичната повърхнина на пепелите от оризови люспи варира в границите 40 – 100m2/g, което от своя страна също е предпоставка за висока пуцоланова активност.

Първоначално бяха извършени паралелни експерименти с пепел от оризови люспи, внос от Индия, които са търговски продукт и пепел от български оризови люспи, взети от района на Пазарджик и изгорени в лабораторни условия.

10 20 30 40 500

200

400

600

800

1000

1200

1400

2.48

- S

iO2

4.06

- S

iO 2

I,im

p./s

Фигура 1 Рентгенов спектър на млени термичнообработени оризови люспиРезултатите от опитите показаха, че пепелите, получени при изгарянето на оризови

люспи от района на Пазарджик се характеризират с по-добри показатели (съдържание на

аморфен силициев диоксид около 99%). Рентгенограма на смляна пепел от оризови люспи е показана на фигура 1.

Използваният цимент е клас CEM I 52.5 N, резултатите от химичния анализ, на който са показани в таблица 1.

Химичен анализ на цимента БДС EN 196-2

СтойностСтандартно изискване

Мин. Макс.Загуба от накаляване, % 3.09 - 5.0Неразтворим остатък, % 0.62 - 5.0CaO, % 63.73 - -SiO2, % 21.13 - -Al2O3, % 4.41 - -Fe2O3, % 3.54 - -MgO, % 1.43 - -SO3, % 2.57 - 4.0Cl, % 0.01 - 0.1Свободен CaO, % 1.3 - -

Таблица 1 Химичен анализ на цимента

Резултати

Проведени бяха набор от експерименти с циментови пасти, разтвори и бетони, като първоначалната цел да бе да се установят тенденции в промяната на свойствата им вследствие на прибавяне на пепел от оризови люспи към съставите.

Изпитванията с циментови пасти показаха, че с добавяне на относително неголеми количества пепел от оризови люспи към цимента, свойствата на циментовите пасти се променят рязко.

Необходимото количество вода, необходимо за получаване на циментова паста със стандартната консистенция на циментова паста нараства значително, при замяна на част от цимента с пепел. Получените резултати са представени в таблица 2.

Състав100 % цимент

(контрола)

90 % цимент

10 % смляна пепел

80 % цимент

20 % смляна пепел

70 % цимент

30 % смляна пепел

Резултат, % 25.2 29.2 36.3 42.3

Таблица 2 Влияние на пепелта от оризови люспи върху стандартната консистенция на циментови пасти

Подобно явление се наблюдава и при други минерални добавки, съдържащи аморфен силициев диоксид – микросилициев прах, активен метакаолин, пепел от ТЕЦ, трас, опал и др. Увеличаването на стандартната консистенция свидетелства за развитата специфична повърхнина и сорбционна способност на материала – по-голяма от тази на цимента. Високата сорбционна способност на продукта е доказана експериментално в ИОНХ-БАН, което дава възможност за намиране на друго възможно приложение на материала – за почистване на петна от нефтени разливи.

Както можеше да се очаква, поради повишеното количество на водата за постигане на стандартна консистенция обемът на порите в циментовите пасти с използване на пепел

нараства, пропорционално на количеството на пепелта. Това нарастване става особено осезаемо за количество на пепелта над 20 % от масата на цимента, като при замяна на 30% от цимента се получава удвояване на обема на порите в сравнение с немодифицирана циментова паста (контролна проба).

Състав100 % цимент

(контрола)

90 % цимент

10 % смляна пепел

80 % цимент

20 % смляна пепел

70 % цимент

30 % смляна пепел

Възраст 7 дни 0.0657 0.0803 0.0956 0.137

Възраст 28 дни 0.0638 0.0756 0.0899 0.130

Възраст 180 дни 0.0443 0.0634 0.0828 0.115

Таблица 3 Изменение на обема на порите във времето при различно съдържание на пепел от оризови люспи в циментови пасти

Увеличената водопотребност на циментовите композити, получени чрез добавяне към основното свързващо вещество (портландцимент) на активна минерална добавка – пепел от оризови люспи, налага употребата на силноводонамаляващи химични добавки.

Опита върху други подобни материали – микросилициев прах, метакаолин, смлян опал, показва, че е уместно минералната добавка да се влага във вид на концентрирана водна суспензия. По този начин се избягва резкия скок във водопотребността, улеснява се транспортирането и складирането на добавката.

Сум

аре

н об

ем н

а по

ри

те,

%

Радиус на порите, ηµ

Фигура 3 Интегрални криви на разпределение на порите по размери за изследваните циментови пасти

Отн

оси

тел

ен

дял

на

пори

те

Радиус на порите, ηµ

Фигура 4 Диференциални криви на разпределение на порите по размери за изследваните циментови пасти

На фигури 3 и 4 са показани интегралната и диференциалната криви на изменение на порите по размери за възраст на циментовите пасти 28 денонощия. Както при повечето циментови композити, диференциалните криви сe характеризират с два пика, очертаващи преобладаващите размери на порите. С увеличаване на количеството на пепелта с наблюдава намаляване на височината на втория пик и известно разширяване (разливане) на кривата около него. Това е свидетелство за увеличаване на обема на порите, което е видно от таблица 3, както и за по равномерно изменение на техните размери. Подобна е ситуацията и при възраст на материала различна от 28 дни.

От таблица 3 е видно намаляването на обема на порите във времето, вследствие на запълването им с продукти на хидратация.

Заключение

От извършената предварителна експериментална работа, която е ограничена по обем, поради настоящите възможности за получаване на пепел от изгаряне на оризови люспи при високи температури са получени резултати от които могат да бъдат направени редица изводи:

1. Високотемпературната пепел от оризови люспи е активна минерална добавка, с високо съдържание на активен силициев диоксид, която успешно може да се използва в композитни материали на циментова основа;

2. Заместването на част от цимента в състава на циментови пасти с пепел от оризови люспи води до рязко увеличаване на стандартната консистенция, поради значителната специфична повърхнина и сорбционна способност на пепелта;

3. С увеличаване на съдържанието на пепел, обемът на порите в циментовите пасти нараства, като при количество на пепелта от 30 %, обемът на порите се удвоява;

4. С увеличаване на съдържанието на пепел, изменението на размерите на порите в циментовите пасти става по-плавно.

От цитираните и други изследвания, които не са споменати в настоящия доклад става ясно, че при контролирано изгаряне на оризови люспи се получава материал с многостранно приложение. При циментовите композити, той може да се използва за увеличаване на якостните показатели, химичната и корозионна устойчивост, капилярна абсорбция и др. важни характеристики.

Прилагането на минералната добавка има и допълнителен икономически ефект, свързан със складирането на люспите, които само за района на Пазарджик са над 10 000 тона годишно.

ЛИТЕРАТУРА:

[1]. M.S. Shetty, Concrete technology textbook, Ram Nagar New Delhi, ISBN 81-219-0003-4, India, 2005;

[2]. John Newman, B S Choo, Advanced Concrete Technology set, Butterworth-Heinemann, London, 2003.

[3]. ACI 232.1R-00 (Reapproved 2006) — Use of Raw or Processed Natural Pozzolans in Concrete;

[4]. Powers T.C., Properties of fresh concrete, John Wiley & Sons, New York 1967;[5]. Neville A., Properties of concrete, Willey, 4-th edition, 1997.