Исследование фазовых превращений в мурзинских каолинах при производстве метакаолина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование фазовых превращений в мурзинских каолинах при производстве метакаолина

Метакаолин - низко обожженный каолиновый шамот - вследствие своей высокой активности по отношению к свободной извести вызывает большой интерес у производителей сухих строительных и бетонных смесей [1 - 4].

В последнее время появились первые публикации, связанные с изучением степени активности метакаолина по отношению к высокоглиноземистым цементам и огнеупорным бетонам на их основе [5], поэтому исследования, посвященные выяснению причин высокой активности метакаолина, а также выявление новых областей его применения являются актуальными.

Цель работы - исследовать взаимосвязь степени структурного совершенства каолинита в мурзинском каолине разных марок и изменения фазового состава метакаолина в обжиге.

Для исследований использовали мурзинские каолины марок МК-0, МК-1, МК-2, МК-3 и МК-44. Экспериментальные образцы размером 20х20х20 мм готовили методом пластического формования в разборные формы. Высушенные при комнатной температуре образцы обжигали в интервале температур 600 - 900°С с шагом 50°С. Продолжительность экзотермической выдержки составляла 2 ч. Обожженные образцы измельчали в корундовой ступке до полного прохода через сетку №0063.

Исходные каолины и метакаолины на их основе исследовали с помощью рентгенофазового (рентгеновский дифрактометр ДРОН-3 с Cu Kб-излучением), химического, а также ИК-спектроскопического (инфракрасный Фурье-спектрометр Tensor 27) методов анализа. О степени совершенства кристаллической структуры каолинита в каолинах Мурзинского карьера судили по величине индекса кристалличности, рассчитанного на основе результатов рентгенофазового анализа [6].

Изменение фазового состава обожженных образцов наблюдалось уже при 600 С (рис. 1).

Анализ ИК-спектров обожженных образцов каолина показал, что увеличение значения индекса кристалличности (индекса Хинкли) в исходном нетермообработанном каолините после обжига проявляется в виде повышения интенсивности характеристической полосы муллита и некоторому снижению интенсивности полосы каолинита. Частичное разрушение структуры каолинита, по-видимому, сопровождается выделением аморфной поликремниевой кислоты и незначительного количества гидраргиллита, степень совершенства кристаллической структуры которого возрастает с увеличением значения индекса Хинкли в исходном каолините.

На изменение интенсивности характеристической полосы кристобалита оказывает влияние не только степень превращения каолинита и количество образующегося муллита, но и содержание кварца в исходном каолине, поэтому четких закономерностей изменения полосы кристобалита не наблюдается (табл.). При повышении температуры обжига каолиновых образцов количество муллита в них резко повышается. При этом выделяющийся по известной реакции трансформации каолинита в муллит аморфный SiO₂ (в виде поликремниевой кислоты) кристаллизуется в кристобалит [6-8].

Изменение площадей характеристических полос поглощения основных фаз в метакаолине, обожженном при 600 С

Гидраргиллит отдает структурную воду и переходит в глинозем г-Al₂O₃, не вступая в реакцию с аморфным кремнеземом, что согласуется с результатами рентгенофазового анализа каолина, обожженного при 900 С [9].

Основными фазами в обожженном каолине являются кварц, рентгеноаморфная фаза, низкой степени кристалличности муллит, кристобалит и г-глинозем.

Активность метакаолинов по отношению к Са(ОН)₂ в составе бетонных смесей обычно определяют химическим методом, для чего титрованием определяют количество свободной извести в бетоне без добавок (в процессе твердения) и с добавкой метакаолина. Однако титрование - достаточно длительный метод, точность определения зависит от опытности химика-аналитика. В связи с этим было предложено изучать активность метакаолина по величине его адсорбционной активности.

Сорбция положительных ионов кальция поверхностью частиц порошка происходит благодаря образованию активных основных центров адсорбции Бренстеда [10].

В качестве источника положительных ионов использовали раствор индикатора метилового оранжевого (МО). Навеску порошка метакаолина смешивали с раствором метилового оранжевого на магнитной мешалке, затем полученную суспензию центрифугировали, осветленный раствор помещали в измерительную ячейку спектрофотометра СФ-46 и определяли его оптическую плотность.

Предполагали, что чем больше индикатора сорбируется поверхностью порошка метакаолина, тем меньше его концентрация в осветленном растворе и тем ниже значение оптической плотности раствора [10].

 Результаты обработки ИК-спектров метакаолина, обожженного при 600 С

каолин мурзинский карьер обжиг

По величине оптической плотности рассчитывали адсорбционную активность метакаолина.

Установлено, что адсорбционная активность метакаолина повышается при снижении степени упорядоченности каолинита в исходном каолине. Это объясняется тем, что при несовершенной структуре каолинита в обжиге происходит частичное разрушение слоев каолинита, сопровождающееся переходом его в аморфизированную алюмосиликатную фазу и образованием аморфных оксидов алюминия и кремния, которые при смешении с водой образуют [10], в основном, бренстедовские основные центры адсорбции и, в небольших количествах, льюисовские положительные центры.

В пробах порошков, полученных из каолинов с высокой степенью упорядоченности каолинита, количество основных бренстедовских центров снижается, появляются положительные бренстедовские и льюисовские центры, что приводит к снижению сорбции положительных ионов.

Исследовали влияние температуры обжига каолина на величину адсорбционной активности метакаолина. Установлено, что при повышении температуры обжига выше 700°С наблюдается снижение адсорбционной активности метакаолина. Это связано с пассивированием поверхности частиц метакаолина вследствие активизации процесса кристаллизации его основных фаз, что приводит к снижению количества бренстедовских основных центров. Полученные результаты согласуются с результатами рентгенофазового анализа.

В результате проведенных исследований установлено, что степень упорядоченности каолинита в каолинах Мурзинского карьера влияет не только на формирование фазового состава обожженного метакаолина и степень кристалличности его основных фаз, но и на адсорбционную активность метакаолина. Наиболее предпочтительно обжигать метакаолин в температурном интервале 600-700 С.

Для производства метакаолина высокой степени активности наиболее перспективны марки с низкой степенью упорядоченности каолинита: МК-2, МК-3, МК-44, а значит, возможно использовать низкомарочные каолины (МК-3). Исследование изменения фазового состава метакаолина в интервале 600 - 900 С позволяет утверждать, что его можно с успехом использовать не только в сухих строительных смесях и бетонах, но и в качестве добавки в огнеупорные бетоны, содержащие высокоглиноземистый цемент для дополнительного связывания извести в соединения CaO^.Al₂O₃ и CaO^. 2Al₂O₃.

Литература

1. Захаров С.А. Высокоактивный метакаолин - современный минеральный модификатор цементных систем [Текст] / С.А. Захаров, Б.С. Калачик // Строительные материалы. - 2007. - №5. - С. 2-3.

2. Xiмiчнi i мінеральні добавки в бетон / За заг. ред. О. Ушерова-?

Маршака. - X.: Колорит, 2005. - 280 с

3. Дворкин Л.И. Свойства цементных паст с композиционной добавкой для производства литых высокопрочных бетонов [Текст] / Л.И. Дворкин, А.В. Безусяк, И.О. Кириченко // Вісник Донбаської державної академії будівництва та архітектури. - Макіївка: ДонДАБА, 2004. - вип. №1 (143). - т. 2: Композиційні матеріали для будівництва. - С. 45-49.

4. Al-Akhras N.M. Durability of metakaolin to sulfate attack [Текст] // Chem. Concr. Res. - 2006. - v36. - №9. - P. 1727-1734.

5. Дворкін І.Й. Метакаолін в будівельних розчинах і бетонах [Текст]

/ І.Й Дворкін, Н.В. Лушнікова, Р.Ф. Рунова, Київ: видавництво КНУБіА, 2007. - 216 с.

6. Августинник А.И. Керамика [Текст]. - Л: Стройиздат, 1975.-592 с.

7. Шуляк Р.С. Исследование каолина Мурзинского месторождения [Текст] / Шуляк Р.С., Примаченко В.В., Годлевская В.Л., Дышлюк М.М. // Огнеупоры. - 1985. - №11. - С. 29 - 34.

8. Шуляк Р.С. Исследование трудноспекающегося мурзинского каолина [Текст] / Шуляк Р.С. Примаченко В.В., Карякина Э.Л. // Огнеупоры. - 1990. - №3. - С. 20 - 25.

9. Зеленюк Т.В. Исследование фазового состава каолина Мурзинского месторождения [Текст] / Зеленюк Т.В., Юдин А.С., Скородумова О.Б. // Вісник Національного технічного університету «ХПІ», 2011. - №59. - С. 81 - 86.

10. В.М. Гунько. Квантово-химический анализ адсорбции и механизмов химических реакций на поверхности твердых тел [Текст] // Хімія, фізика та технологія поверхні. -2010. - Т.1. - №1. - С. 5-18.

Размещено на Allbest.ru