Cegły silikatowe wysokiej wytrzymałości

Wyroby wapienno-piaskowe otrzymywane z wykorzystaniem naturalnego piasku kwarcowego i wapna palonego, w realiach polskiego przemysłu silikatowego odznaczają się cechami wytrzymałościowymi odpowiednimi dla klas 20 lub 25. Parametr ten można wydatnie zwiększyć poprzez wprowadzenie do mieszanki surowcowej dodatkowego składnika w postaci odpadowych mułków chalcedoniotowych. Surowiec ten powstający w trakcie eksploatacji chalcedonitu ze złoża „Teofilów” zawiera w dużej mierze chalcedon jako bezpostaciową formę Si02 oraz niewielką domieszkęa minerałów ilastych.

W aspekcie przebiegu procesów chemicznych zachodzących w warunkach hydrotermalnych, które są odpowiedzialne za kształtowanie się pożądanej struktury i mikrostruktury, a tym samym i właściwości końcowych tworzyw wapienno-piaskowych, jednym z ważniejszych czynników determinujących ich szybkość, jest rozpuszczalność surowca krzemionkowego [1]. Szybkość rozpuszczania się krzemionki jest funkcją wielu czynników; najważniejszymi są: powierzchnia reaktywna kwarcu, temperatura, stężenie jonów hydroksylowych (pH) oraz obecność wody. Szybkość ta jest proporcjonalna do powierzchni właściwej piasku kwarcowego, zależnej od jego uziarnienia.

Duże znaczenie odgrywa również budowa wewnętrzna kwarcu i związana z nią siła wiązań chemicznych występujących pomiędzy poszczególnymi elementami jego struktury. Piasek kwarcowy o budowie krystalicznej, z silnymi wiązaniami jonowo-kowalencyjnymi występującymi w mostkach tlenowych, trudno ulega rozpuszczaniu w roztworach zarówno o wysokich jak i niskich wartościach pH [2,3].

Zgodnie z powyższym przyjęto założenie, że dokonując częściowej lub całkowitej substytucji piasku kwarcowego o budowie krystalicznej, innym surowcem i będącym jednak również nośnikiem jonów krzemianowych, lecz posiadającym różną od krystalicznej budowę wewnętrzną, a tym samym odznaczającym się słabszymi wiązaniami chemicznymi, powinno się wywołać zmiany ilościowe odnośnie szybkości przechodzenia jonów krzemianowych do roztworu i następnie ich reakcji z jonami wapniowymi.
W wyniku tego może powstać w krótszym czasie większa ilość końcowych produktów reakcji syntezy, co z kolei determinuje właściwości mechaniczne otrzymanych tworzyw autoklawizowanych [4].

Innym racjonalnym czynnikiem wprowadzenia do mieszaniny surowcowej materiału krzemionkowego o wysokim stopniu rozdrobnienia, jest korzystna modyfikacja krzywej uziarnienia piasku kwarcowego. Wprowadzenie znaczących ilości ziaren frakcji pylastej, wpływa pozytywnie na wypadkową krzywą uziarnienia, co odgrywa bardzo istotną rolę.

Wiąże się to z możliwością uzyskiwania wyrobów o wyższym stopniu zagęszczenia, a zatem mniej porowatych i w konsekwencji odznaczających się wyższą wytrzymałością na ściskanie. W opinii autora takim substytutem piasku kwarcowego mogą być odpadowe mułki chalcedonitowe powstające w trakcie eksploatacji chalcedonitu ze złoża „Teofilów”, które zawierają w dużej mierze chalcedon jako bezpostaciową formę Si02 oraz niewielką ilość domieszek minerałów ilastych [5].

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Omawianą pracę badawczą zrealizowano zgodnie z koncepcją, która zakładała otrzymanie serii próbek autoklawizowanych tworzyw wapienno-piaskowych z mieszanek surowcowych o składzie jakościowym różnym od składu mieszanek tradycyjnych. Modyfikację   składu   jakościowego   tych   mieszanek   uzyskano   poprzez   częściową substytucją piasku kwarcowego, spełniającego w tych mieszaninach rolę kruszywa, ekwiwalentną ilością wspomnianych już odpadowych mułków chalcedonitowych. Przyjęto bowiem założenie, że częściowa zamiana jednego surowca krzemionkowego o budowie krystalicznej innym surowcem krzemionkowym, który ze względu na odmienną budowę wewnętrzną wykazuje większą aktywność chemiczną, przyniesie wymierny efekt w postaci poprawy cech wytrzymałościowych uzyskiwanych tworzyw silikatowych.

Charakterystyka surowców wyjściowych

W trakcie realizacji omawianej pracy badawczej do otrzymywania próbek autoklawizowanych tworzyw wapienno-piaskowych, wykorzystywano zasadniczo trzy rodzaje surowców. W charakterze kruszywa używano dwóch rodzajów piasków kwarcowych pochodzenia naturalnego, różniących się uziarnieniem. Używano zatem piasku ze złoża „Łysa Góra” (symbol PK-LG) oraz piasku przemysłowego o symbolu PK-L. W charakterze spoiwa używano natomiast wapna palonego niegaszonego, otrzymanego w warunkach przemysłowych (symbol LB). Surowcem stanowiącym substytut piasków kwarcowych był odpadowy mułek chalcedonitowy, który występował w czterech frakcjach ziarnowych o symbolach odpowiednio: CHL-1, CHL-2, CHL-3 oraz CHL-4.
Skład granulometryczny używanych piasków kwarcowych oznaczono metodą sitową przy użyciu przesiewacza powietrznego Hosokawa Alpine.
Charakterystykę używanego spoiwa wapiennego w zakresie zawartos’ci podstawowych tlenków, składu granulometrycznego i reaktywności przedstawia tabl.

Tabela 1. Wybrane właściwości wapna palonego

Badany parametr CaO
[% wag]
MgO
[% wag]
(CaO+MgO)ak [% wag] teo [min] tniax
[min]
Tmax    Ro,09      Ro^2
[°C] [mm] [mm]
Wartość parametru 97,9 0,5 96,6 0,6      11,6 79,8 5,2 0,2


Składy mas używanych do otrzymywania tworzyw autoklawizowanych

W pierwszym etapie badań (I seria tworzyw) próbki otrzymywano z mieszanin, w których dokonano całkowitej zamiany piasku kwarcowego poszczególnymi frakcjami odpadowych mułków chalcedonitowych. Surowce te występowały w stosunku do siebie w takich proporcjach, które zapewniały aktywność otrzymanych mas na poziomie 8%. Następnie w ramach drugiej serii (II seria tworzyw) próbki otrzymywano z mieszanin, w których dokonano substytucji na poziomie 25% wagowych piasku kwarcowego PK-LG, poszczególnymi frakcjami odpadowych mułków chalcedonitowych, zachowując niezmienione proporcje sumarycznej zawartości surowców krzemionkowych do wapna, zapewniając tym samym stałą aktywność mas na przyjętym wcześniej poziomie 8%. Natomiast w trzeciej serii (III seria tworzyw) otrzymywano próbki autoklawizowanych tworzyw wapienno-piaskowych z mas, w których dokonano substytucji piasku kwarcowego „PK-L” w granicach 10-40% odpadowym mułkiem chalcedonitowym frakcji podstawowej (CHL-1), również zachowując wzajemne proporcje poszczególnych składników, zapewniające stałą 8% aktywność mas przeznaczonych do formowania próbek. Składy mieszanek surowcowych przygotowanych do otrzymywania próbek tworzyw autoklawizowanych w ramach poszczególnych serii przedstawia tabl.2.

Preparatyka próbek

Sposób przygotowania poszczególnych mas przeznaczonych do formowania próbek był zawsze taki sam. W każdym przypadku polegało to na odważeniu odpowiedniej ilości składników, następnie ich homogenizacji prowadzonej na sucho (mieszanie w moździerzu) oraz na mokro (mieszanie w moździerzu po dodaniu wymaganej ilości wody), umieszczeniu masy w hermetycznych naczyniach szklanych w celu przeprowadzenia, z użyciem suszarki laboratoryjnej, procesu jej gaszenia w temperaturze 70°C w czasie 2 godzin oraz ponownej homogenizacji mas.

Próbki formowano w kształcie walców o wymiarach średnicy i wysokości równych 25 mm. Proces formowania próbek prowadzono metodą osiowego, dwustronnego i dwustopniowego prasowania, z międzystopniowym ich odpowietrzaniem. Wartości ciśnień początkowego i końcowego etapu prasowania, wynosiły odpowiednio 10 i 20 MPa. Bezpośrednio po zaformowaniu próbki poddawano procesowi obróbki hydrotermalanej, wykorzystując w tym celu stalowe cylindry ciśnieniowe. Zastosowane warunki obróbki hydrotermalnej, odzwierciedlające warunki obróbki wyrobów wapienno-piaskowych w autoklawach przemysłowych, były następujące:

  • ciśnienie nasyconej pary wodnej – 1,02 MPa
  • temperatura pary wodnej – 180°C
  • czas autoklawizacji – 9,5 godziny.

Właściwości fizyczne otrzymanych tworzyw

Badanie wybranych cech fizycznych otrzymanych tworzyw autoklawizowanych przeprowadzono zgodnie z zakresem normy PN-EN 771-2 oraz procedurami badawczymi podanymi w odpowiednich częściach przywołanej normy PN-EN 772.

Tabela 2. Skład mieszanek surowcowych używanych do otrzymywania tworzyw autoklawizowanych.

Symbol masy Udział danego składnika w mieszaninie g [% wagowy]
Surowce krzemiankowe Wapno LB Woda
Piasek kwarcowy CHL-1 CHL-2 CHL-3 CHL-4
Seria I (próbki tworzyw autoklawizowanych z udziałem poszczególnych frakcji ziarnowych odpadowych mułków chalcedonitowych)
CHL-1 122,3 (84,0) 11,0 (7,6) 12,2 (8,4)
CHL-2 122,3 (84,0)
CHL-3 122,3 (84,0)
CHL-4 122,3 (84,0)
Seria II (25% substytucja piasku kwarcowego PK-LG poszczególnymi frakcjami ziarnowymi odpadowych mułków chalcedonitowych)
LG-LB 122,3 (84,0) 11,0 (7,6) 12,2 (8,4)
LG-CHL-1 91,7 (63,0) 30,6 (21,0)
LG-CHL-2 30,6 (21,0)
LG-CHL-3 100,9 (63,0) 33,6 (21,0) 12,1 (7,6) 13,4 (8,4)
LG-CHL-4 33,6 (21,0)
Seria II (substytucja piasku kwarcowego „PK-L” w granicach 0-40% odpadowym mułkiem chalcedonitowym CHL-1)
L-CHL-0 146,8 (84,0) 13,2 (7,6) 14,7 (8,4)
L-CHL-10 132,1 (75,6) 14,7 (8,4)
L-CHL-20 117,5 (67,1) 29,3 (16,8)
L-CHL-25 110,0 (62,9) 36,7 (21,0)
L-CHL-30 102,7 (58,8) 44,0 (25,2)
L-CHL-40 88,1 (50,4) 58,7 (33,6)

Zgodnie z wymienionymi dokumentami odniesienia zakres badań cech użytkowych próbek obejmował następujące cechy: wytrzymałość na ściskanie fs, gęstość pn,u, absorpcję wodną cw oraz trwałość. Dodatkowo poza zakresem normy dla otrzymanych próbek tworzyw autoklawizowanych oznaczano ich porowatość otwartą metodą ważenia hydrostatycznego. Otrzymane wyniki badań przedstawia tabl.3.

Tabela 3. Właściwości fizyczne otrzymywanych próbek tworzyw autoklawizowanych.

Badana cecha Symbole próbek (symbole mas)
I seria
CHL-1 CHL-2 CHL-3 CHL-4
Gęstość pn,u [kg/mJ] 1602 1493 1356 1523
Wytrzymałość fB [MPa] 53,1 37,8 33,3 17,7
Absorpcja wodna cw [%] 23,3 27,8 35,8 23,0
Porowatość otwarta P0 [%] 38,4 42,5 48,9 36,7
II seria
LG-LB LG-CHL-1 LG-CHL-2 LG-CHL-3 LG-CHL-4
Gęstość pn.u [kg/mJ] 1634 1742 1774 1775 1634
Wytrzymałość fs [MPa] 24,3 39,4 57,3 68,7 20,4
Absorpcja wodna cw [%] 20,9 16,9 16,8 17,2 17,3
Porowatość otwarta P0 [%] 35,5 30,6 30,9 31,3 30,4
III seria
L-CHL-0 L-CHL-10 L-CHL-20 L-CHL-25 L-CHL-30 L-CHL-40
Gęstość pn,u [kg/m3] 1816 1884 1921 1901 1929 1935
Wytrzymałość fB [MPa] 31,2 34,9 56,6 66,5 73,6 66,8
Absorpcja wodna cw [%] 14,2 11,9 12,3 14,7 12,3 11,7
Porowatość otwarta P0 [%] 26,6 22,9 24,0 28,2 24,0 22,8

Analizując uzyskane wyniki badań widać bardzo korzystny wpływ zawartości odpadowych mułków chalcedonitowych na podstawowe cechy użytkowe otrzymanych tworzyw autoklawizowanych. Wraz ze wzrostem udziału mułków chalcedonitowych w mieszaninie surowcowej do ilości nie przekraczającej 40% wagowych substytucji piasku kwarcowego, wzrasta gęstość i wytrzymałość na ściskanie omawianych tworzyw oraz maleje ich nasiąkliwość, co jest wynikiem obniżania się porowatości otwartej. Również w zakresie trwałości, rozumianej jako odporność na działanie niskich temperatur (-15°C) należy stwierdzić, że pełną mrozoodpornością odznaczają się tworzywa, w których dokonano substytucji piasku kwarcowego powyżej 10% wagowych. Zatem najkorzystniejsze zmiany tych właściwości są obserwowane dla substytucji piasku kwarcowego w granicach 20-30% wagowych.

WNIOSKI

W oparciu o prezentowane w niniejszej pracy rezultaty badań, które stanowią jedynie pewien fragment badań prowadzonych szerzej w ramach projektu badawczego, można sformułować następujące spostrzeżenia:
l. Odpadowe mułki chalcedonitowe mogą być używane jako substytut naturalnego piasku kwarcowego w granicach 20-30% stosunków wagowych, a uzyskiwane z ich udziałem wyroby wapienno-piaskowe odznaczają się korzystniejszymi cechami użytkowymi.
2. Obserwowana     poprawa     cech     użytkowych     wyrobów     wapienno-piaskowych, w  szczególności wyraźny wzrost  ich wytrzymałości  na ściskanie, jest wynikiem synergicznego efektu polegającego na chemicznym i fizycznym oddziaływaniu mułków chalcedonitowych z pozostałymi składnikami mieszanek surowcowych używanych do produkcji tego typu wyrobów.

LITERATURA

  • Rademaker P.D., Reiman V.: Zement-Kalk-Gips, Vol. 47, Nr 11, 1994, pp.636-642.
  • Handke M.:   Krystalochemia  krzemianów,  Uczelniane  Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2005.
  • Liebau F.: Structural Chemistry of Silicates, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1985.
  • Dyczek J.: Zeszyty Naukowe AGH, Ceramika z. 42, Kraków, 1979.
  • Ratajczak T., Wyszomirski P.: Gospodarka surowcami mineralnymi, tom 7, zeszyt 1,1991, s.65-84.

Tekst jest wynikiem badań jednego z etapów realizowanego w okresie 2004 – 2007 projektu badawczego, finansowanego przez MNiSz W w ramach grantu Nr 4 T07E 01027

WARSTWY – DACHY i ŚCIANY 1/2008

Udostępnij ten wpis

Post Comment