Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРБОНАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Шумкина А.А. 1 Карев М.Н. 1
1 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Для технологической оценки карбонатных пород проведен полный химический анализ, включающий в себя определение процентного содержания диоксида кремния SiO2, оксидов железа и алюминия (суммы полуторных оксидов Fe2O3+AI2O3), оксида серы SO3, карбоната кальция CaCO3, карбоната магния MgCO3 и потерь при прокаливании. Интенсивность реакционно-химического взаимодействия карбонатных пород со щелочами оценивалась по содержанию образующихся продуктов реакции (Na2CO3, K2CO3, Mg(OH)2) и по остаточному содержанию щелочи (NaOH, KOH). Таким образом, предложены методы исследования основных компонентов карбонатных пород и композитов на их основе с целью оценки интенсивности реакционно-химического взаимодействия вяжущих на основе системы «доломит-щелочь» и «доломит-шлак-щелочь».
реакционная активность
оксиды
щелочь
Карбонатные породы
1. Вернигорова В.Н. Современные химические методы исследования строительных материалов. - М. : АСВ, 2003.
2. Викторова О.Л. Карбонатношлаковые композиционные строительные материалы : дис. … канд. техн. н. – М., 1998.
3. Крешков А.П. Основы аналитической химии. – М. : Химия, 1970. - Т. 1, 2.
4. Penkala Barbara Бетоны на заполнителе из карбонатных пород // Экспресс-информация. Силикатные строительные материалы. – 1970. - № 29.
5. Penkala Barbara Проблема уменьшения расширения бетонов с заполнителем из карбонатных пород // Экспресс-информация. Силикатные строительные материалы. – 1975. - № 15.
6. Шумкина А.А., Карев М.Н. Исследование реакционной активности доломитизированных карбонатных пород в щелочных средах // Современные проблемы науки и образования. – 2014. - № 2. - URL: http://www.science-education.ru/116-12946.

Карбонаты занимают первое место в производстве строительных материалов, что существенно повышает баланс углекислого газа от всех источников выделения его в атмосферу и нарушает экологическое состояние планеты. Поэтому использование карбонатов в необожженном виде определяет не только энергосбережение в производстве строительных материалов, но и экологическое улучшение атмосферы.

В технологии получения карбонатношлаковых изделий [2] не учитывается химическое взаимодействие между продуктами гидратации шлака и карбонатами кальция и магния, идущее вглубь карбонатных частиц. Говоря о возможном химическом взаимодействии продуктов гидратации цемента или шлака с карбонатными породами, исследователи не принимают во внимание возможность участия карбонатов кальция и магния, являющихся основной частью карбонатных пород, в процессах структурообразования, обусловленных реакцией со щелочами, ссылаясь на отсутствие реакционной активности СаСО3 и MgСО3 со щелочами и карбонатами щелочных металлов. Кроме того, не рассматривается возможность реакционно-химического взаимодействия карбонатной породы со щелочами, выступающими в качестве активизаторов твердения карбонатношлакового вяжущего.

Впервые на возможность реакционно-химического взаимодействия карбонатных пород со щелочами указывается в работах, посвященных использованию доломитовых заполнителей в цементных бетонах [4; 5]. Однако способность доломитов и доломитизированных известняков к расширению в щелочной среде является недостаточным доказательством их реакционной активности. Для теоретического подтверждения возможности взаимодействия карбонатных пород со щелочами проведены термодинамический и кинетический анализы возможных химических процессов в системе «карбонатная порода – щелочь» и, кроме того, подтверждены полученные в итоге результаты методами качественного химического анализа [6].

Методы исследования химических свойств карбонатных пород и композитов на их основе

1. Технологическая оценка исходных сырьевых материалов для доломитощелочных и доломитошлакощелочных композиций.

В качестве карбонатной составляющей для получения доломитощелочных и доломитошлакощелочных композиционных материалов использовались карбонатные породы различной степени доломитизации: доломит Воронежской области, доломит карьера Сатка, доломитизированный известняк Иссинского карьера, кальцит Иссинского карьера, мрамор и магнезит квалификации «ч». Удельная поверхность карбонатных пород равна Sуд=330-350 м2/кг. В качестве шлакового компонента использовался доменный гранулированный шлак Новолипецкого металлургического комбината с Sуд=330-350 м2/кг и доменный гранулированный шлак Череповецкого металлургического комбината. Все шлаки отвечают требованиям ГОСТ 3476-74 «Шлаки доменные и ЭТФ, гранулированные для производства цементов».

В качестве активизатора твердения (щелочного компонента) доломитошлакощелочных композиционных материалов использовался гидроксид натрия NaOH квалификации «чда» (ГОСТ 4328-77) и гидроксид калия КОН квалификации «чда» (ГОСТ 24363). Активизатором твердения каустического доломита являлся хлорид магния MgCI2×6Н2О квалификации «хч».

Для технологической оценки карбонатных пород был проведен полный химический анализ, включающий в себя определение процентного содержания диоксида кремния SiO2, оксидов железа и алюминия (суммы полуторных оксидов Fe2O3+AI2O3), оксида серы SO3, карбоната кальция CaCO3, карбоната магния MgCO3 и потерь при прокаливании.

Диоксид кремния, полуторные оксиды и оксид серы определяли весовым методом, карбонаты кальция и магния – методом комплексонометрического титрования трилоном Б [1].

Определение содержания диоксида кремния основано на разложении силикатов концентрированными растворами сильными кислотами. Высушенную при 105-110 °С пробу обрабатывали концентрированной соляной кислотой. Получившийся осадок кремниевых кислот прокаливали при температуре 1050-1100 °С и взвешивали. При высокой температуре кремнекислоты теряют воду и переходят в диоксид кремния:

.

Для определения содержания оксида серы сульфат-ионы осаждали раствором хлорида бария в солянокислой среде в виде сульфата бария. Однако в ходе анализа осадок не выпадал, что позволило сделать вывод об отсутствии серы в исследуемых карбонатных породах.

Алюминий и железо после отделения кремнекислоты осаждали в виде гидроксидов концентрированным раствором аммиака при значении рН=5,5, что соответствует изоэлектрической точке коллоидных растворов Al(OH)3 и Fe(OH)3. Далее полученный осадок прокаливали при температуре 850-900 °С и взвешивали. В процессе прокаливания гидроксиды теряют воду и переходят в оксиды по схеме:

Комплексонометрический метод определения ионов Ca2+ и Mg2 основан на применении двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (трилона Б), образующей с данными ионами очень прочные бесцветные комплексные соединения. Определение содержания ионов кальция Ca2+ титрованием анализируемого раствора трилоном Б в щелочной среде проводили в присутствии индикатора мурексида, содержание ионов магния Mg2+ с индикатором эриохромом черным Т - в среде аммиачного буфера. В результате химического анализа было установлено, что в исследованных карбонатных породах отсутствовали сульфат- и хлорид-анионы, поэтому в расчетах принималось, что содержание ионов Mg2+ и Ca2+соответствует карбонатам MgCO3 и CaCO3.

Определение потери при прокаливании проводили следующим образом: в предварительно прокаленный и взвешенный фарфоровый тигель помещали 1 г пробы, высушенной при температуре 105-110 °С. Затем помещали его в муфельную печь, выдерживали при температуре 950-1000 °С и взвешивали. Прокаливание повторяли при той же температуре до получения постоянной массы.

Химический состав карбонатных пород приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав карбонатных пород

Вид карбонатной породы

Содержание основных компонентов, %

CaСO3

MgСO3

SiO2

SO3

Al2O3+Fe2O3

Магнезит

1,2

97,8

0,4

-

0,4

Доломит темноокрашенный

50,4

39,0

8,2

1,2

1,4

Доломит Воронежский

51,6

41,4

6,0

-

1,0

Доломитизированный известняк

82,8

12,6

4,2

-

0,4

Кальцит

98,4

4,7

0,8

следы

1,5

2. Методы химического анализа композитов на основе системы «доломит-щелочь» и «доломит-шлак-щелочь».

Возможность химического взаимодействия карбонатных пород со щелочами (Na,K)OH в доломитощелочной системе оценивалась по результатам качественного химического анализа [3], целью которого являлось качественное определение конечных продуктов реакции (Na,K)2CO3 и Mg(OH)2. Определение нерастворимого Mg(OH)2 основано на свойстве гидроксида магния адсорбировать некоторые красители. 1-2 капли растворенной в воде доломитощелочной смеси помещали на предметное стекло и добавляли 1-2 капли раствора реактива. В щелочной среде с магнезоном (I) Mg(OH)2 образует сине-фиолетовую окраску. Определение (Na,K)2CO3 основано на разложении карбонатов концентрированными растворами кислот с выделением углекислого газа. Навеску доломитощелочной смеси растворяли в дистиллированной воде и отфильтровывали от нерастворимого осадка. Фильтрат, содержащий ионы CO32-, обрабатывали концентрированным раствором соляной кислоты. Углекислый газ обнаруживали известковой водой (насыщенный раствор Са(OH)2) по выпадению осадка карбоната кальция.

Интенсивность реакционно-химического взаимодействия карбонатных пород со щелочами оценивалась по содержанию образующихся продуктов реакции (Na2CO3, K2CO3, Mg(OH)2) и по остаточному содержанию щелочи (NaOH, KOH). Количественное содержание продуктов реакции (Na2CO3, K2CO3,) и остаточной щелочи (NaOH, KOH) при их совместном присутствии определялось химическим путем методом кислотно-основного титрования [4]. Метод основан на титровании анализируемой пробы рабочим раствором соляной кислоты с индикатором метиловым оранжевым. В одной аликвотной части анализируемого раствора определялась сумма карбонат- и гидроксид-ионов (), а в другой – содержание гидроксид-ионов после осаждения карбонат-ионов раствором хлорида бария BaCl2 в присутствии индикатора фенолфталеина.

Определение количественного содержания гидроксида магния Mg(OH)2 проводилось по методу Торопова Н.А. и Каценеленбогена П.Д. [1]. Данный метод основан на экстракции гидроксида магния безводным спиртом и последующем определении его содержания комплексонометрическим методом. Навеску исследуемой пробы обрабатывали раствором хлорида аммония в безводном метиловом спирте и выдерживали на кипящей водяной бане. Полученный осадок отфильтровывали, прокаливали и растворяли в дистиллированной воде. Далее ионы Mg2+ в анализируемом растворе определяли титрованием трилоном Б с индикатором эриохром черный Т в среде аммиачного буфера.

Полученные экспериментальные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2

Cодержание брусита Mg(OH)2, соды Na2СО3 и остаточной щелочи при различных количествах исходного NaОН

Вид карбонатной породы

Соотношение

содержания

 MgCO3 и

СаСО3 в карбонатной

породе, %

Количество NaОН, % от массы сухого вещества

Содержание Na2СО3, NaОН и Mg(OH)2, % от массы сухого вещества

3 сут

7 сут

28 сут

NaОН

Na2СО3

Mg(OH)2

NaОН

Na2СО3

Mg(OH)2

NaОН

Na2СО3

Mg(OH)2

Доломити-зированый известняк

12,6:82,8

2

0,52

1,13

0,14

0,40

1,60

0,18

0,0

1,65

0,22

5

0,17

3,20

0,28

0,09

4,45

0,37

0,0

5,51

0,46

8

0,12

4,46

0,38

0,07

6,60

0,55

0,0

7,37

0,72

Доломит Воронежский

40,6:48,9

2

0,65

1,03

0,26

0,48

1,58

0,36

0,0

1,63

0,45

5

0,27

2,90

0,39

0,14

3,80

0,52

0,0

5,90

0,72

8

0,18

3,90

0,50

0,09

5,30

0,72

0,0

7,14

0,95

Доломит (Сатка)

38,0:44,0

2

0,65

0,97

0,47

0,41

1,19

0,80

0,0

1,30

0,90

5

0,27

2,60

0,61

0,25

3,40

1,00

0,0

4,30

1,26

8

0,18

3,30

0,95

0,15

4,90

1,24

0,0

7,00

1,59

Применение

Проведенные исследования предопределили возможность изучения влияния вида, количества щелочного компонента, а также содержания MgСО3 в карбонатной породе на интенсивность протекания реакционно-химического взаимодействия в доломитощелочной и доломитошлакощелочной системах.

Заключение

Таким образом, предложенные методы анализа основных компонентов карбонатных пород и композитов на их основе позволяют дать оценку интенсивности реакционно-химического взаимодействия вяжущих на основе системы «доломит-щелочь» и «доломит-шлак-щелочь».

Рецензенты:

Фокин Г.А., д.т.н., профессор кафедры физики и химии, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, г. Пенза.

Вилкова Н.Г., д.х.н., профессор кафедры физики и химии, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, г. Пенза.


Библиографическая ссылка

Шумкина А.А., Карев М.Н. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРБОНАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15078 (дата обращения: 13.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074