Widok Tom 67 Nr 1 (2015)

67

www.ptcer.pl/mccm

Zdzisław Owsiak, Anna Sołtys*

Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce *e-mail: soltys_a@wp.pl

1. Wstęp

Autoklawizowany beton komórkowy(ABK) to bardzo atrakcyjny materiał budowlany stosowany w Europie oraz innych krajach świata. Produkuję się go z dostępnych, ta-nich i starannie przygotowanych surowców. Wytwarzany jest przez obróbkę hydrotermalną kwarcu, cementu port-landzkiego, gipsu, wapna oraz proszku glinowego. Podczas autoklawizacji krzem reaguje z wodorotlenkiem wapnia, tworząc strukturę mikrokrystaliczną o powierzchni właści-wej mniejszej niż uzyskałoby się w warunkach normalnego utwardzania. W wyniku tego otrzymuje się materiał łączący ze sobą cechy materiału izolacyjnego oraz konstrukcyjnego [1-3].

Główną fazą powstającą w autoklawizowanych kom-pozytach budowlanych, zapewniająca gotowym wyrobom odpowiednie właściwości mechaniczne, jest tobermoryt. Zrozumienie mechanizmu powstawania w procesie klawizacji tej fazy jest niezwykle ważne dla produkcji auto-klawizowanego betonu komórkowego [4].

Syntezę tobermorytu przeprowadzono z dodatkiem haloizytu Al4[Si4O10](OH)8·4H2O. Minerał ten należy do

monofyllokrzemianów o pakietach dwuwarstwowych 1:1, bezładnie przesuniętych względem siebie w kierunku a i b. W minerale tym występuje wzajemne niedopasowanie

Wpływ haloizytu na układ CaO-SiO

2

-H

2

O

w warunkach hydrotermalnych

Streszczenie

Artykuł przedstawia wyniki badań przeprowadzonych w układach modelowych, dotyczących syntezy tobermorytu z dodatkiem haloizy-tu. Głównymi składnikami surowcowymi były piasek kwarcowy i wypalony tlenek wapnia. Mieszaniny tych składników i haloizytu, dodane-go w ilości 5%, 10% lub 30%, przeprowadzono w stan homogenicznych zawiesin, które poddano obróbce w warunkach hydrotermalnych w temperaturze 180 °C przez 12 h. Uzyskane tworzywa charakteryzowano wykorzystując metody XRD, DTA i TG. Do badania mikrostruk-tury zastosowano skaningową mikroskopię elektronową (SEM). Podstawowym produktem syntezy był tobermoryt. W przypadku dodatku 30% haloizytu do mieszaniny zawierającej CaO i SiO2 stwierdzono występowanie katoitu.

Słowa kluczowe: tobermoryt, haloizyt, katoit, beton, komórkowy, warunki hydrotermalne

EFFECTS OF HALLOYSITE ON THE CaO-SiO2-H2O SYSTEM IN HYDROTHERMAL CONDITIONS

This paper presents the results of the studies carried out in the model systems and concerning the tobermorite synthesis with an addi-tion of halloysite. Quartz sand and quicklime were the main raw material constituents. The mixtures of these constituents and 5%, 10% or 30% of halloysite in the form of homogenous slurries underwent hydrothermal treatment for 12 h at 180 °C. The resultant composites were analysed for their phase composition using XRD, DTA and TG methods. The microstructure was examined using SEM. Tobermorite was the principle reaction product. When 30% halloysite was added to the mixture containing CaO and SiO2, the formation of katoite was

found.

Keywords: Tobermorite, Haloysite, Katoite, Autoclaved aerated concrete, Hydrothermal conditions

warstwy tetraedrycznej i oktaedrycznej. Relaksacja naprę-żeń będąca wynikiem niedopasowanie warstwy powoduje zwinięcie pakietów i powstawaniu morfologii rurkowej. Mię-dzy pakietami rozmieszczone są cząsteczki wody, które tworzą warstwę monomolekularną i przyczyniają się do osłabienia wiązań wodorowych [5-8]. Zminimalizowanie niedopasowania warstw może wystąpić wtedy, gdy pakiety będą zwijały się w kierunku c; wówczas wiązanie wodoro-we będzie osłabione [9].

Głównym celem przeprowadzonych badań było określe-nie wpływu różnych zawartości haloizytu na skład fazowy autoklawizowanych kompozytów budowlanych w układzie CaO-SiO2-H2O. W badaniach składu fazowego oraz

mikro-struktury materiałów autoklawizowanych zastosowano me-todę termicznej analizy różnicowej, analizę rentgenowską oraz mikroskopię skaningową.

2. Materiały i metody badań

Surowcami do otrzymania autoklawizowanych kom-pozytów był piasek kwarcowy oraz tlenek wapnia. Pia-sek kwarcowy spełniał wymagania normy PN-EN 196-1. Ziarna piasku mniejsze niż 0,5 mm zostały zmielone do uzyskania powierzchni właściwej 6560 cm2_{/g zmierzonej}

wypra-68

Z. Owsiak, A. Sołtys

żenie czystego węglanu wapnia w temperaturze 1000 °C w czasie 2 h. Jako dodatek zastosowano haloizyt, który pochodził z kopalni Dunino. Dodatek haloizytu wyno-sił 5%, 10% lub 30% wagowych liczonych względem sumy składników CaO i SiO2. Tobermoryt syntezowano

w stosunku molowym CaO/SiO2 wynoszącym 0,83.

Sto-sunek ilości wody W do ilości składników w stanie stałym

S wynosił 2 (W/S = 2). Składniki zostały umieszczone

w plastikowych pojemnikach, a następnie homogenizo-wane przez 5 minut. Haloizyt wprowadzano pod koniec mieszania składników głównych. Następnie zawiesiny przenoszono do tygli teflonowych, które umieszczano w autoklawie laboratoryjnym. Proces autoklawizacji pro-wadzony był w temperaturze 180 °C w atmosferze nasy-conej pary wodnej w czasie 12 h. Wzrost temperatury w autoklawie wynosił 1,5 °C/min. Próbki po syntezie zo-stały wysuszone w suszarce próżniowej w celu uniknięcia zanieczyszczenia próbek CO2.

Przemiany zachodzące podczas ogrzewania otrzyma-nych kompozytów badano metodą termicznej analizy róż-nicowej (aparat TA Instrument), natomiast skład fazowy oznaczono metodą rentgenograficzną (EMPYREAN firmy PANalytical). Obserwacje mikrostruktury przeprowadzono za pomoca mikroskopu skaningowego (Quanta 250 FEG), z wykorzystaniem niskiej próżni. Ciśnienie pary wodnej w at-mosferze równe było 30 Pa.

3. Wyniki i dyskusja

Skład fazowy próbek syntezowanych w temperaturze 180 °C w czasie 12 godzin z różną ilością haloizytu przed-stawia Rys. 1.

Analizując rezultaty badań rentgenograficznych w przy-padku próbek bez dodatku haloizytu oraz zawierających 5% lub 10% haloizytu można zauważyć, że widoczny na rentgenogramach układ refleksów jest do siebie zbliżony,

niezależnie od ilości dodanego minerału. Zaobserwowano zmiany w intensywnościach linii dyfrakcyjnych, które zwią-zane są z wprowadzeniem do struktury powstających pro-duktów dodatkowej ilości krzemu oraz glinu pochodzących z haloizytu. Nie stwierdzono występowania nowych faz. Zauważalna jest natomiast zwiększona pozostałość SiO2;

krzemionka nie ulega całkowitemu przereagowaniu i wystę-puje w postaci nieprzereagowanej w próbkach z dodatkiem minerału ilastego. Intensywność linii kwarcu wzrasta ze zwiększeniem ilość haloizytu w kompozycie autoklawizo-wanym. W próbkach zawierających 30% haloizytu oprócz tobermorytu i nieprzereagowanego kwarcu stwierdzono istnienie nowej fazy katoitu.

Wyniki badań składu fazowego określonego metodą dy-frakcji rentgenowskiej zostały potwierdzone w badaniach mi-kroskopowych. Fotografie mikrostruktury zamieszczono na Rys. 2. W próbkach bez dodatku haloizytu oraz w próbkach z dodatkiem 5% i 10% haloizytu zaobserwowano dobrze wykształcone skupiska tobermorytu. Natomiast w próbce zawierającej 30% haloizytu oprócz tobermorytu występują skupiska hydrogranatów (Rys. 2d).

Analiza krzywych DTA i TG (Rys. 3a i 3b), poparta wynika-mi badań XRD badanych kompozytów, pozwoliła przypisać określone procesy poszczególnym efektom termicznym za-rejestrowanym na krzywych DTA. W temperaturze ok. 60 °C dochodzi do ubytku wody wiązanej powierzchniowo. Drugi ubytek masy występuje w temperaturze ok. 186 °C, który związany jest z odwodnieniem tobermorytu. Dodatkowy pik endotermiczny pojawia się w temperaturze ok. 310 °C w przypadku próbki zawierającej 30% haloizytu. Efekt ten związany jest ze stopniową utratą wody występującej w strukturze hydrogranatów w postaci grup hydroksylowych, co jest rejestrowane w postaci ubytków masy na krzywych TG. Efekt egzotermiczny występujący w temperaturze ok. 820 °C związany jest z zerwaniem wiązań w strukturze to-bermorytu i powstaniem wollastonitu Ca3[SiO3].

Rys. 1. Dyfraktogram rentgenowski mieszanin surowcowych CaO/SiO2 = 0,83 z dodatkiem 0%, 5%, 10%, 30% haloizytu otrzymanych

w wyniku autoklawizacji w 186 °C przez okres 12 godzin; T – tobermoryt, K – katoit, Q – kwarc.

Fig. 1. X-ray diffraction patterns of products obtained from raw materials mixtures of CaO/SiO2 = 0.83 and 0%, 5%, 10% and 30% halloysite

MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 67, 1, (2015)

69

Wpływ haloizytu na układ CaO-SiO2-H2O w warunkach hydrotermalnych

a) b)

Rys. 3. Krzywe termiczne DTA i TG tobermorytu z dodatkiem haloizytu po 12 godzinach autoklawizacji. Fig. 3. DTA and TG curves of tobermorite with halloysite additives after 12 hours of autoclaving.

a) b)

c) d)

Rys. 2. Morfologia produktów otrzymanych w wyniku autoklawizacji w 186 °C przez okres 12 godzin mieszaniny surowcowej CaO/SiO2 = 0,83

z dodatkiem haloizytu w ilości: a) 0%, b) 5%, c) 10%, d) 30%.

Fig. 2. Morphology of products obtained from mixtures of CaO/SiO2 = 0.83 and 0% (a), 5% (b), 10% (c) and 30% (d) halloysite which were

70

Z. Owsiak, A. Sołtys

4. Wnioski

Tobermoryt w warunkach hydrotermalnych może być syntezowanym z dodatkiem minerału ilastego jakim jest haloizyt. Niezależnie od ilości haloizytu w mieszaninie re-akcyjnej nie stwierdzono występowanie nieprzereagowa-nego haloizytu; można przypuszczać, że wszedł on w skład tobermorytu. Badania wykazały, że haloizyt w warunkach hydrotermalnych jest aktywny i prawdopodobnie reaguje on przed kwarcem. Dodatek tego minerału w ilości 30% przy-czynia się do powstania katoitu.

Literatura

[1] Pichór, W.: Właściwości autoklawizowanego betonu komórkowego z dodatkiem mikrosfer glinokrzemianowych, Cement Wapno Beton, 1/2012, 32-37.

[2] Dziekan, E., Laska, J., Małolepszy, J.: Wpływ superplasty-fikatorów polimerowych na właściwości autoklawizowanego betonu komórkowego, materiały z 5. Międzynarodowej Kon-ferencji dotyczącej Autoklawizowanego Betonu Komórkowe-go, Bydgoszcz, Polska 14-17 września 2011, 225-232. [3] Pytel, Z.: Synteza hydrogranatów z szeregu

grossular-hydro-grossular w układzie C3A-SiO2-H2O w warunkach

hydroter-malnych, Materiały Ceramiczne, 65, 3, (2013), 332-342. [4] Matsui, K., Ogawa, A., Kikuma, J., Tsunashima, M., Ishikawa,

T., Matsuno, S.: Badanie wpływu domieszek gipsu i związku Al na powstawanie tobermorytu w autoklawizowanym betonie komórkowym za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej in situ, materiały z 5. Międzynarodowej Konferencji dotyczącej Autoklawizowanego Betonu Komórkowego, Bydgoszcz, Pol-ska 14-17 września 2011, 158-163.

[5] Handke, M.: Krystalochemia krzemianów, Wydawnictwa AGH, Kraków, 2008.

[6] Stoch, L.: Minerały ilaste, Wydawnictwa Geologiczne, War-szawa, 1974.

[7] Sand, L. B., Comer, J. J.: A study in morphology by electron diffraction, Clays and Clay Minerals, 3, 1955, 26-30. [8] Guggenheim, S., Adams, J. M., Bain, D. C, Bergaya, F.,

Brig-atti, M. F., Drits, F. A, Formoso, M. L. L., Galan, E., Kogure, T., Stanjek, H.: Summary of recommendations of nomencla-ture committees relevant to clay mineralogy: report of the Association Internationale Pour L’etude des Argiles (AIPEA) nomenclature committee 2006, Clays and Clay minerals, 54, (2006),761-772.

[9] Singh, B.: Why does halloysite roll? A new model, Clays and Clay minerals, 44, (1996), 191-196.

♦