01_2017

WPŁYW ROZDROBNIENIA
ZEOLITU NATURALNEGO
Zeolity są grupą materiałów o mikroporowatej
strukturze, która może pomieścić wiele różnych
kationów, takich jak Na, K, Ca, Mg i innych.
Jony te, są dość luźno i łatwo rozmieszczone, mogą
być zatem wymieniane na inne. Niektóre z bardziej
popularnych zeolitów mineralnych to analcym, chabazyt
klinoptylolit, heulandyt, natrolit, phillipsyt
i stylbit.
Minerały te zostały odkryte przez szwedzkiego
mineraloga Alexa Frederika Cronstedta, który
zauważył, że po szybkim podgrzaniu, z wnętrza
materiału zaczynają odparowywać duże ilości zaadsorbowanej
wody. Nazwa „Zeolit” wywodzi się od
greckiego ZEO (zagotować) oraz LITHOS (kamień).
[1] Naturalnie zeolity tworzą się w miejscach, gdzie
pokłady skał i popiołów wulkanicznych reagują z zasadowymi
wodami gruntowymi. Z racji faktu, że naturalnie
występujące zeolity są często zanieczyszczone,
do celów komercyjnych stosuje się obecnie
zeolity wytworzone sztucznie. [2]. W literaturze[4, 5,
6] przedstawiono wyniki badań próbek betonowych
z dodatkiem zeolitu, które dowodzą pozytywnego
oddziaływania zeolitu naturalnego na właściwości takie
jak: penetracja wodna, skurcz i odporność na korozję.
Zeolity naturalne zbudowane są z elementów
krzemianowych[SiO4] i glinianowych [AlO4]
połączonych jonami tlenowymi w poliedry, które
są podstawowymi jednostkami budowy przestrzennej
zeolitów. Na Rys.1 przedstawiono motyw struktury
krystalicznej klinoptylolitu- materiału wykorzystanego
do badań będących podstawą niniejszego
opracowania. [7]
Klinoptylolit to uwodniony glinokrzemian zawierający
dużą ilość krzemu, co stwarza możliwości
chemicznej modyfikacji ich właściwości adsorpcyjnych
i jonowymiennych. Przeważającymi kationami
wchodzącymi w jego skład są wapń, sód i potas.
[8] Jest zeolitem najbardziej rozpowszechnionym
w przyrodzie i tworzącym największe zasoby. Przez
lata doświadczeń zakres stosowania zeolitów rozszerzył
się. Wykorzystuje się je nie tylko w uzdatnianiu
30 MAGAZYN STUDENCKI „POLIFORUM”
NA WŁAŚCIWOŚCI BETONU
i zmiękczaniu wód, ale również w separacji i magazynowaniu
gazów, katalizie oraz jako dodatków do betonów.[8]
Rys.1 Motyw struktury krystalicznej (z lewej) i złożonego
układu sieci 3x3x3 (z prawej) na przykładzie zeolitu naturalnego
klinoptylolitu.[8]
Do badań przygotowano 4 serie próbek. Każda
seria składała się z trzech prostopadłościennych
beleczek o wymiarach 40 x 40 x 160 mm. Skład eksperymentalnych
wyrobów zestawiono w Tabeli 1.
Seria I to zaprawa normowa bez dodatku zeolitu.
W serii II, III i IV 20% cementu zastąpiono zeolitem
o różnej frakcji. W serii II zastosowano zeolit o frakcji
0-0,35 mm. W serii III frakcji 0-0,125 mm , natomiast
w serii ostatniej dodano zeolit o frakcji 0-0,063 mm.
Postępując zgodnie z PN-EN 196-1:2006 wykonano
zaprawy i zaformowano próbki, wcześniej badając
konsystencję na stoliku rozpływowym. Po 24 godzinach
próbki przełożono do kąpieli wodnej. W pełni
zanurzone w stałych warunkach cieplnowilgotnościowych
dojrzewały przez 28 dni. Gotowe wyroby
poddano badaniu wytrzymałości na zginanie (Fot.1)
i ściskanie (Fot.2) wykorzystując prasę hydrauliczną
włoskiego producenta Tecnotest w laboratorium Politechniki
Świętokrzyskiej. Zaczyny cementowe o takim
samym stosunku w/s oraz ilości dodatku jak przy
zaprawach zbadano pod kątem początku czasu wiązania
przy użyciu aparatu Vicata.
Wyniki badań konsystencji na stoliku rozpływowym
wykazały pogorszenie się badanego parametru
po dodaniu zeolitu o frakcji 0-0,35 (średni rozpływ
16cm) oraz 0-0,125 (średni rozpływ 17,33cm) względem
zaprawy normowej (średni rozpływ 18,23cm)
co można wytłumaczyć wodożądnością dodatku.
Tab.1 Skład mieszanki. [Źródło: opracowanie własne]
W przypadku klinoptylolitu o rozdrobnieniu 0-0,063
konsystencja nieznacznie się poprawiła (średni rozpływ
18,45cm) co może być spowodowane wymiarami
ziarenek, które zmniejszyły tarcie wewnętrzne
mieszanki.
Badanie początku czasu wiązania aparatem
Vicata wykazało, że zastąpienie 20% cementu
klinoptylolitem powoduje wydłużenie początku
czasu wiązania. Próbka bez dodatku zaczęła wiązać
po 246 minutach, a próbki z zeolitem kolejno wraz
z rozdrobnieniem dodatku po 264, 257 i 251 minutach.
Opóźnienie to zapewne ma związek z tym,
że w próbkach z dodatkiem było 20% mniej cementu,
który bezpośrednio reaguje z wodą. Kolejnym
faktem, który może tłumaczyć opóźnienie wiązania
jest to, że do zajścia reakcji pucolanowej niezbędny
jest wodorotlenek wapnia, który najpierw musi wytworzyć
się w reakcji cementu z wodą. Dodatkowo
reakcja pucolanowa jest reakcją powolną w stosunku
do reakcji cement-woda. Różnice pomiędzy kolejnymi
frakcjami wynikają z rozdrobnienia, a tym samym
powierzchni właściwej i aktywności chemicznej dodatku.
Im większe rozdrobnienie tym większa powierzchnia
właściwa i tym „chętniej” dodatek ulega
reakcji.
Fot.1 Próbka poddana badaniu wytrzymałości na
zginanie.
Z przeprowadzonych badań wynika, że zastąpienie
20% cementu zeolitem w przypadku próbek
nienapowietrzanych po 28 dniach dojrzewania skutkuje
obniżeniem wytrzymałości na zginanie w stosunku
do próbki normowej. Zastosowanie zeolitu
o frakcji 0-0,35 mm powoduje spadek wytrzymałości
o ponad 1 MPa. Zastosowanie mniejszych frakcji
z kolei, spadek o około 0,6 MPa. Uśrednione wyniki
wytrzymałości na zginanie poszczególnych serii
przedstawiono na Wykresie 1. Powody takiego stanu
rzeczy są analogiczne jak w przypadku badania aparatem
Vicata.
Wyniki badań próbek na ściskanie są rozbieżne
w 4 z 12 pomiarów (różnica rzędu 17 MPa),
dlatego zdecydowano się ponownie przeprowadzić
to badanie. Prawdopodobną przyczyną mógł być
błąd pomiarowy.
Podsumowując zeolit ma wiele przemysłowych
zastosowań, dzięki swoim właściwościom i budowie.
Na podstawie przeprowadzonychi omówionych
w pracy badań można stwierdzić, że im większe
rozdrobnienie dodatku tym lepszy efekt względem
zeolitu o grubszym uziarnieniu.
Fot.1 i 2 Próbka poddana badaniu wytrzymałości na
ściskanie.
MAGAZYN STUDENCKI „POLIFORUM” 31