Введение
Цементы относятся к базовым материалам, потребление которых растет постоянно, и потому требуют рационального и обоснованного применения. В РФ объемы выпуска цемента в 2014 г по предварительной оценке достигли 68.5 млн.т. При этом объемы выпуска цементов с минеральными добавками составляют 39% /1/. Прогноз объемов производства цемента в 2015г. показывает рост до 75 млн.т., т.е. с приростом до 9.5% по сравнению с 2014г. Такое повышение объемов производства цемента может быть реализовано при увеличении объемов выпуска многокомпонентных вяжущих с минеральными добавками. Организация таких вяжущих не требует кардинальных изменений технологических схем и материальных затрат.
Для активного регулирования свойствами, структурой бетонных смесей и бетонов наряду с химическими модификаторами бетонов применяют минеральных добавки (МД), представляющие минеральные тонкодисперсные порошки из природного и техногенного сырья /2/. В России и в зарубежных странах стандартизованы портландцементы, содержащие до 35% активных минеральных добавок, до 20% известняка, до 80 % композиций добавок, включающих доменный шлак /3/. Применение в цементах минеральных добавок и увеличение их доли обусловлено рядом факторов:
— необходимостью энергосбережения при производстве цемента. Так на обжиг 1 т клинкера затрачивается около 226 кг условного топлива, на помол — до 30 кВт • ч электроэнергии. Чтобы снизить энергетические и материальные затраты, изготовляют цементы составного типа, т.е. такие, которые кроме клинкерной части содержат минеральные добавки. Расход топлива на сушку 1 т этих добавок составляет всего 20…25 кг условного топлива, т.е. более чем в 10 раз меньше потребности топлива на обжиг клинкера. Заменяя часть клинкера минеральной добавкой, значительно снижается расход топлива и электроэнергии /4/;
— необходимостью применения цементов с меньшей активностью для приготовления низкомарочных бетонов (В12.5 и менее) и строительных растворов (М10-М150);
— необходимостью придания портландцементу специальных свойств (пуццолановые, напрягающиеся и др.).
Перечисленные факторы подтверждают актуальность направления научно-исследовательской работы по поиску и исследованию сырьевых материалов, пригодных в качестве добавок к цементам и бетонам, в частности в качестве минеральных добавок-наполнителей.
Минеральные добавки-наполнителидолжны соответствовать следующим техническим требованиям /5/:
— тонкость помола (дисперсность) — не менее 3500 см2/г удельной поверхности или не более 15 % по массе остатка на сите № 008;
— добавки должны быть однородными и постоянными по вещественному составу и не содержать примеси, снижающие прочность бетона и его коррозионную стойкость;
— содержание органических веществ не должно превышать такого количества, при котором цвет раствора при колориметрической пробе получается не темнее цвета эталона (по ГОСТ 8735).
В практике строительного производства довольно часто возникает необходимость снижения расхода клинкерного цемента, если его марка по условиям требуемой прочности при сжатии, класс бетона или раствора излишне высокие. Но при этом расчетное количество цемента недостаточно для придания бетонным или растворным смесям требуемой удобоукладываемости,для чего к расчетному количеству цемента добавляются тонкодисперсные минеральные добавки — наполнители.
В общем случае требуемое количество неактивных минеральных добавок в смеси с клинкерным цементом определяется в зависимости от марки цемента из расчета, что замена добавкой 1 % массы цемента приводит к получению композитного (смешанного) вяжущего с активностью меньшей на 1 %, чем без добавочного цемента. Таким образом, технический эффект введения добавок-наполнителей связан с возможностью «разбавления» цемента до уровня, обеспечивающего получение оптимального соотношения между активностью цемента и прочностью (маркой) бетона или раствора и, как следствие, экономии цемента /5/.
Состояние вопроса
Компания «Востокцемент», в состав которого входит ПО «Якутцемент», оказала финансовую поддержку якутскому цементному заводу в реализации нескольких проектов, в том числе в освоении дробильно-сортировочного комплекса, который используется на стадии добычи и подготовки сырья. При введении в действие аспирационной системы на дробильной фабрике стали образовываться многотоннажные отходы в виде карбонатной (известняковой) муки, получаемой осаждением на фильтрах аспирационной системы очистки.
Карбонатная мука (КМ) представляет собой мелкодисперсный порошок со средним размером зерен 6 мкм, модулем поверхности 3667- 3700 см2/г, влажностью 0,6 %. Низкая влажность материала обусловлена естественной просушкой в процессе аспирации, что позволяет применять КМ в качестве наполнителя в сухих строительных смесях и других цементных композициях без дополнительной сушки, при хранении материала в герметичной упаковке на закрытом складе.
Результаты испытаний физико-механических свойств, (испытания проведены в лаборатории испытательного центра ОАО ЯкутПНИИС) представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты физико-механических испытаний карбонатной муки
| Наименование показателя, ед. изм. | Метод определения показателя | Значение |
| 1 | 2 | 3 |
| Влажность, % | ГОСТ 8735-88 | 0,6 |
| Истинная плотность, г/см2 | ГОСТ 8735-88 | 2,7 |
| Зерновой состав (остаток на сите с размером ячеек, мм), % по массе
0,63 0,315 0,16 0,071 0,05 менее 0,05 |
ГОСТ Р 52129-2003 |
0 1,8 3,76 3,63 90,81 100 |
| Удельная поверхность, см2/г* | ГОСТ310.2-76 | 3669 |
| Средний размер частиц, мкм* | ГОСТ310.2-76 | 6,1 |
*Показатели определялись с помощью прибора экспресс анализа дисперсных систем ПСХ-11М.
Цель и задачи исследования
Цель исследования — изучить влияние тонкодисперсной карбонатной муки, осаждаемой на фильтрах дробильно-сортировочной фабрики ОАО ПО «Якутцемент», на реологические и физико-механические свойства цементных и цементно-песчаных растворов.
Для достижения цели работы решались следующие задачи:
— исследование влияния карбонатной муки на свойства цемента для оценки возможности производства композиционных вяжущих различного назначения;
— исследование влияния карбонатной муки на свойства цементно-песчаного растворадля оценки возможности применения КМ в качестве минерального порошка в растворах и бетонах.
Определение физико-механических свойств цементов с различным содержанием карбонатной муки
На первоначальном этапе исследовано влияние расхода КМ на свойства цементного теста и прочностные свойства цементного камня. Варьируемым параметром при проведении экспериментальной проверки служил расход КМ в составе вяжущего.
Для испытаний применялись:
— портландцемент ПЦ-500Д0 производства ПО «Якутцемент»следующего химического состава: SiO2 -21,5%; Al2O3 -5,29%; Fe2O3 -3,87%; CaO -64,94%; MgO -2,81%; SO3 -0,4%; ппп -2,35 %. Удельная поверхность цемента использованной партии –3881 см2/г;
— карбонатная (известняковая) мука следующего химического соства: SiO2 -10,18 %; Al2O3 -2,76%; Fe2O3 -1,23%; CaO -45,56%; MgO -1,67%; ппп– 36,44%; удельная поверхность КМ – 3669 см2/г;
— ПФМ-НЛК производства ОАО «Полипласт» ТУ 5745-022-58042865-2007.
Соотношение ПЦ:КМ составляло: 100:0, 90:10, 80:20, 70:30, 60:40, 50:50.
Расход ПФМ-НЛК принят 1% от расхода смешанного вяжущего.
Наблюдаемыми показателями служили: нормальная густота цементного теста, сроки начала и конца схватывания, прочность цементных образцов размером 2х2х2 см.
При экспериментальных исследованияхтехнологические свойства цементов (НГЦТ, сроки схватывания) определялись по ГОСТ 310.3-76, прочностные свойства цементного камня – по методике ЦНИИПС-2 /8/.
Результаты проведенных экспериментальных исследований влияния КМ на свойства композиционного вяжущего показали:
— введениев состав цемента КМ в количестве от 10 до 50 % повышает НГЦТ (с 26.5 до 30.5%) или водопотребность цемента повышается при максимальном расходе КМ на 15.1% (рисунок 1);
— введение в состав композиционного вяжущего химической добавки класса суперпластификаторов, в частности,полифункционального модификатора бетона ПФМ-НЛК (до 1% от массы вяжущего) эффективно снижает НГЦТ (до 22-25%) иводопотребность композиционного цемента на 16.4-18.8%;
— карбонатная мука в составе цементной композиции значительно замедляет сроки схватывания цементного теста: начало схватывания удлинилось с 75 до 235 мин. или в 1,2…3,12 раза, что будет сказыватьсяна жизнеспособности растворных и бетонных смесей. Срок конца схватывания увеличивается с 205 до 320 мин или с 3часов 15мин для цемента без КМ до 5 часов 20 миндля цемента с 50% КМ. Введение ПФМ-НЛК существенно снижает водопотребность композиционного вяжущего с содержанием КМ 10-30% и значительно сокращает сроки начала и конца схватывания цементного теста, что оказывает негативное влияние на технологичность растворных и бетонных смесей (рисунок 2). При высоком содержании КМ в композиционном вяжущем (40-50%) сроки начала и конца схватывания цементного теста позволяют обеспечить длительную сохраняемость растворных и бетонных смесей;
— введение КМ понижает прочность цементного камня. Содержание КМ в вяжущих до 10 % обеспечивает марку цемента «400», до 15 % КМ в составе вяжущего позволяет получить низкомарочный цемент ПЦ300. Дальнейшее повышение содержания КМ в вяжущем ведет к понижению марки вяжущего до 200 и ниже.Введение в состав композиционного вяжущего ПФМ-НЛК позволяет при тех же расходах КМ получить вяжущие с марками на 1 ступень выше: при КМ 10% — марка цемента М500, при КМ 20% — М400, при КМ 30-50% — М300 (рисунок 3). Применение таких низкомарочных композиционных вяжущих с содержанием КМ до 40 %целесообразно для приготовления штукатурных и шпаклевочных составов.
Рисунок 1. Зависимость водопотребности цементных композиций от расхода КМ
Рисунок2.Влияние расхода КМ на сроки схватывания цементного теста
Рисунок 3. Влияние КМ на прочность цементных композиций (методика ЦНИИПС-2)
Определение свойств цементно-песчаных растворов с КМ
На следующем этапе исследовались цементно-песчаные растворы с соотношением Вяжущее:Песок = 1:3, в качестве вяжущего использовалась смесь портландцемента и карбонатной муки в следующих процентных соотношениях –100:0, 85:15, 70:30, 55:45. Суперпластификатор ПФМ-НЛК расходовался в количестве 1% от массы композиции портландцемента с карбонатной мукой. В качестве контрольного состава принят цементно-песчаный раствор в соотношении Ц:П = 1:3.
В исследованиях применялся песок с поймы р. Лена (Республика Саха (Якутия), карьер «Даркылах») с модулем крупностиМкр = 1,03 и с содержанием пылеватых и глинестых частицПиГ = 1,52 %.
Исследуемыми показателями служили — плотность и прочностные характеристики (Rизг, Rсж) образцов-балочек 4х4х16 см, изготовленных из равноподвижных растворных смесей.
Испытания проводились по методикам ГОСТ 310.4-85.
Результатами исследования свойств цементно-песчаных растворов с КМ выявлена зависимость повышения водопотребностипесчано-цементных композиций при увеличении расхода карбонатной муки. Введение суперпластификатораПФМ-НЛК значительно снижает водопотребностьрастворов (рисунок 4). Экспериментально определено,что оптимальное содержание карбонатной муки в составе цементно-песчаной композиции составляет 15%, при котором не наблюдается снижение прочностных свойств цементно-песчаного раствора (рисунок 5).
Содержание в композиционном вяжущем карбонатной муки в сочетании с эффективными химическими добавками, в частности, ПФМ-НЛК позволяет получить цементно-песчаные растворы с более высокими марками, чем на портландцементе. Так по результатам испытаний видно, что цементно-песчаный раствор контрольного состава (Ц:П=1:3) в 28-мисуточном возрасте имел прочность соответствующую марке раствора М150. Введение в состав цементно-песчаного раствора КМ и ПФМ-НЛК обеспечивает прочность растворов, соответствующих маркам растворов М400 (при содержании КМ 15%) и М250 (при содержании КМ 30%). Определено, что дальнейшее повышение содержания КМ в составе растворов ведет к существенному снижению прочности (до марки 100 при содержании 45% КМ) и значительно ограничивает область применения таких растворов.
Рисунок4. Зависимость водопотребности цементно-песчаной смеси от расхода КМ
Рисунок 5. Кинетика твердения цементно-песчаных растворов с КМ
Выводы
Проведены экспериментальные исследования цементных и цементно-песчаных растворов с различным содержанием карбонатной муки, по результатам которых установлено:
- Отмечен рост значения водопотребности композиционных цементов при повышении содержаниякарбонатной муки, обусловленное высокой дисперсностью наполнителя.
- Оптимальное содержание карбонатной муки в композиционном вяжущем марки 400 не должно превышать 15 %.
- При содержании карбонатной муки более 15% значительно снижаются прочностные качества композиционного вяжущего до марки 300, пригодного для приготовления строительных растворов (штукатурные, выравнивающие и другие низкомарочные).
- Применение тонкодисперсной карбонатной муки в композиционных цементных и песчано-цементных растворах в сочетании с эффективными суперпластификаторами, в частности, модификатором бетона ПФМ-НЛК, позволяет получать вяжущие марок 300, 400с содержанием КМ до 15% и строительные сухие смеси марок 50-150 с содержанием КМ до 40 %.
Список литературы
- Васелик Г.Ю., Еремина Е.М. ЦЕМЕНТНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ РОССИИ В 2014 ГОДУ.//Цемент и его применение. – 2014. — ноябрь-декабрь – С.22-35.
- ВИДЫ И МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК//СПРАВОЧНИК СТРОИТЕЛЯ// (https://www.baurum.ru/_library/?cat=mineral-additives&id=311).
- Мурадов Э.Г. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ И СТРОИТЕЛЬНОГО РАСТВОРА.//Учебное пособие для СПТУ. Издательство «Высшая школа», 1987 г.
- Кондратьев В.Б. МИРОВАЯ ЦЕМЕНТНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.//Научная статья в сетевое издание Центра исследований и аналитики Фонда исторической перспективы «Перспективы» ( https://www.perspectivy.org).
- Бердов Г.И., Ильина Л.В., Машкин Н.А. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2011. – № 1–С.49-52 URL: www.rae.ru/snt/?section=content&op=show_article&article_id=6695 (дата обращения: 02.05.2015).
- Афанасьев Н. Ф., Целуйко М. К. ДОБАВКИ В БЕТОНЫ И РАСТВОРЫ.//Издательство «Будивэльнык», Киев, 1989. — 128 с.
- ЦЕМЕНТЫ С МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ И ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ, НЕ СОДЕРЖАЩИЙ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК// Статья, Группа компаний «Вогеан» ).
- Справочник работника строительной лаборатории завода ЖБИ. //редакция М.Ю. Лещинский, Издательство «Будивэльнык», Киев, 1975 г. – 246 с.[schema type=»book» name=»ВЛИЯНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ КОМПОНЕНТОВ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ И РАСТВОРОВ» description=»В статье представлены результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности замещения части портландцементов в цементных и песчано-цементных растворах на тонкодисперсный компонент (далее ТДК), образующийся при дроблении горной породы при подготовке сырьевых материалов при производстве цемента. Показано влияние ТДК на реологические и физико-механические свойства цементных и песчано-цементных растворов, определено оптимальное содержание компонента в композиции вяжущего. » author=»СоколоваЕкатерина Юрьевна, МатвееваОльга Иннокентьевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-03″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]