facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

МАЛОКЛИНКЕРНЫЕ ЦЕМЕНТЫ НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК

МАЛОКЛИНКЕРНЫЕ ЦЕМЕНТЫ НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК
Леонид Дворкин, заведующий кафедрой, доктор технических наук, профессор

Гарницкий Юрий, кандидат технических наук, доцент

Мироненко Анатолий, кандидат технических наук, доцент

Марчук Виталий, аспирант

Степасюк Юрий, аспирант

Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Украина

Участник конференции

Приведены результаты экспериментальных исследований цементов низкой водопотребности с повышенным содержанием техногенных продуктов – золы-унос и доменного шлака. Показанная возможность получения бетонов с прочностью до 80 МПа при использовании предлагаемых цементов. Определены оптимальные составы вяжущего.

Ключевые слова: цемент низкой водопотребности, зола-унос, шлакопортландцемент, техногенные продукты, суперпластификатор.

There are results obtained of law water demand cements research using a high content ofwaste products – fly ash and blastfurnace slag.It is shown the possibility of concrete producing with the strength up to 80 MPa using the offered cements. The optimal compositions of binders have been defined.

Keywords: low water demand cements, fly ash,slag cement, waste products,superplasticizer.

 

Одним из критериев эффективности использования цемента в бетоне может быть отношение расхода клинкера – наиболее дорогого и энергоемкого его компонента, к прочности бетона (кг/МПа). Для бетонов низкой и средней прочности этот критерий при использовании традиционного портландцемента равен 15-17 [1], для бетонов прочностью 35...40 МПа – 12-14, при прочности бетона 60...80 МПа, при использовании современных суперпластификаторов и микрокремнезема – находится в пределах 7-10. Дальнейшее повышение эффективности использования клинкера возможно при одновременном повышении его активности, но этот путь существенно усложняет и увеличивает энергоемкость производства цемента. Повышение прочности бетона на рядовых цементах возможно также при применении дорогих химических и минеральных добавок. Поэтому важно найти экономически приемлемые способы уменьшения содержания клинкера в цементе без снижения активности последнего, а также прочности бетона на его основе.

Европейский стандарт на цемент EN 197-1 предусматривает производство шлакопортландцемента с минимальным содержанием клинкера 5 – 20%, а также широкого спектра композицонных и пуццолановых цементов.  Малоклинкерные цементы, наполненные промышленными отходами (шлак, зола-унос), имеют ряд положительных особенностей. Они привлекают низкой стоимостью, их производство менее энергоемко, позволяет утилизировать накопленные отходы, сократить вредные выбросы в атмосферу. Однако такие цементы пока не слишком популярны среди производителей бетона, главным образом из-за относительно низкой активности (наиболее распространенная марка М400), медленного набора прочности и повышенной водопотребности.

Одним из перспективных направлений повышения активности и других строительно-технических свойств малоклинкерных композиционных цементов является механо-химическая активация [2], достигаемая комплексным применением тонкого измельчения вяжущих в сочетании с введением эффективных химических добавок.

В исследованиях был использованклинкер Здолбуновского завода "Волынь-Цемент" следующего минералогического состава: C3S – 57,10%. C2S – 21,27%, C3A – 6,87%, C4AF – 12,19%. В качестве минеральных добавок приняты зола-унос Бурштынской ТЭС и гранулированный доменный шлак Криворожского металлургического комбината с модулем основности М0=1,1 и коэффициентом качества К=1,44. Как сульфатный компонент и активизатор твердения шлаковых цементов использовали  фосфогипс-дигидрат Ровенского ПО "Азот". Химическими добавками служили: интенсификатор помола – пропиленгликоль; суперпластификатор СП-1(С-3) Новомосковского предприятия "Полипласт"; гиперпластификаторы на акрилатной – Mapei Dynamon SP3, и на поликарбоксилатной основе -  Sika VK 225; добавки – регуляторы твердения: хлориды кальция и железа, сульфаты натрия и железа, а также фторид кальция и кремнефтористый натрий.

Перспективными композиционными вяжущими для современных бетонов являются предложенные в середине 80-х годов прошлого столетия цементы низкой водопотребности (ЦНВ) [3]. При содержании клинкера 30…50% они обладают повышенной активностью, интенсивно твердеют и имеют водопотребность НГ = 16…18%. В качестве минерального наполнителя ЦНВ целесообразно использовать продукты техногенного происхождения обладающие высокой размолоспособностью – шлаки, золы.

Зола-унос широко используется как компонент цементов, бетонов и растворов. Накоплен значительный положительный опыт ее использования в бетонах и растворах [4],  а также в композиционных цементах [5]. Требования к золе как компоненту цемента сводятся к ограничению потерь при прокаливании (≤ 5%),содержания свободного СаО ( ≤ 2,5%) и щелочных оксидов (≤ 3%). Первые два показателя для использованной в наших исследованиях золы Бурштынской ТЭС находятся на грани допустимого, однако опыт цементного завода в г.Николаев (Львовская обл.) свидетельствует о возможности использования этой золы в качестве активной минеральной добавки в цемент.

В ходе исследований золосодержащих ЦНВ изменяли содержание золы-унос от 30 до 50%, добавок – суперпластификаторов (СП)  от 0,4 до 1% и удельной поверхности от 5000 до 7000 см2/г. Определяли нормальную густоту (НГ) цемента,его прочность на сжатие (активность) и на изгиб в возрасте 2,7 и 28 суток. Кроме золы и клинкера цемент содержал также 10% доменного шлака. Графические зависимости, иллюстрирующие активность исследуемых цементов, приведены на  рис. 1.

а                                                                                                        б

Рис. 1. на сжатие в возрасте 28 сут. (а) и 2 сут. (б)

Анализируя их, приходим к выводу, что увеличение удельной поверхностиSуд свыше 5000 см2/г  приводит к росту активности цемента во все строки твердения. В частности, изменение Sуд от 5000 к 6000 см2/г  приводит к увеличению активности цемента на 10-15%. Однако при приближении Sуд к 7000 см2/г наблюдается в основном увеличение ранней прочности, а в возрасте 28 сут. возможно даже некоторое снижение активности цемента.Поэтому повышенная дисперсность вяжущего целесообразна только для обеспечения высокой ранней прочности.

При сравнительных исследованиях установлено, что из всех суперпластификаторов наибольшую активность вяжущего обеспечило применение суперпластификатора поликарбоксилатного типа Sika VC 225, что объясняется его наибольшей водоредуцирующей способностью. Оптимальный его расход в составе ЦНВ составляет 0,7%, что приводит к росту активности в 2…2,2 раза во все сроки при прочих равных условиях. Суперпластификаторы акрилатного и нафталинформальдегидного типов менее эффективны.  

Таким образом, использование золы-унос в качестве минерального наполнителя цементов низкой водопотребности позволяет снизить содержание клинкера в цементе до 40% и обеспечить при этом прочность на сжатие до 60 МПа. Для уменьшения энергозатрат при помоле в состав комплексного модификатора такого цемента наряду с суперпластификатором вводится интенсификатор помола, например пропиленгликоль.

Дальнейшее снижение содержания клинкера в цементе (ниже 20%) возможно при замене золы-унос доменным шлаком и введении в состав комплексного модификатора цемента интенсификаторов твердения – фосфогипса и фторида кальция.

Исследования малоклинкерного шлакопортландцемента (ШПЦ) были выполнены с использованием математического планирования эксперимента. Реализован трехуровневый пятифакторный  план На-5, условия планирования которого приведены  в табл. 1.

Таблица 1. Условия планирования эксперимента

п/п

Значения факторов

Уровни

варьирования

Интервал

варьирования

Натуральные

Кодированные

-1

0

+1

1

Содержание клинкера,%

Х1

5

12

19

7

2

Содержание фосфогипса в пересчете на SO3, %

Х2

3,12

4,67

6,23

1,55

3

Удельная поверхность, см2

Х3

3000

4000

5000

1000

4

Содержание CaF2, %

Х4

0

1

2

1

5

Содержание С-3, %

Х5

0

0,5

1

0,5

 

После обработки и статистического анализа экспериментальных данных получены  математические модели водоцементного отношения для достижения стандартной консистенции, а также активности цемента в возрасте 7 и 28 сут. в виде полиномиальных уравнений регрессии. Графические зависимости, иллюстрирующие влияние технологических факторов на активность ШПЦ в возрасте 28 сут., представлены на рис. 2.