CC BY
5
УДК 691.54
ао1: 10.55287/22275398 2022 2 57
КОНЦЕПЦИЯ ГИБРИДНЫХ ЦЕМЕНТОВ ОДНОСТАДИЙНОГО ЗАТВОРЕНИЯ
О. М. Смирнова* Л. Ф. Казанская**
* Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург
** Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, г. Санкт-Петербург
Аннотация
В работе проанализированы основные направления по разработке гибридных цементов на основе вторичных ресурсов. Обоснована точка зрения по решению проблемы вовлечения вторичных ресурсов в производство вяжущих и композитов в местах образования многотоннажных побочных продуктов промышленности по технологии гибридных цементов одностадийного затворения. Представлены результаты по определению физико-механических характеристик гибридных цементов одностадийного затворения на основе молотых гранулированных доменных шлаков. Результаты показали, что благодаря технологии одностадийного затворения возможно снижение расхода активатора твердения до 20% с сохранением прочности бетона.
Ключевые слова
активатор твердения, тиосульфат натрия, суперпластификатор, бетон, экологическое воздействие, устойчивое раз-
Дата поступления в редакцию
08.07.22
Дата принятия к печати
18.07.22
Для выделения новой группы вяжущих гидратационного твердения, которые достаточно активно исследуются в последнее время используются названия гибридный цемент, активированный щелочью смешанный портландцемент или гибридный щелочной цемент. Основное преимущество этих вяжущих —вовлечение в производство вторичных ресурсов и получение вяжущих со свойствами сопоставимыми со свойствами портландцемента. Гибридный цемент состоит из основного цементирующего материала, портландцемента или портландцементного клинкера (в количестве менее 30%) и щелочного активатора. Отсюда, гибридные цементы имеют свойства от портландцемента и вяжущих щелочной активации [1 - 3]. По основному цементирующему материалу гибридные цементы можно классифицировать на основе золы-уноса, гранулированного доменного шлака или смеси различных минеральных добавок.
На настоящий момент разработаны шлакощелочные бетоны, для приготовления которых используют молотый гранулированный доменный шлак, мелкий и крупный заполнитель, а в качестве
03
г
м О
-I
м
Э СО
§
0
1
га н и
0
1
и и
< I
го <и
< 2 ^ ф
е х
■ л
% ! £ £ Яв
¿г
о £
щелочного активатора водные растворы кальцинированной соды, сульфата натрия, гидроксида натрия, жидкого стекла и др. [4 - 6]. Затворение молотых шлаков жидкими растворами щелочных компонентов является значительным недостатком таких вяжущих, поскольку предварительно требуется расворить активатор твердения в воде, т.е. использовать многостадийное затворение. Это усложняет технологию производства строительных изделий и конструкций.
Целью изучения гибридного цемента одностадийного затворения является устранение некоторых недостатков шлакопортландцемента: медленных сроков схватывания и низкой ранней прочности и недостатков шлакощелочного бетона: очень короткие сроки схватывания. Также технология одностайдийного затворения позволяет расширять возможности производства гибридных цементов в местах образования шлаков или зол.
Исследования гибридных цементов состоят в разработке новых составов на основе многокомпонентного минерального сырья вторичных ресурсов за счет повышения реакционной способности вяжущих, снижения их водопотребности, направленного регулирования процессов фазо- и структурооб-разования обеспечивающих долговечность цементирующих матриц [7 - 9]. Создание новых вяжущих на основе минерального сырья техногенного происхождения с физическими и механическими характеристиками, обеспечивающими долговечность цементирующей матрицы приобретает особую актуальность [10 - 13]. Доля шлакопортландцемента в производстве общестроительных цементов в России составила всего 2,5% (1136 тыс. т) согласно статистическим данным Федеральной службы государственной статистики и Федеральной таможенной службы РФ. Однако образование шлаков превышает в сотни раз объемы их использования. Это требует разработки современных технологий получения гибридных цементов на основе шлаков.
Сравнение портландцемента и цементов щелочной активации показывает значительные различия в составе исходных компонентов, продуктов гидратации, структуре и в свойствах [14 - 16]. В отличие от портландцемента наличие кальция в составе сырья не является обязательным условием получения вяжущих щелочной активации. В связи с этим возможно использование низко-или бескальциевого алюмосиликатного сырья. Количественное содержание кальция в диапазоне от нескольких процентов и более определяет вид и расход щелочного компонента, состав продуктов твердения, свойства вяжущего и материала на его основе, области применения [4 - 6].
Исследования по разработке гибридных цементов направлены на обоснование выбора щелочного компонента как активатора твердения, который входит в состав порошкообразного вяжущего. Далее готовые гибридные цементы затворяются только водой и необходимость растворения щелочного компонента в воде затворения отсутствует. Авторы предлагают следующую концепцию получения гибридных цементов, представленную на рис. 1.
Способы введения активатора твердения в состав гибридного цемента являются ключевым направлением исследований: при помоле шлака, при помоле одного из компонентов вяжущего и последующего смешивания со всем объемом вяжущего, при смешивании с вяжущим и др.
Экспериментальная проверка предложенной концепции проведена на гибридном цементе, состоящего из смеси молотого гранулированного доменного шлака и портландцемента ЦЕМ I 42,5 с соотношением 75:25 в зависимости от расхода и способа введения активатора твердения-тиосульфата натрия и суперпластификатора С-3 с соотношением 1:1. Шлак Тульского металлургического завода был использован с модулем основности М0 = 1,04.
Рис. 1. Концепция получения гибридных цементов одностадийного затворения
Сравнивались технология помола шлака без добавок и шлака, совместно измельченного с тиосульфатом натрия и суперпластификатором. Продолжительность помола шлака с добавками в шаровой мельнице сократилась на 50 минут при получении одинаковой тонкости помола. Также при использовании добавок отсутствовало налипание молотого шлака на стальные шары мельницы, что вероятно способствовало сокращению продолжительности помола при достижении одинаковой тонкости помола. Тиосульфат натрия получают из многотоннажных отходов коксохимического производства, которые образуются при очистке коксовых газов от сероводорода. Он соответствовал ГОСТ 27068. Растворы были изготовлены с соотношением цемента к песку 1:3. Песок речной с модулем крупности 1,7. Все растворные смеси были равноподвижные и имели диаметр расплыва на встряхивающем столике 106 - 108 мм. Снижение расхода воды при введении добавки в количестве 1,2% с водой затворения составило 15%, а при введении при помоле — 21%; с увеличением расхода добавки до 1,6% снижение расхода воды в равноподвижных смесях составило 21% и 27% для технологии с водой затворения и при помоле шлака, соответственно.
Снижение расхода воды в равноподвижных смесях приводит к повышению плотности камня и, улучшению прочностных свойств. Согласно рис. 2 при одинаковом расходе добавки наблюдается повышение прочности бетона в случае введения добавки при помоле шлака.
§
0
1
га н и
0
1
и и
< I
го <и
< 2 ^ ф
е х
■ л
% ! £ £ Яв
¿г
о £
Рис. 2. Значения предела прочности при сжатии в зависимости от технологии введения активатора твердения и расхода добавки 0 - 1,6%
Заключение
В настоящее время исследования гибридных цементов направлены на разработку новых составов на основе многокомпонентного минерального сырья вторичных ресурсов для долговечных цементирующих матриц во взаимосвязи с процессами, определяющими внутреннюю коррозию камня. Авторами предложена концепция получения гибридных цементов одностадийного затво-рения. Результаты эксперимента показали преимущества разработанной технологии. Результаты показали, что возможно снижение продолжительности помола шлака, получение равнопрочных бетонов при снижении расхода добавки на 20% за счет введения добавки при помоле шлака. Раработанная технология предназначена для производства гибридных цементов в местах образования многотоннажных побочных продуктов промышленности.
Библиографический список
1. Palomo, A., Monteiro, P., Martauz, P., Bílek, V., & Fernandez-Jimenez, A. (2019). Hybrid binders: A journey from the past to a sustainable future (opus caementicium futurum). Cement and Concrete Research, 124, 105829.
2. García-Lodeiro I., Fernández-Jiménez A., Palomo A. Variation in hybrid cements over time. Alkaline activation of fly ash-portland cement blends, Cem. Concr. Res. 52 (2013) 112 - 122
3. Kazanskaya, L. F., Smirnova, O. M. Technological approaches to increase the quality of lightweight concrete based on hybrid binders. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, Vol. 666, No. 1, 012038.
4. Rakhimova, N. R., Rakhimov, R. Z. (2019). Toward clean cement technologies: A review on alkali-activated fly-ash cements incorporated with supplementary materials. Journal of Non-Crystalline Solids, 509, 31 - 41.
5. Петрова Т. М. Взаимосвязь структуры и долговечности шлакощелочных бетонов на основе доменных и сталеплавильных шлаков. Вестник гражданских инженеров. 2012. № 4 (33). С. 167 - 173.
6. Петрова Т. М., Смирнова О. М. Вяжущее. Патент на изобретение RU 2556563 C1, 10.07.2015. Заявка № 2014129156/03 от 15.07.2014.
7. Amran M., Fediuk R., Abdelgader H.S., Murali G., Ozbakkaloglu T., Lee Y. H., Lee Y. Y. Fiber-reinforced alkali-activated concrete: a review. Journal of Building Engineering. 2022. Т. 45. С. 103638.
8. Рахимова Н. Р., Рахимов Р. З. Влияние содержания добавок термоактивированной глины на свойства и состав продуктов твердения композиционного шлакощелочного вяжущего с низким содержанием щелочного активатора. Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. № 2 (56). С. 50 - 59.
9. Федюк, Р. С. Свойства композиционных вяжущих на основе техногенных отходов Дальнего Востока // Вестник гражданских инженеров. — 2016. — № 2 (55). — С. 132 - 136.
10. Kazanskaya L. F., Smirnova O. M., Palomo A., Pidal I. M., Romana M. Supersulfated cement applied to produce lightweight concrete. Materials. 2021. Т. 14. № 2. С. 1 - 14.
11. Рахимова Н. Р., Рахимов Р. З., Бикмухаметов А. Р., Потапова Л. И. Аактивированные щелочами цементы с добавкой мергеля. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2019. № 4 (724). С. 5 - 19.
12. Крамар Л. Я., Иванов И. М. Быстротвердеющий, высокопрочный и морозостойкий бетон на основе шлакопортландцемента. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2021. Т. 21. № 1. С. 48 - 53.
13. Зайцева Л. Р., Луцык Е. В., Латыпова Т. В., Латыпов В. М., Федоров П. А., Попов В. П. Влияние вида заполнителя из отходов производств на коррозионную стойкость бетона. Строительные материалы. 2021. № 11. С. 23 - 29.
14. Харченко А. И., Алексеев В. А., Харченко И. Я., Алексеев А. А. Применение шлакощелочных вяжущих в технологии струйной цементации для усиления грунтов. Вестник МГСУ 2019. Т. 14. № 6 (129). С. 680 - 689.
15. Хохряков О. В., Хозин В. Г., Харченко И. Я., Газданов Д. В. Цементы низкой водопотреб-ности — путь эффективного использования клинкера и минеральных наполнителей в бетонах. Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 10 (109). С. 1145 - 1152.
16. Ахметов Д. А., Пухаренко Ю. В., Роот Е. Н., Ахажанов С. Б. Влияние мелкодисперсных наполнителей из техногенных отходов и низкомодульного фиброволокна на удобоукладываемость самоуплотняющихся бетонов. Вестник гражданских инженеров. 2021. № 5 (88). С. 102 - 108.
Z м
О
-I
м
D CD
§
0
1 >s
S
ГО н и
0
1
и и
< I
го <и
< 2
^ Ф . *
е х
■ j
2* S i £ £ яв
¿г
о £
CONCEPT OF HYBRID CEMENTS OF SINGLE-STAGE MIXING
O. M. Smirnova* L. F. Kazanskaya**
* Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg
** Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Saint-Petersburg
Abstract
The paper analyzes the main directions for the development of hybrid cements based on secondary resources. The point of view on solving the problem of involving secondary resources in the production of binders and composites in the places of formation of multi-tonnage by-products of industry using the technology of hybrid single-stage cements is substantiated. The results of determining the physical and mechanical characteristics of hybrid cements of single-stage mixing based on ground granulated blast furnace slags are presented. The results showed that thanks to the technology of single-stage sealing, it is possible to reduce the amount of hardening activator up to 20% while maintaining the strength of concrete.
The Keywords
hardening activator, sodium thiosulfate, superplasticizer, concrete, sustainable development
Date of receipt in edition
08.07.22
Date of acceptance for printing
18.07.22
Ссылка для цитирования:
О. М. Смирнова, Л. Ф. Казанская. Концепция гибридных цементов одностадийного затворения. — Системные технологии. — 2022. — № 43. — С. 57 - 62.
