CC BY
86
УДК 621.311 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-107-111
О ВЛИЯНИИ ЦЕМЕНТА НА ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АВТОКЛАВНЫХ ГАЗОСИЛИКАТОВ
THE EFFECT OF CEMENT ON THE BASIC PROPERTIES OF AUTOCLAVE GAS-SILICATE
© 2015 г. М.В. Кафтаева, Ш.М. Рахимбаев, Н.Д. Комарова, Р.А. Алекенова
Кафтаева Маргарита Владиславна - канд. техн. наук, доцент, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Россия. E-mail: kaftaeva61 @yandex.ru
Рахимбаев Шарк Матрасулович - д-р техн. наук, профессор, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Россия.
Комарова Наталья Дементьевна - канд. техн. наук, доцент, Северо-Кавказский филиал Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, г. Минеральные Воды, Россия. E-mail: natalia.komarova.2014 @mail.ru
Алекенова Раушан Алекеновна - инженер-технолог ТОО «Базальт-А» Кандыагачский промышленный узел, г. Кан-дыагач, Республика Казахстан.
Kaftaeva Margarita Vladislavna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Belgorod State Technological University named after. V.G. Shukhov, Russia. E-mail: [email protected]
Rakhimbaev Shark Matrasulovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Belgorod State Technological University named after. V.G. Shukhov, Russia.
Komarova Nataliya Dementievna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, branch Belgorod State Technological University named after. V.G. Shukhov, Mineralnye Vody, Russia. E-mail: [email protected]
Alekenova Raushan Adikovna - process-engineer LLP «Basalt-A» of Kandyagach industrial hub, Kandyagach, Kazakhstan Republic.
Приведены результаты многолетних исследований авторов по влиянию портландцемента различного состава на свойства газосиликатов. Проанализированы вариации результатов испытаний в зависимости от вида и качества клинкерных составляющих. Представлены графические зависимости прочности ячеистого бетона от содержания цемента и активности заливочной смеси на различных видах цемента. Описаны апробированные зависимости параметров автоклавной обработки от свойств цемента, применяемого для производства газосиликатов. Показано, что добавление портландцемента в состав газосиликатной смеси положительно влияет на прочностные свойства изделий. Установлено, что при использовании портландцемента с минеральными добавками (шлака) ПЦ 42,5-Д20 или ЦЕМII/А-Ш можно получать бетоны высокого класса по прочности при сжатии. Предложено ввести понятие суммарной активности газобетонной смеси по СаО с формулой расчета этого показателя, что позволяет стабилизировать технологические параметры автоклавного производства газосиликатов.
Ключевые слова: газосиликат; портландцемент с добавками шлака; минералогический состав; активность цемента по CaO.
In the article the results of years of research by the authors on the effect of various Portland cement composition on the properties of gas-silicate. Analyzed the variations of test results depending on the type and quality of the clinker components. Presents a graphical dependence of the strength of cellular concrete from the cement content and the activity ofpotting mixes for different types of cement. Described tested according to the parameters of autoclaving on the properties of the cement used for the production of gas-silicate. It was shown that addition of Portland cement in the composition of the gas-silicate mixture has a positive effect on the strength properties of the products. Found that when using Portland cement with mineral additives (slag) 42,5 MI-D20 or CEM II/a-W, you can get the high concrete class on compression strength. It is offered to enter concept of total activity of gas-concrete mix on SAO with a formula of calculation of this indicator that allows to stabilize technological parameters of autoclave production of gas-silicates.
Keywords: gas-silicate; slag Portland cement with additives; mineralogical composition; the activity of CaO cement.
Гидротермальный синтез, или обработка материалов при высоких температурах и давлениях в герметичных прочных сосудах - автоклавах, как и многие другие прогрессивные разработки, был осуществлен выдающимся русским ученым К.Д. Хрущевым в середине XIX в. Параллельно с Хрущевым французские исследователи Добре и Сенармон, американец Рау-ленд и Михаэлис в Германии работали над получением искусственных камней в автоклавах [1]. В результате была разработана технология производства автоклавных силикатных изделий, получаемых из извести и песка.
До относительно недавнего времени газосиликатные изделия получали, используя в качестве вяжущего только известь. Такие материалы имели повышенные плотности 800 - 1200 кг/м3 и низкие прочностные показатели, соответствующие классам по прочности
В 1,5 - В 2,5. Однако известно, что при добавлении в состав газосиликата цемента можно значительно улучшить эксплуатационные характеристики материала и получить более высокие прочности.
Первые и, пожалуй, наиболее полные исследования в области автоклавной технологии и свойств ячеистых бетонов в нашей стране относятся к тридцатым годам прошлого столетия. Большой научный вклад в вопрос о роли цементов в пено- и газосиликатных бетонах внесли М.Н. Гензлер, М.И. Иванов, Н.Н. Лес-синг [2, 3]. В результате проведенных ими работ был получен автоклавный пенобетон на портландцементе и молотом песке.
И.Т. Кудряшов [4 - 6] и др. в середине 30-х гг. ХХ в. установили, что по сравнению с неавтоклавным пенобетоном, автоклавный имеет ряд преимуществ: сокращение расхода цемента, снижение усадочных деформаций, повышение прочности бетона и сокращение времени его твердения.
Позже Г.Ф. Суворова (цит. по: [1]) установила, что для каждого минералогического состава цемента существует оптимальное значение давления автокла-вирования, при котором получаются наилучшие физи-
ко-механические показатели. Результаты испытаний, выполненных швейцарскими учеными, подтвердили результаты исследований Г.Ф. Суворовой. Было установлено, что прочность автоклавного камня зависит не от марки цемента по прочности при сжатии, а от его минералогического состава, тонкости помола, состава сырьевой смеси и режима автоклавной обработки. До настоящего времени ни одно из этих требований к цементам для производства газосиликатов не предъявляется.
В настоящее время исследований по влиянию цементов на свойства ячеистых автоклавных бетонов проводится мало, так как существует мнение о том, что оно несущественно [1, 7]. По этому поводу в научных журналах публикации появляются очень редко [7]. Наиболее полно информация о влиянии цемента на свойства газобетона приведена в книгах Н.П. Сажнева [8] и в работах авторов [9, 10].
Портландцемент, используемый для производства газобетонных изделий, должен соответствовать требованиям Г0СТ10178 «Портландцемент и шлако-портландцемент. Технические требования» и ГОСТ 31108 «Цементы общестроительные. Технические условия».
Нами проведен анализ результатов большого количества производственных испытаний, который показал, что в зависимости от вида и качества, а также соотношения извести и цемента могут в корне изменяться все главные физико-механические показатели газосиликатов.
Было проведено две серии экспериментов. Первая серия - для определения влияния количества цемента, вторая - вида цемента на прочность газосиликатов после их автоклавной обработки [11].
Лабораторные и производственные эксперименты в рамках первой работы проводились на базе предприятия Республики Казахстан ТОО «БазальтА» г. Кандыагаш Актюбинской обл., вторая серия исследований осуществлялась в основном на двух российских предприятиях по выпуску газосиликатных изделий ООО «Егорьевский завод строитель-
Таблица 1
Наименование цемента SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O+K2O CaOCB Cl" ппп
Новотроицкий 20,50 5,3 4,95 64,13 2,40 2,90 0,60 0,20 0,09 1,70
Топкинский 20,39 5,10 4,23 62,70 1,80 2,95 0,88 0,33 0,01 1,88
Холсим (Рус) СМ 22,00 5,00 3,50 61,00 2,50 2,20 0,50 - 0,01 1,00
Себряковский 22,00 6,00 4,50 64,50 1,60 2,50 0,65 - 0,02 1,00
Среднии химическии состав портландцементов, применяемых в исследованиях, % по массе
ных материалов», г. Егорьевск, Московской обл., и заводе стеновых материалов «Поревит», г. Ялуторовск Тюменской обл., при этом были использованы портландцементы следующих российских производителей цемента: для первой серии экспериментов ОАО «Новотроицкий цементный завод», для второй - ООО «Топкинский цемент», ОАО «Холсим (Рус) СМ» (Щуровский цемент) и ООО «Себряковский цементный завод».
Химический и минералогический составы клинкеров приведены в табл. 1 и 2.
Исследования зависимости прочности при сжатии газобетона от содержания в составе заливочной смеси цемента были выполнены в производственных условиях. При этом, путем обработки большого количества экспериментов, получена показанная на рис. 1 зависимость. Все составы имели одну и ту же активность по СаО. Она полностью подтверждает зависимости, ранее полученные и показанные в книге Н.П. Сажнева [8] с поправкой на среднюю плотность газобетона.
Таблица 2
Расчетный минералогический состав цементного клинкера
Наименование цемента Содержание минералов, %
C3S C2S C3A C4AF
Новотроицкий 65,00 15,00 7,00 15,00
Топкинский 62,9 13,86 7,07 13,16
Холсим (Рус) СМ 61,0 12,00 7,50 11,50
Себряковский 60,8 14,40 8,20 13,60
й к <
о
Й ю о
& &
55 50 45 40 35 30
14,0 14,5
15,0 15,5
16,0 16,5
Содержание цемента в составе смеси, %
Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии ячеистого бетона Б 600 от содержания цемента
Во второй серии экспериментов сроки исследования были значительно длиннее. Обработаны данные двух лет производства газобетонных блоков 2012 -2013 гг. на двух вышеуказанных предприятиях.
Нами установлено, что бетон, полученный на основе чистоклинкерного портландцемента, имеет более низкие основные физико-механические характеристики, чем на цементе с добавкой шлаков (рис. 2).
Е 5,0 S" 4,5
5 4,°
О
s 3,5
6
о
£ 2,5
О
л
G 2,0
11,3 11,5 11,7 Активность смеси, %
Рис. 2. Зависимость прочности газобетонов от активности заливочной смеси на различных цементах: 1 - ЦЕМ I; 2 - ЦЕМ II
Установлено также, что повышению прочностных параметров газосиликатных бетонов, изготовленных с добавлением портландцемента ЦЕМ I, способствует увеличение продолжительности автоклавной обработки.
Приведенные на рис. 2 экспериментальные данные показывают, что при добавлении к сырьевой смеси чистоклинкерных портландцементов наблюдается ярко выраженный максимум прочности при активности смеси 11,5 %, тогда как использование портландцемента с минеральной добавкой (шлака) наблюдается пологая зависимость между указанными показателями, при этом в интервале активностей 11,1 - 11,5 % механическая прочность изделий находится практически на одном и том же уровне. Из этих данных следует важный практический вывод, что при использовании в составе заливочных смесей ЦЕМ 11/А-Ш механические свойства материала в меньшей степени зависят от активности сырьевой смеси. Рекомендовано при использовании в качестве цементной составляющей ЦЕМ 11/А-Ш уменьшать основность смеси на 0,5 %.
Установлено также, что основным фактором, влияющим на качество заливочной смеси и конечного продукта, является содержание в ней СаО, поэтому, кроме известных требований к составу и свойствам цементной составляющей газобетонной смеси, предлагается ввести показатель - активность цемента по СаО. Данный термин рекомендуется к использованию ввиду его общности с соответствующей характеристикой извести. Названный показатель чрезвычайно важен, так как он обязательно должен учитываться при проектировании сырьевых смесей. Это установлено и подтверждено многочисленными производственными экспериментами, позволившими вывести следующую формулу оптимального состава сырьевой смеси:
C P + C P + C P
п ^CaO.efS^ ¿9® ^^CaO.öäi"' öai T^CaO,?aö.0 ё1 iaö.0 ё 0/ CCaO --p-> %
а 3,0
где Ссю.изв - содержание СаО в извести, %; Сею, цем -содержание СаО в цементе, %; СеаО, обр.шл - содержание СаО в обратном шламе, %; Ризв - масса извести в смеси, кг/м3; Рцем - масса цемента в смеси, кг/м3; Робршл - масса обратного шлама в смеси, кг/м3; Рсух -масса сухих компонентов в смеси, кг/м3.
Таблица 3
Предложения по требованиям к портландцементу как к компоненту газосиликата
№ п/п Наименование показателя и ед. изм. Норматив
Минимум Максимум
1 Тип цемента ЦЕМ I, ЦЕМ II
2 Класс по прочности Не ниже 42,5
3 Удельная поверхность по Блейну, м2/кг 330 395
4 Нормальная густота цементного теста, % 25 28
5 Конец схватывания, мин 140 180
6 Начало схватывания, мин 80 120
7 Активность по СаО (содержание СаО), % 58 68
8 СаОСвоб, % Не более 2
9 Содержание М^О, % Не более 5
10 БО3, % Не более 3,5
11 Ка2О + К2О, % Не более 1
12 Клинкерные минералы
12.1 С3Б, % Не менее 50
12.2 С28, % Не более 25
12.3 С3А, % 7 10
12.4 С4АГ, % 10 15
Для обеспечения стабильности качества выпускаемых изделий на предприятиях целесообразно нормировать минералогический состав клинкера используемого портландцемента. Это позволит избежать нештатных ситуаций при применении портландцементов различных поставщиков, особенно зарубежных, что в последнее время практикуется все шире [12].
Перечень основных требований к портландце-ментам, предлагаемых автором, приведен в табл. 3.
Результаты приведенных исследований, а также практика производства ячеистых бетонов автоклавного твердения показывают:
- применение цемента в составе газобетонов положительно влияет на основные физико-механические и эксплуатационные характеристики газобетона;
- при использовании портландцемента с минеральными добавками (шлака) ПЦ 42,5-Д20 или ЦЕМ11/А-Ш можно получать бетоны высокого класса по прочности при сжатии.
В связи с этим предлагается расширить номенклатуру применяемых в производстве газобетонов портландцементов, разрешив применение цементов с добавлением шлака. Это позволяет повысить основные физико-механические показатели и значительно снизить себестоимость выпускаемой продукции.
Литература
1. Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд., 1978. 368 с.
2. Гензлер М.Н., Линдеберг С.А. Пенобетонщик. М., 1936. 157 с.
3. Иванов И.А, Федынин Н.И. Производство и применение газозолобетонных панелей из шлакопортландцемента и зол электростанций Кузбасса // Материалы 2-й науч.-техн. конф. по вопросам химии и технологии ячеистых бетонов. Саратов, 1965. С. 136 - 149.
4. Кудряше в И.Т. Автоклавные ячеистые бетоны и их применение в строительстве. М.: Госстройиздат. 1940. 63 с.
5. Кудряшев И.Т., Кауфман Б.Н., Кривицкий М.Я., Розен-фельд Л.М. Заводы по производству изделий из ячеистого бетона. М.: Госстройиздат, 1951. 29 с.
6. Кудряшев И.Т., Куприянов В.П. Ячеистые бетоны. М., Госстройиздат, 1959. 181 с.
7. Пинскер В.А., Вылегжанин В.П. Пути экономии цемента при производстве ячеистых бетонов // Строительные материалы. 2008. № 1. С. 43.
8. Сажнев Н.П. [и др.]. Производство ячеистобетонных изделий: теория и практика: 3-е изд., доп. и перераб. Минск: Стринко, 2010. 464 с.
9. Кафтаева М.В. Теоретическое обоснование совершенствования автоклавной технологии производства энергоэффективных газосиликатов: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук: 05.17.11. Белгород, 2014. 38 с.
10. Кафтаева М.В., Рахимбаев Ш.М., Жуков Д.А., Шугаева М.А., Ковалевская К.Ю. Обоснование требований к сырьевым материалам для автоклавного производства газосиликатных бетонов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1. [Электронный журнал] URL: http://www.science-education.ru/115-11233 (дата обращения 06.03.2015).
11. Рахимбаев Ш.М., Кафтаева М.В., Курбатов В.Л., Комарова Н.Д., Теличко А.В. О влиянии основности и пористости на прочностные характеристики силикатных материалов // Фундаментальные исследования. 2014. № 3 - 1. С. 35 - 38.
12. Курбатов В.Л., Римшин В.И. Практическое пособие инженера-строителя. М., 2012. 126 с.
References
1. Bozhenov P.I. Tehnologiya avtoklavnyhmaterialov[Technology of autoclave materials]. Leningrad, Strojizdat, Leningr. otd-nie, 1978, 368 p.
2. Genzler M.N., Lindeberg S.A. Penobetonschik[Penobeton]. Moscow, 1936, 157 p.
3. Ivanov I.A., Fedynin N.I. Proizvodstvo i primenenie gazozolobetonnyh panelej iz shlakoportlandcementa i zol 'elektrostancij Kuzbassa [Production and use gazoballonnyj panels of slag cement and the evils of power plants of Kuzbass]. Materialy 2-j nauchno-tehnicheskoj konf po voprosam himii i tehnologii yacheistyh betonov [The proceedings of the 2nd scientific-technical conference. on the chemistry and technology of cellular concrete]. Saratov, 1965, pp.136 - 149. [In Russ.]
4. Kudryashev I.T. Avtoklavnyeyacheistye betonyiihprimenenie vstroitel'stve [Autoclaved aerated concretes and their application in construction]. Moscow, Gosstrojizdat, 1940, 63 p.
5. Kudryashev I.T., Kaufman B.N., Krivickij M.Ya., Rozenfel'd L.M. Zavody poproizvodstvu izdelijizyacheistogo betona [Factories on manufacture of products from cellular concrete]. Moscow, Gosstrojizdat, 1951, 29 p.
6. Kudryashev I.T., Kupriyanov V.P. Yacheistye betony [Cellular concrete]. Moscow, Gosstrojizdat, 1959, 181 p.
7. Pinsker V.A. Puti 'ekonomii cementa pri proizvodstve yacheistyh betonov [A. ways of saving cement in the production of cellular concrete]. Stroitel'nyematerialy, 2008, no. 1, pp. 43. [In Russ.]
8. Sazhnev N.P. Proizvodstvo yacheistobetonnyh izdelij: teoriya ipraktika [Manufacture of cellular concrete products: theory and practice]. 3-e izd., dop. i pererab. Minsk, Strinko Publ., 2010, 464 p.
9. Kaftaeva M.V. Teoreticheskoe obosnovanie sovershenstvovaniya avtoklavnoj tehnologiiproizvodstva energo'effektivnyhgazosil-ikatov. Diss. d-ra. techn. nauk. [Theoretical rationale for improving autoclave technology is the production of energy efficient silicate author. Diss. Dr. d-ra. techn. sciences]. Belgorod, 2014, 38 p.
10. Kaftaeva M.V., Rahimbaev Sh.M., Zhukov D.A., Shugaeva M.A., Kovalevskaya K.Yu. Obosnovanie trebovanij k syr'evym materialam dlya avtoklavnogo proizvodstva gazosilikatnyh betonov [Substantiation requirements to raw materials for autoclave production of silicate concretes]. Sovremennyeproblemynaukiiobrazovaniya, 2014, no. 1. Available at: <http://www.science-education.ru/115-11233> (accessed 6.03.2015).
11. Rahimbaev Sh.M., Kaftaeva M.V., Kurbatov V.L., Komarova N.D., Telichko A.V. O vliyanii osnovnosti i poristosti na prochnostnye harakteristiki silikatnyh materialov [Telichko About the influence of basicity and porosity on mechanical properties of silicate materials]. Fundamental'nyeissledovaniya, 2014, no. 3-1, pp. 35-38. [In Russ.]
12. Kurbatov V.L., Rimshin V.I. Prakticheskoeposobie inzhenera-stroitelya [Practical manual of civil engineer]. Moscow, 2012, 126 p.
Поступила в редакцию 8 июня 2015 г.
