CC BY
51
УДК 69
ПОЛУЧЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ
А ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА С ДОБАВКОЙ СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРА С-3
Б.А. Усов
Московский политехнический университет
Аннотация
Ключевые слова:
портландцемент, суперпластификатор
История статьи:
Дата поступления в редакцию 10.0517 Дата принятия к печати 12.05.17
Переход на экономное технически-обоснованное расходование материальных ресурсов, а также износ оборудования на многих цементных заводах остро выдвинули задачу сокращения расхода портландцемента — наиболее дефицитного строительного материала.
Эффективными способами сокращения расхода чисто клинкерного цемента в бетоне, а тем и снижение его энергоемкости являются: применение минеральных добавок индивидуально или в составе многокомпонентных цементов, разработка новых видов вяжущих и бетонов на их основе и использование суперпласти-фицирующих химических добавок.
Все указанные способы имеют свои достоинства и недостатки.
Минеральные добавки, измельченные до определенной дисперсности, способны выполнять некоторые функции цемента, придавая смесям необходимую пластичность, связность и уплотняя структуру твердеющего бетона. Однако это возможно в том случае, если минеральные добавки или наполнители будут иметь стабильные гарантированные свойства и удовлетворительный гранулометрический состав. При этом на заводах ЖБИ потребуется строительство дополнительных технологических линий по хранению, подготовке и подаче наполнителей в бетоносмесители. Однако несмотря на указанные трудности объем их применения достигает свыше 30 млн.тонн, или 22—30% от общего объема выпускаемого в стране цемента.
Другим обстоятельством, сдерживающим применение новых видов вяжущих, несмотря на их экономические преимущества, являются опасения снижения долговечности бетона и возникновения коррозии арматуры.
По этой причине при проектировании железобетонных изделий конструкторы запрещают применять такие вяжущие в бетоне. Этот недостаток может быть устранен, если оптимизировать технологию уплотнения бетона и уже получать изделия из бетона с улучшенной контактной зоной цементного камня в межзерновом пространстве. Однако из-за тенденции в промышленности применять пластифицированные бетонные смеси с короткими по времени, но с высокими частотами уплотнения это сделать невозможно. Такие бетонных смесях имеют тенденцию к высокой седиментации воды под зёрнами заполнителя и арматурой.
Другим подходом к проблеме использования минеральных наполнителей является совместный помол готового портландцемента и наполнителей на отдельных помольных установках с привязкой к отдельным заводам ЖБИ или к территориальному региону.
Преимущество его заключается в получении «разбавленных» наполнителем цементов с повышенной тонкостью помола клинкерной составляющей в экономически обоснованных для транспортирования цементов зонах.
Благодаря дополнительному (и что часто важно — через большой период времени) воздействию в мельницах с частиц клинкерного цемента снимается избыточный энергетический заряд и улучшаются условия их взаимодействия с водой. С другой стороны, применение многокомпонентных вяжущих создало бы воз-
можность для остановки обжиговых печей, их дальнейшего совершенствования, и налаживания выпуска цемента с низкими марками.
Настоящая работа посвящается исследованию технологии приготовления тонкомолотых многокомпонентных цементных вяжущих (ТМЦВ) и эффективности применения пластифицирующих добавок в бетонах на их основе.
Особенности получения смешанных тонкомолотых цементов и бетонов
на их основе
Большинство исследователей для получения: смешанных цементов рекомендуют совместный помол клинкера, минерального наполнителя и гипса, объясняя это тем, что в техногенном наполнителе в момент его образования получаются в основном частицы сферической формы и поэтому происходит более тщательное перемешивание цемента и наполнителя, а также улучшается однородность системы в целом. . .
A.В.Волженский, Л.Н.Попов при изготовлении смешанных цементов отдавали предпочтение повторному помолу портландцемента с минеральными добавками, что способствовало получению высокопрочных смешанных цементов. По сравнению с непосредственным смешивания минеральной добавки и цемента в бетоносмесителе при помоле происходит ещё более тонкое дополнительное доизмельчение частичек минеральной добавки, так как зерна клинкера, имея повышенную прочность играют роль мелющих тел /I/. ПО данным их исследований удельная поверхность наполнителя увеличивалась с 2000 до 3000см2/кг.
Как известно, цементный камень имеет сложную структуру, состоящую из микро-, макрокристаллов и гелеобразной массы. Такой конгломерат В.Н.Юнгом был назван микробетоном. Цементы с наименьшим межзерновым объемом пустот обеспечивают получение цементного камня с наибольшей плотностью структуры. Поэтому плотность цемента возможно считать важной характеристикой оптимального гранулометрического состава порошкообразного материала.
В соответствии с принципом Гиббса-Кюри, при повышении степени дисперсности вещества создаются благоприятные условия для протекания физико-химических процессов не границе разделов фаз.
Так дробление и тонкое измельчение приводит к частичному разрыву химических связей и обнажению соединений, способных к повышенной активности при взаимодействии с реагентами окружающей среда. Однако дисперсность цемента имеет определенные ограничения, так как энергетические потенциалы поверхности настолько возрастают что происходит самопроизвольное (спонтанное) агрегирование частиц, и удельная поверхность их уменьшается с увеличением комковатости и неоднородности исходного продукта.
В ряде работ выдвинуто предположение о положительном действии минеральной добавки, связанной с «эффектом мелких порошков», заключающемся в раздвижке зерен цемента зернами добавки и заполнения образовавшегося пространства продуктами новообразований. При этом зерна минерального заполнителя, проникая в хлопьевидную структуру продуктов гидратации цемента, расширяют пространство и усиливают гидратацию.
B.В.Стольников и В.В.Кинд установили, что в условиях пропаривания и нормального хранения возможно заменить 25 и более процентов цемента минеральной добавкой. При этом увеличение удельной поверхности золы-уноса с 2600 до 4000 см2/г повышает прочность бетона, достигающей 123-139%, а при помоле до 5000см2 /г — 131—150% от прочности бетона без добавки.
Однако эти результаты могут быть дополнительно повышены получением ещё более плотной и компактной структуры новообразований цемента за счет введения в бетонную смесь пластифицирующих добавок.
Наибольший научный и практический интерес в последние годы вызвали исследования и предложения по применению синтетических олигомерных химических продуктов суперпластификаторов и других модификаторов бетона.
Появление суперпластификаторов открыло новые возможности в совершенствовании технологии бетона. Например, получены высокопрочные бетоны на рядовых цементах, разработаны новые вяжущие —
низкой водопотребности (ВНВ) и, наконец, разработан комплексный способ получения бетонов заданной прочности и подвижности смеси при уменьшенном расходе цемента за счет комплексного действия приёма снижения В/Ц и разбавления цементного теста дополнительной порцией песка и щебня.
В последнее время появились модифицированные лигносульфонаты, отличающиеся повышенной пластифицирующей способностью и меньшим по сравнению с традиционной добавкой лигносулъфонатов замедле нием .
Из указанных добавок в настоящей работе была принята за основу С -3 с уточнением её эффективности в бетонах на различных вяжущих.
Выполненные ранее работы показали, что содержание кварцсодержащих наполнителей в тонкомолотом многокомпонентном цементном вяжущем может достигать 50%.
Домол материалов при получении ТМЦВ способствует увеличению содержания воды в бетоне, в том числе и с химическими добавками. Так, наличие домолотых тонкодисперс- ных частичек С3А, С4АF и С^ с видоизмененной деформированной кристаллической решеткой приводит к необходимости уточнения водо-потребности цемента, а также к новой проверке и определенияю оптимального количества химической добавки и уже с учетом удельной поверхности наполнителя.
С другой стороны, поверхностно-активные вещества, введенные в воду затворения, находятся в исключительных условиях. Особенность этих условий заключается в том, что как зерна цемента, так и зерна наполнителя из-за малых размеров частиц имеют повышенную поверхностную энергию и при этом в силу изменяющегося электрохимического потенциала способствуют активизации оседания пластифицирующей добавки в равной степени по отношению к поверхности частиц обоих компонентов.
Таким образом, минералогический состав клинкерной составляющей, взаимное механическое воздействие частиц наполнителя и цемента при домоле являются основными исходными технологическими предпосылками для уточнения свойств бетонных смесей и бетонов на новых вяжущих. Другой, не менее важной стороной в технологии бетона является установление зависимостей количества добавки от состава батона и прежде всего от расхода цемента.
Поэтому целью настоящей работы являлось оптимизации количества добавки в бетоне суперпластификатора С-3 от вида ТМЦВ, его исходного цемента и тонкости помола.
Исследования заключались в оптимизации количества добавки С-3 в бетонах на ТМЦВ, где использовался портландцемент Михайловского завода марки 300. В качестве микронаполнителя был выбрана отвальная зола и зола-унос Черекетской ГРЭС.
Исследования эффективности химических добавок проводились в бетонах на основе ТМЦВ различного вещественного состава, приготовленных с использованием дортландцемента Михайловского завода, полученного на промышленных установках путем совместного помола исходного портландцемента и микрона-долнителя — золы.
Технологии приготовления многокомпонентных вяжущих
Поскольку основными технологическими переделами процесса приготовления ТМЦВ являются домол и смешивание исходных компонентов, то анализ этих технологии показал, что технико-экономическая эффективность приготовления наполненных цементных вяжущих зависит во многом от свойств сырьевых компонентов и типа помольного оборудование.
При проведении экспериментов была использована шаровая мельница(как один из наиболее распространенных видов такого оборудования) опытного завода НИИЦемента.
Непосредственным предметом исследований являлись порядок загрузки исходных материалов или способы перемешивания домолотого цемента и микронаполнителя, а также степень измельчения ТМЦВ.
В качестве объектов исследования был выбран портландцемент Михайловского завода М-300 и микронаполнитель — отвальная зола и зола-унос Черепетской ГРЭС.
ТМЦВ на основе портландцемента и золы
При проведении экспериментов по получению смешанных цементов на основе портландцемента и кварцевого песка исследовались составы вяжущих с 50%-ным массовым содержанием клинкерного цемента Михайловского завода. Приготовление ТМЦВ-50 осуществлялось по двум схемам:
1) Совместный помол золы и цемента в шаровой мельнице.
2) Раздельный помол золы и цемента и их доследующее смешивание.
В качестве контролируемых параметров принимались удельная поверхность и остаток на сите 008 как исходных материалов, так и готового вяжущего. Варьирование этих параметров осуществлялось за счет различной продолжительности помола.
Исследование свойств бетонных смесей и батонов на основе ТМЦВ
Исследования эффективности ТМЦВ в бетоне проводились с использованием вяжущих, полученных на основе портландцементов Михайловского цементного завода (табл. 1).
Таблица 1
Физико-механические показатели ТМЦВ на основе ПЦ Михайловского завода
и зол Черепетской ГРЭС.
№п/п Наименование Время Остаток на сите Удельная Прочность через 4ч после ТВО, мПа Марка
Материала помола, мин 0,08мм, % поверхность,см2/г изгиб сжатие
1 Портландцемент - - 3500 3,9 18,5 300
2 Портландцемент 5 6,8 4057 5,3 25,0 400
3 Зола отвалов 140 0,8 4157
ТМЦВ -50 100 1,25 5187 5,5 27,1 400
4 (совместный помол ПЦ и золы отвалов)
Как показали результаты опытов(№4,табл.1) применение золы позволило получить комплексное вяжущее, не уступающее по активности исходному портландцементу.
В качестве пластифицирующих химических добавок использовался жидкий суперпластификатор С-3 как наиболее эффективная добавка, рекомендуемая для бетонов на обычном портландцементе (табл.2).
В качестве заполнителей применяли: кварцевый песок Сычевского карьера с Мк = 2,7, полученный с ЖБИ Минтрансстроя, и гранитный щебень фракции 5-20мм.
В работе определяли оптимальное количество добавки при заданном значении удобоукладываемости бетонной смеси и фиксированном значении Ц/В, таком же, как в принятом номинальном составе бетона.
Методика определения оптимального количества добавок.
В работе был принят графо-аналитический метод», основанный на построении зависимостей «прочность — количество добавки» и «коэффициент использования цемента (прочность, отнесенная к фактическому расходу цемента) — количество добавки».
Дозировку добавки для приготовления бетона устанавливали до показателям прочности бетона, близким к значениям бетонов без добавок или превышающих их, а также из условие достижения наименьшего значения коэффициента использования цемента (Кп).
Кп = Ц/ (10 хб), кг/МПа
Для этого подбирали начальный состав и дополнительные составы бетонных смесей требуемой удобо-укладываемости (5-6см) при одинаковом значении Ц/В, как в начальном номинальном состава, при содержании добавки в рекомендуемых пределах.
По мере повышения дозировки добавки расход вода и цемента в этих составах сокращали по сравнению с начальным составом так, чтобы значение Ц/В оставалось неизменным. Расход леска и щебня увеличивали по мере снижения: воды и цемента, так, чтобы удобоукладываемость бетонной смеси оставалась неизменной (5-6см). Расход песка иногда увеличивался, но его доля г не повышалась более чем, на 0,05 по сравнению с контрольным начальным составом без добавки.
Из подобранных составов бетонной смеси с одинаковым показателем удобоукладываемости изготовляли образцы бетона для определения прочности в установленные сроки, обеспечивая для них одинаковые условия твердения.
Физический смысл применяемого метода заключался в погашении эффекта пластификации бетонной смеси введением в нее дополнительных порции заполнителей при их неизменном соотношении в бетонной смеси.
Таблица 2
Прочность бетона с добакой С-3 на ТМЦВ — 50 из Михайловского ПЦ и золы-уноса
№п/п Расход цемента, кг/м3 Прочность бетона через 4ч после ТВО, мПа Коэффициент Использования цемента Добака С-3, % от массы цемента
1 360 29,6 1,22 -
2 325 31,6 1,02 0,4
3 314 34,7 0,9 0,6
4 281 34,0 0.82 0,8
5 292 33,1 0,88 1,0
6 312 34,6 0,91 1,2
7 233 15,3 1,53 -
8 184 16.6 1,11 0,4
9 184 16,3 1,!№ 0,6
10 203 18,5 1,1 0,7
11 180 20,5 0,88 0,8
12 204 18,4 1,1 0,9
13 212 21,1 1,0 1,1
Опыты, проведенные на портландцементе Михайловского завода, показали, что применение приема погашения эффекта пластификации введением дополнительных порций заполнителей привело с добавкой С-3 к понижению расхода цемента с 360 до 312 кг/ м3 бетона. Результаты приведены также на рис. 1.
Выводы
1. Домол клинкерного портландцемента достаточно осуществлять до 5мин.. а золы отвалов в той же мельнице не менее 2 часов.
2. Оптимальные количества добавки в бетоне,приготовленном на портландцементе Михайловского завода, составили: для С-3 -0,:% от массы цемента.
3. Изменение водопотребности вяжущего с изменением количества добавки и цемента отражает характер оптимизации составов бетона с пластифицирующими добавками для уменьшения расхода цемента, но с обязательным условием понижения воздухововлечения.
Рис. 1 Выбор дозировки добавки С-3 для бетона на ТМЦВ-50 с уд. поверхн^-518,7 м2 /кг из Михайловского ПЦ и золы через 4 часа после ТВО (Ц/В =сот^ О.К.= сот^.
4. Прочность пропаренного бетона на зольном ТМЦВ-50 значительно выше, чем не подвергавшегося тепловой обработке.
4. Введение добавок в бетонную смесь на ТМЦВ-50 предпочтительнее с водой затворения в растворную часть, а затем в последнюю очередь вводится крупный заполнитель. Введение золы в ТМЦВ привело к увеличению расхода С-3 до 0,8%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волженский А.В., Подов Л.Н. Смешанные портландцемент повторного помола и бетоны на их основе. М, Госстрой-издат,1981 , с.107.
2. Ратинов Б.Б. Классификация: добавок по механизму их действия на цемент. У1 Между- народный конгресс лэ химии цемента.
3. Химия цементов. Под ред. Х.Ф.В.Тейлора. Сокр.перев.с англ, под ред. Ю.М. Бутта. М., Стройиздат, 1969, с.500.
4. Модифицированные бетоны. Техноэкспорт, 1998г. Батраков Б.Г.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Усов Б.А. Получение многокомпонентных вяжущих на основе портандцемента с добавкой суперпластификатора с-3. — Системные технологии. — 2017. — № 23. — С. 15—.21.
OBTAINING MULTICOMPONENT BINDERS ON THE BASIS OF PORTLAND CEMENT WITH ADDITIVE SUPERPLASTICIZER S-3 Usov B.A., Moscow Polytechnic University
