CC BY
20
УДК 666.942.3
Чурюкин М.А., Зорин Д.А., Хамутаев А.В.
ПОВЫШЕНИЕ АКТИВНОСТИ ЦЕМЕНТА ПРИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ
Чурюкин Максим Андреевич, студент 3 курса Института Строительства и архитектуры; Зорин Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов, e-mail: dim-z@yandex.ru ;
Хамутаев Арби Вахаевич, инженер по качеству, ООО "Краун",
1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), Москва, Россия
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26
2 Общество с ограниченной ответственностью "Краун", Москва, Россия г. Москва, ул. Зубовская, д. 7 стр. 2 офис 9
Важнейшей задачей цементной промышленности в настоящее время является получение быстротвердеющих вяжущих композиций. В данной работе представлены результаты исследований по получению быстротвердеющих вяжущих композиций на основе рядового цемента и сульфоалюмоферритного цемента при гидродинамической активации. В результате работы была определена степень гидратации цемента, изучена структура цементного камня и определены физико-механические характеристики цементного камня. Показано, что гидродинамическая активация позволяет получать быстротвердеющее вяжущее. Прочность таких композиций в первые сутки при активации возрастает на 62%.
Ключевые слова: сульфоалюмоферритный цемент, механоактивация, быстротвердеющий цемент, водопотребность, прочностные свойства, степень гидратации.
INCREASE OF CEMENT ACTIVITY IN HYDRODYNAMIC ACTIVATION
Churyukin M.A.1, Zorin D.A.1, Khamutaev A.V.2
1 Moscow State University of Civil Engineering (MGSU) National Research University, Moscow, Russia
2 The company "Crown", Moscow, Russia
The most important task of the cement industry now is to obtain fast setting cementitious compositions. In this paper, we present the results of studies on the preparation offast-hardening astringent compositions based on ordinary cement and sulfoaluminousferrite cement under hydrodynamic activation. As a result of the work, the degree of hydration of the cement was determined, the structure of the cement stone was studied, and the physical and mechanical characteristics of the cement stone were determined. It is shown that hydrodynamic activation makes it possible to obtain a fast-hardening binder. The strength of such compositions in the first day of activation increases by 62%.
Keywords: sulfoalumoferrite cement, mechanoactivation, quick-setting cement, water demand, strength properties, degree of hydration.
При возведении сооружений из монолитного бетона возникает необходимость использования цементов, обеспечивающих высокую прочность бетона с интенсивным ее нарастанием в начальные сроки твердения [1]. Такое интенсивное нарастание прочности может обеспечить использование быстротвердеющих и высокопрочных цементов.
Производство быстротвердеющих и
высокопрочных цементов ограничено
необходимостью оптимизации состава сырьевых смесей и технологических режимов их получения, таких как дисперсность сырьевой смеси, фазовый и минералогический состав клинкера и определенный гранулометрический состав цемента. Производство таких цементов сопряжено с большими энерго- и топливозатратами. К таким цементам предъявляются требования по гранулометрическому составу и по
скорости набора прочности в первые сутки твердения. [2].
Одним из путей повышения строительно-технических свойств цемента, в том числе сокращения сроков достижения его марочной прочности и обеспечения более полного использования химической энергии вяжущего, является повышение тонкости его помола и обеспечение рационального гранулометрического состава при измельчении [3].
Большая и быстрая потеря активности высокопрочными и быстротвердеющими цементами в процессе их транспортирования и хранения вызывает снижение эффективности энергозатрат на тонкое измельчение. Таким образом, поиск решений, направленных на повышение эффективности использования рядовых цементов в сочетании с цементами специального назначения, и получения
на их основе быстротвердеющих цементов, является весьма актуальным.
В последнее время для интенсификации процессов в гетерогенных средах стали шире применяться устройства, одновременно
обеспечивающие гидродинамические потоки и эффективное измельчающее воздействие на дисперсную среду [4-6].
Целью данного исследования было изучение гидродинамической активации композиций рядового цемента с сульфоалюмоферритным цементом для получения быстротвердеющего вяжущего.
В данной работе для активации цемента использовали устройство для диспергирования смесей (УДС), сочетающее в себе принципы дисмембраторов, коллоидных мельниц и центробежных насосов.
Рабочие элементы УДС представляют собой ротор и статоры с выступами, выполненными в форме полушарий или эллипсов. При вращении ротора со скоростью 3000 об/мин обрабатываемая жидкая среда подвергается интенсивным механическим воздействиям, гидравлическим ударам и кавитации.
В работе быстротвердеющий цемент готовили согласно работе [7], совместным измельчением портландцементного клинкера (ОАО
«Горнозаводскцемент»), сульфоалюмоферритного клинкера (ОАО «Подольск-Цемент») и гипсового камня Новомосковского месторождения в мельнице МБЛ. Дисперсность приготовленного цемента составила ~ 350 м2/кг.
Химический состав исходных материалов представлен в табл. 1.
Обработку цемента в УДС осуществляли в течение 3 мин.
Испытания цемента до и после активации выполняли в соответствии с методикой испытаний вяжущих в малых образцах. У цементов определялась нормальная густота и сроки схватывания. Образцы-балочки готовились из цементного теста с нормальной густотой, после чего хранились в нормальных условиях до момента испытаний. Результаты испытаний представлены в табл. 2 и 3. Затвердевшие образцы исследовались с помощью электронной микроскопии и рентгенофазовым анализом.
Из представленных данных видно, что у активированного вяжущего несколько повышается водопотребность, но в тоже время сокращаются сроки схватывания цементного теста. Повышение водопотребности вызвано увеличением количества мелких фракций в составе цемента. Сокращение сроков схватывания объясняется тем, что при активировании вяжущего в УДС происходит интенсивная гидратация сульфоалюмоферритов кальция с образованием эттрингита, кристаллы которого имеют игольчатую форму. Взаимное сцепление частиц вяжущего, имеющих гидратную оболочку из игольчатых и призматических кристаллов приводит к потере подвижности пластичной массы, т.е. к сокращению сроков схватывания цементного теста (рис. 1). Полученные данные хорошо согласуются с ранее выполненными исследованиями [8].
Таблица 1 - Химический состав портландцементного и сульфоалюмоферритного клинкеров
Вид клинкера ^02 АЬОз Ре20з СаО М§0 БОз Сумма
Портландский 22,03 5,15 4,86 65,41 1,20 0,34 98,99
Сульфоалюмоферритный 10,34 12,30 16,07 50,27 3,69 7,20 99,87
Таблица 2. Водопотребность и сроки схватывания исходного и активированного цемента
Свойства Цемент
исходный после активации
Нормальная густота, % 27 29
Сроки схватывания, час - мин начало 1 - 35 1 - 10
конец 3 - 50 3 - 10
Рис. 1. Микроструктура цементного камня (1 сут твердения). Слева -исходный цемент, справа - активированный
Сформированный кристаллический каркас из игольчатых и призматических кристаллов обрастает гелеобразной массой из быстро формирующихся гидросиликатов в активированном цементе, что обусловливает формирование плотной и прочной структуры камня. При активации прочность цементного камня в первые сутки гидратации увеличивается на 62 % с 18,03 МПа до 29,25 МПа. В марочном возрасте прочность активированного цемента превышает на 18% 62,58 МПа по сравнению с неактивированным 52,86 МПа.
Повышение дисперсности цемента,
активированного в УДС приводит к ускорению гидратации клинкерных минералов в условиях механохимической активации. Об этом
По результатам работы можно сделать следующие выводы:
1. При активации цемента возрастает его дисперсность, что приводит к увеличению дефектности минералов клинкера и влечет за собой увеличение гидратационной активности цемента в первые сутки в 2 раза, в марочном возрасте на 48 %.
2. В первые сутки структура цементного камня формируется из игольчатых и призматических кристаллов, образующие прочный каркас, который в последующем зарастает гелеобразными плохо закристаллизованными гидросиликатами кальция.
3. Гидродинамическая активация композиций рядового цемента с сульфоалюмоферритным цементом позволяет получать быстротвердеющее вяжущее. Прочность таких композиций в первые сутки при активации возрастает на 62%.
Список литературы
1. Гусев Б.В., Ин Иен-лян Самуэл, Кузнецова Т.В. Цементы и бетоны - тенденции развития. М.: Научный мир. 2012. 134 с.
2. Гусев Б.В., Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В. Технология портландцемента и его разновидностей. Учебное сетевое электронное издание — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r 91/cgiirbis 64.exe? C21 COM=F&I21 DBN=IBIS&P21 DBN=IBIS
свидетельствует степень гидратации цемента, определенная рентгеновским методом (табл. 4). В первые сутки степень гидратации клинкерных минералов увеличивается в 2 раза. Такое ускорение гидратационных процессов приводит к резкому ускорению твердения, что требуется для быстротвердеющих цементов. В марочном возрасте степень гидратации у активированных цементов превышает на 48%. Это может быть обусловлено тем, что за счет активации возрастает дефектность малоактивных минералов, в частности белита. Их повышенная активность в совокупности с сульфоалюмоферритами кальция дают
значительный прирост прочности в марочном возрасте.
3. Самченко, С.В. Формирование и генезис структуры цементного камня. Монография /С.В. Самченко - М.: Московский государственный строительный университет, Ай Пи Эр Медиа, ЭБС АСВ, 2016. - 284 с. Режим доступа: http://www. iprbookshop.ru/49874.
4. Гусев Б.В., Ин Иен-Лян С., Кривобородов Ю.Р. Активация твердения шлакопортландцемента // Технологии бетонов. - М., 2012, №7-8, С. 21-24
5. Кривобородов Ю.Р., Ясько Д.А. Активация цемента для улучшения свойств бетона // Новая наука: проблемы и перспективы. - Стерлитамак: РИЦА МИ. - 2015. - №3. - С. 39-41
6.Кривобородов Ю.Р., Плотников В.В. Эффективность домола цемента в устройстве для диспергирования смесей // Цемент. 1988. № 12. С. 16-17.
7. Самченко С.В. Сульфатированные алюмоферриты кальция и цементы на их основе. Монография /С.В. Самченко - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. - 2004. 120 с.
8. Самченко С.В. Роль эттрингита в формировании и генезисе структуры камня специальных цементов. Монография /С.В. Самченко - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. -2005. 154 с.
Таблица 3. Физико-механические свойства цементов
Цемент Предел прочности образцов, МПа, при твердении, сут, при
изгибе сжатии
1 3 7 28 90 1 3 7 28 90
исходный 6,6 11,2 13,5 18,2 21,8 18,03 28,20 45,00 52,86 56,71
активированный 8,5 13,9 16,1 23,8 26,7 29,25 41,47 55,28 62,58 79,98
Таблица 4. Степень гидратации цементов
№№ Вид цемента Степень гидратации, %
п.п. 1 сут. 7 сут. 28 сут.
1 исходный 15 40 58
2 после обработки в УДС 32 62 86
