CC BY
26
УДК 666.94:541.18.053
Мин Тхуэйн У, Кривобородов Ю.Р.
СВОЙСТВА АКТИВИРОВАННОГО ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
Мин Тхуэйн У, студент 2 курса магистратуры факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: sunrainyking57@gmail.com; Кривобородов Юрий Романович, д.т.н., профессор, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В строительной области важнейшей задачей является снижение материалоемкости возводимых объектов, сокращение затрат топливно-энергетических ресурсов. Одним из перспективных направлений, решающих данные задачи является применение многокомпонентных цементов, а именно шлакопортландцемента. Для повышения технических свойств шлакопортландцемента предлагается повысить дисперсность шлаковой составляющей. Для снижения расхода электроэнергии на измельчение шлакопортландцемента предлагается активировать его в водной среде гидродинамическим воздействием. Установлено, что активированный в процессе обработки в роторно-пульсационном аппарате цемент обеспечивает резкое ускорение набора прочности камня в ранние сроки твердения.
Ключевые слова: шлакопортландцемент, гидродинамическая активация, кристаллогидраты, прочностные свойства.
PROPERTIES OF ACTIVATED SLAG PORTLAND CEMENT
Min Thuane U, Krivoborodov Yu.R.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In the construction field, the most important task is to reduce the material consumption of the facilities being built, and reduce the cost of fuel and energy resources. One of the promising areas that solve these problems is the use of multicomponent cements, namely Slag Portland cement. To improve the technical properties of slag Portland cement, it is proposed to increase the dispersion of the slag component. To reduce the energy consumption for grinding Slag Portland cement, it is proposed to activate it in the aquatic environment by hydrodynamic effects. It is established that cement activated during processing in a rotary pulsation apparatus provides a sharp acceleration of the stone's strength gain in the early stages of hardening..
Keywords: Slag Portland cement, hydrodynamic activation, crystalline hydrates, strength properties
В настоящее время основными направлениями развития науки и технологии цемента и бетона являются: уменьшение выбросов СО2 при производстве клинкера, выпуск малоклинкерных цементов, снижение расхода цемента при производстве бетона [1]. В этом плане шлакопортландцемент является именно той разновидностью вяжущих материалов, при производстве которого затрачивается почти в два раза меньше топлива. Согласно действующего в России стандарта на цемент (ГОСТ 10178-85), максимальное количество шлака при производстве шлакопортландцемента может составлять 80% от массы цемента, то есть расход клинкера на производство тонны шлакопортландцемента более чем в 3 раза меньше, чем его расход на производство портландцемента с минеральными добавками. При производстве шлакопортландцемента марки «400» расход топлива в среднем на 38% ниже, чем при производстве портландцемента той же марки. При использовании цемента с добавками топливо экономиться и при изготовлении бетонных изделий, т.е. полная топливоемкость готовых железобетонных изделий на основе цементов с добавками ниже, чем таких же изделий на основе бездобавочных клинкерных цементов.
Л.А.Малининой [2] была очень четко показана энергоемкость производства бетона на основе
портландцемента и шлакопортландцемента (табл. 1). Преимущества шлакопортландцемента совершенно очевидны, так как при производстве этого вяжущего экономятся клинкер и энергия, а также используются побочные продукты металлургического
производства - доменные шлаки, что улучшает экологические условия окружающей среды.
Использование в производстве цемента доменного гранулированного шлака не только обеспечивает экономию клинкера и увеличение объема производства, но и существенно улучшает основные строительно-технические свойства цемента, повышая долговечность сооружений. При гидратации и твердении цемента образуется гидроксид кальция - наиболее растворимый и уязвимый компонент цементного камня, поэтому весьма важным является связывание Са(ОН)2 в труднорастворимые соединения, что достигается за счет введения в цемент шлака. В результате взаимодействия гидроксида кальция со шлаком увеличивается количество гидросиликатов кальция. Благодаря этому процессу цемент, содержащий клинкер, гипс и шлак, в поздние сроки твердения не только выравнивается по прочности с бездобавочным портландцементом, но и обгоняет его [3, 4].
Марка бетона Вид цемента Марка цемента Содержание добавки,% Уд. расход цемента, кг/м3 Топливо-емкость, %
200 ПЦ 400 - 300 87
ПЦ с добавками 400 18 305 72
ШПЦ 300 60 340 47
300 ПЦ 500 - 330 97
ПЦ с добавками 400 18 390 92
ШПЦ 400 50 395 64
Таблица 1 Топливоемкость бетона на основе ПЦ и ШПЦ [2]
Однако предприятия строительной индустрии не всегда охотно используют шлакопортландцемент и при возможности выбора, зачастую, отдают предпочтение портландцементам с минеральными добавками той же марки. Причин этому несколько, но основной из них является более медленный темп твердения шлакопортландцемента в начальный период гидратации. Исследования по повышению активности шлакопортланд-цемента проводились в течение многих лет. Их обобщение позволяет отметить следующие направления по ускорению гидратации шлакопортландцемента и увеличению прочности цементного камня в ранние периоды твердения:
- разработка рационального минералогического состава клинкера и выбор основности шлаков [5], Таблица 2. Химический состав используемых материалов
Минералогический состав клинкера
характеризовался следующим содержанием минералов (%): алит - 58; белит - 17; трехкальциевый алюминат - 7; четырехкальциевый алюмоферрит - 15. Доменный гранулированный шлак характеризовался модулем основности М0= 1,08 и модулем активности Ма= 0,38.
Поскольку исследуемый шлакопортландцемент состоит из трех различных по физическим свойствам компонентов на первом этапе изучали размалываемость каждого из них. Для оценки размалываемости использовали методику [7], согласно которой размалываемость материала характеризуется функциональной зависимостью тонкости измельчения от величины удельного расхода энергии, затрачиваемой на процесс помола. Степень измельчения оценивается либо процентным содержанием остатка на сите №008, либо величиной удельной поверхности. Измельчение производили в лабораторной мельнице, загруженной мелющими телами общей массой 55 кг. Количество загружаемого материала составляло 10 кг. После определённого времени помола отбирали пробу, определяли остаток на сите №008 и величину удельной поверхности.
- ускорение твердения за счет ввода кристаллизационных материалов (крентов), сульфоалюминатного клинкера (САК), сульфоферритного клинкера (СФК), известняка (доломита), микрокремнезема [6],
- оптимизация тонкости помола с привлечением различных типов мельниц и способов измельчения.
В данной статье приводятся результаты исследований влияния дисперсности
шлакопортландцемента и его механоактивации с применением роторно-пульсационного аппарата (РПА) на прочность цементного камня.
Для исследования были взяты
портландцементный клинкер, доменный
гранулированный шлак и природный гипс, химический состав которых представлен в табл. 2.
Размалываемость компонентов и
шлакопортландцемента на их основе приведена в табл. 3. Исследования показали, что наиболее энергоемким является процесс измельчения шлака. Для получения цемента с удельной поверхностью 3500 см2/г требуется расход электроэнергии в количестве 56 квт.ч/т, в то время как для клинкера эта величина равна 46 квт.ч/т.
Помол гипса вначале характеризуется резким снижением остатков на ситах, но затем он повышается в связи с процессами агломерации материала. Частицы его слипаются и остаток на ситах увеличивается. При этом его удельная поверхность остается выше, чем у других исследуемых материалов. Шлак, обладая высокой твердостью, способствует размалываемости клинкера. При достижении Буд=3500 см2/г удельный расход электроэнергии близок к величине, достигаемой при помоле портландцемента без добавки шлака. Анализ экспериментальных данных показывает, что шлак является наиболее трудно размалываемым компонентом
шлакопортландцемента, предопределяющим
удельную производительность мельницы и затраты электроэнергии на помол цемента.
Материал Содержание оксидов, масс.%
^02 М2О3 Ре203 СаО М§0 Б03 Я20
Портландцементный клинкер 19,63 5,58 4,54 65,50 3,48 0,20 0,80
Природный гипс 4,17 0,62 - 40,89 3,03 50,69 0,41
Шлак 33,6 13,0 2,36 41,60 8,8 0,10 0,26
Таблица 3. Размалываемость исходных компонентов и шлакопортландцемента
Наименование материала Время помола, мин Остаток на сите, % S у^' см /г Э -'уд, квт.ч/т
R02 R08
ПЦ-клинкер 10 59 73,2 - 4,7
30 7,5 44,6 1390 9,3
60 3,6 5,2 2500 26,0
90 0,0 4,5 2900 37,3
100 0,0 3,5 3500 46,6
Шлак 10 67,5 82,3 - 5,0
30 23,0 54,5 1000 14,0
60 5,6 20,0 1500 32,7
90 1,5 6,0 2500 46,6
120 0,5 3,6 3500 56,0
Гипс 10 33,0 58 1700 4,7
30 21,8 54 1000 11,7
60 9,0 47 980 21
80 14,5 56 820 35
Шлакопортландцемент 10 60 75 1000 4,7
30 6,7 36,7 1800 11,7
60 0,5 8,8 2600 23,5
90 0,5 7,0 3100 28,0
120 0,4 6,0 3500 45,0
В последнее время была предложена активация путем гидропульсационного диспергирования [8, 9]. Сущность этого способа механо-химической активации цемента заключается в предварительной его обработке в водной среде в роторно-пульсационном аппарате (РПА).
Таблица 4 Результаты испытаний при домоле ШПЦ
Выводы
Тонкое измельчение и активация шлакопортландцемента обеспечивает увеличивает прочность цементного камня и бетона. Его использование в строительной индустрии сопровождается меньшими затратами топлива в производстве цемента и бетона.
Список литературы
1. XIII International Congress on Chemistry of Cement/ Abstracts and Proceedings. - Madrid, 2011.- 538 p.
2. Малинина Л.А. Проблемы использования в бетонах цементов с активными добавками / Цемент, 1986, № 5, С.10-14.
3. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов / учебник. - М.: Высшая школа, 1980.-472 с.
4. Тихомирова И.Н., Шибакова В.С. Цемент на основе активированных доменных
Высокая эффективность РПА при измельчении позволила разработать систему, при которой обычный помол осуществляется на цементном заводе, а высокодисперсный - на заводе железобетонных изделий или строительной площадке. Домол цемента приводит к увеличению прочности цементного камня (табл. 4).
гранулированных шлаков // Техника и технология силикатов.-2011. —№1. -С.19- 22.
5. Гусев Б.В., Самуил Иень-лянь, Кузнецова Т.В. Цемент и бетон. Перспективы развития. - М.:
6. Антонов Г.Л., Островский О.Л., Кривобородов Ю.Р. Безусадочный шлакопортландцемент // Стендовые доклады II Международного совещания по химии и технологии цемента. Том III. - СПб, 2000.— с.242-244.
7. Крыхтин Г.С., Кузнецов Л.Н. Интенсификация работы мельницы. - Новосибирск: ВО «Наука», 1993. - 240 с.
8. Кривобородов Ю.Р., Плотников В.В. Эффективность домола цемента в устройстве для диспергирования смесей // Цемент. 1988. № 12. С. 16-17.
9. Gusev B.V., In Y.-I.S., Krivoborodov Y. R. Acceleration of slagcement hardening // 14th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC 2015). — The Chinese Ceramic Society Beijing, China, 2015. — P. 3_9-1-3_9-5.
Цемент Обработка Расплыв конуса, мм Прочность, МПа, через сут
при изгибе при сжатии
3 28 3 28
ШПЦ 400 - 109 4,6 5,9 18 41
То же РПА - 3 мин 112 5,5 6,8 30 55
