DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.89.11.008
ЦЕМЕНТНЫЙ КАМЕНЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ КВАРЦЕВЫХ ОТХОДОВ
Научная статья
Кузнецова И.Н. *
ORCID: 0000-0002-4907-2369, Югорский государственный университет (ЮГУ), Ханты-Мансийск, Россия
* Корреспондирующий автор (inkuznetsova-gsh[at]mail.ru)
Аннотация
Использование ультрадисперсного наполнителя (активированные вторичные кварцевые отходы: отходы магнитной сепарации крупки, отсев классификации пудры, пыль местных отсосов системы аспирации) в структуре цементного камня позволяет экономить цемент до 8-10 %, повысить плотность цементного камня до 4-6 %, при этом прочность цементного камня повысится до 8-10 %. Результаты полученных испытаний способствуют улучшению эксплуатационных и физико-механических характеристик бетона.
Ключевые слова: портландцемент, цементный камень, наполнитель, кварцевый песок, строительство.
CEMENT ROCK WITH THE USE OF ULTRADISPERSED QUARTZ WASTE
Research article
Kuznetsova I.N. *
ORCID: 0000-0002-4907-2369, Yugra State University (YSU) in Khanty-Mansiysk, Khanty-Mansiysk, Russia
* Corresponding author (inkuznetsova-gsh[at]mail.ru)
Abstract
The use of ultradisperse filler (activated secondary quartz waste: waste of magnetic separation of grains, screening powder classification, dust of local suction systems) in the structure of cement rock allows one to save up to 8-10% cement, increase the density of cement rock up to 4-6%, while the strength cement stone will increase to 8-10%. The results of the tests contribute to the improvement of the operational and physical and mechanical characteristics of concrete.
Keywords: Portland cement, cement rock, filler, quartz sand, construction.
Одним из самых распространенных материалов в строительстве зданий при разных условиях эксплуатации является бетон, именно цементный камень формирует структуру, определяет свойства и долговечность бетона.
Гидратация цемента определяет свойства цементного камня, практическая ценность цемента определяется в результате химических и физико-химических превращений, который способен создать прочный цементный камень.
Суммарную прочность цементного камня вносят продукты твердения силикатов кальция - 3CaO-SiO2 - алит и 2CaO-SiO2 - белит, чем быстрее гидратируется минерал, тем быстрее происходит его схватывание и твердение, на рисунке приведены кривые твердения цементов разного минерального состава, во всех составах содержится 6% CaSO4-2H2O.
Разные по минералогическому составу цементы, к 28 суткам обладают разной прочностью. Относительные прочности к 28 суткам приблизительно одинаковы по сравнению с прочностью цемента, твердевшего 90 суток, так как условия твердения зерен цемента в цементном камне резко изменяются по мере хода химических процессов взаимодействия минералов цемента с водой - гидролиза и гидратации. Гидролиз и гидратация новых количеств еще непрореагировавшего цемента, условно более глубоких слоев зерен, проходят заторможено.
60 50 40
и
* 30
-а
Й о
£ 20
о
а
С
10
/ /
/ * Ф ^и^ / / # у У у
* * * / * X / х* ¿г * * у
' / *' ^ ^ " ^
У- ^ ^ /V
28
Срок твердения. сут Рис. 1 - Кривые твердения цементов разного минералогического состава: 1 - - 23% С38+48% С28+8%С3А+15% С4ЛР - белитовый;
2---55%Сз8,+ 18%С28+5%СзЛ+17%С4ЛР - алюмоферритный;
3 - - - 64%С38.+ 12%С28+7%С3Л + 11%С4ЛР - алитовый; 4-44%С38+28% С28+14% С3А+8%С4ЛР -алюминатный
Вода к зернам цемента поступает путем диффузии через гидратированные слои. В соответствии с этим у мономинерального белитового цемента через 28 суток твердения прочность приблизительно в 10-12 раз меньше, чем у мономинерального алитового цемента [10, С. 23-25].
Повысить прочность цементного камня можно за счет дополнительного армирования, так, при использовании активированных кварцевых отходов в качестве ультрадисперсного наполнителя в структуре цементного камня, повышаются прочностные показатели за счет дискретного армирования цементного камня, и наблюдается экономия цемента.
Важным является наличие прочного сцепления кварца с новообразованиями цемента. Все это происходит из-за вторичного сцепления зерен кварца, образованными гидратами, перекристаллизовавшимися из пластинок, так как возле этих частиц образуется зона кристаллизованных включений. Наполнитель должен обладать большой активностью химического взаимодействия с Са(ОН)2 и другими продуктами гидратации клинкера, и иметь поверхность наиболее совместимую со структурой кристаллизующихся гидратов, для которых эта поверхность служит подложкой [3], [4], [7, С. 148-159].
Целью работы являлось исследование структуры цементного камня с использованием активированных кварцевых отходов в качестве ультрадисперсного наполнителя однородно распределенного в структуре цементного камня, повышенной прочности и пониженной теплопроводности.
Технологическая схема приготовления растворной смеси состоит из последовательности процессов:
1. Кварцевые отходы от производства особо чистого кварцевого концентрата ООО «Полярный кварц» (вторичные отходы магнитной сепарации крупки 25-26 мкм, отсев классификации пудры 6-7 мкм, пыль местных отсосов системы аспирации 3-6 мкм), поступают в центробежную дисковую установку для помола (активации).
2. Ультрадисперсный наполнитель (10% от цемента) и цемент ЦЕМ II /А-Ш 42,5Н с добавкой гранулированного доменного шлака (общестроительный) дозируются, перемешиваются и пневмотранспортом подается в расходный бункер.
3. Смесь цемента с наполнителем и вода с температурой 20-25°С дозируются и поступают в смеситель, в котором в течение 5-6 минут перемешивается.
4. Бетонная смесь подается разливается в формы и выдерживается при температуре 20-25°С в течении 28 суток.
Удельная поверхность и средний размер частиц определен с помощью прибора ПСХ-12 [7, С. 158-159], [8, С. 150].
Удельная поверхность (Буд) и средний размер (ф частиц кварцевых отходов при сухой активации представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Удельная поверхность и средний размер частиц кварцевых отходов при сухой активации.
Кварцевые отходы Удельная поверхность (Буд), см2/г Средний размер частиц кварцевых отходов при сухой активации (ф, мкм
Отходы магнитной сепарации крупки 1575-1951 17-20
Отсев классификации пудры 3321-4815 4-7
Пыль местных отсосов системы аспирации 5579-9547 2-4
Рентгеновский дифрактометр «Bruker D8 ADVANCE» предназначенный для исследования поликристаллических, аморфных веществ и тонких пленок [10, С. 71], установил продукты гидратации и твердения по пикам с d = 4,91; 2,61; 2,5; 1,91; 1,78; 1,69; 1,53; 1,49; 1,45; 1,30; 1,15; 1,058; 9,75 [Ca(OH)2 и Ca2SiO4xH2O], d = 3,87; 3,02; 4,48; 2,27; 2,02 [CaCO3]. Содержание в цементном камне Ca2SiO4 устанавливается по линиям d = 2,87; 2,78; 2,17; 2,06. Прибор позволил с высокой точностью проводить измерение интенсивностей и углов рентгеновских отражений в диапазоне температур от 84 до 700 К.
Опытные образцы содержат основные минералы карбонат кальция CaCO3 и Ca2SiO4xH2O гидроксид кальция Ca(OH)2, гидросиликат кальция Ca2SiO4, а - кварц SiO2. [5, С. 37], [6, С. 69], [9, С. 72-76].
Прочность образцов с использованием активированных кварцевых отходов в качестве ультрадисперсного наполнителя при сжатии (RcJ представлена в таблице 2.
Таблица 2 - Прочность образцов цементного камня
Наименование Показатель
ЦЕМ II /А-Ш 42,5Н с добавкой
Цемент, марка гранулированного доменного шлака (общестроительный)
плотность опытных образцов цементного камня с
использованием активированных кварцевых отходов в
качестве ультрадисперсного наполнителя, кг/м3:
• отходы магнитной сепарации крупки, 2205 - 2248
• отсев классификации пудры, 2346 - 2379
• пыль местных отсосов системы аспирации 2415 - 2430
Предел прочности цементного камня без наполнителя, МПа:
через 2 суток твердения при сжатии 17,0 - 21,0
при изгибе 3,0 - 4,2
через 28 суток твердения при сжатии 39,83 - 43,26
при изгибе 6,3 - 6,49
Предел прочности через 28 суток твердения цементного
камня с использованием активированных кварцевых отходов
в качестве ультрадисперсного наполнителя при сжатии, МПа:
• отходы магнитной сепарации крупки, 72,57 - 74,12
• отсев классификации пудры, 73,98 - 76,01
• пыль местных отсосов системы аспирации 74,21 - 79,18
Прочность цементного камня при сжатии значительно меньше, чем прочность его составляющих, и изменяется в пределах 30-90 МПа, у прессованного цементного камня без капиллярных пор составляет 165 МПа [1], [2, С. 1-37].
Заключение
Предложенная технология формирует однородную структуру, которая в процессе армируется ультрадисперсным наполнителем из кварцевых отходов, упрочняя структуру цементного камня и повышая его прочность. Прочность бетона достигается за счет дискретного армирования ультрадисперсным наполнителем из кварцевых отходов.
В результате проведенных исследований при использовании ультрадисперсного наполнителя (активированные вторичные кварцевые отходы: отходы магнитной сепарации крупки, отсев классификации пудры, пыль местных отсосов системы аспирации) в структуре цементного камня позволяет экономить цемент до 8-10 %, повысить плотность цементного камня до 4-6 %, при этом прочность цементного камня повысится до 8-10 %. Достоверность полученных результатов подтверждается согласованием экспериментальных и расчетных данных.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
1. Гусев Б. В. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства / Б. В. Гусев, В. И. Кондращенко, Б. П. Маслов и др. - М. : Научный мир, 2006. - 560 с.
2. Гусев Б. В. Прочность полидисперсного композиционного материала, типа цементного бетона и особенности напряженно-деформированного состояния такого материала при действии сжимающих нагрузок / Б. В. Гусев. - М. : ЦИСН, 2003. - 37 с.
3. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / под ред. Ю. А. Табунщикова, В. Г. Гагарина - 5-е изд., пересм. . - М. АВОК-ПРЕСС, 2006. - 256 с.
4. Шмитько Е. И. Химия цемента и вяжущих веществ : учебное пособие / Е. И. Шмитько, А. В. Крылова, В. В. Шаталова. - СПб. : Проспект Науки, 2006. - 206 с.
5. Clark L. Thaumasite form of sulfate attack / L. Clark. - Concrete International. - 1999. - Vol. 22, no 2. - P. 37-40.
6. Collepardi M. Damage by Delayed Ettringite Formation. A Holistic Approach and New Hypothesis / M. Collepardi // Concrete International. - 1999. - Vol. 21, no. 1. - P. 69-74.
7. Косач А. Ф. Влияние ультрадисперсных кварцевых отходов как наполнителя на структуру и свойства цементного камня / А. Ф. Косач, И. Н. Кузнецова, М. А. Дарулис, Ю. В. Березкина // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета.- 2018.- Т. 20. - №6. - С. 148-159.
8. Косач А. Ф. Влияние ультрадисперсного наполнителя на основе золы гидроудаления на свойства цементного камня / А. Ф. Косач, М. А. Ращупкина, И. Н. Кузнецова, М. А. Дарулис // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2019. - Т. 21. - № 1. - С. 150-158.
9. Кузнецова И. Н. Технология пенобетона на основе торфа / И. Н. Кузнецова, М. А. Ращупкина, С. В. Жуков // Вестник СибАДИ. - 2014. - № 4 (38). - С. 72-76.
10. Кузнецова И. Н. Влияние химического и минерального состава цемента на теплоизоляционные свойства пенобетона / И. Н. Кузнецова. // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет. Новосибирск, 2009. - 168 с.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Gusev B. V. Formirovanie struktury kompozicionnyh materialov i ih svojstva [Formation of structure of composite materials and their properties] / B. V. Gusev, V. I. Kondrashchenko, B. P. Maslov and others. - M. : Nauchnyj mir [Scientific world], 2006. - 560 p. [in Russian]
2. Gusev B. V. Prochnost' polidispersnogo kompozicionnogo materiala, tipa cementnogo betona i osobennosti napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya takogo materiala pri dejstvii szhimayushchih nagruzok [Prochnost of polydisperse composite material, like cement concrete and feature of the intense deformed condition of such material at action of the squeezing loadings] / B. V. Gusev. - M. : CISN [Tsentr Issledovaniy I Statistiki Nauki (Tsisn)], 2003. - 37 p. [in Russian]
3. Fokin K. F. Stroitel'naya teplotekhnika ograzhdayushchih chastej zdanij [Stroitelnaya of the heating engineer of the protecting parts of buildings] / edited by. YU. A. Tabunshchikova, V. G. Gagarina - 5-th edition., peresm. . - M. AVOK-PRESS [AVOK-PRESS], 2006. - 256 p. [in Russian]
4. Shmitko E. I. Himiya cementa i vyazhushchih veshchestv : uchebnoe posobie [Himiya of cement and the knitting substances] / E. I. Shmitko, A. V. Krylova, V. V. Shatalov. - SPb. : Prospekt Nauki [Publishing House «Prospekt Nauki»] , 2006. - 206 p. [in Russian]
5. Clark L. Thaumasite form of sulfate attack / L. Clark // Concrete International. - 1999. - Vol. 22, no 2. - P. 37-40.
6. Collepardi M. Damage by Delayed Ettringite Formation. A Holistic Approach and New Hypothesis / M. Collepardi // Concrete International. - 1999. - Vol. 21, no. 1. - P. 69-74.
7. Kosach A. F. Structure and properties of cement brick modified by ultrafine quartz waste additive [Vliyaniye ul'tradispersnykh kvartsevykh otkhodov kak napolnitelya na strukturu i svoystva tsementnogo kamnya] / A. F. Kosach, I. N. Kuznecova, M. A Darulis, Y. V. Berezkina // Bulletin of Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. [Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta]. - 2018. - Vol. 20. - № 6. - P. 148-159. [in Russian]
8. Kosach A. F. Cement brick properties modified by ultrafine ash-based additive [Vliyaniye ul'tradispersnogo napolnitelya na osnove zoly gidroudaleniya na svoystva tsementnogo kamnya] / A. F. Kosach, M. A Rashchupkina , I. N. Kuznecova, M. A. Darulis // Bulletin of Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. [Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta]. - 2019. - Vol. 21. - № 1. - P. 150-158. [in Russian]
9. Kuznecova I. N. Tekhnologiya penobetona na osnove torfa [Technology of foamed concrete on the basis of peat] / I. N. Kuznecova, M. A. Rashchupkina, S. V. ZHukov // Vestnik SibADI [Vestnik SIBADI]. - 2014. - № 4 (38). - P. 72-76. [in Russian]
10. Kuznetsova I. N. Influence of the chemical and mineral composition of cement on the heat-insulating properties of foam concrete [Vliyaniye khimicheskogo i mineral'nogo sostava tsementa na teploizolyatsionnyye svoystva penobetona] / I. N. Kuznetsova. // dissertation for the degree of candidate of technical sciences / Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering [Novosibirskiy gosudarstvennyy arkhitekturno-stroitel'nyy universitet]. Novosibirsk, 2009 . - 168 p. [in Russian]