CC BY
22
УДК 666.942.31
Фурутин М.С., Кривобородов Ю.Р., Ясько Д.А.
ВЛИЯНИЕ ДОМЕННОГО ГРАНУЛИРОВАННОГО ШЛАКА НА СВОЙСТВА СУЛЬФОАЛЮМИНАТНОГО ЦЕМЕНТА
Фурутин Максим Сергеевич, студент 2 курса магистратуры факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: [email protected];
Кривобородов Юрий Романович, д.т.н., профессор, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Ясько Денис Александрович, аспирант кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Важнейшей задачей цементной промышленности в настоящее время является повышение качества цемента с одновременным снижением энергетических затрат на его производство. В данной работе представлены результаты исследований по получению составов вяжущих на основе сульфоалюминатного цемента с добавлением доменного гранулированного шлака. Определен оптимальный состав, свойства которого практически не отличаются от чистого сульфоалюминатного цемента.
Ключевые слова: сульфоалюминатный цемент, доменный гранулированный шлак, водопотребность, прочностные свойства.
INFLUENCE OF THE DOMAIN GRANULATED SLAG ON THE PROPERTIES OF SULFOOLUMINATE CEMENT
Furutin M.S., Krivoborodov Y.R., Yas'ko D.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The most important task of the cement industry is now to improve the quality of cement while reducing the energy costs for its production. In this paper, the results of studies on the preparation of astringent compositions based on sulfoaluminate cement with the addition of blast-furnace granular slag are presented. The optimum composition is determined, the properties of which practically do not differ from pure sulphoaluminate cement. Keywords: sulfoaluminate cement, blast-furnace granulated slag, water demand, strength properties.
Огромное количество строительных
сооружений, различные условия их эксплуатации, а также особенности конструкций вызвали необходимость создания специальных цементов, которые могли бы использоваться в различных отраслях строительства [1]. На основе исследований многих ученых было организовано промышленное производство множества специальных цементов, в их число входит и сульфоалюминатный цемент (САЦ) [2].
Сульфоалюминатный цемент представляет собой быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество; продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом (до плавления или спекания) сырьевой смеси, состоящей из бокситов, известняков и гипсового камня. Обжиг сырьевой смеси производят во вращающихся печах или, по керамической технологии, в туннельных печах.
Несмотря на несомненные успехи, достигнутые в области создания специальных цементов, весьма актуальны дальнейшее исследования, направленные на расширение ассортимента и улучшение качества эффективных материалов [3].
Таким образом, наиболее перспективным направлением улучшения эксплуатационных свойств вяжущих является применение химических и минеральных добавок. Они представляют собой тонкоизмельченные материалы, которые добавляют
в бетон в относительно больших количествах. Введение их, даже в небольших количествах, значительно влияет на процессы гидратации цементной матрицы и формирование структуры камня, позволяет активно воздействовать на свойства цементов в требуемом направлении.
Одним из самых эффективных материалов в части экономии цемента является доменный гранулированный шлак (ДГШ). Данный материал достаточно хорошо изучен как активная минеральная добавка в портландцемент, кроме того, шлак является основным компонентом при получении шлакопортландцемента и изделий на их основе. В технологии специальных цементов, таких как особобыстротвердеющих, напрягающих цементов сведений об использовании доменного гранулированного шлака практически нет.
По своей природе, доменный гранулированный шлак представляет собой стеклообразный материал, который получают в результате быстрого охлаждения шлакового расплава, получаемого при плавке железной руды, который при соответствующем активировании имеет
гидравлические свойства. Образующиеся гранулы варируются по размеру от нескольких миллиметров, до 15 мм [4]. Образующиеся на предприятиях по
выплавке чугуна отходы должны быть соответствующим образом удалены. Сброс их в отвалы создает проблемы для окружающей среды. Таким образом, введение доменного гранулированного шлака как компонента в бетон не только экономически выгодно, а также позволяет решить экологические проблемы.
Целью работы является создание композиционного цемента с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе сульфоалюминатного клинкера с добавкой доменного шлака.
Для исследований были выбраны сульфоалюминатный цемент, производства ОАО "Подольск-Цемент", доменный гранулированный шлак ОАО "Мечел", реактивы оксид кальция и микрокремнезем ОАО "Кузнецкие ферросплавы".
На первом этапе работы осуществляли синтез гидросиликатной добавки путем обработки исходных компонентов (реактива оксида кальция и микрокремнезема), а также сульфоалюминатного цемента в роторно-пульсационном аппарате по известной методике [5].
Рабочие элементы РПА представляют собой два или более комплекта полых коаксиальных цилиндров (конусов или дисков) с отверстиями или прорезями различной формы. При вращении одного набора цилиндров относительно другого или при вращении обоих наборов в противоположных направлениях происходит быстрое чередование совмещения или несовмещения прорезей, что влечет за собой синхронное изменение скорости движения обрабатываемой среды через прорези, т.е. возникновение пульсирующего с большой частотой жидкого потока. В результате обрабатываемая среда подвергается воздействию больших напряжений сдвига, возникающих в узких радиальных зазорах между вращающимися и неподвижными цилиндрами вследствие значительных градиентов
скорости, гидродинамическим ударам, кавитации, мелкомасштабной пульсации в широком диапазоне частот. Перечисленные факторы в сочетании с интенсивным механическим воздействием значительно повышают скорость технологических процессов в жидких гомогенных и гетерогенных системах [6].
Соотношение твердой фазы и жидкости (дистиллированная вода) составляло 1 : 4. В процессе активации было отмечено повышение температуры суспензии (очевидно за счет трения) до 60 оС.
Отобранные пробы суспензий высушивали в сушильном шкафу СНОЛ E5CN при 45оС в течение 1 суток. Температуру сушки выбирали из соображений обеспечения сохранности
кристаллогидратов (при большей температуре возможна их деструкция). После сушки образцы были измельчены до прохождения сита 008.
На следующем этапе работы были выделены несколько составов: чистый сульфоалюминатный цемент, сульфоалюминатный цемент с 15 и 50% шлака и добавлением 3% добавки, полученной в результате активации в роторно-пульсационном аппарате. Так же для сравнения будут показаны характеристики чистого сульфоалюминатного цемента, и с добавлением 15 и 50% шлака (таблица 1).
После получения результатов чистого сульфоалюминатного цемента с добавлением шлака, было принято решение о модифицировании составов путем введения добавок, полученных на первом этапе работы. Первой рассмотренной добавкой будет гидратированный сульфоалюминатный цемент в количестве 3% от массы смеси. Характеристика растворной смеси, а также прочностные характеристики композиции представлены в таблице 2.
Таблица 1. Свойства сульфоалюминатного цемента с добавкой шлака
Свойства Добавки
- 15% шлака 50% шлака
Нормальная густота, % 27 29 31
Сроки схватывания, мин начало 35 30 35
конец 60 60 65
Прочность в 28 сут твердения, МПа изгиб 13,8 13,1 8,3
сжатие 80,5 79,1 31,4
Таблица 2. Свойства цементной композиции
Свойства Добавки
- 15% шлака 50% шлака
Нормальная густота, % 27 29 31
Сроки схватывания, мин начало 30 35 30
конец 60 65 55
Прочность в 28 сут твердения, МПа изгиб 14,2 13,4 8,7
сжатие 78,4 81,1 31,7
В полученных композициях можно отметить отсутствие изменений нормальной густоты и сроках схватывания, но можно заметить небольшое увеличение прочностных характеристик на 28 сутки по сравнению с композицией без гидратированного сульфоалюминатного цемента.
Следующей рассмотренной добавкой является гидратированная смесь реактивов оксида кальция и микрокремнезема в соотношении 1 : 1, в количестве 3% от массы смеси. Полученные характеристики представлены в таблице 3.
Здесь можно заметить значительное увеличение водопотребности, за счет наличия в системе дополнительного оксида кальция. Так же с
увеличением водопотребности, увеличиваются и сроки схватывания, что влияет и на прочностные характеристики полученных композиций. Если и рассматривать данную систему в будущем, то только в присутствие пластификаторов. Без них данная система не имеет смысла.
Последней рассмотренной добавкой к композиции из сульфоалюминатного цемента и шлака является смесь из сульфоалюсинатного цемента и полученной 2-й добавки, так же в соотношении 1 : 1. в количестве 3% от массы смеси. Полученные характеристики представлены в таблице 4.
Таблица 3. Свойства цементной композиции
Свойства Добавки
- 15% шлака 50% шлака
Нормальная густота, % 32 34 37
Сроки схватывания, мин начало 40 40 30
конец 75 80 65
Прочность в 28 сут твердения, МПа изгиб 10,8 11,8 8,6
сжатие 64 65,5 36,8
Таблица 4. Свойства цементной композиции
Свойства Добавки
- 15% шлака 50% шлака
Нормальная густота, % 27 30 32
Сроки схватывания, мин начало 30 30 25
конец 60 65 55
Прочность в 28 сут твердения, МПа изгиб 12,8 11,9 8,4
сжатие 69,2 61,7 38,5
В результате введения в композицию последнего типа добавки можно отметить увеличение водопотребности, относительно композиции без добавок, а также значительным понижением прочностных характеристик, что так же может быть объяснено присутствием оксида кальция.
Таким образом, введение добавок на основе оксида кальция и микрокремнезема в сульфоалюминатный цемент не эффективно, поскольку прочностные свойства камня снижаются.
На основании полученных данных, можно сделать заключение, что добавление шлака к сульфоалюминатногому цементу перспективно.
Добавка шлака несколько увеличивает водопотребность композиционного вяжущего, но прочностные свойства твердеющего камня при введении оптимального количества шлака сохраняются на уровне бездобавочного цемента. Для сохранения прочностных характеристик цемента следует ограничить содержания шлака в смеси не более 20%. Добавление шлака позволяет увеличить выпуск сульфоалюминатного цемента (в пересчете на 1 тонну клинкера) и, соответственно, снизить себестоимость его производства.
Список литературы
1. Кривобородов Ю. Р., Кузнецова Т.В. Специальные цементы: учеб. пособие. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. - 64 с.
2. Кузнецова Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. — М.: Стройиздат, 1986. — 208 с.
3. Кривобородов Ю. Р., Кузнецова Т.В. Состав, свойства и применение специальных цементов // Технологии бетонов. - М., 2014, №2, С. 8-11
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. 3941
6. Плотников В.В., Кривобородов Ю.Р. Влияние активирующих наноструктур на синтез и качество клинкера // Сухие строительные смеси. - М., 2010, №6, С. 34-36
