CC BY
9УДК 666.9.022.3
ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ЦЕМЕНТА НА ПРОЧНОСТЬ ПРЕССОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ШЛАМОВ ПРОМЫВКИ ДРОБЛЕННЫХ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД
Елькина И.И.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Исследовано влияние частичной механоакивации цемента кавитационным ультразвуковым воздействием и добавки микрокремнезема на прочность прессованных образцов из шламов гранодиоритовых пород. А также возможность увеличения прочности цементного камня путем модификации цемента механоактивированными малыми частицами, полученными ультразвуковой обработкой. Изучено формирование структуры цементного камня. Выявлена возможность получения качественных стеновых материалов на основе вторичного сырья.
Механоактивация, модификация, малые частицы, полусухое прессование, структурообразование, микрокремнезем, шлам, гидросиликаты кальция
Введение
Для получения высокопрочных материалов на основе цемента в последние десятилетия были созданы принципиально новые методы и технологии. При современном уровне и масштабах потребления природных сырьевых материалов, значение фактора полноты использования и вовлечения в общественное производство вторичных материальных ресурсов имеет первостепенное значение. Однако отходы производства сравнительно редко обладают необходимыми физико-химическими, технологическими и другими свойствами, позволяющими производить из них качественные строительные материалы. В этих условиях большое значение имеет разработка технологии, включающей обоснованную компоновку сырьевых смесей, выбор эффективных структурообразующих добавок и создание необходимых условий для формирования оптимальной структуры материалов.
Повышение прочности цементного камня при изготовлении бетонов различного назначения является актуальной задачей, решение которой позволяет существенно снизить расход вяжущего в бетоне или повысить прочность цемента. Уменьшение расхода такого дорогого и энергоемкого компонента, как цемент, в многотоннажном производстве бетонов дает возможность понизить стоимость изделий и повысить конкурентоспособность отрасли строительной индустрии.
В этой связи представляет научный и практический интерес изучение процессов структурообразования прессованного цементного камня из механоактивированных цементов и, затем, использование этих цементов для получения строительных материалов на основе мелкодисперсных отходов дробления горных пород.
Анализ публикаций Рядом исследователей установлено положительное влияние тонкодисперсных минеральных наполнителей разнообразной природы на физико-механические свойства цементного камня. Авторами [1-3] сформулированы теоретические основы влияния микронаполнителей на цементную матрицу. Основными физико-химическими процессами при этом являются: появление дополнительных центров кристаллизации; повышение поверхностной энергии мелкодисперсных частиц и реализация этой энергии в реакциях гидратации; более полная кристаллизация цементного вяжущего.
В работе [4] исследован еще один фактор - влияние микронаполнителей на дифференциальную пористость твердеющего цементного камня и, следовательно, на его прочность. Авторами показано, что введение мелкодисперсного наполнителя
обусловливает снижение размеров и сокращение количества крупных капиллярных пор не только при одинаковом В/Ц, но и при равном В/Т.
Высокопрочный цементный камень может быть получен и путем создания объемно-однородной, высокоплотной структуры, что достигается прессованием, подбором рациональной гранулометрии, уменьшением В/Ц, устранением условий для возникновения неоднородностей и дефектов структуры [5]. Прессование материалов на цементных вяжущих позволяет получить структуры с максимально плотной упаковкой частиц и низкой пористостью. В работе [6] описаны составы с уплотненной системой гомогенно размещенных ультрамалых частиц, которые получают путем смешивания портландцемента, микрокремнезема, суперпластификаторов и воды. В процессе гидратации формируется плотный, практически не содержащий гидрооксида кальция, цементный камень, предел прочности при сжатии которого достигает 350-400МПа.
Изучая свойства малых обломочных частиц и их энергетическое состояние, авторы работы [7] сделали вывод о том, что энергия механической активации затрачивается на создание особого агрегатного состояния твердых тел - ультрадисперсной фазы обломочных малых частиц.
Существенный вклад малых частиц во внутреннюю энергию измельчаемых веществ свидетельствует о возможности получения механоактивированных систем путем перемешивания обычных порошков и порошков из активированных малых частиц. Это предположение подтверждено нами при получении материалов на основе известняковых отходов камнепиления и силикат-натриевой связки [8].
Цель и постановка задач исследований
В настоящей статье приведены результаты исследований, целью которых являлось исследование влияния частичной механоакивации цемента кавитационным ультразвуковым воздействием и добавки микрокремнезема на прочность прессованных образцов из шламов гранодиоритовых пород. А также возможность увеличения прочности цементного камня путем модификации цемента механоактивированными малыми частицами, полученными ультразвуковой обработкой и выявление возможности получения качественных стеновых материалов на основе вторичного сырья.
Методика исследований
Для выявления влияния процесса механоактивации цемента различными методами на прочность прессованных образцов из шламов гранодиоритовых пород были проведены 2 серии испытаний.
На первом этапе выявлялось влияние частичной механоакивации цемента кавитационным ультразвуковым воздействием и добавки микрокремнезема на прочность и структуру цементных образцов и прессованных материалов на основе шламов промывки дробленных магматических пород. Для этого проводили исследование на образцах-цилиндрах диаметром и высотой 3 см, получаемых полусухим прессованием сырьевой смеси с относительной влажностью 10% (мас.) при удельном давлении 30МПа. После прессования образцы выдерживали в естественных условиях, после чего определяли их предел прочности при сжатии в возрасте 7 и 28 суток. В качестве вяжущих использовались шлакопортландцемент М400 Бахчисарайского цементного завода, портландцемент М500 Краматорского цементного завода и микрокремнезем ОАО «Запорожского завода ферросплавов». В качестве мелкодисперсных отходов дробления горных пород использовались шламы промывки дробленных магматических пород: гранодиориты Шархинского карьера и диабазы Лозовского карьера (АР Крым).
На втором этапе была исследована возможность увеличения прочности цементного камня путем модификации цемента. Исследования проводились на шлакопортландцементе М400 Бахчисарайского цементного завода и портландцементе М500 Краматорского цементного завода. Активацию и диспергирование цементов производили в водной среде с использованием ультразвукового аппарата УЗАП-2,5/22-ОП, предназначенного для проточной обработки суспензий. Интенсивность
ультразвукового воздействия составляла 25Вт/см . Эксперимент проводили следующим образом: из указанных выше цементов готовили пробы по 1 кг каждая. От каждой пробы отбирали часть цемента 10, 20 и 30% по массе для приготовления суспензий. Объем воды суспензий выбирали таким образом, чтобы при смешивании обработанной ультразвуком суспензии с сухим остатком цемента. В/Ц раствора было равно 0,5. Из полученного раствора формовали образцы-кубики размером 2х2 см, которые выдерживали 28 суток во влажных условиях, затем определяли их предел прочности при сжатии по стандартной методике.
Результаты экспериментальных исследований и их анализ Для исследования влияния добавки микрокремнезема, совместного воздействия механоактивации и добавки микрокремнезема на прочность образцов, механоактивация цемента была выполнена путем его модификации 20%-ми механоактивированными малыми частицами, предварительно подвергнутых ультразвуковому кавитационному воздействию на установке УЗАП-2,5/22-ОП. Оптимальное количество добавляемого к цементам микрокремнезема составляло 10% (масс.).
Анализ полученных результатов (см. табл.1) свидетельствует о существенном росте прочности прессованных образцов цемента. Модификация цементов механоактивированными малыми частицами повышает их прочность на 26,9-31,4%, ввод микрокремнезема приводит к росту прочности на 13,8-21,1%, модификация и добавка микрокремнезема повышает прочность цементов на 64,2-71,8% (в возрасте 7 сут) и на 78,2-88,4% (в возрасте 28 сут).
Таблица 1
Предел прочности образцов при различных видах механоактивации
Вид цемента Предел прочности при сжатии (МПа)
обычный Механоактивированный частичной модификацией малыми частицами С добавкой микрокремнезема Механоактивиров анный с добавкой микрокремнезема
7 сут. 28 сут. 7 сут. 28 сут. 7 сут. 28 сут. 7 сут. 28 сут.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
ШПЦ М400 57,2 73,1 76,8 96,1 68,7 88,5 98,3 137,7
ПЦ М500 65,4 87,2 81,3 110,7 74,6 99,2 107,4 155,4
Далее была изучена возможность получения прочных строительных материалов на основе шламов промывки дробленных магматических пород с использованием цементов, модифицированных механоактивированными малыми частицами с добавкой микрокремнезема.
Количество вводимых в сырьевую смесь цементов составляло 5,10,15,20 % (масс.). Для сравнения приведены данные предела прочности при сжатии образцов с цементами без микрокремнезема и модификации.
Результаты исследований представлены на рис. 1.
Полученные графические зависимости свидетельствуют о значительном росте прочности образцов на основе шламов с использованием цементов, модифицированных механоактивированными малыми частицами с добавкой микрокремнезема. При содержании в сырьевой смеси модифицированных цементов в количестве 5-20% прочность образцов возрастает в 1,5-3,7 раза по сравнению с обычными цементами. Образцы на шламе Лозовского карьера обладают более высокой прочностью, т.к. диабаз несколько прочнее гранодиорита. При 5%-ном расходе цемента марка образцов увеличивается с М25-М50 до М100-М125, а при 20%-ном расходе цемента с М200-М250 до М300-М450.
Рис. 1. Зависимость прочности образцов на основе шламов промывки дробленных
горных пород от количества цемента (1,2,5,6 - ПЦ М500; 3,4,7,8 - ШПЦ М400;
1,3,5,7 - шлам Лозовского карьера; 2,4,6,8 - шлам Шархинского карьера;
1,2,3,4 - образцы на цементе, модифицированном механоактивированными малыми
частицами с добавкой микрокремнезема;
5,6,7,8 - образцы на обычном цементе)
На последнем этапе исследований выполнялись эксперименты, изучающие повышение прочности цементного камня за счет модификации цемента механоактивированными малыми частицами с помощью ультразвукового воздействия. Одним из наиболее простых способов повышения активности цемента и, соответственно, прочности цементного камня в бетоне является увеличение тонкости помола цемента. Существуют различные способы диспергирования цемента: помол в мельницах различных типов, кавитационная обработка в ультразвуковых и другого типа кавитаторах, высокоимпульсная электроразрядная обработка и т.п. [9].
Результаты исследований свидетельствуют о монотонном росте прочности цементного камня при увеличении количества активированного цемента в растворе.
Результаты исследований представлены на рис. 2.
При увеличении содержания активированного цемента в растворе до 30%, прочность цементного камня возрастает на 41% для шлакопортландцемента М400 Бахчисарайского цементного завода и на 38% для портландцемента М500 Краматорского цементного завода.
Ограничение количества цемента в суспензии 30 процентами связано с седиминтацией цемента в суспензии.
Ультразвуковое воздействие вызывает в обрабатываемой суспензии кавитацию, которая приводит к диспергированию минералов в водной среде с получением минеральных взвесей коллоидной или близкой к ней дисперсности, т. е. малых частиц наноразмеров, которые являются центрами кристаллизации при формировании структуры цементного камня.
0 10 20 30
Кол-во активированного цемента в растворе, % (мас)
Рис.2. Влияние количества активированного цемента в растворе на прочность: 1,2,3 для шлакопортландцемента М400 Бахчисарайского цементного завода с В/Ц 0,45;0,5 и 0,55 соответственно; 4,5,6 для портландцементе М500 Краматорского цементного
завода с В/Ц 0,45;0,5 и 0,55 соответственно Выводы
1. Изучено влияние частичной механоактивации цемента кавитационным ультразвуковым воздействием и добавки микрокремнезема на прочность и структуру прессованных цементных образцов. Показано, что ввод микрокремнезема в количестве 10% в сочетании с добавкой 20% механоактивированного цемента приводит к росту прочности прессованных цементных образцов на 80-90%. Повышение прочности связано с увеличением количества низкоосновных гидросиликатов кальция в материале.
2. Получены прессованные материалы на основе шламов промывки дробленных магматических пород с использованием частично механоактивированного цемента и микрокремнезема, прочность которых в 1,5-3,7 раза выше прочности образцов на обычных цементах.
3. Исследована возможность увеличения прочности цементного камня на 40% путем модификации цемента механоактивированными малыми частицами, полученными ультразвуковой обработкой 20-30% цемента в суспензии.
Список литературы:
1. Красный И.М. О механизме повышения прочности бетона при введении микронаполнителя. Бетон и железобетон, 1987, № 5, с. 10-11.
2. Курочка П.Н., Гаврилов А.В., Пахрудинов И.П. Влияние мелкодисперсных добавок на цементную матрицу. В сб. «Современные материалы и технологии в строительстве» Новосибирск, 2003, с. 77-80.
3. Вознесенский В. А., Выровой В.Н., Керш В.Я. Современные методы оптимизации композиционных материалов. Будивельник. Киев, 1984. 144 с.
4. Бабков B.B., Мохов B.H., Капитонов СМ., Разрушение цементных бетонов. Уфа, 2002, с. 220 - 234.
5. Пащенко А. А. Теория цемента / Пащенко А. А. - К. : Будiвельник, 1991. - 168 с.
6. Kurdowski W. Special Cements / Kurdowski W., George C.M., Sorrentino F.R. - Rio-de-Janeiro.Finer. : 8th Intern. Congr. Chem. Cem., 1986. - с. 293-318.
7. Процессы самоорганизации в системах обломочных малых частиц. / [Ревнивцев В.И., Владимиров П.С., Доливо-Добровольский Г.И., Тихонов О.Н. ]. - 1990- .(Неорганические материалы).
8. Т. 26. - 1990.-1086-1091 с.
9. Федоркин С.И. Механоактивация вторичного сырья в производстве строительных материалов / С.И. Федоркин. - Симферополь : Таврия, 1997. - 180 с.
10. Файнер М.Ш. Теоретические и экспериментальные основы разрядно-импульсной технологии бетона / М.Ш. Файнер. - К. : УкрИНТИ, 1993. - 81 с.
