CC BY
12
УДК 666.9-4
Колмогоров А.Ю., Корчунов И. В., Жаворонков Д.С., Потапова Е.Н.
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ТРЕХКАЛЬЦИЕВОГО АЛЮМИНАТА В КЛИНКЕРЕ НА СВОЙСТВА КАРБОНАТСОДЕРЖАЩИХ ЦЕМЕНТОВ
Колмогоров Андрей Юрьевич, бакалавр 4-го года обучения кафедры композиционных и вяжущих материалов; f.kolmogorov-5@yandex.ru. Корчунов Иван Васильевич, ассистент кафедры;
Жаворонков Дмитрий Сергеевич, бакалавр 2-го года обучения кафедры; Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор кафедры;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, ул. Героев Панфиловцев, дом 20.
В статье рассмотрено влияние различных добавок на прочностные характеристики цементов. Так же показаны результаты исследований прочностных характеристик составов цементов с добавлением различных минеральных добавок (известняк, доломитовый отсев), а также таких добавок, как: гиперпластификатор и воздухововлекающий агент. Проанализированы характеристики полученных составов и на их основе установлены возможные составы с наилучшими прочностными характеристиками для дальнейшего изучения. Сформулированы гипотезы о возможных причинах экспериментальных результатов.
Ключевые слова: портландцемент, минеральные добавки, гиперпластификатор, доломит, известняк
THE TRICALCIUM ALUMINATE IN CLINKER INFLUENCE ON THE PROPERTIES OF THE CARBONATE-CONTAINING CEMENTS
Kolmogorov A.Y., Korchunov I. V., Zhavoronkov D. S., Potapova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article observed the influence of various additives on the strength characteristics of cements. The results of researches of the strength characteristics of the compositions of cements with the addition of various mineral additives (limestone, dolomite screening) and with the addition of such additives as: hyperplasticizer and air-entraining agent are also shown. The characteristics of the obtained compositions are analyzed and, on their basis, possible compositions with the best strength characteristics for further study are established. Hypotheses about the possible reasons for the experimental results are also formulated.
Key words: Portland cement, mineral additives, hyperplasticizer, dolomite, limestone
Введение
Научно-технический прогресс не стоит на месте, вместе с ним делает шаги вперед и мировая экономика, что позволяет открыть новые горизонты в различных сферах человеческой деятельности. Для человека открываются все новые и новые возможности, которые требуют в первую очередь, различные ресурсы, способные удовлетворить потребности бурно развивающейся промышленности. Развитие промышленности зачастую сталкивается с такой серьезной проблемой, весьма нередкой для нашей страны, как экстремально низкие температуры. Такие условия требует разработки материалов, которые по своим характеристикам будут оптимальны для сложных, из-за холода, климатических условий. Получение цементов и бетонов на их основе, приспособленных к условиям перепада температур через границу в 0 оС без использования различных химических и минеральных модификаторов весьма затруднительно [1].
Использование добавок позволяет регулировать свойства материалов в широких пределах. Получение таких материалов, призванных заменить существующие на данный момент вяжущие системы, позволит гарантировать длительный срок службы сооружений. В данной работе проводилось исследование механизмов действия карбонатных добавок на процесс гидратации и твердения цементной системы, что представляет не только научный, но и практический интерес, позволяя в значительной степени нивелировать экологический ущерб окружающей среде вследствие сокращения производства цементов путем снижения содержания клинкера в цементе (уменьшение клинкер фактора). В качестве карбонатных добавок использовали известняк и доломит.
Известно, что кальцит при добавлении к цементу в качестве минеральной добавки выполняет роль инертного заполнителя и может служить лишь подложкой для кристаллизации гидросиликатов на своих кристаллах с развитым габитусом. Однако
существует мнение [2, 3], что алюминатные фазы портландцементного клинкера способны вступать во взаимодействие с известняком при недостатке двуводного гипса в системе с образованием карбоалюмината кальция 3CaO•AhOз•CaCOз•11H2O. Данное соединение является термодинамически более стабильным и, как ожидается, обладает большей прочностью чем известные гидросульфоалюминаты кальция составов 3CaO•AhOз•CaSO4•12H2O и 3CaO•AbOз•3CaSO4•3Ш2O. Ввиду чего целью данной работы было изучение прироста в прочности цементов с различным содержанием С3А в присутствии карбонатных добавок различной степени помола.
Экспериментальная часть
В данной работе проводился изучение влияния содержания трехкальциевого алюмината в портландцементном клинкере на прочностные характеристики камня в присутствии карбонатных добавок. Исследованию подвергались портландцемент ПЦ 500-Д0-Н (ООО "Топкинский цемент" с содержанием С3А = 2,43 %, далее БД-1) и портландцемент ПЦ 500-Д0-Н (ООО
"ХайдельбергЦементРус (п.Новогуровский)" с содержанием С3А = 7,2 %, далее БД-2) с добавлением минеральных добавок. В качестве минеральных добавок использовали: доломитовый отсев
Скрипкинского месторождения ( далее Д) и известняк (Липецк) (далее И). Для каждой добавки было подготовлено три фракции Sw=2200, 3000 и 4000 см2/г (далее Ф1, Ф2 ,Ф3). В качестве химических модификаторов использовали гиперпластификатор BASF MasterGlenium ACE в количестве 0,7% (далее ГП) на основе данных полученных в [4].
В ходе эксперимента по определению нормальной густоты и сроков схватывания было доказано, что независимо от марки ПЦ количество воды, необходимой для затворения незначительно увеличивается с ростом показателей площади удельной поверхности используемой минеральной добавки, т.к. в составе используется гиперпластификатор, Стоит дабавить, что благодаря ГП, количество воды в составах с минеральными.добавками меньше, чем у любого состава БД в среднем на 8 - 11 %. Сроки схватывания составов, в свою очередь, растут из-за увеличения объема добавляемой воды, т.к. увеличивается площадь добавки, которую нужно смочить.
На следующем этапе исследования исследования было изучено влияние карбонатных добавок на прочностные характеристики цементного камня. На рис.1 представлены гидратационные кривые твердения составов при добавлении к смеси двух карбонатных добавок различных фракций.
Рис. 1 Влияние содержание вида и удельной поверхности минеральной добавки на прочность при сжатии БД-
1: а) - доломит; б) - известняк
При измерении прочности портландцемента БД-1 с добавлением доломита различных фракций было доказано, что наилучшими характеристиками на 28 сутки твердения, обладает состав с Sуд= 2200 см2/г. При добавлении же известняка И-1, было установлено, что интенсивно развитая удельная поверхность не оказывает благотворного влияния на процесс твердения цемента и к 28 суткам твердения, наилучшими прочностными характеристиками обладает уже состав с наименьшей Sуд = 2200 см2/г. Это может быть объяснено тем, что содержаниеС3А в
цементе БД-1 весьма мало и при наличии гипса в системе, вероятность взаимодействия карбонатов с алюминатом кальция так же незначительна и не прогрессирует с увеличением степени помола минеральной добавки , незаметным.
Изучение влияния вида и удельной поверхности карбонатной добавки на свойства цемента БД-2 c большим содержанием С3А изучались на втором этапе исследования. Полученные данные приведены на рис. 2.
SO
с 70
£
I 60
X
л
X о БО
I
о.
с 40
л
и
О - 30
Т
О'
в С 20
10
Ф1 -П-Ф2 Д-ФЗ О БД2
10
о
Ф1 -0-Ф2 -Д -ФЗ О БД2
30
10 20 30 0 10 20
В ре мя те е рд г ч н я, сут Время гее рден и я, суг
а) 6)
Рис. 2 Влияние содержание вида и удельной поверхности минеральной добавки на прочность при сжатии БД-
2: а) - доломит; б) - известняк
При измерении прочностных характеристик портландцемента БД-2 с добавлением Д-2 различных фракций в присутствии химических модификаторов было доказано, что наилучшими характеристиками на 28 сутки твердения, обладает состав с добавлением доломита с Буд=4000 см2/г. При введении же известняка И-2 различных фракций, было установлено, что наилучшими характеристиками на 28 сутки твердения так же обладает состав с Буд=4000 см2/г.
Очевидно, что зачастую, высокоразвитая удельная поверхность оказывает благотворное влияние на структуру цементного камня. За счет мелких частиц кальцита структура уплотняется, а степень гидратации увеличивается и эффективность кальцита, как инертного заполнителя напрямую зависит от его степени измельчения. Однако, при рассмотрении вклада химического взаимодействия кальцита с портландцементом, можно заметить, что прочность БД-1 в процентном соотношении увеличилась в меньшем объеме чем БД-2. Налицо разница в содержании СзА в данных видах цемента, отличающаяся более чем в три раза. Поэтому химическое взаимодействие, как мы считаем, все же возможно и это может быть установлено при дальнейшем исследовании структуры цементного камня методами РФА, ЭМ и РФлА.
Выводы
Экспериментально доказано, что минеральные добавки, такие как известняк и доломитовый отсев, в состав портландцемента, улучшают его прочностные характеристики. Наблюдается закономерность между маркой ПЦ и удельной площадью поверхности добавляемых к нему минеральных добавок. В случае с БД-1, оптимальным выбором будут добавки Д-1 и И-1 с площадью удельной поверхности, равной 2200 см2/г. В составе на основе цемента БД-2, выбраны минеральные добавки Д-2 и И-2, площадь удельной поверхности которых равна 4000 см2/г.
Список литературы
1. Штарк Й., Вихт Б. Долговечность бетона / Пер. с нем. - А.Тулаганова. Под ред. П. Кривенко. Киев: Оранта; 2004. - 301 с.
2. Diamond S. Very high strength cement-based materials// Materials Research. Vol. 42. 1985, pp. 233-243.
3. Ramesh M., Azenha M., Louren£o P. B. Quantification of impact of lime on mechanical behaviour of lime cement blended mortars for bedding joints in masonry systems// Construction and Building Materials. Vol. 229. - 2019, P. 116884
4. 4. Корчунов И.В., Торшин А.О.,Курдюмова С.Е. и соавт.//Сухие строительные смеси. 2017. №.2. С. 42-46.
