Вяжущие (цементы) низкой водопотребности на основе органоминеральных добавок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вяжущие (цементы) низкой водопотребности на основе органоминеральных добавок

Шакирова У.Б.

Приведены результаты экспериментальных исследований вяжущих материалов (цементов) низкой водопотребности с повышенным содержанием органоминеральных добавок (техногенных продуктов - золы-унос, суперпластификаторы) и шлаков ЭТФП. Показанная возможность получения бетонов с прочностью до 80 МПа при использовании предлагаемых цементов. Определены оптимальные составы вяжущего.

Ключевые слова: вяжущий, низкая водопотребность, (цемент), зола-унос, техногенные продукты, суперпластификатор.

The Broughted results of the experimental studies low water demand connecting material (cements) research using a high content of the organic mineral additives (waste production - ashes-VWVcarry away, superplasticizer) and slag ETFP. The Showned possibility of the reception concrete with toughness before 80 MPA when use proposed cement. The optimum compositions connecting material

Keywords: low water demand, connecting material (cements), fly ash, waste products, superplasticizer.

Наиболее актуальной задачей в производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкция является решение вопросов снижения энерго- и ресурсосбережения при производстве цемента. Дальнейшее повышение эффективности использования клинкера возможно при одновременном повышении его активности, но этот путь существенно усложняет и увеличивает энергоемкость производства цемента. Повышение прочности бетона на рядовых цементах возможно также при применении дорогих химических и минеральных добавок. Поэтому важно найти экономически приемлемые способы уменьшения содержания клинкера в цементе без снижения активности последнего, а также прочности бетона на его основе. Что обеспечивается применением смешанных вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), тонкомолотых цементных вяжущих (ТМЦВ) в сочетании с химической активацией технологических процессов[1-2]. Суперпластификаторы являются эффективным средством получения высокопрочных бетонов.

Одним из основных критериев оценки эффективности использования цемента в бетоне является отношение расхода клинкера, который является основным и энергоемким компонентом цемента, к прочности бетона (кг/МПа). При использовании традиционного портландцемента этот критерий: для бетонов низкой и средней прочности равен -15...17, для бетонов прочностью 35...40 МПа - 12...14, при использовании современных суперпластификаторов и микрокремнезема значение прочности бетона увеличивается до 80 МПа, а знчение этого критерия снижается до 7 [1-3].

Европейский стандарт на цемент EN 197-1 предусматривает производство шлакопортландцемента с минимальным содержанием клинкера 5 - 20%, а также широкого спектра композицонных и пуццолановых цементов. Малоклинкерные цементы, наполненные промышленными отходами (шлак, зола-унос), имеют ряд положительных особенностей. Они привлекают низкой стоимостью, их производство менее энергоемко, позволяет утилизировать накопленные отходы, сократить вредные выбросы в атмосферу. Однако такие цементы пока не слишком популярны среди производителей бетона, главным образом из-за относительно низкой активности (наиболее распространенная марка М400), медленного набора прочности и повышенной водопотребности.

Способ механо-химической активации строительных материалов, достигаемая комплексным применением тонкого измельчения вяжущих в сочетании с введением эффективных химических добавок является одним из приоритетных направлений повышения активности и других строительно-технических свойств малоклинкерных вяжущих и других композиционных цементов [4].

В исследованиях был использован клинкер Бекабадского ОАО "Бекабадцемент" следующего минералогического состава: C3S - 57,10%. C2S - 21,27%, C3A - 6,87%, C4AF - 12,19%. В качестве минеральных добавок приняты зола-унос Новоангренской ГРЭС и гранулированный шлак ЭТФП Джамбульского фосфорного завода с модулем основности М0=1,1 и коэффициентом качества К=1,44. Как сульфатный компонент и активизатор твердения шлаковых цементов использовали фосфогипс-дигидрат Алмалыкского химического завода. Химическими добавками служили: интенсификатор помола - пропиленгликоль; суперпластификатор СП-1(С-3) Новомосковского предприятия "Полипласт"; гиперпластификаторы на акрилатной - Mapei Dynamon SP3, и на поликарбоксилатной основе - Sika VK 225; добавки - регуляторы твердения: хлориды кальция и железа, сульфаты натрия и железа, а также фторид кальция и кремнефтористый натрий.

Перспективными композиционными вяжущими материалами для современных бетонов являются предложенные в середине 80-х годов прошлого столетия вяжущие низкой водопотребности (ВНВ) [5]. При содержании клинкера 30…50% они обладают повышенной активностью, интенсивно твердеют и имеют водопотребность НГ = 16…18%. В качестве минерального наполнителя ВНВ целесообразно использовать продукты техногенного происхождения обладающие высокой размолоспособностью - шлаки, золы. вяжущий цемент строительный

Зола-унос широко используется как компонент цементов, бетонов и растворов. Накоплен значительный положительный опыт ее использования в бетонах и растворах [5,6], а также в композиционных цементах [6]. Требования к золе как компоненту цемента сводятся к ограничению потерь при прокаливании (? 5%),содержания свободного СаО ( ? 2,5%) и щелочных оксидов (? 3%) [7]. Первые два показателя для использованной в наших исследованиях золы Новоангренской и Ангренской ГРЭС находятся на грани допустимого, однако результаты исследований ряда ученых республики свидетельствует о возможности использования этой золы в качестве активной минеральной добавки в цемент.

В ходе исследований золосодержащих ВНВ изменяли содержание золы-унос от 30 до 50%, добавок - суперпластификаторов (СП) от 0,4 до 1% и удельной поверхности от 5000 до 7000 см2/г. Определяли нормальную густоту (НГ) цемента,его прочность на сжатие (активность) и на изгиб в возрасте 2,7 и 28 суток. Кроме золы и клинкера цемент содержал также 10% шлака ЭТФП. Графические зависимости, иллюстрирующие активность исследуемых цементов, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Прочность на сжатие в возрасте 2 сут. (а) и 28 сут. (б)

Анализируя их, приходим к выводу, что увеличение удельной поверхностиSудсвыше 5000 см2/г приводит к росту активности цемента во все строки твердения. В частности, изменение Sуд от 5000 к 6000 см2/г приводит к увеличению активности цемента на 10-15%. Однако при приближении Sуд к 7000 см2/г наблюдается в основном увеличение ранней прочности, а в возрасте 28 сут. возможно даже некоторое снижение активности цемента.Поэтому повышенная дисперсность вяжущего целесообразна только для обеспечения высокой ранней прочности.

При сравнительных исследованиях установлено, что из всех суперпластификаторов наибольшую активность вяжущего обеспечило применение суперпластификатора поликарбоксилатного типа Sika VC 225, что объясняется его наибольшей водоредуцирующей способностью. Оптимальный его расход в составе ВНВ составляет 0,7%, что приводит к росту активности в 2…2,2 раза во все сроки при прочих равных условиях. Суперпластификаторы акрилатного и нафталинформальдегидного типов менее эффективны.

Таким образом, использование золы-унос в качестве минерального наполнителя цементов низкой водопотребности позволяет снизить содержание клинкера в цементе до 40% и обеспечить при этом прочность на сжатие до 60 МПа. Для уменьшения энергозатрат при помоле в состав комплексного модификатора такого цемента наряду с суперпластификатором вводится интенсификатор помола, например пропиленгликоль.

Дальнейшее снижение содержания клинкера в цементе (ниже 20%) возможно при замене золы-унос доменным шлаком и введении в состав комплексного модификатора цемента интенсификаторов твердения - фосфогипса и фторида кальция.

Исследования малоклинкерного шлакопортландцемента (ШПЦ) были выполнены с использованием метода математического планирования эксперимента [8]. Реализован трехуровневый пятифакторный план На-5, условия планирования которого приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Условия планирования эксперимента

После обработки и статистического анализа экспериментальных данных получены математические модели водоцементного отношения для достижения стандартной консистенции, а также активности цемента в возрасте 7 и 28 сут. в виде полиномиальных уравнений регрессии. Графические зависимости, иллюстрирующие влияние технологических факторов на активность ШПЦ в возрасте 28 сут., представлены на рис. 2.

Анализируя представленные на рис. 2 графики, приходим к выводу, что при увеличении содержания клинкера в принятых пределах варьирования активность ШПЦ увеличивается на 10-15%. Также позитивно на прочность влияет увеличение содержания добавки фторида кальция, оптимальное содержание которого составляет 1% от массы цемента. Дальнейшее увеличение его содержания приводит к спаду прочности образцов, что объясняется увеличением водопотребности. Рост активности наблюдается и при увеличении до определенного оптимального значения удельной поверхности вяжущего. Для всех составов вяжущего увеличение активности достигается введением суперпластификатора, уменьшающего водопотребность. Оптимальный расход суперпластификатора поликарбоксилатного типа в составе вяжущего составляет 1%. Увеличение содержания фосфогипса до 7,5% (4,63 % у пересчете на SO3) приводит к росту активности вяжущего, но дальнейшее его увеличение отрицательно сказывается на прочности.

Рис. 2. Влияние технологических факторов на активность малоклинкерного ШПЦ

В данной роботе был выполнен ряд опытов по исследованию влияния ускорителей твердения на прочностные характеристики шлакопортландцемента с различным значением удельной поверхности. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Полученные результаты указывают на то, при увеличении удельной поверхности ШПЦ от 3000-3200 см2/г до 4000-4500 см2/г прочность увеличивается почти в два раза. Однако, существенно увеличить прочность вяжущего с удельной поверхностью 3000 см2/г можно используя ускорители твердения. Наиболее эффективным ускорителем для малоклинкерного шлакопортландцемента является кремнефтористый натрий (Na2SiF6). Прочность вяжущего при увеличении его содержания до 2-% растет более чем в 1,5 раза, но дальнейшее увеличение содержания Na2SiF6 приводит к снижению прочности, что связано с увеличением В/Ц. С увеличением удельной поверхности до 4000 см2/г влияние ускорителей твердения на прочностные характеристики вяжущего становится незначительным.

Таблица 2.

Влияние ускорителей твердения на прочность малоклинкерного ШПЦ

На оптимальном составе вяжущего исследовали возможность получения высокопрочных бетонов. Физико-механические характеритики бетонов полученных с использованием золосодержащих ВНВ приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Физико-механические характеритики бетонов полученных с использованием золосодержащих ВНВ

* - состав ЦНВ - цемент : зола : шлак при соотношении 4 : 3 : 1.

Заполнителями служили гранитный щебень фракции 5-20, а также кварцевый песок с модулем крупности 1,9 и содержанием примесей до 2%. В ходе исследований установлены оптимальные В/Ц и определены физико-механические свойства жестких и литых бетонных смесей на основе золосодержащих ЦНВ. Приведенные в табл. 3 некоторые результаты свидетельствуют о том, что при расходе цемента 500 кг/м3 и содержании клинкера в вяжущем 40% можно получить литые бетонные смеси прочностью свыше 80 МПа. Удельный расход клинкера в таком бетоне составит всего 2,5 кг/МПа.Выводы:

1. Выполненные исследования позволили установить, что при замене 60% цементного клинкера золой-унос и доменным шлаком в условиях механо-химической активации цемента возможно получить цемент низкой водопотребности с активностью до 60 МПа. В качестве комплексного модификатора цемента целесообразно использовать добавку, включающую суперпластификатор поликарбоксилатного типа и интенсификатор помола.

2. При уменьшении содержания клинкера до 10…12%, замене золы-унос доменным шлаком и применении интенсификаторов твердения можно получить шлакопортландцемент с активностью свыше 40 МПа. Оптимальными химическими модификаторами - интенсификаторами твердения малоклинкерного шлакопортландцемента, являются фторид кальция и кремнефтористый натрий.

3. Использование предложенных высоконаполненных цементов позволяет снизить удельный расход клинкера в бетоне до 2,5...3 кг/МПа, что существенно ниже, чем для используемых сейчас цементов.

Список использованной литературы

1. Дворкин Л.И. Эффективные цементно-зольные бетоны / Дворкин Л.И., Дворкин О.Л., Корнейчук Ю.А.- Ровно. - 1998. - 195 с.

2. Желтов П.К., Рамазанов К.Р., Соломатов В.И. Цементные бетоны с органоминеральными добавками. Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы седмых академических чтений РААСН / Белгород. гос. техн. акад.строит. мат. -Белгород, 2001, 137 с.

3. Тулаганов А.А. Основы безобжиговых щелочных вяжущих и бетонов. Учебное пособие. Переработанное и дополненое 2-е издание.- Ташкент: ТАСИ, 2008, -200 С.

4. Евтушенко Е.И., Кравцов Е.И., Дороганов В.А. Активационная модель фазообразования в системе ”кристаллическое-аморфное тело”. Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы седмых академических чтений РААСН / Белгород. гос. техн. акад.строит. мат. -Белгород, 2001, 125-130 с.

5. Батраков В.Г. Бетоны на вяжущих низкой водопотребности / Батраков В.Г., Башлыков Н.Ф., Бабаев Ш.Т. и др. // Бетон и железобетон. 1988. - №11. - С.4-6.

6. Цементные бетоны с минеральными наполнителями /Л.И. Дворкин, В.И. Соломатов, В.Н. Выровой, С.М. Чудновский. Под ред. Л.И. Дворкина, - К.: Будивельник, 1991. - 136 с.

7. Бабаев Н.Х. Исследование строительно технических свойств вяжущих низкой водопотребности на основе органоминеральных добавок/ Международный журнал СПНиП. -№ 1, 2013, -С. 5-16

8. Зедгенидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. -М.: Наука,1976. 380 с.

Размещено на Allbest.ru