Влияние технологических условий получения и добавок на свойства композиционного карбонатно-глинистого вяжущего

Р. Р. Сагдиев, Н. С. Шелихов, Р. З. Рахимов,

О. В. Стоянов

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ И ДОБАВОК НА СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО КАРБОНАТНО-ГЛИНИСТОГО ВЯЖУЩЕГО

Ключевые слова: романцемент, композиционное бесклинкерное вяжущее, пластификаторы, ускорители твердения.

Разработан состав композиционного бесклинкерного гидравлического вяжущего на основе карбонатноглинистого сырья. Повышение прочности физико-механических показателей достигается за счет введения комплексной добавки, состоящей из пластификатора и ускорителя твердения. Получена математическая модель прочности романцемента в зависимости от режима обжига, времени выдержки. Приведены математические зависимости прочности и нормальной густоты композиционного бесклинкерного вяжущего в зависимости от вида и количества добавок пластификаторов и ускорителей твердения.

Keywords: romantsement, composite binder no clinker, plasticizers, curing accelerators.

The composition of the composite no clinker hydraulic binder based on carbonate-clay materials. Improving the strength of physical and mechanical properties is achieved by introducing the complex additive consisting of a plasti-cizer and a hardening accelerator. The mathematical model of strength romantsementa depending on the mode offir-ing, holding time. The mathematical dependence of the strength and composition of normal density besklinkernogo binder depending on the type and amount of additives and plasticizers, curing accelerators.

Введение

Перспектива развития строительной отрасли предполагает значительное увеличения производства цемента. Современная технология производства портландцемента имеет, в основном связанные с высокой температурой обжига недостатки: выбросы побочных загрязняющих продуктов в окружающею среду, большие производственные и энергетические затраты, высокая металлоемкость предприятий, высокие требования к качеству состава карбонатно-глинистого сырья (ограничивается содержание MgO до 5%). Одна из возможных альтернатив портландцементу - это композиционные бесклинкерные гидравлические вяжущие на основе романцемента, состоящих из карбонатных (в том числе доломитизированных, с содержанием MgCO3 до 20%) и алюмосиликатных пород. Промышленное производство вяжущих перспективно в масштабах промышленного производства, т.к. при производстве используется природное сырье широко распространенные во всем мире: известняки, мергели, глины, мировые запасы которых практически неисчерпаемы на обозримую перспективу, несмотря на присутствие нежелательных примесей - оксидов MgO. Данные вяжущие получают путем обжига сырья «не до спекания» при температуре 800 - 1000 °С, в результате обожженный материал способен к гидравлическому твердению, отличается низкими энергозатратами при производстве и лучшими экологическими показателями по сравнению с цементными материалами. [1-3]

Экспериментальная часть

При выполнении исследований были использованы следующие материалы:

- глина Кощаковского месторождения р. Татарстан

- доломит Матюшинского месторождения р. Татарстан

- пластификаторы: МеІшеШ Б10, МеШих 1641, МеШих 5581

- ускорители твердения: Формиат кальция, Хлорид кальция, Сульфат магния обезвоженный.

Химический состав глины (мас. %): 8І02 -68,47; А1203 - 13,17; Бе203 - 5,76; СаО - 1,65; MgO

- 1,91; К20 - 1,67; ТІ02 - 0,78; 803 - 0,06; Ма20 -0,37; Р205 - 0,13; Мп0 - 0,1; потери при прокаливании - 5,51.

Минеральнй состав глины (мас. %):смектит

- 44; Слюда - 4; Кварц 36; Плагиоклаз - 6; Калиевый полевой шпат - 5; Каолинит + хлорит 2.

Химический состав доломита (мас. %): 8І02

- 3,25; А1203 - 0,84; Бе203 - 0,16; Са0 - 29,38; Mg0 - 20,48; К20 - 0,01; ТІ02 - 0,04; 803 - 0,05; Ма20 - 0,01; Р205 - 0,02; Мп0 - 0,05; потери при прокаливании - 45,25.

Минеральнй состав доломита (мас. %): Кварц - 1; Доломит - 99.

Базовое вяжущее (романцемент) готовилось следующим образом:

1.Расчет сырьевой шихты производился по коэффициенту насыщения для портландцемента, с изменением коэффициента при 8І02 с 2,8 на 1,87 (т.к. С38 не образуется, 8І02 связывает меньшее количество СаО) [4]. Коэффициент насыщения принимает вид :

.ты_уд -ь-'гіі;ц і г?- Н ц і г?- т? „

дггіїї ' -1

Шихта для получения романцемента и гидравлической извести была выбрана 2-х компонентная (глинистая и карбонатная породы), поскольку в этом случае возможно составление искусственной сырьевой шихты с различным содержанием свободного СаО. Получение бесклинкерного вяжущего осуществлялось следущим образом:

2. по формуле (1) с КН в диапазоне 0,6-1 рассчитывалось соотношение между глиной и доломитом в м.ч.;

3. производился совместный помол компонентов в пружинном диспергаторе до удельной поверхности 300 м2/кг;

4. обжиг шихты при температуре от 750 -950 °С (обязательное условие вентилирование внутреннего пространства печи во время обжига для удаления СО2), время выдержки до 240 мин;

5. быстрое охлаждение романцемента на

воздухе.

Предел прочности при сжатии композиционного бесклинкерного вяжущего определялись для образцов, твердевших 28 суток в нормальных условиях. Испытания основных свойств композиционного бесклинкерного вяжущего осуществлялось по ГОСТ 30744

Результаты исследований

В результате проведенных исследований было установлено, что композиционное вяжущее состава (мас. %): романцемент 100%; пластификатор МеШих 1641 - 2,5; хлорид кальция - 4; сульфат магния - 4; будет обладать наибольшей прочностью.

В таблице 1 и на рисунках 1-4 приведены результаты исследований режима обжига романце-мента, влияния добавок пластификаторов Ме1теП Б10, Ме1Ш1их 1641, Ме1Ш1их 5581; добавок ускорителей: хлорид кальция, формиат кальция, сульфат магния на предел прочности при сжатии и нормальную густоту теста.

С целью оптимизации режима обжига был проведен эксперимент методом ротатабельного композиционного центрального планирования (РКЦП).

Получена следующая математическая модель, описывающие влияние КН (х1), температуры (х2), времени обжига (х3) на прочность романцемента (у), в 28 сут. возрасте:

у=5,3905+0,6504х1+0,7487х2+5,5362х3+0,0054х1х3+

0,0127х2х3-0,0150х1х1-0,0267х2х2-0,6930х3х3

Анализ полученного уравнения регрессии и построенных с их использованием зависимостей, представленных на рис. 1, показывает следующее. С увеличением температуры и продолжительности выдержки прочность вяжущего возрастает (большее увеличение продолжительности выдержки экономически нецелесообразно, а повышении температуры неизбежно приведет к образованию пережога М^, что недопустимо), оптимальное значение КН 0,8. Для дальнейшего исследования, был выбран романцемент со следующими параметрами обжига: температура 900 °С, выдержка 240 мин.

КН 0.8

0-5 ай-10 аЮ-15 015-20 «20-25

Рис. 1 - Влияние температуры и времени обжига на прочность романцемента

Таблица 1 - Влияние вида и количества добавок пластификаторов и ускорителей твердения на нормальную густоту и прочность при сжатии композиционного бесклинкерного вяжущего

№ Состава Вид добавки Количество добавки, % НГ, % Ясж, МПа

Контр - 0 67 178

1 Хлорид кальция 2 67 183

2 Хлорид кальция 4 67 212

3 Формиат кальция 2 63 179

4 Формиат кальция 4 58 228

5 Сульфат магния 2 57 177

6 Сульфат магния 4 57 191

7 МеІшеШ Б10 1 62 181

8 МеІшеШ Б10 2 58 215

9 МеІшеШ Б10 3 55 210

10 МеШих 1641 1 58 212

11 МеШих 1641 2 47 238

12 МеШих 1641 3 42 231

13 МеШих 5581 1 62 192

14 МеШих 5581 2 57 230

15 МеШих 5581 3 52 226

В таблице 2 приведены уравнения регрессии, характеризующие приведенные на рисунках 2-4 зависимости основных свойств композиционного бесклинкерного вяжущего с добавками пластификаторов и ускорителей твердения.

Таблица 2 уравнения регрессии композиционного бесклинкерного вяжущего с добавками пластификаторами и ускорителями твердения

Вид добавки Свойства Уравнение

Хлорид кальция Предел прочности при сжатии y = 2,8125x2 - 2,7083x + 177,5

Формиат кальция Предел прочности при сжатии y = 5,9521x2 - 11,121x + 177,5

Сульфат магния Предел прочности при сжатии y = 1,8229x2 - 3,8542x + 177,5

МеІшеШ Б10 Нормальная густота y = 0,4167x2 - 5,0833x + 66,583

Предел прочности при сжатии y = -11,204x3 + 48,271x2 -33,142x + 177,5

МеШих 1641 Нормальная густота y = 0,8333x2 - 11,167x + 67,167

Предел прочности при сжатии y = -10,125x2 + 49,058x + 176,31

МеШих 5581 Нормальная густота y = - 5x + 66,667

Предел прочности при сжатии y = -11,167x3 + 45,583x2 -20,25x + 177,5

0 12 3 4 5

Содержание добавки,%

♦ХК «ФК ACM

Рис. 2 - Зависимость прочности композиционного бесклинкерного вяжущего, от вида и концентрации ускорителей твердения

250 240

го 230

Щ 220

л 210 g 200 ° 190

^ 180 170 160

Содержание добавки,%

♦ MF10  М1641 А М15581

Рис. З - Зависимость прочности композиционного бесклинкерного вяжущего, от вида и количества пластификаторов

MF10

М1641

М5581

Содержание добавки,%

Рис. 4 - Изменение нормальной густоты композиционного бесклинкерного вяжущего в зависимости от вида и количества пластификаторов Заключение

Проведенные исследования позволяют сделать следующий вывод. Получена зависимость прочности романцемента от состава исходной шихты, температуры и времени обжига романцемента на основе доломитизированного карбонатного сырья. Введение в романцемент комплексной добавки состоящей из (мас. %): суперпластификатора Melflux 1641-2,5; Хлорид кальция - 4; Сульфат магния - 4; обеспечивает получение композиционных бесклин-керных вяжущих с пределом прочности при сжатии до 25 МПа.

Литература

1. Коляда С.В. Перспектива развития производства строительных материалов в России до 2020 г.. Материалы IV Всерос. семинара с межд. участием «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий». М.: Алвиан, 2008, с. 7-15.

2. Hughesa D.C., Sugdena D.B., Jaglina D., Muchab D. «Calcination of Roman cement: A pilot study using cement-stones from Whitby». Construction and Building Materials, 22 (2008), 1446 - 1455.

3. Hughesa D.C., Jaglina D., Kozlowskib R., Muchab D.«Roman cements - belite cements calcined at low temperature». Cement and Concrete Research, 39 (2009), 77-89.

4. Волженский А.В., Буров Ю.С. и др. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1979, 476 с.

© Р. Р. Сагдиев - асп. КГАСУ, 13Шоге81@гатЪ1ег.ги; Н. С. Шелихов - канд. техн. наук, проф. КГАСУ, 8Ье1Шоу@к8аЬа.т; Р. З. Рахимов - д-р техн. наук, проф. КГАСУ, Rahimov@ksaba.ru; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии полимерных материалов КНИТУ, ov_stoyanov@mai1.ru.