Перспективы применения тонкомолотых минеральных наполнителей в производстве высокопрочных цементных бетонов

Размещено на http://allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ им. Гагарина)

УДК: 691-492; 691.32

Перспективы применения тонкомолотых минеральных наполнителей в производстве высокопрочных цементных бетонов

Шошин Е.А.

Использование тонкомолотых наполнителей в производстве цементных материалов является на сегодня наиболее эффективным направлением цементносбережения, что обуславливает активный поиск новых источников цементозамещающих материалов [1]. Объемы мирового производства наполнителей для цементных вяжущих уже в 2013г составляли около 280 млн. т. в год [2] и с развитием технологий цементозамещения должны значительно возрасти. Традиционные заместители цемента, такие как доменные шлаки, золы-уносы в западно-европейских странах уже сейчас активно используются в качестве добавок в цементы, в связи с чем объем их производства в дальнейшем будет недостаточен [3]. Микрокремнезем (МК) применяемый при изготовлении высокопрочных бетонов является отходом производства ферросплавов, объемы его получения принципиально ограничены. И хотя применение МК в производстве бетонов в нашей стране носит ограниченный характер, стоимость микрокремнезема и аналогичных ему пуццолановых добавок (метакаолин) в разы выше стоимости цементного вяжущего (табл. 1). тонкомолотый цемент бетон наполнитель

Таблица 1.

Сравнительная стоимость минеральных добавок в цементные бетоны

Не обладающие пуццолановыми свойствами малоактивные наполнители значительно дешевле активных пуццоланов, при этом в сочетании с эффективными пластификаторами обеспечивают высокие реологические свойства цементных составов и создают предпосылки снижению расхода цемента [4,5]. И хотя единого мнения о механизмах влияния тонкодисперсных наполнителей на реологию цементных систем в настоящее время нет, имеющиеся экспериментальные данные позволяют рассматривать в качестве основных факторов влияния удельную поверхность наполнителя [6,7] форму частиц [8] и характер поверхности частиц [9], определяющую взаимодействие частиц наполнителя с пластификаторами. Действие указанных факторов неравнозначно, наибольшее влияние на реологию цементных систем оказывают удельная поверхность наполнителя и характер поверхности частиц [10].

При этом следует иметь в виду, что существенное снижение расхода воды может быть достигнуто оптимизацией гранулометрических характеристик как цемента, так и тонкомолотого наполнителя, включающего частицы микронного и субмикронного (1-10^-7-10^-8м) размерного диапазона. Дисперсная система с оптимизированной гранулометрией в сочетании с пластифицирующими добавками, проявляющими свойства ПАВ-диспергаторов, позволяет реализовывать 30-50% снижение расхода воды при сохранении заданной подвижности смесей [4,5]. Т.е. вариативное пространство факторов, определяющих эффективность того или иного наполнителя достаточно велико, что открывает широкие возможности модификации свойств наполнителя с целью достижения заданных технологических и эксплуатационных свойств бетонных изделий.

Следует также иметь в виду, что в этом случае требования к свойствам наполнителя достаточно мягкие: минеральная дисперсия должная демонстрировать химическую устойчивость к компонентам цементного камня и сравнимую с ним прочность [11-14], а следовательно, перечень природных и искусственных материалов потенциально пригодных на роль наполнителей цементных систем может быть значительно расширен.

В настоящее время в строительной индустрии источником малоактивных наполнителей служат карбонатные породы, что связано с одной стороны, сырьевой доступностью, а с другой - малой энергоемкостью помола данных пород [15]. Основным недостатком карбонатных наполнителей следует считать их способность вступать в реакции с компонентами цементного камня с образованием таумасита [16-18], карбосиликатов и карбоалюминатов [15,19-,21] и способных существенно повлиять на долговечность цементных изделий [22]. В свете сказанного выше, силикатные наполнители, обладающие родственными цементному камню структурой и свойствами и не вступающие в «паразитные» реакции кажутся наиболее перспективными. В качестве таковых предлагались к использованию силикатсодержащие промышленные отходы [23-27], молотые пески [11,28,29], вулканические породы [30-32] и даже вторичный цементный камень из отходов цементных изделий [33,34].

Однако экономическая эффективность применения того или иного наполнителя часто определяется не столько строительно-техническими свойствами наполнителя, сколько сырьевой доступностью, в результате чего помольный агрегат, позволяющий производить наполнитель «здесь и сейчас» и в заданных количествах часто оказывается экономически наиболее эффективным способом обеспечения производства сырьем, при том что все методы помола характеризуются принципиальным ограничением минимально достижимого размера частиц [35].

Появление гиперспластификаторов расширило возможности получения самоуплотняющихся бетонов, порошковоактивированных и других видов высокоэффективных бетонов [36,37], в состав которых входят в качестве обязательного компонента высокодисперсные наполнители. В условиях развития тенденций цементосбережения поиск сырьевых источников наполнителей для высокоэффективных цементных бетонов помимо расширения списка материалов, потенциально пригодных на роль высокодисперсных наполнителей, необходимо дополнять поиском методов синтеза наполнителей с заданными физико-химическими (шероховатость поверхности, химический состав и т.д.) и физико-техническими (удельная поверхность, гранулометрия) характеристиками.

Библиографический список

1. Kurtis K.E. Innovations in cement-based materials: addressing sustainability in structural and infrastructure applications // MRS Bull. 2015. Vol. 40. P. 1102-1109.

2. CSI WBCSD, “Getting the numbers right” (GNR) [электронный ресурс], Cem. Sustain. Initiat. [сайт]. [2013]. URL:http://www.wbcsdcement.org/index.php/key-issues/climate-protection

3. Miller S. A., John V. M., Pacca S. A., A. Horvath. Carbon dioxide reduction potential in the global cement industry by 2050 // Cement and Concrete Research, In press. URL:https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2017.08.026 Дата обращения 14.09. 2017).

4. Mьller H.S., Breiner R., Moffatt J.S., Haist M. Design and properties of sustainable concrete // Process. Eng. 2014. vol. 95. P. 290-304.

5. Proske T., Hainer S., Rezvani M., Graubner C.-A. Eco-friendly concretes with reduced water and cement contents -- mix design principles and laboratory tests // Cem. Concr. Res. 2013. vol. 51. P. 38-46.

6. Esping O. Effect of limestone filler BET(H₂O)-area on the fresh and hardened properties of self-compacting concrete // Cem. Concr. Res. 2008. vol. 38. P. 938-944.

7. Westerholm M., Lagerblad B., Forssberg E. Rheological properties of micromortars containing fines from manufactured aggregates // Materials and Structures. 2007. vol. 40. no. 6. P. 615-625.

8. Cepuritis R., Jacobsen S., Pedersen B., Mшrtsell E. Crushed sand in concrete - effect of particle shape in different fractions and filler properties on rheology // Cement and Concrete Composites. 2016. vol. 71. P. 26-41.

9. Wei Sun, Handong Yan, Binggen Zhan. Analysis of mechanism on water-reducing effect of fine ground slag, high-calcium fly ash, and low-calcium fly ash // Cement and Concrete Research. 2003. vol. 33. P. 1119-1125.

10. Cepuritis R., Jacobsen S., Smeplass S., Mortsell E., Wigum B. J., Ng S. Influence of crushed aggregate fines with micro-proportioned particle size distributions on rheology of cement paste // Cement and Concrete Composites. 2017. Vol. 80. P. 64-79.

11. Soroka I., Setter N. The effect of fillers on strength of cement mortars // Cem. Concr. Res. 1977. vol. 7.P. 449-456.

12. Gutteridge W.A., Dalziel J.A. Filler cement: the effect of the secondary component on the hydration of Portland cement // Cem. Concr. Res. 1990. vol. 20. P. 778-782.

13. Damineli B.L., John V.M., Lagerblad B., Pileggi R.G. Viscosity prediction of cement-filler suspensions using interference model: a route for binder efficiency enhancement // Cem. Concr. Res. 2016. vol. 84. P. 8-19.

14. Damineli B.L., Kemeid F.M., Aguiar P.S., John V.M. Measuring the eco-efficiency of cement use // Cem. Concr. Compos. 2010. vol. 32. P. 555-562.

15. Tsivilis S., Chaniotakis E., Kakali G., Batis G. An analysis of the properties of Portland limestone cements and concrete // Cem. Concr. Compos. 2002. vol. 24. P. 371-378.

16. Lothenbach B., Le S., Gallucci E., Scrivener K. Influence of limestone on the hydration of Portland cements // Cem. Concr. Res. 2008. vol. 38. P. 848-860.

17. Weerdt K., Kjellsen K.O., Sellevold E., Justnes H. Synergy between fly ash and limestone powder in ternary cements // Cem. Concr. Compos. 2011. vol. 33. P. 30-38.

18. Scholtzovб E., Tunega D., Speziale S. Mechanical properties of ettringite and thaumasite -- DFT and experimental study // Cement and Concrete Research. 2015. vol. 77. P. 9-15.

19. Kцhler S., Heinz D., Urbonas L. Effect of ettringite on thaumasite formation // Cement and Concrete Research. 2016. vol. 36. P. 697-706.

20. Pйra J., Husson S., Guilhot B. Influence of finely ground limestone on cement hydration // Cem. Concr. Compos. 1999. vol. 21. P. 99-105.

21. Grandet J., Ollivier J.P. Etude de la formation du monocarboaluminate de calcium hydrate au contact d'un granulat calcaire dans une pate de ciment Portland // Cem. Concr. Res. 1980. vol. 10. P. 759-770.

22. Bellmann F., Stark J. Prevention of thaumasite formation in concrete exposed to sulphate attack // Cement and Concrete Research. 2007. vol. 37. P. 1215-1222.

23. Алфимова Н.И., Черкасов В.С. Перспективы использования отходов производства керамзита в строительном материаловедении // Вестник Белгородского технологического государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. №3. С. 21-24.

24. Гайфуллин А.Р., Халиуллин М.И., Рахимов Р.З. Строительный гипс с добавками керамзитовой пыли // Известия КазГАСУ. 2012. №2.. С. 166-171.

25. Lane R.O. Best J.F. Properties and Use of Fly Ash in Portland Cement Concrete // Concrete International. 1982. vol. 4. №7. P. 81- 92.

26. Xu Ziyi, Liu Lin-zhy. Research on superfine fly ach and its activity // Proc. Beijing Int. Symp. Cem.and Concr. 1985. Vol.1. Р. 493-507.

27. Berry E.E., Malhotra V.M. Fly аsh for Use in Concrete - A Critical Review // ACI Journal. 1982. vol. 2. №3. Р. 59-73.

28. Gutteridge W.A., Dalziel J.A., Filler cement: the effect of the secondary component on the hydration of Portland cement // Cem. Concr. Res. 1990. vol. 20. P. 778-782.

29. Bosiljkov V.B. SCC mixes with poorly graded aggregate and high volume of limestone filler // Cem. Concr. Res. 2003. vol. 33. P. 1279-1286.

30. Баженова О.Ю., Каушанский В.Е., Филиппова Л.С., Шелудько В.П. Получение цемента с активными минеральными добавками на основе алюмосиликатных горных пород // Цемент и его применение. 2000. №3. С. 28-30.

31. Урханова Л.А., Заяханов М.Е. Вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков // Строительные материалы. 2006. №7. С.22-24.

32. Хардаев П.К., Гончикова Е.В., Убонов А.В Смешанные вяжущие на основе вулканических пород Забайкалья // Строительные материалы. 2007. №7. С.80-81.

33. Gastaldi D., Canonico F., Capelli L., Buzzi L., Boccaleri E., Irico S. An investigation on the recycling of hydrated cement from concrete demolition waste // Cement and Concrete Composites. 2015. vol. 61. P. 29-35.

34. Строкова В.В., Соловьева Л.Н. Оценка влияния кристаллических затравок на структурообразование цементного камня // Строительные материалы. 2009. №3. С. 97-98.

35. Ходаков Г. С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. 308 с.

36. Hooton D.R. Current developments and future needs in standards for cementitious materials // Cem. Concr. Res. 2015. vol. 78. P. 165-177.

37. Lothenbach B., Scrivener K., Hooton R.D. Supplementary cementitious materials // Cem. Concr. Res. 2011. vol. 41. P. 217-229.

Аннотация

УДК: 691-492; 691.32

Перспективы применения тонкомолотых минеральных наполнителей в производстве высокопрочных цементных бетонов. Шошин Е.А. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ им. Гагарина)

Приводится оценка современного мирового производства наполнителей для цементных вяжущих. В условиях развития тенденций цементосбережения прогнозируется дефицит традиционных заместителей цемента (доменные шлаки, золы-уносы), обосновывается необходимость поиска новых источников малоактивных тонкомолотых наполнителей для цементных бетонов, в том числе синтетических методов получения дисперсий с заданными физико-химическими и физико-техническими характеристиками.

Ключевые слова: цементосбережение, высокодисперсные наполнители, источники получения, технико-экономическая эффективность,

Resume

The prospects of use of high-disperse mineral fillers in production of high-strength cement concrete. Shoshin E.A. The Federal State Educational Institutional of Higher Education Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (SSTU)

Assessment of modern world production of fillers for cement knitting is given. In the conditions of development of tendencies of a cement saving the deficiency of traditional deputies of cement is predicted (domain slags, ashes ablations), need of search of new sources of low-active finely ground fillers for cement concrete, including synthetic methods of receiving dispersions with the set physical and chemical and physics and technology characteristics is proved.

Keywords: cement economy, high-disperse fillers, receiving sources, technical and economic efficiency

Размещено на Allbest.ru