Оптимизация состава композиционных цементов с минеральными добавками на основе отходов промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация состава композиционных цементов с минеральными добавками на основе отходов промышленности

Халюшев А.К.

Проведена оптимизация состава композиционных цементов с минеральными добавками из отходов промышленности. Составлены уравнения регрессии и установлены зависимости влияния минеральных добавок на показатели прочности и водопотребность композиционных цементов. минеральная добавка цемент водопотребность

Введение. Анализ состояния и обоснование проблемы, постановка задачи

Вредное воздействие цементной промышленности на окружающую среду, высокие цены на энергоносители, а также огромные "резервы" использования отходов различных отраслей промышленности обусловливают тенденцию перехода от чисто клинкерных цементов к цементам с минеральными добавками и композиционным вяжущим. При этом непрерывно из года в год растет потребление портландцементов и бетонов на их основе. В тоже время, объемы производства цементной промышленности ограничиваются производительностью печей и устаревшим технологическим оборудованием [1].

Одним из наиболее перспективных направлений увеличения производства портландцемента является разработка новых видов композиционных вяжущих, изготовленных из местных сырьевых материалов. Характерной особенностью таких композиционных вяжущих является наличие в их составе высокого содержания различных минеральных добавок, которые позволяют увеличить эффективность использования клинкера в портландцементе и уменьшить его себестоимость [2].

В настоящее время в Европе в соответствии с EN-197-1 производится более 25 различных видов цемента на основе портландцементного клинкера [3]. Этому стандарту отвечает и наш украинский нормативный документ - ДСТУ Б В.2.7-46-96 "Цементы общестроительного назначения", который регламентирует содержание смеси различных минеральных добавок в композиционном цементе от 36 до 80 %, причем количество шлаковой составляющей (доменного шлака) может варьироваться в пределах от 18 до 60%, а минеральной от 10 до 40%.

В качестве активных минеральных добавок из отходов промышленности наибольшее распространение при производстве вяжущих материалов получили: доменные и электротермофосфорные шлаки, золы - унос ТЭС, известняковая мука. При использовании различных минеральных добавок в портландцементе их действие на процессы структурооборазования могут быть различными. Так, согласно [4] более мелкие частички известнякового наполнителя располагаются в пространстве между зернами цемента и, играя роль смазки, улучшают при этом реологические свойства смесей.

В то же время, пуццолановая активность этих добавок является не высокой вследствие наличия в их составе большого количества веществ в закристаллизованном состоянии или низкой степени дисперсности. Более перспективными в этом направлении, особенно в сочетании с высокоэффективными химическими модификаторами, являются добавки ультрадисперсного микрокремнезема, золы от сжигания рисовой шелухи, термоактивированного каолина. Однако эти материалы являются достаточно дефицитными и дорогостоящими и требуют проведения дополнительных мероприятий при их получении.

Известно, что при введении наполнителя любого состава в количествах выше оптимального повышается доля кристаллических гидратов, возрастают внутренние напряжения, повышается макропористость и нарушается однородность структуры [5]. При этом введение оптимального количества минеральной добавки должно соответствовать максимальной прочности цементного камня при минимальном расходе вяжущего.

Кроме того, одной из основных проблем широкого применения минеральных добавок в композиционных цементах является снижение активности при получении смешанного вяжущего за счет высокого наполнения систем малоактивными дисперсными порошками, что увеличивает величину общей удельной поверхности твердой фазы и повышает водопотребность цемента при достаточно больших дозировках.

При этом в получении бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками исключительно важную роль играют дисперсные минеральные добавки с высокой пуццолановой активностью.

В Донецком регионе сосредоточено большое количество тепловых электростанций, отходами которых являются золошлаковые смеси. Зольная составляющая этих смесей используется в качестве минеральной добавки до 30%, а шлаковая - в виде заполнителя. Как правило, шлак ТЭС представлен в основном, стекловидной фазой без каких - либо кристаллических включений. Прежде всего, это связано с очень высокой вязкостью силикатного расплава минеральной части топлива, что позволяет даже при медленном остывании не давать ему возможности закристаллизоваться. Претерпев в топках термическую обработку при высоких температурах, они аккумулируют в себе огромные запасы тепловой и химической энергии [6]. В ранее проведенных исследованиях [7,8,9] была установлена высокая пуццолановая активность молотого шлака в сравнении с золой и целесообразность его комбинирования с минеральными добавками с различными электроповерхностными свойствами.

Таким образом, в тонкоизмельченном состоянии шлак ТЭС проявляет высокую пуццолановую активность, которая может быть повышена при его комбинировании с другими минеральными добавками.

В этой связи разработка новых составов композиционных цементов с заменой вяжущей части на отходы промышленности и их оптимальное содержание в смеси является весьма перспективной задачей.

Целью данной работы является оптимизация состава композиционных цементов с минеральными добавками из отходов промышленности и установление закономерности влияния минеральных добавок на физико-механические характеристики цементного камня.

2. Характеристика исходных материалов и методов исследований. В качестве исходных составляющих были приняты следующие материалы:

· портландцемент ПЦ-I-500 Бахчисарайского цементного комбината (активность - 52 МПа, НГ - 25%);

· шлак Углегорской ТЭС;

· шамотно-каолиновая пыль (ШКП) Владимирского огнеупорного комбината (Донецкая обл.);

· известняк Комсомольского рудоуправления;

· зола-унос Углегорской ТЭС.

Оптимизацию состава композиционных цементов проводили с применением метода математического планирования эксперимента (ПФЭ 2^к). Перед проведением эксперимента минеральные добавки просеивали через сито 0.14 и высушивали при температуре 105°C. Нормальную густоту композиционного цементного теста оценивали на приборе Вика. Значения факторов варьирования и их физический смысл представлены в табл. 1.

Таблица 1

Кодирование факторов ПФЭ 2^к.

После определения нормальной густоты из цементной пасты формовали образцы-кубы с размером ребра 5 см. Предел прочности при сжатии образцов-кубов определяли после пропаривания по режиму ф=(3+6+3) при t изотермического прогрева 90±5°C. Шлак Углегорской ТЭС добавляли до 100% в зависимости от содержания (Ц+МД). План эксперимента и результаты параметров оптимизации приведены в табл. 2.

Таблица 2

План эксперимента и результаты параметров оптимизации

3. Результаты экспериментов и обсуждение. При планировании эксперимента за функцию отклика были приняты следующие параметры:

· Y₁(X₁, X₂) - предел прочности при сжатии образцов-кубов определяемый после пропаривания, который должен быть не менее 50 МПа.

· Y₂ - нормальная густота цементной пасты, определяемая на приборе Вика.

Математическая обработка полученных результатов оптимизации проводилась на специально разработанной программе «Астат 2.6». По результатам исследования, методом наименьших квадратов были получены базовые уравнения регрессии, которые представлены в виде полиномов 2-ой степени:

(1)

Статистический анализ полученных уравнений регрессии оценивали по трем критериям: однородности дисперсий, значимости коэффициентов и адекватности, которая проверялась с помощью критерия Фишера.

Графическая интерпретация математических зависимостей и коэффициент множественной корреляции представлены на рис. 1 - 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

(2)

(3)

(4)

Согласно полученным уравнениям регрессии наибольшее влияние на показатели прочности оказывает количество введенного молотого шлака (B₀), эффективность которого увеличивается при комбинировании его с другими минеральными добавками.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вместе с тем существенную роль в композиции, играет содержание вяжущей части (B₂·X₂), изменение которой ограничивается нормами и в случае увеличения может привести к удорожанию себестоимости продукции.

Совместное действие факторов (B₃·X₁·X₂) имеет негативное влияние в уравнениях (2-4), тогда как в уравнении (2) наблюдается положительный эффект при добавлении (шамотно-каолиновой пыли), однако данное действие является незначительным и не вносит существенной корректировки в показатели прочности.

Выводы

1. Выполнена оптимизация состава композиционных цементов с минеральными добавками на основе отходов промышленности. Выделены области оптимальных составов, а также установлено, что введение минеральной добавки до 7,5 % (за исключением золы-унос) оказывает отрицательное влияние на физико-механические свойства цементного камня. Следует также отметить, что в последних двух случаях оптимальная область так и не была выявлена, потому, что дозирование добавок не достигло своего максимального значения, при котором показатели прочности практически не изменяются.

Литература

1.Малинина Л.А. Проблемы производства и применения тонкомолотых многокомпонентных цементов // Бетон и железобетон. - 1990. - №2. - С.3-5.

2. Высоцкий С.А., Царик А.М. Оценка эффективности и классификация многокомпонентных цементов // Бетон и железобетон. - 1993. - №1. - С.4-7.

3. Брандштетр И. Некоторые перспективные неорганические композиционные материалы 21 века // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2001. - №7. - С. 10-11.

4. Ольгинский А.Г. Оценка и регулирование структуры зоны контакта цементного камня с минералами заполнителя. Диссертация…докт. техн. наук. - Харьков, 1994. - 397 с.

5. Nendi M Why some carbonate fillers cause rapid increases of viscosity in dispersed cement-based materials / Cement and Concrete Research, 30, 2000. - pp. 245-255.

6. Резниченко П.Т., Чехов А.П. Охрана окружающей среды и использование отходов промышленности. Справочник. - Днепропетровск: "Промінь", 1979. - 174 с.

7. Зайченко Н.М. Высокопрочные мелкозернистые бетоны с модифицированными минеральными добавками из золошлаковых отходов Углегорской ТЭС // СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ СТРОИТЕЛЬСТВА /Ежегодный научно-технический сборник. - Донецк ПромстройНИИпроект, 2007. - С.145-151.

8. Zaichenko N.M., Khalyushev A.K., Sakhoshko E.V. High-strength fine-grained concretes with modified mineral admixtures of fly ash and milled slag of power station // Proc. International Conf. "Alkali Activated Materials - Research, Production, Utilization". - Prague (Czech R.), 2007. - P. 745-756.

9. N. Zaichenko, N. Golodenco, A. Khalyushev. The effect of electrostatic activation parameters on the rheologic and strength properties of fine grained concrete // JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING AND MANAGEMENT. - 2007. - Vol XIII, № 3, P.237-244.

Размещено на Allbest.ru