ЦЕМЕНТНЫЙ КАМЕНЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ КВАРЦЕВЫХ ОТХОДОВ

ЦЕМЕНТНЫЙ КАМЕНЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ КВАРЦЕВЫХ ОТХОДОВ

Научная статья

Кузнецова И.Н. *

ORCID: 0000-0002-4907-2369,

Югорский государственный университет (ЮГУ), Ханты-Мансийск, Россия

* Корреспондирующий автор (inkuznetsova-gsh[at]mail.ru)

Аннотация

Использование ультрадисперсного наполнителя (активированные вторичные кварцевые отходы: отходы магнитной сепарации крупки, отсев классификации пудры, пыль местных отсосов системы аспирации) в структуре цементного камня позволяет экономить цемент до 8-10 %, повысить плотность цементного камня до 4-6 %, при этом прочность цементного камня повысится до 8-10 %. Результаты полученных испытаний способствуют улучшению эксплуатационных и физико-механических характеристик бетона.

Ключевые слова: портландцемент, цементный камень, наполнитель, кварцевый песок, строительство.

CEMENT ROCK WITH THE USE OF ULTRADISPERSED QUARTZ WASTE

Research article

Kuznetsova I.N. *

ORCID: 0000-0002-4907-2369,

Yugra State University (YSU) in Khanty-Mansiysk, Khanty-Mansiysk, Russia

* Corresponding author (inkuznetsova-gsh[at]mail.ru)

Abstract

The use of ultradisperse filler (activated secondary quartz waste: waste of magnetic separation of grains, screening powder classification, dust of local suction systems) in the structure of cement rock allows one to save up to 8-10% cement, increase the density of cement rock up to 4-6%, while the strength cement stone will increase to 8-10%. The results of the tests contribute to the improvement of the operational and physical and mechanical characteristics of concrete.

Keywords: Portland cement, cement rock, filler, quartz sand, construction.

Одним из самых распространенных материалов в строительстве зданий при разных условиях эксплуатации является бетон, именно цементный камень формирует структуру, определяет свойства и долговечность бетона.

Гидратация цемента определяет свойства цементного камня, практическая ценность цемента определяется в результате химических и физико-химических превращений, который способен создать прочный цементный камень.

Суммарную прочность цементного камня вносят продукты твердения силикатов кальция – 3CaO×SiO₂ – алит и 2CaO×SiO₂ – белит, чем быстрее гидратируется минерал, тем быстрее происходит его схватывание и твердение, на рисунке приведены кривые твердения цементов разного минерального состава, во всех составах содержится 6% CaSO₄2H₂O.

Разные по минералогическому составу цементы, к 28 суткам обладают разной прочностью. Относительные прочности к 28 суткам приблизительно одинаковы по сравнению с прочностью цемента, твердевшего 90 суток, так как условия твердения зерен цемента в цементном камне резко изменяются по мере хода химических процессов взаимодействия минералов цемента с водой – гидролиза и гидратации. Гидролиз и гидратация новых количеств еще непрореагировавшего цемента, условно более глубоких слоев зерен, проходят заторможено.

 

Рис.1 – Кривые твердения цементов разного минералогического состава:

1 – – 23% С₃S+48% C₂S+8%C₃A+15% С₄AF – белитовый;

2 – - – 55%C₃S,+ 18%C₂S+5%C₃A+17%C₄AF – алюмоферритный;

3 - - - 64%C₃+ 12%C₂S+7%C₃A + 11%C₄AF – алитовый;

4 ––– 44%C₃S+28% C₂S+14% С₃А+8%C₄AF –алюминатный

 

Вода к зернам цемента поступает путем диффузии через гидратированные слои. В соответствии с этим у мономинерального белитового цемента через 28 суток твердения прочность приблизительно в 10–12 раз меньше, чем у мономинерального алитового цемента [10, С. 23-25].

Повысить прочность цементного камня можно за счет дополнительного армирования, так, при использовании активированных кварцевых отходов в качестве ультрадисперсного наполнителя в структуре цементного камня, повышаются прочностные показатели за счет дискретного армирования цементного камня, и наблюдается экономия цемента.

Важным является наличие прочного сцепления кварца с новообразованиями цемента. Все это происходит из-за вторичного сцепления зерен кварца, образованными гидратами, перекристаллизовавшимися из пластинок, так как возле этих частиц образуется зона кристаллизованных включений. Наполнитель должен обладать большой активностью химического взаимодействия с Cа(OH)₂ и другими продуктами гидратации клинкера, и иметь поверхность наиболее совместимую со структурой кристаллизующихся гидратов, для которых эта поверхность служит подложкой [3], [4], [7, С. 148-159].

Целью работы являлось исследование структуры цементного камня с использованием активированных кварцевых отходов в качестве ультрадисперсного наполнителя однородно распределенного в структуре цементного камня, повышенной прочности и пониженной теплопроводности.

Технологическая схема приготовления растворной смеси состоит из последовательности процессов:

1. Кварцевые отходы от производства особо чистого кварцевого концентрата ООО «Полярный кварц» (вторичные отходы магнитной сепарации крупки 25-26 мкм, отсев классификации пудры 6-7 мкм, пыль местных отсосов системы аспирации 3-6 мкм), поступают в центробежную дисковую установку для помола (активации).
2. Ультрадисперсный наполнитель (10% от цемента) и цемент ЦЕМ II /А-Ш 42,5Н с добавкой гранулированного доменного шлака (общестроительный) дозируются, перемешиваются и пневмотранспортом подается в расходный бункер.
3. Смесь цемента с наполнителем и вода с температурой 20-25°С дозируются и поступают в смеситель, в котором в течение 5-6 минут перемешивается.
4. Бетонная смесь подается разливается в формы и выдерживается при температуре 20-25°С в течении 28 суток.

Удельная поверхность и средний размер частиц определен с помощью прибора ПСХ-12 [7, С. 158-159], [8, С. 150]. Удельная поверхность (S_уд) и средний размер (d) частиц кварцевых отходов при сухой активации представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Удельная поверхность и средний размер частиц кварцевых отходов при сухой активации.

Кварцевые отходы	Удельная поверхность (Sуд), см2/г	Средний размер частиц кварцевых отходов при сухой активации (d), мкм
Отходы магнитной сепарации крупки	1575–1951	17–20
Отсев классификации пудры	3321–4815	4–7
Пыль местных отсосов системы аспирации	5579–9547	2–4

Рентгеновский дифрактометр «Bruker D8 ADVANCE» предназначенный для исследования поликристаллических, аморфных веществ и тонких пленок [10, С. 71], установил продукты гидратации и твердения по пикам с d = 4,91; 2,61; 2,5; 1,91; 1,78; 1,69; 1,53; 1,49; 1,45; 1,30; 1,15; 1,058; 9,75 [Ca(OH)₂ и Ca₂SiO₄xH₂O], d = 3,87; 3,02; 4,48; 2,27; 2,02 [CaCO₃]. Содержание в цементном камне Ca₂SiO₄ устанавливается по линиям d = 2,87; 2,78; 2,17; 2,06. Прибор позволил с высокой точностью проводить измерение интенсивностей и углов рентгеновских отражений в диапазоне температур от 84 до 700 К.

Опытные образцы содержат основные минералы карбонат кальция CaCO₃ и Ca₂SiO₄xH₂O гидроксид кальция Ca(OH)₂, гидросиликат кальция Ca₂SiO₄, α - кварц SiO₂. [5, С. 37], [6, С. 69], [9, С. 72-76].

Прочность образцов с использованием активированных кварцевых отходов в качестве ультрадисперсного наполнителя при сжатии (R_сж) представлена в таблице 2.

 

Таблица 2 – Прочность образцов цементного камня

Наименование	Показатель
Цемент, марка	ЦЕМ II /А-Ш 42,5Н с добавкой гранулированного доменного шлака (общестроительный)
Плотность опытных образцов цементного камня с использованием активированных кварцевых отходов в качестве ультрадисперсного наполнителя, кг/м3: · отходы магнитной сепарации крупки, · отсев классификации пудры, · пыль местных отсосов системы аспирации	2205 - 2248 2346 - 2379 2415 - 2430
Предел прочности цементного камня без наполнителя, МПа: через 2 суток твердения при сжатии при изгибе через 28 суток твердения при сжатии при изгибе	17,0 - 21,0 3,0 - 4,2   39,83 - 43,26 6,3 - 6,49
Предел прочности через 28 суток твердения цементного камня с использованием активированных кварцевых отходов в качестве ультрадисперсного наполнителя при сжатии, МПа: · отходы магнитной сепарации крупки, · отсев классификации пудры, · пыль местных отсосов системы аспирации	72,57 – 74,12 73,98 – 76,01 74,21 – 79,18

 

Прочность цементного камня при сжатии значительно меньше, чем прочность его составляющих, и изменяется в пределах 30-90 МПа, у прессованного цементного камня без капиллярных пор составляет 165 МПа [1], [2, С. 1-37].

Заключение

Предложенная технология формирует однородную структуру, которая в процессе армируется ультрадисперсным наполнителем из кварцевых отходов, упрочняя структуру цементного камня и повышая его прочность. Прочность бетона достигается за счет дискретного армирования ультрадисперсным наполнителем из кварцевых отходов.

В результате проведенных исследований при использовании ультрадисперсного наполнителя (активированные вторичные кварцевые отходы: отходы магнитной сепарации крупки, отсев классификации пудры, пыль местных отсосов системы аспирации) в структуре цементного камня позволяет экономить цемент до 8-10 %, повысить плотность цементного камня до 4-6 %, при этом прочность цементного камня повысится до 8-10 %. Достоверность полученных результатов подтверждается согласованием экспериментальных и расчетных данных.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Гусев Б. В. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства / Б. В. Гусев, В. И. Кондращенко, Б. П. Маслов и др. – М. : Научный мир, 2006. – 560 с.
2. Гусев Б. В. Прочность полидисперсного композиционного материала, типа цементного бетона и особенности напряженно-деформированного состояния такого материала при действии сжимающих нагрузок / Б. В. Гусев. – М. : ЦИСН, – 37 с.
3. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / под ред. Ю. А. Табунщикова, В. Г. Гагарина – 5-е изд., пересм. . – М. АВОК-ПРЕСС, – 256 с.
4. Шмитько Е. И. Химия цемента и вяжущих веществ : учебное пособие / Е. И. Шмитько, А. В. Крылова, В. В. Шаталова. - СПб. : Проспект Науки, 2006. – 206 с.
5. Clark L. Thaumasite form of sulfate attack / L. Clark. – Concrete International. – 1999. – Vol. 22, no 2. – P. 37–40.
6. Collepardi M. Damage by Delayed Ettringite Formation. A Holistic Approach and New Hypothesis / Collepardi // Concrete International. – 1999. – Vol. 21, no. 1. – P. 69–74.
7. Косач А. Ф. Влияние ультрадисперсных кварцевых отходов как наполнителя на структуру и свойства цементного камня / А. Ф. Косач, И. Н. Кузнецова, М. А. Дарулис, Ю. В. Березкина // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета.– 2018.– Т. 20. – №6. – С. 148–159.
8. Косач А. Ф. Влияние ультрадисперсного наполнителя на основе золы гидроудаления на свойства цементного камня / А. Ф. Косач, М. А. Ращупкина, И. Н. Кузнецова, М. А. Дарулис // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2019. – Т. 21. – № 1. – С. 150–158.
9. Кузнецова И. Н. Технология пенобетона на основе торфа / И. Н. Кузнецова, М. А. Ращупкина, С. В. Жуков // Вестник СибАДИ. – 2014. – № 4 (38). – С. 72–76.
10. Кузнецова И. Н. Влияние химического и минерального состава цемента на теплоизоляционные свойства пенобетона / И. Н. Кузнецова. // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет. Новосибирск, 2009. – 168 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gusev B. V. Formirovanie struktury kompozicionnyh materialov i ih svojstva [Formation of structure of composite materials and their properties] / B. V. Gusev, V. I. Kondrashchenko, B. P. Maslov and others. – M. : Nauchnyj mir [Scientific world], 2006. – 560 p. [in Russian]
2. Gusev B. V. Prochnost' polidispersnogo kompozicionnogo materiala, tipa cementnogo betona i osobennosti napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya takogo materiala pri dejstvii szhimayushchih nagruzok [Prochnost of polydisperse composite material, like cement concrete and feature of the intense deformed condition of such material at action of the squeezing loadings] / B. V. Gusev. – M. : CISN [Tsentr Issledovaniy I Statistiki Nauki (Tsisn)], 2003. – 37 p. [in Russian]
3. Fokin K. F. Stroitel'naya teplotekhnika ograzhdayushchih chastej zdanij [Stroitelnaya of the heating engineer of the protecting parts of buildings] / edited by. YU. A. Tabunshchikova, V. G. Gagarina – 5-th edition., peresm. . – M. AVOK-PRESS [AVOK-PRESS], 2006. – 256 p. [in Russian]
4. Shmitko E. I. Himiya cementa i vyazhushchih veshchestv : uchebnoe posobie [Himiya of cement and the knitting substances] / E. I. Shmitko, A. V. Krylova, V. V. Shatalov. - SPb. : Prospekt Nauki [Publishing House «Prospekt Nauki»] , 2006. – 206 p. [in Russian]
5. Clark L. Thaumasite form of sulfate attack / L. Clark // Concrete International. – 1999. – Vol. 22, no 2. – P. 37–40.
6. Collepardi M. Damage by Delayed Ettringite Formation. A Holistic Approach and New Hypothesis / M. Collepardi // Concrete International. - 1999. - Vol. 21, no. 1. – P. 69–74.
7. Kosach A. F. Structure and properties of cement brick modified by ultrafine quartz waste additive [Vliyaniye ul'tradispersnykh kvartsevykh otkhodov kak napolnitelya na strukturu i svoystva tsementnogo kamnya] / A. F. Kosach, I. N. Kuznecova, M. A Darulis, Y. V. Berezkina // Bulletin of Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. [Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta]. – 2018. – Vol. 20. – № 6. – P. 148–159. [in Russian]
8. Kosach A. F. Cement brick properties modified by ultrafine ash-based additive [Vliyaniye ul'tradispersnogo napolnitelya na osnove zoly gidroudaleniya na svoystva tsementnogo kamnya] / A. F. Kosach, M. A Rashchupkina , I. N. Kuznecova, M. A. Darulis // Bulletin of Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. [Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta]. – 2019. – Vol. 21. – № 1. – P. 150–158. [in Russian]
9. Kuznecova I. N. Tekhnologiya penobetona na osnove torfa [Technology of foamed concrete on the basis of peat] / I. N. Kuznecova, M. A. Rashchupkina, S. V. ZHukov // Vestnik SibADI [Vestnik SIBADI]. – 2014. – № 4 (38). – P. 72–76. [in Russian]
10. Kuznetsova I. N. Influence of the chemical and mineral composition of cement on the heat-insulating properties of foam concrete [Vliyaniye khimicheskogo i mineral'nogo sostava tsementa na teploizolyatsionnyye svoystva penobetona] / I. N. Kuznetsova. // dissertation for the degree of candidate of technical sciences / Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering [Novosibirskiy gosudarstvennyy arkhitekturno-stroitel'nyy universitet]. Novosibirsk, 2009 . – 168 p. [in Russian]