NON-STANDARD METHODS OF INVESTIGATION OF CEMENT CLINKER: SCANNING ELECTRON MICROSCOPY

Ниязбекова Р.К.¹, Еркетай М.²

¹Доктор технических наук,

²Магистрант,

Евразийский Национальный Университет им.Л.Н.Гумилева

НЕСТАНДАРТНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА: РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Аннотация

В статье рассмотрено – использование нестандартных методов исследований для исследования качества цемента на ранних стадиях, что существенно снизит затраты времени и труда и расширит возможности исследования.

Ключевые слова: нестандартные методы исследований, испытательные лаборатории, промышленность.

Niyazbekova R.K.¹, Yerketay M.²

¹Doctor of Technical Sciences,

²Master student,

L.N.Gumilyov Eurasian National University

NON-STANDARD METHODS OF INVESTIGATION OF CEMENT CLINKER: SCANNING ELECTRON MICROSCOPY

Аbstract

In the article – the use of non-standard research methods for the study of the quality of the cement in the early stages, which will significantly reduce the time and cost of labor and expand research opportunities.

Keywords: non-standard methods of research, testing laboratories, industry.

Развитие промышленно-строительной отрасли в Казахстане, повышение производительности качества строительных материалов в современных условиях являются ключевыми экономическими и политическими задачами.

Развитие промышленно-строительного комплекса также оказывает влияние не только на экономику страны, но и на снижение себестоимости строительства и, как следствие, цен на жилье, при соответствии качества строительства соответствующим нормативным требованиям.

Но на данный момент в недостаточной степени затронуты вопросы дальнейшего совершенствования развития отрасли в соответствии с современным научно-техническим уровнем. Нужно удовлетворить потребности внутреннего рынка отечественными стройматериалами до 80%.

Созданная в Казахстане производственная база позволяет полностью удовлетворить внутренний спрос по широкому спектру наименований строительных материалов. В частности, по таким видам, как цемент, изделия из бетона, стеновые и теплоизоляционные материалы, гипс, асбест, арматура, гипсокартон, щебень, песок и другие виды стройматериалов. Но низкая загрузка отечественных предприятий не позволяет удовлетворить потребности строительной отрасли, что связано с более высокой стоимостью отечественных стройматериалов, по сравнению с дешевыми, произведенными в ближнем зарубежье, в частности Китае.

Основные проблемы существующие в отрасли: низкий уровень внутреннего спроса на отечественную продукцию и связанная с этим недостаточная загрузка производственных мощностей, административные барьеры на всех уровнях и большой поток нелегального и полулегального дешевого импорта строительных материалов, не отвечающих стандартам качества РК.

В посланиях Президента Н. А. Назарбаева народу Казахстана отмечается необходимость развития национально-инновационной системы модернизации производства строительных материалов, изделий и конструкций для обеспечения требуемых темпов строительства и развития этой отрасли в одном из ведущих направлений экономического развития. Для этого необходимо создать новые высокоэффективные ресурсо – и энергосберегающие технологии строительных материалов с заданными строительно-эксплуатационными свойствами.

Высокоэффективные вяжущие вещества нового поколения сегодня получают с использованием многокомпонентных составов, обеспечивающие получение высококачественных бетонов разного функционального назначения с улучшенными строительно-эксплуатационными свойствами. В основу создания таких вяжущих положен принцип целенаправленного управления технологией на всех ее этапах: использование активных компонентов, разработка оптимальных составов, применение химических модификаторов и некоторые другие приемы.

Общеизвестно, что свойства цемента обуславливаются качеством клинкера. Под качеством клинкера обычно понимают его состав, микроструктуру и гидратационную активность, обеспечивающие выпуск цемента с требуемыми свойствами. В заводских условиях, когда от скорости анализа зависит эффективность контроля производства, нестандартные методы испытаний имеют неоспоримые преимущества перед другими методами, так как в короткие сроки дают возможность получить характеристику сырьевых материалов, клинкера и цемента.

С помощью нестандартных методов на ранней стадии мы можем прогнозировать прочностные характеристики, технологические свойства цемента (их увеличение и уменьшение) количественный и качественный результат от той или иной добавки. Что приводит в конечном счете к  увеличению окончательных прочностных характеристик до 25%.

Проводить контроль во время технологического процесса (операционный контроль) необходимый для устранения риска непредвиденных материальных затрат, которые могут возникнуть при за браковке партии продукции.

Применение экспресс методов в практике сертифицированных лабораторий и испытательных центров ограничено. В связи с чем, всемирное внедрение современных методов для исследований и измерений является актуальной задачей.

Нестандартные методы испытания, измерения широко применяются в контроле в научно-инновационных работах на стадии проектирования, космосе, при контроле показателей модифицированной и модернизированной продукции и т.д.

Нестандартные методы приобретают особенную важность при добровольной сертификации, когда потребитель не только схему сертификации выбирает, но и показатели качества, которые должны подтверждаться.

Для оценки качества клинкера используются различные нестандартные методы, среди которых метод растровой микроскопии является наиболее оперативным, позволяющим за 20-30 мин определить потенциальные возможности клинкера.

Возможности растровой электронной микроскопии используются практически во всех областях науки и промышленности, от биологии до наук о материалах. Существует огромное число выпускаемых рядом фирм разнообразных конструкций и типов РЭМ, оснащенных детекторами различных типов. Растровый электронный микроскоп – прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка с исследуемым объектом.

На РЭМ можно исследовать общий характер структуры всей поверхности объекта при малых увеличениях и детально изучить любой интересующий исследователя участок при больших увеличениях. При этом отпадает необходимость в разработке специальных прицельных методов. Нужно также иметь ввиду, что изображение будет точно сфокусировано, когда область зондирования пучком на образце меньше, чем размер элемента изображения. Переход от малых увеличений к большим на РЭМ осуществляется быстро и просто. Возможность быстрого изменения увеличения в процессе работы микроскопа от 10 до 50000 позволяет легко устанавливать полезное увеличение. Оно определяется как

, где d – диаметр соответствующего элемента изображения в мкм.

РЭМ имеет большую глубину фокуса, что позволяет наблюдать объемное изображение структуры с возможностью ее количественной оценки. Создаются условия прямого изучения структуры поверхностей с сильно развитым рельефом.

РЭМ обычно снабжен микроанализаторами химического состава, что позволяет получать более полную информацию о поверхности изделия.

Объектом исследования стали цементы, наиболее часто используемые предприятиями, входящими в группу поставщиков объектов ЕХРО-2017 цемент Марки ПЦ-500 Д0 Карагандинского цементного завода. В ходе исследования было установлено, что добавление 0,2% суперпластификаторов с-3 является самым оптимальным количеством.  Для оценки влияния добавки
на микроструктуру цементного камня, изменение его капиллярности
использовался растровый электронный микроскоп SOLVER NEXT NT-MDT, который позволил визуально
проследить изменения, происходящие внутри структуры.

Строительный бетон представляет собой структуру, пронизанную порами, капиллярами и микротрещинами, которые определяют
его прочность, долговечность, водонепроницаемость и т. д. Цементный камень – важнейший
структурный компонент бетона –
становится капиллярно-пористым
телом в процессе его формирования
в результате испарения воды.

Рис. 1 – Портландцемент ПЦ-500-Д0  (Карагандинский)

Рис. 2 – Портландцемент ПЦ-500 + 0,2 С-3 (Карагандинский)

На рисунке видно, что цементы без добавок более крупнее, а также имеют большую пористость, что отрицательно сказывается на прочности цемента. (рис. 1, рис. 2).

Сквозь капилляры и поры может
просачиваться вода, причем фильтрация идет тем интенсивней, чем
большее давление оказывается водой на бетон. Фильтрация воды может также осуществляться через микрополости в местах контакта цементного камня с заполнителем [1].
Однако через тонкие капилляры (сечением менее 1 мкм) вода не фильтруется даже под большим давлением [2].Как известно, повысить водонепроницаемость бетона можно введением специальных добавок в бетонную смесь. Логично предположить,
что понижение водопроницаемости
происходит в этом случае за счет уменьшения количества и диаметра
капилляров, а также толщины полостей в бетоне. Тем не менее механизм действия добавки в основном
остается закрытым для исследователей, а эффективность добавки определяется эмпирическим методом. Заполнение капилляров, пор и
полостей может происходить, например, в результате следующих
процессов:

• благодаря своим пластифицирующим свойствам добавка снижает водоцементное отношение, в результате цементный камень получается более плотным;
• действуя как катализатор, добавка
ускоряет гидратацию частиц цемента с образованием большего объема
продуктов гидратации, которые имеют более низкую плотность по сравнению с исходным веществом и занимают больший объем, заполняя
пустоты;
• взаимодействуя с водой и другими
компонентами бетонной смеси, добавка создает избыточный объем
нового вещества. Чтобы понять, какие физико-химические процессы приводят к повышению водонепроницаемости бетона при введении специальных добавок, были проведены исследования по определению состава кристаллогидратов и количества эттрингита, образующегося в цементном камне без добавок и с добавками [3].

Таким образом, результаты исследования пористости показывают, что предлагаемые суперпластификаторы с-3 позволяют получить цементный камень высокого качества: в нем отсутствуют седиментационные поры и поры от воздухововлечения, крупные поры дробятся под действием модификаторов, уменьшается развитие капиллярных трещин при температурном воздействии, развивается микропористость с размерами пор ~0,1 мкм, то есть близкая к контракционной.

Опираясь на данные метода растровой электронной микроскопии, можно с определенной достоверностью установить влияние тех или иных технологических факторов на качество продукции и обеспечить эффективный контроль производства.

Растровая электронная микроскопия дает возможность за 20-30 мин определить потенциальные возможности клинкера.

Отсутствие подробных руководств, возможно, является причиной того, что на многих заводах и даже в научно-исследовательских лабораториях полезность микроскопа еще не полностью осознана или считается, что микроскоп слишком сложный прибор для тех, кто не прошел длительного и специального обучения. Опровергая последний довод, следует подчеркнуть, что даже неопытный исследователь может получить ценные сведения при применении растрового электроннного микроскопа, хотя несомненно, что он добьется значительно больших результатов при тщательном изучении теории и техники микроскопии, а приобретенный им опыт существенно снизит затраты времени и труда и расширит возможности исследования.

Литература

1. Гершберг О. А. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1971. 360 с.
2. Чеховский Ю. В. Понижение проницаемости бетона. М.: Энергия,
1968. 192 с.
3. Кузнецова Т.В., Самченков С.В. Микроскопия материалов цементного производства. М.: МИКХиС, 2007.C. 304.

References

1. Gershberg O. A. Tehnologija betonnyh i zhelezobetonnyh izdelij. M.: Strojizdat, 1971. 360 s.
2. Chehovskij Ju. V. Ponizhenie pronicaemosti betona. M.: Jenergija,
1968. 192 s.
3. Kuznecova T.V., Samchenkov S.V. Mikroskopija materialov cementnogo proizvodstva. M.: MIKHiS, 2007.C. 304.