ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА, ПОЛУЧЕННОГО НА ОСНОВЕ СУРХАНДАРЬИНСКОГО СЫРЬЯ

АННОТAЦИЯ

В данной работе на основе сырья месторождения «Ёлгизбулак», расположенного на территории Сурхандарьинской области, в лабораторных условиях был получен портландцементный клинкер и изучено образование портландцементных минералов при различных температурах, результаты представлены в виде таблиц и графиков. Представлены результаты рентгенологического анализа клинера, а также современных исследований физико-химических свойств. Показано, что в процессе гидратации образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, количество которых увеличивается с увеличением времени затвердевания.

ABSTRACT

In this work, a portlandsement clinker was obtained in laboratory conditions based on the raw materials of the “solitary” mine located on the territory of the Surkhandarya region and the formation of portlandsement minerals at different temperatures was studied, the results were given in table and graphic form. The results of a modern study of the X-ray analysis and physicochemical properties of the clinker are presented. The formation of hydrosilicates, hydroaluminates, and calcium hydroferrites during hydration has been shown to increase in quantity with increasing solidification time.

Ключевые слова: сырье, портландцемент, физико-химические исследования, минералы, прочность, свойства, химический анализ, известняк, глина, шлак, гипс, Сурхандарьинская область, месторождения «Ёлгизбулак».

Keywords: raw materials, portland cement, physico-chemical research, minerals, strength, properties, chemical analysis, limestone, clay, slag, plaster, Surkhandarya, “Yolgizbulak” deposits.

Введение. Состав смесей цементного сырья определяется характером используемого сырья и может широко варьироваться даже в пределах одного карьера. Однако небольшие изменения их состава могут существенно повлиять на реакционную способность, динамику клинкерообразования, структуру клинкера и, соответственно, на качество цемента. Чтобы оценить степень этого воздействия, мы изучили более 100 видов сырья, включая более 50 видов карбонатных компонентов [1].

Производство цемента в Иране (21 марта 2021 г.-20 марта 2022 г.) составило около 62,7 млн тонн. Около 66 процентов этого количества производится на 6 крупных цементных заводах страны. Из 78 действующих предприятий 16 имеют проектную мощность по производству цемента более 1,5 миллиона тонн в год. В 2022 году потребление цемента на душу населения в Иране приблизилось к 750 кг [2].

В 2022 году предприятиями Республики Узбекистан было произведено 12,1 млн. тонн клинкера и 14,6 млн. тонн цемента, общая годовая мощность производства цемента на 1 января 2023 года превысила 26 млн. тонн. В 2023 году планируется завершить строительство восьми новых цементных заводов и производственных линий [3].

В последние десятилетия в цементной промышленности Китая наблюдается огромный рост. В стране не только резко возросли объемы производства цемента, что позволило Китаю стать мировым лидером по этому показателю, но и было проведено техническое перевооружение промышленности за счет внедрения современного метода сухого производства и его унификации. В результате 40-летнего бурного развития экономики страны стали очевидны избыточные мощности по производству клинкера и цемента. В 2015 году спрос на цемент снизился на 5,3% по сравнению с предыдущим годом, что означает достижение «Плато потребления». В Китае проводится структурная реформа снабжения, в частности, направленная на устранение избыточных мощностей, в том числе цементной промышленности. Среди ближайших целей отрасли-дальнейшее совершенствование оборудования [4].

Портландцементный клинкер состоит из четырех основных фаз. Две из этих фаз-Алит и белит, которые представляют собой формы силиката трикальция (C₃S) и силиката дикальция (C₂S) соответственно. Гидратация Алита способствует ранней прочности, в то время как белит способствует поздней прочности, а гидратные продукты представляют собой аморфный гидрат силиката кальция (C-S-H гель) и портландит (Ca(OH)₂). C-S-H является основной стадией связывания в затвердевшей портландцементной пасте [5].

Несмотря на то, что цемент является хорошо армированным материалом, химия цемента (и химия внутри цемента) очень сложна и до сих пор неясна. Очевидно, что механизм гидратации играет решающую роль в разработке цементов с уникальным конечным химическим составом, механическими свойствами и пористостью [6].

Химический анализ цемента использовался для расчета состава соединений C₃S, C₂S, C₃A и C₄AF. Было обнаружено, что содержание Al₂O₃ и SO₃ в цементе превышает установленный предел. Наличие большего количества SO₃ приводит к расширению сульфатов в цементе. Кроме того, исследование четырех основных компонентов (C₃S, C₂S, C₃A и C₄AF) показало, что цемент содержит меньше C₃S и больше C₂S, что приводит к наименьшей прочности по сравнению с другими марками цемента [7].

С этой целью в нашей республике также ведется много научных исследований. В частности, на основе сырья месторождения «Ялгизбулак», расположенного на территории Сурхандарьинской области, пригодного для производства портландцемента, были выявлены возможности получения портландцемента и проанализированы их физические и химические свойства.

Методы и материалы

В данной работе изучены свойства известнякового, глинистого, шлакового и гипсового сырья на основе ГОСТ 31108-2020 и определена пригодность для получения портландцемента. Состав клинкера определены химическим методом.

На их основе были получены портландцементы, изучены физико-химические свойства которых с помощью современных методов исследования и приведены ниже.

Обычно от свойств и свойств этого клинкера зависит качество и высокая марка портландцемента. При этом при шлифовании клинкера необходимо учитывать его высокую твердость. Кроме того, для получения качественного цемента гранулы клинкера должны иметь однородный состав. При дроблении клинкера на разные фракции количество минералов неодинаково.

Мелкая фракция (0-20 мкм) обычно содержит больше C₃S и C₃A, тогда как более крупные фракции обогащены C₂S и C₄AF. Наибольшее влияние на прочность цемента оказывает фракция от 5 до 30 мкм. Его содержание в высокопрочных и быстротвердеющих цементах должно быть в пределах 45-70%. Фракция размером менее 5 мкм оказывает решающее влияние только на ее прочность в первые сутки затвердевания цемента. Увеличение его количества до 20-25% приводит к переходу цемента в разряд быстротвердеющих цементов. Фракция 5-10 мкм влияет на прочность цемента в трех-и семисуточном возрасте, а фракция 10-30 мкм-в возрасте 1 месяца и более.

Для получения качественного портландцемента желательно выровнять состав сырья, а также равномерно обжарить его в блендере. Также учитывается получение качественного портландцемента быстрым охлаждением при выгорании клинкера.

Результаты и обсуждение

Анализ образования портландцементных минералов на основе Сурхандарьинского сырья при различных температурах представлен в таблице 1. Результаты были получены на основе качественного и количественного анализа и рентгенофазового метода.

Таблица 1.

Образование минералов портландцемента при различных температурах

Из данных, представленных в таблице 1, видно, что образование минералов в результате температуры первоначально можно наблюдать разложение CaCO₃ и превращение его в CaO. Затем можно определить образование минералов.

Следует отметить, что изменение количества свободного CaO в портландцементной сырьевой смеси является важным критерием для анализа кинетики минералов клинкера и завершения образования.

Рисунок 1. Рентгеновский анализ полученного портландцемента

На рисунке 1 выше на рентгенограммах (результат получен на XRD-6100 DIFROKTAMETR) образцов, затвердевших в течение 3 суток, видны линии, указывающие на активную гидратацию портландцемента, к которой относится Ca(OH)₂, ускорение D=0,491; 0,261;0,192 нм, которое со временем увеличивается. Также на рентгенограммах наблюдаются трехкальциевые и двухкальциевые линии силикатного состава портландцемента, относящиеся к основным продуктам гидратации d=0,302; 0,281; 0,184 нм.

Линии, принадлежащие менее высокому Ca(OH)₂, растут с увеличением времени затвердевания в начальные периоды затвердевания, что доказывает, что процесс гидратации продолжается во все периоды затвердевания.

Результаты химического анализа показали, что полученный четырехкомпонентный портландцемент с различным коэффициентом насыщения и модулем силиката по количеству основных компонентов вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к цементам в действующем производстве.

На рисунке 2 представлена схема образования минералов портландцемента при различных температурах. Результаты получен на основе химическим методом.

Рисунок 2. Схема образования минералов портландцемента при различных температурах

Как видно из приведенной выше схемы, сначала наблюдается образование первичных минералов, а затем основных. Это удовлетворяет требованиям действующего ГОСТа 31108-2020.

Выводы

В данной работе изучены свойства портландцемента, полученного на основе Сурхандарьинского сырья. На этом этапе были изучены процессы гидратации и затвердевания четырехкомпонентных портландцементных клинкеров с различными коэффициентами насыщения, силикатным модулем и циклами затвердевания.

Установлено, что в процессе гидратации образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, количество которых увеличивается с увеличением времени затвердевания, что свидетельствует о том, что процесс гидратации продолжается в течение всего периода затвердевания.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что полученные свойства портландцемента соответствуют требованиям ГОСТа.

Список литературы:

1. Е.Н. Потапова, д. т. н., проф., Л.М. Сулименко, д. т. н., проф., РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия. Влияние природы цементного сырья на процессы структурообразования при обжиге клинкера. журнал «Цемент и его применение». ВЫПУСК №1, 2010.
2. Шабнам Момензаде. Цементная промышленность Ирана. журнал «Цемент и его применение». ВЫПУСК №3, 2023.
3. А.А. Баходиров, А.Ф. Ибрагимов. Цементная промышленность Республики Узбекистан. журнал «Цемент и его применение». ВЫПУСК №2, 2023.
4. Чжан Цзяньсинь. Текущее состояние цементной промышленности в Китае. журнал «Цемент и его применение». ВЫПУСК №2, 2018.
5. Suhua Ma, Weifeng Li, Xiaodong Shen. Study on the physical and chemical properties of Portland cement with THEED. Construction and Building Materials. Volume 213, 20 July 2019, Pages 617-626.
6. Luca Lavagna, Roberto Nisticò. An Insight into the Chemistry of Cement - A Review. https://www.mdpi.com/journal/applsci Appl. Sci. 2023, 13(1), 203;
7. Muhammad Adil Sultan, Muhammad Jawad, Salah Ud Din, Shahan Mehmood Cheema, Aamir Mushtaq. Analysis of the Chemical Compositions of Locally Branded Manufactured Cement of Pakistan. http://www.ecoeet.com/ Volume 24, Issue 3, 2023.