ПОЛУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МАРКИ ЦЕМЕНТА

АННОТАЦИЯ

Высокий спрос на цемент требует повышения его качества и снижения производственных затрат. Исследование направлено на улучшение механических свойств цемента при сокращении расхода клинкера. Активированный микрокремнезем и цеолит из промышленных отходов, а также поликарбоксилатный суперпластификатор использованы для повышения прочности цемента.

Активный микрокремнезем вступает в реакцию с гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента, формируя дополнительные упрочняющие соединения. Суперпластификатор улучшает текучесть смеси и снижает водопотребность. Образцы с добавлением 10 % микрокремнезема или цеолита показали лучшие результаты в испытаниях на сжатие через 2, 7 и 28 суток по сравнению с традиционным цементом. Цементные композиты с добавлением микрокремнезема превосходят традиционный цемент по прочности на сжатие.

ABSTRACT

The high demand for cement necessitates enhancing its quality while reducing production costs. This study focuses on improving cement’s mechanical properties with reduced clinker consumptionю Activated micro-silica and zeolite derived from industrial waste, combined with a polycarboxylate superplasticizer, were used to enhance cement strengthю Active micro-silica reacts with calcium hydroxide formed during cement hydration, producing additional strengthening compounds. The superplasticizer improves the mixture’s flowability and reduces water demand. Samples with 10 % micro-silica or zeolite exhibited superior compressive strength compared to traditional cement in tests conducted at 2, 7, and 28 days. Cement composites with micro-silica outperform traditional cement in compressive strengthю

Ключевые слова: микрокремнезем, цеолит, пуццолановые свойства, гидратация, суперпластификатор, поликарбоксилат.

Keywords: micro-silica, zeolite, pozzolanic properties, hydration, superplasticizer, polycarboxylate.

Введение

Общеизвестно, что нынешний высокий спрос на портландцемент в сочетании с высоким потреблением топлива и электроэнергии на производство приводит к большому объему выбросов углекислого газа в окружающую среду. Для снижения потребности в клинкере при производстве портландцемента высокая прочность бетона достигалась путем добавления 12 % доменного шлака и 10 % микрокремнезема из отходов металлургического производства [6]. Были изучены физические, механические и химические свойства микрокремнезема и цемента с добавлением микрокремнезема, а также водопоглощение, прочность на изгиб и сжатие полученного бетона [10]. В цементе используются различные минеральные добавки, в том числе частично летучая зола, микрокремнезем, зола рисовой шелухи, гранулированный доменный шлак, пальмовое масло, топливная зола, цеолит и метакаолин [5; 11]. Прочность и долговечность цемента изучались путем замены 15 % цемента комбинациями микрокремнезема, летучей золы, метакаолина и ГГБС в качестве минеральных добавок [4; 13]. Высокомарочный цемент на основе микрокремнезема отличается высокой прочностью и стойкостью к внешним воздействиям по сравнению с обычным портландцементом [7]. При производстве микрокремниевого ферросилиция пары Si и SiO2 образуются при нагревании кварца до температур до 2000ºC. В этом случае SiO2 конденсируется при низких температурах, образуя аморфный оксид кремния [14]. Благодаря пуццолановым свойствам микрокремнезема он быстро реагирует, создавая высокую прочность и долговечность [1–3; 8; 9; 12].

Микрокремнезем. В данной научной работе в качестве побочного продукта для повышения марки цемента и снижения расхода клинкера нами был использован микрокремнезем, являющийся отходом в процессе производства ферросилиция на предприятиях СП ООО «Uz Shindong Silicon» и АО «Узметкомбинат».

Рисунок 1. Рентгеновский дифрактометрический анализ микрокремнезема

Микрокремнезем – мелкодисперсный сферический материал, получаемый путем конденсации газообразного кремния, выделяющегося в электродуговых печах при температуре 2000ºC при производстве кремния и ферросилиция. Это пуццолановый отход, состоящий в основном из оксида SiO₂. Микрокремнезем является отходом, при производстве 1 тонны ферросилиция в качестве побочного продукта извлекается до 50–250 кг микрокремнезема. Количество SiO₂ в микрокремнеземе зависит от количества Si в ферросилиции. Если в ферросилиции содержится до 75 % Si, то в микрокремнеземе содержание аморфного SiO₂ достигает 85–95 %. Уменьшение содержания Si в получаемом ферросилиции также приводит к уменьшению содержания аморфного SiO₂ в микрокремнеземе [1].

В нашем исследовании микрокремнезем, используемый в качестве побочного продукта, активировался раствором триэтаноламина. Активация микрокристаллической целлюлозы в присутствии триэтаноламина проводилась в лабораторных условиях. Первоначально использовался 1 % раствор триэтаноламина.

К растворам триэтаноламина добавляли 100 г микрокремнезема и нагревали при температуре 60–70°С в течение 3 часов при перемешивании. Затем фильтровали на вакуумном фильтре, полученный активный микрокремнезем высушивали при температуре 45°С в течение 1 суток и измельчали. В результате проведенных нами экспериментов установлено, что применение 1 % раствора триэтаноламина оказало положительное влияние на повышение прочности цемента. В цемент марки SEM II/A-I 32,5N добавляли активированный микрокремнезем и для определения марки цемента в соответствии с ГОСТ 30744-2001 готовили образцы цемента следующего состава (полифракционный песок, цемент, вода 3:1:05). К массе 450 г цемента была добавлена ​​добавка 10 %. В данном случае было взято 405 граммов цемента и 45 граммов микрокремнезема, добавлено 225 мл воды, перемешано в специальном смесителе, вылито в форму 4x4x16 и уплотнено на вибростоле. Отформованные образцы цемента хранились в специальной климатической камере при температуре 20°С и влажности 98 % в течение 24 часов, затем извлеченные из форм образцы помещались в заполненные водой емкости в специальную климатическую камеру при температуре 20°С и влажности 98 %. Для проверки прочности цементных образцов на сжатие и изгиб образцы отбирались на 2, 7 и 28 день и испытывались на специальных прессах.

Таблица 1.

Прочность на сжатие (а) и изгиб (б) образцов цемента с добавками, активированными триэтаноламином

По результатам анализа экспериментальных результатов установлено, что прочность при сжатии образца портландцемента с добавлением 10 % активированного микрокремнезема на 42,2 % выше, чем у образца традиционного портландцемента [2; 3].

Рисунок 2. Результаты СЭМ. Цемент с добавкой микрокремнезема (а, b), обычный образец цемента (c, d)

Активированный микрокремнезем активно участвует в реакциях гидратации. При этом Ca(OH)₂, образующийся в результате начальной гидратации, вступает в пуццолановую реакцию с активным микрокремнеземом, играя важную роль в образовании C-S-H и кальциево-гидроалюминатных (C-A-H) соединений (Рис. 2).

Рисунок 3. Результаты элементного анализа: а) цемент Д20, б) цемент с добавлением микрокремнезема, в) активированный микрокремнезем

При элементном анализе полученных образцов можно увидеть, что на рисунке 2-б в образце портландцемента с микрокремнеземом и на рисунке 2-в, в активированном микрокремнеземе содержится 4,1 % углерода. Это количество связано с использованием триэтаноламина для активации микрокремнезема. Активированный микрокремнезем, содержащий активный SiO₂, интенсивно гидратируется с кристаллами Ca(OH)₂, образующимися при гидратации C₃S, что способствует формированию кристаллов C-S-H. Это значительно повышает прочность цемента[13,14].

Рисунок 4. Результаты рентгенофазового анализа: а) образец обычного цемента, б) образец цемента с добавлением активированного микрокремнезем

Анализ полученных результатов показывает, что количество Ca(OH)₂, образующегося в результате гидратации образца цемента с добавлением активированного микрокремнезем, меньше, чем количество Ca(OH)₂, образующегося в результате гидратации обычного цемента. Избыток Ca(OH), остающийся в цементной матрице после первичной и вторичной гидратации, снижает прочность цемента. Активированный микрокремнезем взаимодействует с Ca(OH)₂ в ходе вторичной гидратации, образуя кристаллы C-S-H, что способствует повышению прочности цемента [3].

Заключение

Активация микрокремнезема 1 % раствором триэтаноламина ускоряет гидратацию цемента. Кристаллы CSH, которые образуются при первичной гидратации цемента за счет образования Ca(OH)₂ и его реакции с SiO2, повышают прочность цемента. Высокое содержание Ca(OH)₂ в бетоне снижает его прочность. Добавление 10 % активированного микрокремнезема по отношению к массе цемента снижает количество Ca(OH)₂ в бетоне и приводит к увеличению количества гидросиликата кальция (CSH). В нашем исследовании образец цемента с добавлением 10 % активированного микрокремнезема имел прочность на 42,2 % выше, чем образец обычного цемента.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 58894-2020 Микрокремнезем конденсированный для бетонов и строительных растворов. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2020. –15 c.
2. Мукимов А.С., Тураев Х.Х., Тожиев П.Дж., Каримов М.У., Эшмуродов Х.Е. Химическая активация микрокремнезема триэтаноламином //  Universum: технические  науки электрон. научн. журн. – 2023. – № 12(117).  URL:https://7universum.com/ru/tech/archive/item/16474
3. Мукимов А.С., Тураев Х.Х., Тожиев П.Дж., Каримов М.У., Эшмуродов Х.Е., Холмуродова С.А. Химическая  активация  микрокремнезема,  цеолита  и  метакаолиновых минералов, и их использование в качестве добавки к портландцементу // Universum:  химия  и  биология  :  электрон.  научн.  журн. – 2024. – № 8(122). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/18046 
4. Isanaka, B.R., Akbar, M.A., Perumal, P., Priyanka, R.S. (2021). High Performance Concrete Mixed with Combinations of Mineral Admixtures // Pathak, K.K., Bandara, J.M.S.J., Agrawal, R. (eds) Recent Trends in Civil Engineering. Lecture Notes in Civil Engineering. – 2021. – Vol. 77. – Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-15-5195-6_44
5. Kanamarlapudi, L., Jonalagadda, K.B., Jagarapu, D.C.K. et al. Different mineral admixtures in concrete: a review // SN Applied Sciences. – 2020. – Vol. 2. – P. 760. https://doi.org/10.1007/s42452-020-2533-6
6. Khan M.N., Singla S., Garg R., Garg R. Effect of Microsilica on Strength and Microstructure of the GGBS-based Cement composites // IOP Conferences Series: Materials Science and Engineering. – Vol. 961. – 2020. – P. 012007
7. Lewis R.C. (2018). Silica Fume // De Belie, N., Soutsos, M., Gruyaert, E. (eds) Properties of Fresh and Hardened Concrete Containing Supplementary Cementitious Materials // RILEM State-of-the-Art Reports. – 2018. – Vol. 25. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-70606-1_3
8. Mukimov A.S., Turaev Kh.Kh., Tojiev P.J., Karimov M.U. Studying the Increase in Portland Cement Quality Based on the Activated Micro-Silica // International Journal of Engineering Trends and Technology. – 2024. – Vol. 72. – Is. 9. – Pp. 273–282. https://doi.org/10.14445/22315381/IJETT-V72I9P122
9. Patent Uz № F AP20240187/2-son 16.09.2024 y Djalilov A.T., Turayev X.X., Karimov M.U., Tojiyev P.J., Mukimov A.S., Sottiqulov E.S. Faollashtirilgan mikrokremnezyom asosida yuqori markali sement olish usuli.
10. Rafat Siddique. Utilization of silica fume in concrete: Review of hardened properties Resources // Conservation and Recycling. – Vol. 55. – Is. 11. – 2011. – Pp. 923–932.
11. Sadaqat U.K., Muhammad F.N., Tehmina A., Nasir Sh. Effects of different mineral admixtures on the properties of fresh concrete // Hindawi publishing corporation the scientific world. – Vol. 2014. Article ID 986567. – 11 p. https://doi.org/10.1155/2014/986567
12. Umesh Sharmaa, Ankita Khatrib, Abhishek Kanoungoc. Use of Micro-silica as Additive to Concrete-state of Art // Conference: 2nd International Conference On “Sustainable Innovative Techniques In Civil and Environmental Engineering” Organized by “Krishi Sanskriti”At: Jawaharlal Nehru University, New Delhi. – Vol. 5. https://www.researchgate.net/publication/273856546
13. Vasoya N.K., Varia H.R. Utilization of various waste materials in concrete a literature review // International Journal of Engineering Research & Technology. – 2015. – Vol. 4. – Is. 4.
14. Yu Liang, Han Zhang, Hao Ding, Sijia Sun, Yu Wang, Xuefeng Bai, Shu Li. Amorphous silica: Prepared by byproduct microsilica in the ferrosilikon production and applied in amorphous silica-TiO₂ composite with favorable pigment properties // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 26. – P. 235–245 https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.07.179