ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА, ПОЛУЧЕННОГО НА ОСНОВЕ СЫРЬЯ РЕГИОНА НИЖНЕГО АМУДАРЬИ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследования физико-механических свойств портландцементного клинкера, полученного при температуре 1380 °C на основе местного сырья региона Нижнего Амударьи. В ходе работы определены тонкость помола, удельная поверхность, сроки схватывания, а также показатели прочности при изгибе и сжатии в возрасте 2 и 28 суток. Экспериментальный клинкер сопоставлен с промышленным образцом. Минералогический и рентгенофазовый анализы подтвердили формирование основных клинкерных минералов-алита и белита. Полученные данные свидетельствуют о соответствии физико-механических показателей экспериментального клинкера требованиям стандарта O‘z MSt 337:2024. Сделан вывод о целесообразности использования местного сырья для получения качественного клинкера при пониженной температуре обжига с целью повышения энергоэффективности цементного производства.

ABSTRACT

This paper presents a study of the physico-mechanical properties of Portland cement clinker produced at 1380 °C using local raw materials from the Lower Amudarya region. The research evaluates clinker fineness, specific surface area, setting time, and flexural and compressive strength at 2 and 28 days. The experimental clinker was compared with an industrial reference sample. Mineralogical and X-ray diffraction analyses confirmed the formation of major clinker phases, including alite and belite. The obtained results demonstrate that the experimental clinker meets the requirements of the O‘z MSt 337:2024 standard. The study scientifically substantiates the feasibility of producing high-quality Portland cement clinker from local raw materials at reduced firing temperatures, highlighting the potential for energy-efficient and environmentally sustainable cement production.

Ключевые слова: портландцементный клинкер, физико-механические свойства, степень помола, время схватывания, прочность, сырье Нижнего Амударьи.

Keywords: Portland cement clinker, physico-mechanical properties, fineness, setting time, strength, Lower Amudarya raw materials.

Введение. Физико-механические свойства клинкера портландцемента являются основными факторами, определяющими показатели качества и надежности цементной и бетонной продукции [1]. Температура обжига клинкера, его минералогический состав и условия охлаждения непосредственно влияют на его измельчаемость, время схватывания и процессы гидратации [2, 3].

В последние годы в цементной промышленности исследуются возможности получения клинкера при более низких температурах с целью внедрения энергосберегающих технологий, снижения производственных затрат и сокращения выбросов углекислого газа в окружающую среду [4, 5]. С этой точки зрения научное и практическое значение имеет определение физико-механических свойств клинкера, полученного на основе местного сырья, а также оценка его гидратации, измельчаемости и показателей прочности [6].

Методы исследования. Исследования проводились на основе местного сырья, отобранного в Нижнего Амударьи. Из смеси, состоящей из 68,74% известняка «Уч учок», 29,66% глинистого мергеля «Мешикли» и 1,60% железосодержащей добавки, было обожжено 5 кг клинкера при температуре 1380 °C в лабораторных условиях. Полученный клинкер измельчали в мельнице МБЛ-1 с 5% гипсового камня, а затем сравнивали с промышленным клинкером АО «БЕКОБОДЦЕМЕНТ» [7, 8].

Степень измельчения клинкеров оценивалась в интервале 10-40 минут и определялся остаток на сите. Удельная поверхность раствора определялась на приборе Т-3, сроки схватывания и показатели прочности в возрасте 2 и 28 суток определялись на образцах размером 40×40×160 мм [9, 10].

Химический и минералогический состав клинкеров определялся с помощью рентгенографического анализа и стандартных лабораторных методов [11].

Результаты. Для изучения процесса измельчения промышленного и опытного клинкеров проводили помол в интервале 10-40 минут, определяя остатки на ситах №02 и №008 каждые 10 минут [11-12]. Полученные результаты внесены в таблицу 1.

Таблица 1.

Показатели процесса измельчения клинкеров

Из результатов исследования процесса измельчения клинкеров видно, что тонкость помола цемента зависит от температуры обжига клинкера. Например, клинкер №1, полученный в промышленной печи при 1450°C, является более хорошо обожженным по сравнению с опытным клинкером, и измельчение такого клинкера происходит труднее. Опытный клинкер, обожженный при температуре на 70°C ниже, измельчается легче, чем промышленный клинкер, и эта зависимость сохраняется на всем интервале измельчения.

Остаток на ситах №02 и №008 у клинкера №1 за рассмотренный интервал времени выше, чем у опытного клинкера. Это наглядно видно на графиках зависимости «остаток на ситах №02 и №008 от времени измельчения» (рисунки 1 и 2).

В лабораторных условиях при определении удельной поверхности измельчённых клинкеров на приборе Т-3 она составила 2935 и 3138 см²/г.
Для клинкеров были определены сроки схватывания, а также показатели прочности на образцах размером 40×40×160 мм в возрасте 2 и 28 суток.

 Физико-механические показатели клинкеров приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2.

Физико-механические показатели клинкеров

Из таблицы 2 видно сокращение времени схватывания. В целом, время схватывания характеризует протекание начального периода реакции взаимодействия клинкера с водой. При затворении клинкера водой сначала образуется дисперсная система. На поверхности каждой частицы в результате взаимодействия с водой формируется оболочка из вновь образованных гидратов [13].

В результате дальнейшего протекания реакций взаимодействия с водой частицы клинкера образуют уплотнённую массу. В уплотнённой массе присутствуют поры, и она характеризуется неоднородностью плотности.

Время схватывания имеет большое значение для цементов и бетонов и является важным фактором при укладке бетона в формы и обработке изделий [13]. Гипсовый камень эффективно увеличивает время схватывания. В эксперименте содержание гипсового камня составило 5 %.

Таблица 3.

Показатели прочности клинкеров

Из приведенных данных табл. 3 видно, что по показателю прочности к 28 суткам экспериментальный клинкер соответствует классу прочности 42,5 и по O‘z МSt 337:2024 «Портландцементный клинкер. Технические условия» к SEM I КР 42,5 O‘z МSt 337:2024. [14].

Клинкер «БЕКОБОДЦЕМЕНТ» АО обладает преимуществом (таблица 3). Причиной этого является то, что клинкер №1 был получен в промышленной печи при температуре 1450 °C, вследствие чего он лучше обожжён по сравнению с опытным клинкером. Анализ химического и минералогического состава промышленного и опытного клинкеров (таблица 4) позволяет выявить вторую причину более высокой прочности промышленного клинкера.

Таблица 4.

Химический и минералогический состав клинкера

Из данных, приведённых в таблице 4, следует, что высокое содержание алита (C₃S) и белита (C₂S) в минералогическом составе промышленного клинкера обеспечивает более высокую прочность по сравнению с экспериментальным клинкером [15].

Если рассмотреть рентгенографический анализ клинкеров (рисунки 3 и 4), можно отметить сходство дифракционных максимумов на рентгенограммах. Дифракционные максимумы отличаются между собой по интенсивности.

Обсуждение. Исследования показали, что опытный клинкер, полученный при более низкой температуре, легче измельчается по сравнению с промышленным клинкером, а добавление 5% гипса эффективно увеличивает время схватывания. Этот факт подтверждает возможность производства клинкера с использованием местного сырья по энергосберегающей технологии.

Минералогический состав клинкера оказывает прямое влияние на его показатели прочности. В промышленном клинкере высокое содержание фаз алита и белита играет важную роль в увеличении прочности через 28 дней.

Кроме того, рентгенографический анализ показал хорошую кристаллическую структуру минералов клинкера, что обеспечивает эффективное формирование связывающих оболочек в процессе гидратации.

Заключение. По результатам проведённых экспериментов можно отметить, что сырьё из Нижнего Амударьи известняк, глинистые мергели и добавки, обогащённые железом, является пригодным для получения портландцементного клинкера. Оптимальный состав сырьевой смеси обеспечивал эффективное образование минералов клинкера при коэффициенте насыщения 0,93 и модуле силикатов 2,3. При лабораторном обжиге клинкер при температуре 1380 °C содержал количество свободного оксида кальция, соответствующее стандартным требованиям. Рентгенофазный и электронно-микроскопический анализ подтвердил хорошее формирование минералов клинкера. Физико-механические показатели полученного клинкера соответствовали нормативам для портландцемента, что демонстрирует возможность производства энергоэффективного и качественного клинкера на основе местного сырья.

Список литературы:

1. Taylor H. F. W. Cement Chemistry / H. F. W. Taylor. – London: Academic Press, 1997. – 480 p. – ISBN 978-0-7277-2592-9.
2. Scrivener K. L., Nonat A. Hydration of cementitious materials, present and future // Cement and Concrete Research. -2011. -Vol. 41, Issue 7. – P. 651-665.
3. Zhang L., Glasser F. P. Critical examination of cooling rate effects on the properties of Portland cement clinker // Cement and Concrete Research. – 2000. – Vol. 30, Issue 11. – P. 1709–1713.
4. Скривенер К. Л., Джон В. М., Гартнер Е. М. Экоэффективные цементы: пути снижения CO₂//Cement and Concrete Research. -2018. -Vol. 114. -P. 2-26.
5. Курдовский В. Химия цемента и бетона. -Дордрехт: Springer, 2014. -728 с.
6. Абдухакимов Т. Т., Шеркузиев Д. Ш., Арипов Х. Ш. Использование местного сырья для производства клинкера // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2020. – 10(79). – URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10805
7. Duschanova S. K., Boyjanov I. R., et al. Analysis of the influence of marl raw materials on the properties of portland cement // EPJ Web of Conferences. – 2025. – Vol. 321. – P. 02013. – DOI: 10.1051/epjconf/202532102013
8. Boyzhanov I., Mukhamedbayev A., Duschanov S. Thermal and chemical properties of limestone from the “Uch O‘jaq” Deposit // Electronic journal of actual problems of modern science, education and training. – 2025. – № 8. – ISSN 2181-9750. – URL: http://khorezmscience.uz
9. Айымбетов М. Ж., Оразимбетова Г. Ж., Юсупов И. А., Давлатбоева М. Б. Разработка цементного продукта на основе портландцементного клинкера и местного гипса для производства светопрозрачного бетона // Universum: химия и биология. – 2025. – № 1(139). – С. 1–10. – URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/21710
10. Петров И. В., Сидоров А. Н. Влияние температуры обжига на минералогический состав клинкера // Материалы и конструкции. – 2017. – Т. 50, № 4. – С. 221–230.
11. Жаникулов Н. Н. Получение малоэнергоемкого цемента из техногенного сырья // Новые огнеупоры. – 2020. – № 3. – С. 35–40. – ISSN 1683-4518. – УДК 658.567.1:664.94-16
12. Tantawy M. Influence of silicate structure on the low temperature synthesis of belite cement from different siliceous raw materials // J. Mater. Sci. Chem. Eng. – 2015. – Vol. 3. – P. 98–106. – DOI: 10.4236/msce.2015.35011
13. Matschei T., et al. Hydration behaviour of calcium aluminate cements in the presence of different accelerators // Advances in Applied Ceramics. – 2005. – Vol. 104, No. 3. – P. 123–129.
14. Комитет по стандартизации, метрологии и сертификации Республики Узбекистан. O‘z MSt 337:2024. Клинкер портландцементный. Технические условия. Ташкент. 2024. Национальный стандарт. Код OKP: 2523100000. Код производителя:Y.10/SL.04/2, Y.10/SL.04/3.
15. Абзаев Ю. А., и др. Растворение клинкерных минералов C₃S, C₂S, C₃A и C₄AF: метод машинного обучения применение модели // Вестник Томского государственного университета. Химия. – 2025. – № 39. – С. 6–19