Цементный камень на кварцезолоцементном вяжущем
Автор: Косач Анатолий Федорович, Кузнецова Ирина Николаевна, Ращупкина Марина Алексеевна, Педун Геннадий Алексеевич
Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild
Рубрика: Исследование свойств наноматериалов
Статья в выпуске: 2 т.14, 2022 года.
Бесплатный доступ
Введение. Одним из перспективных направлений в формировании структуры бетона на минеральном вяжущем с заданными эксплуатационными свойствами является ведение в состав вяжущего ультрадисперсных наполнителей (наномодификаторов). В качестве наномодификаторов использовали активированные отходы кварца и золы гидроудаления. Присутствие наноразмерных частиц в вяжущем может существенным образом изменить процессы гидратации и твердения бетонной смеси. Методы и материалы. В качестве материалов для цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем использовали кварцевые отходы от производства особо чистого кварцевого концентрата как усилителя пуццолановой активности к золам гидроудаления, золы гидроудаления Омской ТЭЦ-5, цемент. Наномодификатор получали при механической, механогидравлической (H2O) и механогидрохимической (H2O + добавка Мегалит С-3МЛ) активациях. Активация кварцезоловой смеси проводилась в мельнице непрерывного действия роторного типа. При механическом способе осуществляется только механическая активация, при механогидравлическом способе механическая, гидравлическая, турбулентная и акустическая активации, а при мехногидрохимическом способе - все способы гидравлической активации, и химическая. Результаты и обсуждения. В статье исследован цементный камень на кварцезолоцементном вяжущем (активированные кварцевые отходы и золы гидроудаления Омских ТЭЦ-5, цемент). Рассмотрены технологии активации кварцезоловой смеси путем увеличения удельной поверхности дисперсной фазы для производства кварцезолоцементного вяжущего различного назначения. Полученные результаты весового распределения частиц зол гидроудаления и кварца до и после активации показывают, что средний размер диаметра частиц составляет от 25 до 1,5 мкм (наноразмерных частиц) при удельной поверхности от 967 до 7729 см2/г. Заключение. Применение наноразмерных частиц в кварцезоловой смеси позволяет увеличить прочностные характеристики цементного камня от 23 до 59%. Использование кварцевых отходов от производства особо чистого кварцевого концентрата и зол гидроудаления Омской ТЭЦ-5 с применением предложенных технологий их активации позволит улучшить структуру цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем за счет повышения плотности упаковки и химической активности наноразмерных частиц в процессах фазообразования гидратных соединений, что снизит межзерновую пустотность между непрогидратированными зернами цемента и улучшит физико-механические характеристики цементного камня. Использование активированных кварцевых отходов с повышенной удельной поверхностной энергией как высокореакционного пуццолана способствует получению более прочного и долговечного цементного камня.
Кварц, золы гидроудаления, кварцезолоцементное вяжущее, цементный камень, наночастица, наномодификатор, наполнитель
Короткий адрес: https://sciup.org/142234145
IDR: 142234145 | УДК: 691.33
Cement stone on quartz-ash-cement binder
Introduction. One of the promising areas related to formation of concrete structure on the basis of a mineral binder with specified performance properties employs the addition of ultradispersed fillers (nanomodifiers) to the binder composition. Wastes of quartz and hydro-removal ash are used as nanomodifiers. The presence of nanoparticles in the binder can significantly change the processes of hydration and hardening of the concrete mix. Materials and methods. Hydro-removal ash from Omsk combined heat and power plant 5 (CHPP-5), cement and quartz waste obtained from the production of highly pure quartz concentrate which acted as an enhancer of pozzolanic activity to hydro-removal ash were used as materials for cement stone on the basis of a quartz-ash-cement binder. Nanomodifier was obtained as a result of mechanical, mechanohydraulic (water) and mechanohydrochemical (water + Megalit S-3ML additive) activations. Activation of the quartz-ash mixture was carried out in a continuous-action rotary mill. The mechanical method provides only mechanical activation, and the mechanohydraulic method provides mechanical, hydraulic, turbulent and acoustic activations. The mechanohydrochemical method provides all actions of hydraulic activation including chemical one. Results. The article investigated cement stone on the basis of quartz-ash-cement binder (activated quartz waste and hydraulic ash from Omsk CHPP-5, cement). The technologies of activation of the quartz-ash mixture by increasing the specific surface of the dispersed phase for the production of quartz-ash-cement binder are considered. The obtained results of the weight distribution of particles of hydro-removal ash and quartz before and after activation show that the average size of the nanoparticle diameter is from 25 |jm to 1.5 |jm and specific surface is 967-7729 cm2/g. Conclusions. The use of nanoparticles in a quartz-ash mixture allows increasing the strength characteristics of cement stone from 23 to 59%. The use of quartz waste from the production of high-purity quartz concentrate and ash hydraulic removal from Omsk CHPP-5 power plant with the introduction of the proposed technologies for their activation allows increasing the formation of cement stone on a quartz-ash-cement binder by increasing the package density and chemical activity of nanoparticles in the processes of phase formation of hydrate compounds, which will reduce intergranular space between non-hydrated cement grains and will improve physical and mechanical characteristics of cement stone.
Текст научной статьи Цементный камень на кварцезолоцементном вяжущем
Одним из перспективных направлений в формировании структуры бетона на минеральном вяжущем с заданными эксплуатационными свойствами является ведение в состав вяжущего ультра-дисперсных наполнителей (наномодификаторов). Эффект от введения наноразмерных частиц в бетон выражается в том, что в системе появляется не только дополнительная граница раздела фаз, но и носитель квантово-механических проявлений [1, 2, 3].
В области наноразмерного масштаба частицы имеют качественные эффекты, определяемые зависимостью химических и физических свойств от соотношения числа атомов в приповерхностных и внутренних объемах частиц. Такие частицы и их
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ ансамбли приобретают иную физико-химическую и механохимическую активность, в силу чего могут принципиальным образом изменять процессы синтеза структурообразования и менять термодинамическую и энергетическую обстановку в дисперсной системе, какой является структура цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем [2, 3, 4].
Искусственная нанотехнология создает наносистемы, как «сверху-вниз» так и «снизу-вверх». Уже сейчас известны явления самоорганизации нано-структурированных объектов, в которых участвуют процессы самоорганизации веществ на атомно-молекулярном уровне, позволяющие создать уникальные объекты без внешнего влияния [5].
Продукты гидратации цемента в виде мельчайших частиц – субмикрокристаллов – с размерами меньше 0,1 мкм создают в прослойках между гидратированными зернами цемента коллоидную систему – то-берморитовый гель. Между частицами возникают коагуляционные контакты, что и приводит к образованию коагуляционной структуры. Особенностью этих контактов является обязательное наличие между частицами тонкой устойчивой прослойки плёночной воды (дисперсионной среды) [6, 7].
В результате физических контактов коагуляционной структуры цементного геля происходит об-легченность миграции атомов, наблюдаются более выраженные силы притяжения между атомами, что приводит к склонности самоорганизации кластерных структур [8, 9].
Присутствие в системе наноразмерных частиц может существенным образом изменить процессы гидратации и твердения бетонной смеси. При определении системы требований к наноразмерным частицам как к модификаторам структуры бетонов можно выделить структурообразующий и технологический аспекты, отражающие явления и механизмы формирования структуры высокопрочных бетонов, объясняющие эффекты наномодифицирования и характеризующие способы введения наномодификаторов в структуру бетона; структурообразующее участие и модифицирующее влияние наноразмерных частиц, которые обеспечивают повышение плотности упаковки объема капиллярно-связанной и свободной воды, а также непосредственное химическое участие наноразмерных частиц в гетерогенных процессах фазообразования гидратных соединений. При этом на стадии коллоидации, зародышеобразования и фазообразования, когда наноразмерные частицы выступают в роли кристаллических затравок и центров кристаллизации, определяются наноразмерные частицы, главным образом, удельной поверхностной энергией, которая является функцией размера частиц и удельной площади их поверхности.
В общей постановке задачи в разработки наносистемы следует рассматривать структурообразующие и технологические аспекты, отражающие процессы и механизмы формирования структуры, а также совместимости поверхностной энергии наноразмер-ных частиц с химическими добавками и технологией введения наномодификаторов в структуру бетонной смеси, что является результатом повышения плотности упаковки наносистемы дисперсных частиц и химического участия наноразмерных частиц в гетерогенных процессах фазообразования гидратных соединений и самоорганизации веществ на атомномолекулярном уровне [10].
Такая возможность определяется как химикоминералогическим составом частиц, так и высокими значениями удельной площади их поверхности и, как следствие, удельной поверхностной энергией. Все это позволит не только заполнить микропористость цементного камня, но и значительно снизить количество капиллярносвязанной и свободной воды, уплотнив при этом наносистему гидратных образований [11, 12].
Также на стадии коагуляционного периода на-норазмерные кварцевые частицы выступают в роли подложки кристаллических затравок центров кристаллизации. Важнейшими факторами реализации данных механизмов являются физико-химические свойства наноразмерных частиц и их размер, который определяет длительность работы механизмов и концентрацию наноразмерных частиц в единице объема твердеющей системы цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем [13].
МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ
Оптимальным сырьевым ресурсом для производства строительных материалов в городе Омске являются золы гидроудаления Омских ТЭЦ. На золоотвалах Омских ТЭЦ-5 общей площадью 755 га в настоящее время скопилось более 75 млн т зол гидроудаления. На территории г. Омска три ТЭЦ-5 из шести работают на Экибастузском угле, зольность которого достигает 65%, состоящая из химических элементов (углерода, водорода, кислорода, азота) и минеральных частей (минералов глин, которые включают в себя оксиды кремния и металлов, гидроксидов металлов, силикатов Al, Mg карбонатов Fe, Mg, Ca).
Основным требованием, обеспечивающим успешное применение зол гидроудаления ТЭЦ-5, является стабильность их физико-химических показателей и явной или скрытой способности проявлять пуццолановую активность с продуктами гидратации цемента, способность при обычных температурах связывать гидроксид кальция с образованием нерастворимых соединений [14, 15].
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ
В связи с этим цель исследований состоит в получении цементного камня с высокими физико-механическими показателями за счет наномодификатора, полученного при механической, механогидравли-ческой (H2O) и механогидрохимической (H2O + добавка Мегалит С-3МЛ) активациях, на основе уль-традисперсной золы гидроудаления Омской ТЭЦ-5 и кварцевых отходов как усилителя пуццолановой активности к золам гидроудаления [16].
В исследованиях в качестве материалов для цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем использовали кварцевые отходы от производства особо чистого кварцевого концентрата и золы гидроудаления Омской ТЭЦ-5. Содержание оксидов золы гидроудаления и отходов кварца представлено в табл. 1.
Структурная схема исследования физико-механических показателей цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем представлена на рис. 1.
Активация кварцезоловой смеси проводилась в мельнице непрерывного действия роторного типа «Вьюга-3», представлена на рис. 2.
При механическом способе осуществляется только механическая активация. При механогидравличе-ском способе (ρH O = 1кг/м3) – механическая, гидравлическая, турбулентная и акустическая активации. Присутствие тонкомолотой активной пыли в растворе пленочной воды, полученной от активации квар-
Таблица 1
Содержание оксидов, % масс
Рис. 1. Структурная схема исследования физико-механических показателей цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ
Рис. 2. Мельница непрерывного действия роторного типа «Вьюга-3». Расположение мелющих тел: 1 – цилиндрический корпус; 2 – цилиндрические мелющие тела – цилиндрические спирали (8 шт.);
3 – вал с вертикальными пластинами для крепления цилиндрических спиралей (8 шт.), закрепленный в корпусе с помощью подшипников; 4 – загрузочное окно; 5 – окно выдачи активированного материала цевых отходов и золы гидроудаления, также участвует в процессах синтеза структурообразования. При механогидрохимическом способе, соответственно, все способы гидравлической активации и химическая, которая влияет на механизмы гидратации цемента, находясь в растворе пленочной воды, способствуют более активному участию в процессах форми- рования кристаллической упорядоченной структуры цементного камня на атомно-молекулярном уровне. В качестве химического реагента применялась пластифицирующая добавка Мегалит С-3 МЛ в водном растворе (ρH2O+C-3MЛ = 1,15кг/м3) [17–22].
Для определения содержания и размеров ультра-дисперсных частиц кварцевых отходов и частиц золы гидроудаления, полученных в результате активации, применяли лазерный анализатор «MicroSizer 201».
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Полученные результаты весового распределения частиц зол гидроудаления и кварца после активации показывают, что средний размер диаметр частиц составляет от 25 до 1,5 мкм (наноразмерные частицы) при удельной поверхности от 967 до 7729 см2/г. Дисперсность и содержание частиц активированных зол гидроудаления представлены на рис. в работе [23].
На основании полученных результатов исследования приняли оптимальное отношение массы активированной кварцезоловой смеси к массе цемента в %: без активации – 20:80; при механической активации – 30:70; при механогидравлической активации – 40:60; при механогидрохимической активации – 50:50 для цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем.
Таблица 2
Физико-механические показатели цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем
|
Способ активации |
Физикомеханические показатели образцов |
Отношение массы активированной кварцезоловой смеси к массе цемента для цементного камня, % |
|||||
|
0:100 |
20:80 |
30:70 |
40:60 |
50:50 |
60:40 |
||
|
Без активации, средний размер диаметра частиц – d = 25 мкм, удельная поверхность – 967 см2/г |
средняя плотность, кг/м3 |
2399 |
2447 |
2454 |
2445 |
2449 |
2455 |
|
100% |
102% |
102,3% |
101,9% |
102,1% |
102,5% |
||
|
прочность при сжатии, МПа |
62,9 |
77,3 |
76,7 |
74,8 |
72,3 |
71,1 |
|
|
100% |
123% |
122% |
119% |
115% |
110% |
||
|
Механическая активация, средний размер диаметра частиц – d = 6 мкм, удельная поверхность – 2911 см2/г |
средняя плотность, кг/м3 |
2400 |
2435 |
2450 |
2455 |
2458 |
2474 |
|
100% |
101,5% |
102,1% |
102,3% |
102,4% |
103,1% |
||
|
прочность при сжатии, МПа |
63,08 |
79,1 |
82,8 |
80,3 |
78,4 |
76,5 |
|
|
100% |
125,1% |
131% |
127% |
124% |
121% |
||
|
Механогидравлическая активация ρж = 1см2/г, средний размер диаметра частиц – d = 3 мкм, удельная поверхность 5491см2/г |
средняя плотность, кг/м3 |
2411 |
2435 |
2447 |
2451 |
2453 |
2452 |
|
100% |
101% |
101,5% |
101,8% |
102% |
101,9% |
||
|
прочность при сжатии, МПа |
63,03 |
80,2 |
83,1 |
87,8 |
85,3 |
82,1 |
|
|
100% |
127% |
133,1% |
139% |
135% |
130% |
||
|
Механогидрохимическая активация (вода + химическая добавка) ρж = 1,15 см2/г, средний размер диаметра частиц – d = 1,5 мкм, удельная поверхность 7729 см2/г |
средняя плотность, кг/м3 |
2419 |
2453 |
2470 |
2479 |
2489 |
2504 |
|
100% |
101,4% |
102,1% |
102,5% |
102,9% |
103,5% |
||
|
прочность при сжатии, МПа |
63,07 |
82,8 |
90,36 |
97,38 |
100,45 |
96,67 |
|
|
100% |
131% |
143% |
154% |
159% |
153% |
||
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ
Прочность цементного камня определялась на образцах, приготовленных из кварцезолоцементного теста нормальной густоты, размером 2×2×2 см, для каждого состава согласно структурной схеме исследования. Испытания проводились согласно требованием ГОСТ 10180-2012. Прочность образцов при сжатии определялась на прессе «Matest». Физико-механические показатели полученных образцов определялись в возрасте 28 суток, представлены в табл.2.
Полученные результаты прочности образцов цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем при отношении массы активированной кварцезоло-вой смеси к массе цемента: без активации (20:80) – прочность увеличивается на 23 %; при механической активации (30:70) – прочность увеличивается на 31%; при механогидравлической активации (40:60) – прочность увеличивается на 39 % и при механогидрохимической активации (50:50) прочность увеличивается на 59%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение наноразмерных частиц в кварце-золовой смеси позволяет увеличить прочностные характеристики цементного камня от 23 до 59%.
Использование кварцевых отходов от производства особо чистого кварцевого концентрата и зол гидроудаления Омской ТЭЦ-5, с применением предложенных технологий их активации, позволит улучшить структуру цементного камня за счет повышения плотности упаковки и химической активности наноразмерных частиц в процессах фазообразова-ния гидратных соединений, что снизит межзерновую пустотность между непрогидратированными зернами цемента и улучшит физико-механические характеристики цементного камня. Использование активированных кварцевых отходов с повышенной удельной поверхностной энергией как высокореакционного пуццолана способствует получению более прочного и долговечного цементного камня. Золы гидроудаления Омской ТЭЦ-5 на оптимальном кварцезолоцементном вяжущем для промышленного и гражданского строительства могут способствовать значительным инвестициям в регион Омской области, что положительно скажется на экономическом, социальном и экологическом положении в округе.
В настоящее время можно считать практически достижимым и экономически выгодным массовое внедрение кварцезолового сырья в строительство. Введение кварцезолоцементного вяжущего с рациональным зерновым составом позволяет повысить однородность бетонной смеси, снизить расход цемента, а также решить проблему утилизации кварцевых отходов и золы гидроудаления.
