DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10077

ПРИМЕНЕНИЕ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕМЕНТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА

THE USE OF CARBONATE ROCKS IN THE PRODUCTION OF CEMENT TO IMPROVE THE ECONOMIC EFFICIENCY OF CONSTRUCTION

Гуркин Антон Юрьевич, преподаватель кафедры ТВВиБ, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Gurkin Anton Iurevich

Аннотация. Цель работы – рассмотреть  особенности применения  карбонатных пород  при производстве цемента.  Автор приходит к выводу, что  сегодня имеется повышенное внимание  ряда  авторов к изучению особенностей влияния этих добавок на свойства получаемых портландцементов. Но при этом определенные рекомендации к использованию портландцемента с карбонатными добавками отсутствуют, так как, характеризуя влияние данных добавок, некоторые авторы  отмечали возможность резкого снижения прочности цементов, имеющего в составе добавки известняка, особенно, если имеют место повышенные температуры. 

Кроме  добавок известняка, рекомендуемых  к использованию ГОСТ 31108-2003 «Общестроительные цементы. Технические условия», необходимо оценить возможности   применения  доломитов, так как это также широко распространенные горные породы, они выступают спутниками известняка,  широко распространенного в качестве  минеральной добавки,  соответственно, научным и практическим значением обладает изучение влияния доломита на  ряд строительно-технических свойств цемента. Чтобы решить вопросы, связанные с широким использованием композиционных портландцементов, имеющих карбонатсодержащие добавки, при производстве различных бетонных смесей, необходимо получить более полную информацию о том, каково  возможное влияние количества вводимого в портландцемент двуводного гипса на показатели прочности цементного камня, получаемого на выходе.

Summary. The purpose of this work is to consider the features of the use of carbonate rocks in the production of cement.  The author comes to the conclusion that today there is an increased attention of a number of authors to the study of the influence of these additives on the properties of the obtained Portland cement. But specific recommendations for use of Portland cement with carbonate additions are missing because, in describing the effect of these supplements, some authors mentioned the possibility of a sharp decline in the strength of cement with the additive of limestone, especially if there are high temperatures. 

In addition to limestone additives recommended for use in GOST 31108-2003 » General construction cements. Technical conditions», it is necessary to evaluate the possibility of using Dolomites, since they are also widespread rocks, they act as satellites of limestone, widely distributed as a mineral additive, respectively, the scientific and practical significance is the study of the influence of dolomite on a number of construction and technical properties of cement. In order to resolve issues related to the widespread use of composite Portland cements with carbonate-containing additives in the production of various concrete mixtures, it is necessary to obtain more complete information about the possible impact of the amount of dihydrous gypsum introduced into Portland cement on the strength of the cement stone obtained at the output.

Ключевые слова: карбонатные породы, цементный камень, производство, экономика.  

Keywords: carbonate rocks, cement stone, production, economy.

Введение

На сегодняшний день при производстве цементов в мире находят широкое применение активные минеральные добавки, имеющие природное или техногенное происхождение. Среди них активно применяются новые композиционные вяжущие с заменой части клинкера минеральными добавками, которые позволяют существенно снизить энергоемкость производства строительных материалов гидратационного твердения. По этой причине  ряд изысканий простых в технологическом применении и сравнительно дешевых способов, направленных на повышение эффективности композиционных вяжущих и бетонов на их основе.

Проявляемую производителями цемента в России осторожность  в процессе освоения выпуска композиционных цементов, в первую очередь,  может объяснить слабая изученность совместного влияния нескольких одновременно вводимых минеральных добавок на свойства получаемого цемента. На сегодняшний день в  качестве карбонатной породы, вводимой в состав цемента для улучшения его качеств,  выступает только известняк.  Однако можно рекомендовать использование в процессе производства цементов также такие карбонатные добавки, как доломит и доломитизированные известняки. Это даст возможность цементным заводам полнее использовать местное сырье, заменяя часть гранулированного шлака и, соответственно,  повысить эффективность производства.

Материалы и методы

В процессе подготовки материалы были исследованы результаты изучения влияния карбонатных добавок на свойства композиционных цементов, а также результаты оптимизации вещественного состава композиционных карбонатсодержащих цементов в промышленных условиях, и рекомендации по технологии изготовления композиционных карбонатсодержащих портландцементов.

Результаты

В состав композиционных портландцементов могут вводиться минеральные добавки, которые отличны от пуццолановых и добавок, имеющих скрытые гидравлические свойства.  Так, например, во  Франции используется измельченный известняк, широко добавляемый в цемент в количестве до 27%.  Структура используемых известняков представлена с основном кальцитом с  небольшим количеством кварца, а иногда и доломита [3].

Измельчение известняка производится в основном вместе с клинкером,  так как по причине своей мягкости, он  может размалываться тоньше, чем клинкер. Из-за введения известняка происходит ускорение гидратации алитовой и алюминатной фаз, как и в случае введения других тонкодисперсных добавок.

Повышенная дисперсность позволяет частицам известняка заполнить пространство между зернами клинкера, благодаря чему повышается взаимодействие между ними и водой, а также уплотняется структура материала.

 Повышение скорости гидратации материала в присутствии известняка подтверждают данные световой микроскопии, результаты определения толщины зон продуктов гидратации вокруг кристаллов алита [4]. В структуре  цементных паст, имеющих высокое содержание известняка, гидроксид кальция   сконцентрирован в больших массах, образующих мостики между зернами порошкообразного СаСО3.  При отсутствии известняка, Са(ОН)2 образует мелкие, равномерно распределенные кристаллы.

В литературе доказано, что гидроксид кальция из цементного теста и кальцитовый заполнитель могут выступать в поверхностные реакции,  благодаря которым упрочняется связь составляющих бетона.  Исследователи приходят к выводу, что в качестве продукта взаимодействия известняка с и с цементом в присутствии воды выступает основной карбонат кальция, являющийся аналогом природного минерала дефернита.

Японские ученые установили, что известняк может сокращать процесс схватывания цементного теста за счет того, что карбонат кальция участвует  в процессах гидратации цементных фаз. Если одновременно вводить в состав цемента доменный гранулированный шлак и известняк, можно достичь более высокой прочности  цементного камня, чем  если каждая из таких добавок будет использоваться  отдельно[4].

Также отдельными  исследователями продемонстрировано, что  если использовать известняковый заполнитель, можно значительно повысить степень гидратации цемента. В качестве катализаторов гидратации и твердения выступают соли кальция и магния в цементных пастах [6]. Заполнитель и вяжущие в бетонных композициях  могут вступать в химическое взаимодействие [2]. На особенности  характера влияния заполнителя на процесс гидратации и твердения цемента влияет его природа и минералогический состав.

Большее изучение получило взаимодействие известнякового заполнителя и гидратирующегося цементы в составе бетонных смесей.  Но как карбонатный заполнитель часто используют доломитизированные известняки и доломиты [2,4,6],  хотя авторы отмечают, что при применении доломитов некоторых месторождений  возникает повышенное трещинообразование.

Также имеется мнение о том, что у карбонатных пород присутствует  высокая реакционная способность, если они применяются при производстве строительных материалов: так,  в 10 раз возрастает прочность сцепления известняка и цементного камня в сравнении с прочностью сцепления последнего с кварцем и гранитом, за счет карбонатных добавок  происходит интенсификация процесса твердения портландцемента. Осуществляя  формирование более плотной структуры цементного камня, известняки имеют следствием более высокую кристаллизацию гидросиликатов кальция   позволяют обеспечить высокую прочность.

Обсуждение

 В  последний период  имеют место результаты ряда исследований относительно применения добавок известняка в производстве портландцемента, в том числе  рассматриваются данные, освещающие  влияние на свойства портландцемента частичной замены гипса известняком [4].  Подобная замена характеризуется высоким экономическим значением для производителей цемента,  по той причине, что гипсовый камень  обычно привозной и более  дорогой материал, нежели известняк, получаемый на собственной сырьевой базе. Имеются также результаты  изменения двух видов цементов, ПЦ500-Д0 и ПЦ400-Д20(с добавкой шлака) в случае замены  природного гипса известняком на 25 и 50%.  Определено, что изменение сроков схватывания при такой замене незначительно в сравнении с цементами,  которые содержат в качестве замедлителя схватывания только природный гипсовый камень, но у цемента ПЦ500-Д0 в некоторой степени возрастают прочностные характеристики.

В процессе твердения ПЦ400-Д20 при такой же замене гипса известняком  снижается активность,  так как сокращенного количества гипса обычно недостаточно, чтобы организовать сульфатное возбуждение гидравлической активности доменного гранулированного шлака, который содержится в цементе. Изменить данную ситуацию можно, если структура минеральных добавок будет включать в равных долях доменный гранулированный шлак и известняк.

Анализ физико-механических свойств композиционных портландцементов  показывает, что включенные в его состав указанные минеральные добавки, а также добавки двуводного гипса повышают прочность цементного камня в сравнении с прочностью цементов, которые  содержат в качестве минеральной добавки только один из этих компонентов.

Чтобы решить вопросы, связанные с широким применением в качестве минеральных добавок известняка и доломита в процессе получения композиционных портландцементов, нужно провести ряд специальных исследований и выяснить химический механизм, замедляющий действие на схватывание цементного теста, в процессе которых будет определен  состав продуктов гидратации цементов с такими добавками, а также уровень их влияния на основные свойства цементов[7].

На российской почве широкое применение  может найти зарубежный опыт,  где  одним из компонентов при производстве портландцемента широко используют известняк, он по объему применения находится на третьем месте после доменного гранулированного шлака и золы. В европейских странах производство композиционных вяжущих веществ выступает в качестве простого и доступного способа организации экономии топлива в цементной промышленности, а также  является одним из способов утилизировать минеральные отходы других отраслей хозяйства.

Производителями бетона, для удовлетворения запросов требовательных и хорошо информированных заказчиков, поставляется бетон,  который изготовлен в соответствии с индивидуальным заказом и имеющий в составе специальные вяжущие вещества, состоящие из измельченного известняка, муки из карбоната кальция, золы и доменного гранулированного шлака. За счет измельченного карбоната кальция, куда входят частицы различной величины, улучшается микрокомпоновка бетонной смеси, это повышает прочность бетона [8].

Выводы

С момента введения в действие ГОСТ 31108-2003 «Общестроительные цементы. Технические условия»  и применения в производстве карбонатсодержащих добавок отмечается значительное повышение внимания  ряда  авторов к изучению особенностей влияния этих добавок на свойства получаемых портландцементов. Но при этом определенные рекомендации к использованию портландцемента с карбонатными добавками отсутствуют, так как, характеризуя влияние данных добавок, некоторые авторы  отмечали возможность резкого снижения прочности цементов, имеющего в составе добавки известняка, особенно, если имеют место повышенные температуры.   

Указанный ГОСТ под карбонатсодержащими добавками  имеет в виду только добавки известняка, однако нужно учесть, что  доломиты – это также широко распространенные горные породы, они выступают спутниками известняка,  широко распространенного в качестве  минеральной добавки,  соответственно, научным и практическим значением обладает изучение влияния доломита на  ряд строительно-технических свойств цемента. Чтобы решить вопросы, связанные с широким использованием композиционных портландцементов, имеющих карбонатсодержащие добавки, при производстве различных бетонных смесей, необходимо получить более полную информацию о том, каково  возможное влияние количества вводимого в портландцемент двуводного гипса на показатели прочности цементного камня, получаемого на выходе.

Соответственно, вопрос о том, каковы особенности процессов структурообразования и состава продуктов гидратации композиционных портландцементов, имеющих карбонатсодержащие добавки, остается дискуссионным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бахарев М.В., Применение цементов с минеральными добавками в современных бетонах / М.В.Бахарев // ALITINFORM Международное аналитическое обозрение. – 2009. – №4-5. – C.59-62.
2. Калашников В.И. Сухие строительные смеси на основе карбонатного смешанного вяжущего / В.И.Калашников, В.С.Демьянова, Н.М.Дубошина // Известия вузов. Строительство. – 2000. – №6. – С.52-58
3. Копаница Н.О. Тонкодисперсные добавки для наполненных вяжущих на основе цемента / Н.О.Копаница, Л.А.Аниканова, М.С.Макаревич // Строительные материалы. – 2002. – №9. – С.23-26.
4. Козлова В.К. Влияние карбонатсодержащих добавок на свойства композиционных цементов / В.К.Козлова, А.М.Маноха, А.А.Лихошерстов, Е.В.Мануйлов, Е.Ю.Малова // Цемент и его применение. – 2012. – №3. – С.53-57.
5. Козлова В.К. Повышение долговечности гидротехнических бетонов / В.К.Козлова, В.М.Мозырский, Ю.А.Ильевский, А.М.Душевина, В.С.Бессонов // Ползуновский вестник алтайского гос. тех. университета им. И.И.Ползунова. – 2012. – №3. – С.70-73.
6. Сузев H.A. Некоторые свойства бетонов на карбонатном портландцементе / Н.А. Сузев, Т.М. Худякова, С.А. Некипелов // Строительные материалы. – 2009. – №9. – С.20-22
7. Самченко С.В. Карбонизация гидратных составляющих портландцемента, алюминатного и сульфоалюминатного цементов / С.В.Самченко, Е.М.Макаров // Техника и технология силикатов. – 2013. – №3. – С.27-29.
8. Сивков С.П. Термодинамический анализ фазообразования при твердении карбонатсодержащих цементов / С.П.Сивков // Цемент и его применение. – 2009. – № 4. – С. 112-115.

LIST OF REFERENCES

1. Bakharev M. V., Application of cements with mineral additives in modern concrete / M. V. Bakharev / / ALITINFORM International analytical review. — 2009. — No. 4-5. — C. 59-62.
2. Kalashnikov V. I. Dry building mixes based on carbonate mixed binder / V. I. Kalashnikov, V. S. Demyanova, N. M. Duboshina / / Izvestiya vuzov. Construction. — 2000. — No. 6. — P. 52-58
3. Kopanitsa N. O., Anikanova L. A., Makarevich M. S. Fine additives for filled cement-based binders / / Building materials. — 2002. — No. 9. — Pp. 23-26.
4. Kozlova V. K. Influence of carbonate-containing additives on the properties of composite cements / V. K. Kozlova, A. M. Manokha, A. A. Likhosherstov, E. V. Manuilov, E. Yu. Malova / / Cement and its application. — 2012. — No. 3. — Pp. 53-57.
5. Kozlova V. K. Increasing the durability of hydraulic concrete / V. K. Kozlova, V. M. Mozyrsky, Yu. a. Ilyevsky, A. M. Dushevina, V. S. Bessonov / / polzunovsky Bulletin of the Altai state technical University. I. I. Polzunova. — 2012. — No. 3. — Pp. 70-73.
6. Suzev H. A. Some properties of concrete on carbonate Portland cement / N. A. Suzev, T. M. Khudyakova, S. A. Nekipelov / / Building materials. — 2009. — No. 9. — P. 20-22
7. Samchenko S. V. Carbonation of hydrate components of Portland cement, aluminate and sulfoaluminate cements / S. V. Samchenko, E. M. Makarov / / Technique and technology of silicates. — 2013. — No. 3. — Pp. 27-29.
8. Sivkov S. P. Thermodynamic analysis of phase formation during hardening of carbonate-containing cements / S. P. Sivkov / / Cement and its application. — 2009. — No. 4. — Pp. 112-115.