Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В настоящее время в цементной промышленности крайне важным является вопрос повышения экономической эффективности производства. Для этого существуют несколько возможных пути решения: можно снизить себестоимость получаемой продукции за счет использования новых технологий или отходов различных производств либо улучшить качество выпускаемой продукции с минимальным количеством издержек [1, 2]. Одной из возможностей получения строительных материалов с оптимальными прочностными и стоимостными характеристиками являются композиционные портландцементы [3].

Целью данной работы является оценка возможности получения композиционных цементов на основе портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака и изучения свойств получаемых материалов.

Материалы и методы исследования

Для этого использовались портландцементный клинкер Старооскольского цементного завода, доменный гранулированный шлак ОАО «Азовсталь» (г. Мариуполь, Донецкая область, Украина) и шлак ОАО «НЛМК» (Липецкая область). Указанные компоненты измельчались с использованием гипса в количестве 5 % для регулирования сроков схватывания. При этом количество шлака варьировалось от 30 до 60 % что соответствует требованиям ГОСТ 31108–2003 и европейского стандарта EN-197.1, которые регламентируют свойства получаемых цементов.

Измельчение материалов проводилось в шаровых мельницах при постоянном времени, которое составляло 40 мин. Для интенсификации процесса измельчения использовалась добавка на основе солей высших карбоновых кислот (одной из которых является олеиновая), эфиров на их основе, а также их производных, изготовленная в БГТУ им. В.Г. Шухова. Количество добавки, вводимой при помоле, составляло 0,05; 0,075; 0,1; 0,125 %. Оценка гранулометрического состава и степени измельчения цемента оценивалась по значению удельной поверхности и значению остатка на сите 008, а измерение прочностных показателей проводилось в возрасте 28 сут на сжатие.

Результаты исследования и их обсуждение

Измерение удельной поверхности получаемых цементов проводилось методом воздухопроницаемости. Значения удельной поверхности, после 40 мин измельчения представлены в табл. 1.

Таблица 1

Удельная поверхность цемента (м2/кг) со шлаком ОАО «НЛМК» и ОАО «Азовсталь»

Из данных видно, что измельчение клинкера со шлаком ОАО «Азовсталь» в различных соотношениях происходит более интенсивно по сравнению со шлаком ОАО «НЛМК». При этом значительная разница удельной поверхности наблюдается при различных соотношениях в системах цемент/шлак. Оба шлака являются более трудноразмалываемым компонентом по сравнению с портландцементным клинкером, поэтому с увеличением доли шлака значения удельной поверхности снижаются.

Данные ситового анализа также подтверждают данные полученные при измельчении получаемых цементов. Просеивание полученного материала через сито 008 показало, что значения остатков на ситах для цемента со шлаком ОАО «Азовсталь» составляют меньшую величину по сравнению с цементом, измельченным со шлаком ОАО «НЛМК» аналогичного количества и при равном значении используемого интенсификатора (табл. 2), что свидетельствует о его большей способности к измельчению.

Далее из полученных цементов при одинаковом водоцементном соотношении готовились суспензии для оценки реологических свойств получаемых суспензий. Их оценка проводилась с помощью ротационного вискозиметра. Полученные значения с помощью уравнений Бингама-Шведова и Оствальда позволили рассчитать значения пластической вязкости и предельного динамического напряжения сдвига. Расчеты показали, что использование интенсификатора приводит к снижению предельного динамического напряжения сдвига и пластической вязкости при увеличении его концентрации. При этом вязкость уменьшается с увеличением количества добавки-интенсификатора до значения 0,1 %, а в дальнейшем снижается незначительно, что, наряду с данными по оценке степени измельчения и гранулометрического состава, позволяет предположить, что данное количество модификатора является оптимальным. Уменьшение последней приводит к высвобождению иммобилизованной воды и увеличению в связи с этим относительного содержания дисперсионной среды [4].

Помимо этого установлено, что с увеличением доли шлака значения вязкости и предельного динамического напряжения сдвига увеличиваются, что может говорить о меньшем взаимодействии между частицами [5]. При этом значения вязкости и τ0 меняются незначительно при количестве шлака 30–40 % ОАО «Азовсталь», а в дальнейшем резко меняются, что позволяет сделать предположение о том, что данное количество шлака (40–45 %) может являться оптимальным с точки зрения эффективности его использования для получения композиционных цементов подобного состава.

Таблица 2

Проход через сито 008 получаемых цементовсо шлаком ОАО «Азовсталь» и ОАО «НЛМК»

Уменьшение вязкости суспензий на основе получаемых композиционных цементов будет оказывать влияние на их физико-механические свойства. Прочность на сжатие цементов (табл. 3) в возрасте 28 сут при использовании добавки-интенсификатора увеличивается в среднем на 12–15 %. При этом прочность на сжатие при использовании шлака ОАО «НЛМК» снижается при увеличении его количества, а прочность цемента со шлаком ОАО «Азовсталь» уменьшается только при увеличении его доли до 50–60 %, а при значениях 30–40 % не меняется. При этом максимальная прочность цементов достигается при использовании добавки-интенсификатора в количестве 0,1 % . При этом установлено, что использование шлака ОАО «Азовсталь» в качестве активной минеральной добавки, вводимой при помоле клинкера для получения композиционных цементов, является более эффективным по сравнению со шлаком ОАО «НЛМК». Установлено, что оптимальное количество шлака составляет величину порядка около 40 %, поскольку при данном количестве шлака свойства композиционных цементов меняются незначительно по сравнению с меньшими количествами шлака, вводимого в мельницу (30 %).

Выводы

Таким образом, введение добавки-интенсификатора на основе высших карбоновых кислот и их эфиров в мельницу позволяет значительно интенсифицировать процесс помола композиционных цементов, как с использованием шлака ОАО «Азовсталь», так и с использованием шлака ОАО «НЛМК». Это выражается в увеличении удельной поверхности и гранулометрического состава (по результатам ситового анализа) композиционных цементов, а также в улучшении реологических свойства получаемых цементных суспензий на их основе. Прочностные показатели получаемых цементов оказываются выше по сравнению с цементами, получаемыми без интенсификатора, и соответствуют требованиям стандартов по прочности.

Таблица 3

Прочность на сжатие в возрасте 28 сут получаемых композиционных цементов

Рецензенты:

Беседин П.В., д.т.н., профессор, и.о. заведующего кафедрой прикладной химии БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород;

Павленко В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой неорганической химии БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 15.01.2013.