В настоящее время портландцемент является широко используемым гидравлическим вяжущим. Одним из существенных недостатков данного вяжущего является его потеря активности при длительном хранении. Производитель гарантирует соответствие цемента требованиям в течение 45–60 суток после отгрузки при условии соблюдения правил его транспортировки и хранения. Республика Саха (Якутия) – самый крупный по площади субъект Российской Федерации, занимает 3,1 млн км². Цемент завозится водным транспортом в период краткосрочной навигации. В результате транспортировки в отдаленные районы республики и длительного хранения происходит частичная гидратация и слёживаемость цемента. Общеизвестно, что чем дольше цемент лежит на складах, тем более глубокие его слои теряют активность вследствие гидролиза и гидратации составляющих их минералов по широко известным реакциям. В то же время многочисленными исследованиями [1] установлено, что из лежалых клинкеров можно получать цементы с высокими свойствами в отличие от лежалых цементов, поверхность зерен которых была значительно выше поверхности зерен клинкера.
На наш взгляд, одним из решений обеспечения строительства высококачественным цементом в отдаленных районах северных регионов страны может быть использование привозного портландцементного клинкера с совместным помолом его с местными активными минеральными добавками (кварцевый песок, шлаки, другие горные породы).
Портландцементный клинкер представляет собой спёкшиеся гранулы, что предопределяет возможность его длительного хранения без потери гидравлических свойств.
В экспериментальных исследованиях для получения местного (на месте производства) цемента использован портландцементный клинкер производства ОАО «Якутцемент». По минералогическому составу портландцемент ОАО «Якутцемент» алитоалюминатный и относится к быстротвердеющим портландцементам (БТЦ), благодаря высокому суммарному содержанию трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината (не менее 60 %).
В испытаниях в качестве активных минеральных добавок (АМД) использовались цеолитсодержащие породы месторождения Хонгуруу (цеолит Хонгуруу), кварцевый песок Кильдямского месторождения, гипсовый камень Олёкминского месторождения. Содержание в гипсовом камне СаSО4?2Н2О составляет 80,8 %, что соответствует III сорту.
Согласно ГОСТ 31108-2003 допускается ввод минеральных добавок до 65 % (шлакопортландцемент) от массы портландцементного клинкера. Цементные заводы, как обычно, используют не более 15 % минеральных добавок.
В испытаниях добавки вводились в количестве 5, 7, и 10 % от массы вяжущего. Совместный помол клинкера и АМД производился в планетарной шаровой мельнице Retsch РМ-400. Удельную поверхность определяли методом газопроницаемости на приборе ПСХ-11(SP).
Определение влияния тонкости помола добавки из кварцевого песка и цеолита Хонгуруу на свойства БТЦ проводили на образцах 40×40×160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1:3. Портландцементный клинкер без добавок размалывался до значения удельной поверхности 380 м²/кг. Результаты исследования свойств БТЦ приведены на рисунке.
Таблица 1
Минералогический состав портландцементного клинкера (среднестатистические данные завода ОАО «Якутцемент»)
|
С3S (алит) |
С2S (белит) |
С3А (3-кальциевый алюминат) |
С4 AF |
Силикатный модуль |
Глиноземный модуль |
Коэффициент насыщения |
|
58,70 |
16,38 |
6,44 |
14,35 |
2,08 |
1,15 |
0,91 |
Таблица 2
Химический состав исходных компонентов для изготовления БТЦ
|
№ п/п |
Оксид |
Содержание, %, мас. |
|||
|
Клинкер |
Кварцевый песок |
Цеолит Хонгуруу |
Гипсовый камень |
||
|
1 |
SiO2 |
21,16 |
81,57 |
65,2 |
0,25–8,52 |
|
2 |
CaO |
64,85 |
0,89 |
2,6 |
27,75–32,53 |
|
3 |
MgO |
2,71 |
0,93 |
1,9 |
0,24–9,60 |
|
4 |
Al2O3 |
5,45 |
9,03 |
12,2 |
0,19 |
|
5 |
Fe2O3 |
4,72 |
1,73 |
1,1 |
0,01–0,22 |
|
6 |
п.п.п |
0,11 |
1,23 |
13,5 |
1,38 |
Таблица 3
Составы исходных смесей для изготовления БТЦ
|
№ п/п |
Исходные компоненты БТЦ |
Содержание, % мас. |
|||||
|
Состав 1 |
Состав 2 |
Состав 3 |
Состав 4 |
Состав 5 |
Состав 6 |
||
|
1 |
Клинкер |
85 |
88 |
90 |
85 |
88 |
90 |
|
2 |
Кварцевый песок |
10 |
7 |
5 |
– |
– |
– |
|
3 |
Цеолит Хонгуруу |
– |
– |
– |
10 |
7 |
5 |
|
4 |
Гипсовый камень |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
Зависимости прочности цементно-песчаного раствора в возрасте 28 суток нормального твердения от тонкости помола клинкера с кварцевым песком 1 и цеолитом 2
Установлено, что повышение удельной поверхности клинкера с кварцевым песком до 410 м2/кг ведет к понижению прочности цементного раствора. В дальнейшем исследовался тонкомолотый клинкер с добавкой горного песка с удельной поверхностью 330 м²/кг. Максимальная прочность цементного раствора с добавкой природных цеолитов достигается при удельной поверхности 410 м²/кг.
Для определения влияния минеральных добавок на прочность цементного камня формовались образцы размерами 20×20×20 мм, которые твердели в условиях тепловлажностной обработки (ТВО) по режиму: 3 часа – подъем температуры до 95 °С, 7,5 часов – изотермическая выдержка при данной температуре и 3 часа – снижение температуры до 20 °С, и в нормальных условиях. Прочность образцов, твердевших при нормальных условиях, определялась в возрасте 3, 7, 14 и 28 суток.
Установлено, что прочность образцов цементных камней на основе БТЦ соответствует прочностным характеристикам контрольных образцов, изготовленных на портландцементе марки ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Якутцемент» (табл. 4).
На основе полученного БТЦ были исследованы образцы пенобетонов, изготовленных в лабораторных, заводских и построечных условиях. Среднестатистические показатели пенобетонов неавтоклавного твердения на основе портландцемента ОАО «Якутцемент» ЦЕМ I 42,5Б [3] и его аналога – БТЦ, изготовленного на месте его применения, за 2006–2015 годы приведены в табл. 5.
Таблица 4
Прочность при сжатии образцов цементного камня, изготовленных из молотого клинкера с минеральными добавками, МПа
|
Наименование добавки |
Количество добавки, % от массы вяжущего |
||
|
5 |
7 |
10 |
|
|
Твердение в нормальных условиях в течение 28 суток |
|||
|
Тонкомолотый клинкер с кварцевым песком |
48,9 |
50,1 |
52,4 |
|
Тонкомолотый клинкер с цеолитом Хонгуруу |
46,5 |
47,3 |
47,2 |
|
Твердение в условиях ТВО |
|||
|
Тонкомолотый клинкер с кварцевым песком |
47,2 |
49,1 |
50,8 |
|
Тонкомолотый клинкер с цеолитом Хонгуруу |
45,5 |
46,3 |
46,1 |
Таблица 5
Физико-механические характеристики неавтоклавного пенобетона
|
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 |
Пределы отклонений ср. плотности в сухом состоянии, кг/м3 |
Состав сухой смеси, % |
Класс по прочности для блоков |
Средняя прочность на сжатие, МПа |
|
|
БТЦ (или ПЦ 500-Д0) |
Песок Мкр = 1,45 |
||||
|
300 |
250–350 |
100 |
– |
В0,25 |
0,5 |
|
400 |
350–450 |
100 |
– |
В0,5 |
0,8 |
|
500 |
451–550 |
100 |
– |
В1 |
1,6 |
|
70 |
30 |
В1 |
1,4 |
||
|
600* |
551–650 |
100 |
– |
В1,5 |
2,3 |
|
70 |
30 |
В1 |
1,9 |
||
|
700 |
651–750 |
100 |
– |
В2 |
3,4 |
|
70 |
30 |
В1,5 |
2,7 |
||
|
60 |
40 |
В1 |
2,1 |
||
|
800* |
751–850 |
70 |
30 |
В2,5 |
3,9 |
|
60 |
40 |
В2 |
3,0 |
||
|
50 |
50 |
В1,5 |
2,5 |
||
Примечание. * – составы пенобетонной смеси апробированы на основе разработанного БТЦ.
Таким образом, производство и применение БТЦ на основе местного сырья, аналогичного по свойствам портландцементу марки ЦЕМ I 42,5Б «Якутцемент» (100 км от г. Якутска), может быть одним из весьма актуальных и целесообразных решений программы доступного жилья для отдаленных районов Крайнего Севера с слабой инфраструктурой. Для реализации технологии БТЦ и конкурентоспособных строительных изделий и конструкций следует предусмотреть на площадках ЖБИ, ДСК и других предприятий в промышленных (районных) центрах региональные помольные цеха мощностью 50–350 тыс. т цемента в год. С учетом экономии на транспорте цемента, возрастающих потребления и стоимости цемента окупаемость капиталовложений в такие цеха составит, в зависимости от объема производства, от двух до четырех лет.
В частности, Мирнинский район Республики Саха (Якутия), крупная алмазная провинция России, в последние годы закупает в ОАО «Якутцемент» только клинкер и производит в своих помольных цехах широкую номенклатуру цементов (от сульфатостойких до высокопрочных) для собственных нужд, добавляя в привозной клинкер местные минеральные добавки [4–5]. На наш взгляд, помольные цеха в первую очередь следует установить в пос. Тикси, находящемся в центре стратегически важного северо-восточного арктического региона страны, в городах Вилюйск и Ленск, находящихся на важных воднотранспортных артериях республики.