Композиционный цемент

Материал из СТ-Бетон
Перейти к: навигация, поиск

Композиционный цемент

Композиционный цемент — это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, регулятора сроков схватывания (гипса или других материалов, содержащих сульфат кальция) и комплексной минеральной добавки, состоящей из двух и более компонентов различного генезиса [1]. Основной целью производства таких цементов является частичная замена энергоемкого клинкера на более доступные минеральные компоненты — как природные (известняк, доломит, пуццоланы), так и техногенные (доменные шлаки, золы-уноса ТЭС, отходы обогащения руд). Это позволяет снизить себестоимость продукции, уменьшить нагрузку на окружающую среду за счет сокращения выбросов CO₂ и в ряде случаев улучшить эксплуатационные характеристики бетона.

Производство и применение композиционных цементов регламентируется межгосударственным стандартом ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия», который гармонизирован с европейским стандартом EN 197-1 и устанавливает требования к составу, свойствам и методам испытаний этих материалов [2].

Состав и классификация по ГОСТ 31108-2020

Согласно ГОСТ 31108-2020, композиционные цементы представляют собой многокомпонентные системы и классифицируются по вещественному составу на несколько типов. К ним относятся как портландцементы с минеральными добавками (тип ЦЕМ II), так и специальные композиционные цементы (тип ЦЕМ V) [2].

Тип ЦЕМ II: Портландцемент с минеральными добавками

Этот тип цемента может содержать одну или несколько минеральных добавок. В случае использования смеси добавок (например, шлака и известняка) применяется обозначение ЦЕМ II/A-К или ЦЕМ II/В-К. Содержание портландцементного клинкера в таких цементах составляет 80-88% и 65-79% массы соответственно[2].

Тип ЦЕМ V: Композиционный цемент

Данный тип цемента специально предназначен для использования смеси минеральных добавок. В его состав обязательно входят:

Таким образом, суммарное содержание двух различных минеральных добавок (шлака и пуццоланы/золы) в цементах типа ЦЕМ V может достигать 80% [2].

Технология производства и структурные преобразования

Производство композиционного цемента может осуществляться как раздельным измельчением и смешением компонентов, так и их совместным помолом. Особое значение приобретает совместный помол в энергонапряженных агрегатах, например, в центробежно-ударных мельницах. В этом случае процесс сопровождается не только уменьшением размера частиц, но и образованием агломератов смешанного состава — механокомпозитов [3]. Эти образования представляют собой частицы, в которых один компонент «намазывается» на поверхность другого.

Математическое моделирование процесса показывает, что кинетика образования механокомпозитов зависит от соотношения компонентов и энергонапряженности мельницы. При помоле в центробежно-ударной мельнице уже через 3 минуты продукт практически полностью состоит из механокомпозитов со средним радиусом частиц около 6,9 мкм. Максимальное количество таких образований, положительно влияющих на прочность, соответствует объемной доле минеральной добавки около 30% [3]. Это подтверждается экспериментальными данными, демонстрирующими, что совместный помол позволяет получать цемент с прочностью, равной исходному портландцементу, при содержании шлака до 50% [3].

Процессы гидратации и твердения

Твердение композиционных цементов представляет собой сложный физико-химический процесс. При гидратации клинкерных минералов (алита и белита) образуются гидросиликаты кальция и портландит Ca(OH)₂. В присутствии активных минеральных добавок (пуццолан, зол, шлаков) начинается пуццолановая реакция: портландит связывается с реакционно-способными SiO₂ и Al₂O₃ добавки, образуя дополнительное количество высокопрочных низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция [2][4].

При совместном использовании алюмосиликатных и карбонатных добавок (например, глины и доломита) процесс дополняется образованием гидрокарбоалюминатов кальция [1]. Рентгенофазовый анализ подтверждает образование таких соединений, которые способствуют уплотнению структуры цементного камня и повышению его прочности и стойкости [4]. Тонкодисперсные частицы негидратированных добавок также играют роль центров кристаллизации и улучшают микроструктуру.

Физико-механические и химические требования

ГОСТ 31108-2020 устанавливает строгие требования к основным показателям качества композиционных цементов [2]. В таблице 1 приведены требования к прочности, а в таблице 2 — к химическим показателям.

Таблица 1 — Требования к прочности на сжатие и срокам схватывания (по ГОСТ 31108-2020)

Класс, подкласс прочности Прочность на сжатие, МПа, в возрасте Начало схватывания, мин, не ранее
2 сут, не менее 28 сут
32,5Н - 32,5–52,5 75
32,5Б 10,0 32,5–52,5 75
42,5Н 10,0 42,5–62,5 60
42,5Б 20,0 42,5–62,5 60
52,5Н 20,0 ≥ 52,5 45
52,5Б 30,0 ≥ 52,5 45

Таблица 2 — Требования к химическим показателям (по ГОСТ 31108-2020)

Показатель Тип цемента Значение, не более
Потери при прокаливании, % ЦЕМ V 5,0
Нерастворимый остаток, % ЦЕМ V 5,0
Оксид серы (VI) SO₃, % ЦЕМ V (класс 32,5–52,5) 4,0
Хлорид-ион Cl⁻, % Все типы 0,10

Особый интерес представляет использование техногенных отходов, например, отходов обогащения полиметаллических руд, содержащих карбонаты и сульфат бария. Исследования показывают, что замена 10-30% цемента такими отходами не снижает, а в ряде случаев повышает прочность бетона, особенно в поздние сроки твердения, и может улучшать его защитные свойства от радиации [4].

Нормативные документы

  • ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия»
  • ГОСТ 30515-2013 «Цементы. Общие технические условия»
  • ГОСТ 33174-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Цемент. Технические требования»
  • ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка»
  • ГОСТ 5382-2019 «Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа»
  • ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов»
  • EN 197-1:2011 «Cement — Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements»

См. также

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 Мечай А. А., Барановская Е. И., Попова М. В. Композиционный портландцемент с использованием минеральных добавок на основе природного сырья // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2022. № 2(259). С. 100–106. DOI: 10.52065/2520-2669-2022-259-2-100-106
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 ГОСТ 31108-2020. Цементы общестроительные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2020. 20 с.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 Гаркави М.С., Артамонов А.В., Ставцева А.В., Колодежная Е.В., Дергунов С.А., Сериков С.В. Моделирование структурных преобразований при измельчении композиционного цемента // Строительные материалы. 2021. № 11. С. 41–46. DOI: 10.31659/0585-430X-2021-797-11-41-46
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 Айменов Ж. Т., Айменов А. Ж., Сарсенбаев Н. Б., Сарсенбаев Б. К. Получение композиционных цементов на основе техногенных отходов // Вестник ГГНТУ. Технические науки. 2021. Т. 17, № 1(23). С. 38-45. DOI: 10.34708/GSTOU.2021.83.70.004


Литература

  • Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. АСВ, 2006. 368 с. ISBN 5-93093-422-3
  • Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества: технология и свойства. Стройиздат, 1979. 476 с.
  • Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Феникс, 2007. 368 с.
  • Тейлор Х. Химия цемента. Мир, 1996. 560 с. ISBN 5-03-002731-9
  • Штарк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Оранта, 2004. 294 с.
  • Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. 1998. 768 с.
  • Невилль А.М. Свойства бетона. Издательство литературы по строительству, 1972. 344 с.
  • Классен В.К. Технология и оптимизация производства цемента. Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. 308 с.
  • Дворкин Л.И. Практическая методология проектирования составов бетона. Инфра-Инженерия, 2019. 604 с. ISBN 978-5-9729-0304-7
Источник — «https://stroytechnolog.ru/wiki/index.php?title=Композиционный_цемент&oldid=2456»