ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР

Свойства теста и цементного камня на основе композиционного вяжущего отличаются от изученных стандартных систем на основе портландцемента и специальных цементов. Композиционные вяжущие обеспечивают рациональное использование портландцемента и специальных цементов, а также позволяют сохранять природные ресурсы и решать вопросы утилизации техногенных продуктов других производств. Содержащиеся в составе композиционного вяжущего органические, химические и минеральные добавки оказывают сложное влияние на процессы гидратации и твердения камня на основе композиционного цемента.

Многочисленные исследования по модификации портландцемента активными минеральными добавками и тонкодисперсными наполнителями позволили обеспечить сохранение основных свойств твердеющей системы на основе композиционных цементов и установить, что  пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент отличаются от обычного портландцемента более высокой коррозионной стойкостью, повышенной жаростойкостью, высокой устойчивостью в пресных и сульфатных  водах.

В 70-х - 90-х гг. выполнен целый ряд исследований по изучению влияния различных добавок на свойства композиционных вяжущих с целью пластификации, повышения ранней прочности, ускорения и замедления схватывания и управления реологическими свойствами. Выявлена возможность направленного управления процессами гидратации и твердения композиционного вяжущего при химической и механической активации композиционного вяжущего, установлен ряд недостатков композиционных вяжущих, ограничивающих их применение, таких как повышенная водопотребность и невысокие темпы набора прочности при твердении, а также высокая усадка и набухание при твердении на воздухе и в воде. Прирост прочности на воздухе для большинства композиционных вяжущих значительно ниже, чем для портландцемента и специальных цементов. Эти факторы сдерживают применение вяжущих с активными минеральными добавками в строи­тельстве и в технологиях сухих строительных смесей, в которых кроме мине­рального вяжущего и заполнителя содержится комплекс химических добавок, обеспечивающих необходимые реологические свойства смеси, регулирующие скорость схватывания и твердения вяжущего и обеспечивающие необходимые физико-механические свойства раствора после затвердевания.

В связи с этим исследования были продолжены в БГИТА.

Для экспериментов использовались: портландцемент и глиноземистый и высокоглиноземистый цемент ОАО «Подольск цемент», чистые минералы глиноземистого цемента С₁₂А₇, СА, ca₂, СА₆, тонкоизмельченный кварцевый песок с удельной поверхностью по Блэйну 3000, 6000, 12000 см²/г, трепел с удельной поверхностью по Блэйну 16000 см²/г, микрокремнезем с удельной поверхностью по Блэйну 24000 см²/г, метакаолин, полученный путем обжига белой глины с содержанием каолинита 95% при 650°С.

Исследованы закономерности влияния следующих модифицирующих добавок: суперпластификатора С-3, двуводного гипса, метилцеллюлозы, водорастворимого полимера, ускорителя сроков схватывания и твердения карбоната лития.

Научно-исследовательская работа выполнялась в пять этапов.

В ходе первого этапа был выполнен теоретический обзор научных публикаций по композиционным вяжущим, широко исследованным и представленным на отечественном рынке, и выявлена область мало изученных композиционных вяжущих на основе смешанных цементов и минеральных добавок.

В ходе второго этапа исследования были получены или подготовлены исходные компоненты смешанных цементов и минеральных добавок - измельчен в шаровой мельнице до разной удельной поверхности кварцевый песок, трепел, метакаолин, подготовлены образцы и определен их химический и минеральный состав, а также выполнен комплекс рабочих мероприятий по получению минералов глиноземистого цемента С₁₂А₇, СА, СА₂, СА₆ на экспериментальной установке плазменной плавки цемента ОАО «Подольск цемент».

В ходе третьего этапа исследования изучались закономерности гидратации и твердения систем на основе следующих компонентов:

1) Портландцемента и активных минеральных добавок в количестве до 20% от массы цемента;

2) Глиноземистого цемента и активных минеральных добавок в количестве до 20% от массы цемента;

3) Высокоглиноземистого цемента и активных минеральных добавок в количестве до 20 % от массы цемента;

4) Портландцемента и глиноземистого цемента в качестве добавки в количестве до 20% от массы цемента;

5) Высокоглиноземистого цемента и портландцемента в качестве добавки в количестве до 20% от массы цемента;

6) Шлака СА₆ и портландцемента в качестве добавки в количестве до 25% от массы вяжущего;

7) Шлака СА₆ и шлака c₁₂a₇ в качестве добавки в количестве до 15% от массы вяжущего;

В ходе четвертого этапа исследования изучались закономерности гидратации и твердения систем с ускорителем твердения на основе следующих компонентов:

1) Портландцемента и активных минеральных добавок в количестве 20% от массы цемента с ускорителем твердения;

2) Глиноземистого цемента и активных минеральных добавок в количе­стве 10% от массы цемента с ускорителем схватывания и твердения карбонатом лития;

3) Высокоглиноземистого цемента и активных минеральных добавок в количестве 10% от массы цемента с ускорителем схватывания и твердения карбонатом лития;

4) Высокоглиноземистого цемента и активных минеральных добавок в количестве 10 % от массы цемента и портландцемента в качестве добавки ускорителя твердения в количестве до 10% от массы цемента;

5) Шлака СА₆ и активных минеральных добавок в количестве 10% от массы цемента и портландцемента в качестве добавки ускорителя твердения в количестве до 20% от массы вяжущего;

6) Шлака СА₆ и активных минеральных добавок в количестве 10% и шлака c_i2a₇ в качестве добавки ускорителя твердения в количестве до 10% от массы вяжущего. 

В ходе пятого этапа исследования изучались закономерности гидратации  и твердения систем в присутствии суперпластификатора и водорастворимых органических полимеров, в системе:

1) Высокоглиноземистого цемента и активных минеральных добавок в количестве 10 % от массы цемента и портландцемента в качестве добавки ускорителя твердения в количестве до 10% от массы цемента в присутствии суперпластификатора и водорастворимых органических полимеров.

2) Шлака СА₆ и активных минеральных добавок в количестве 10% от массы цемента и портландцемента в качестве добавки ускорителя твердения в количестве до 20% от массы вяжущего в присутствии суперпластификатора и водорастворимых органических полимеров;

Добавка к портландцементу алюминатов кальция существенно изменяет гидравлическую активность системы (рис.1). Время схватывания может составлять считанные минуты.

Рис. 1 Ускорение схватывания портландцемента добавлением алюминатов кальция .

Графическая зависимость времени схватывания от количества алюминатов кальция, добавленного к портландцементу, представляет собой u-образную кривую. Это говорит о том, что:

— добавка 1-20% алюминатов кальция к портландцементу позволяет достичь очень малого времени схватывания или, наоборот, для глиноземистых цементов увеличить время схватывания;

— время схватывания алюминатов кальция ниже, чем у портландцемента (хотя скорость последующего твердения выше). Схватывание может быть ускорено добавкой ускорителя схватывания карбоната лития или введением портландцемента или другого источника СаО, например, гашеной извести.

Скорость твердения может быть увеличена путем применения добавок, которые могут очень сильно изменить поведение смесей. Для каждого вида композиционного вяжущего необходимое для получения требуемых характеристик оптимальное содержание алюминатов кальция, портландцемента и добавок может быть различно, но принципы регулирования свойств остаются неизменными.  

Добавка к портландцементу или глиноземистому цементу суперпластификатора или водорастворимых органических полимеров существенно понижает гидравлическую активность системы. Присутствие в составе смешанных вяжущих активных минеральных добавок вызывает в большинстве случаев незначительное снижение процесса набора ранней прочности системы, но положительно влияет на прочность цементного камня в более позднем периоде твердения.

По данным РФА анализа активные минеральные добавки и тонкомолотые наполнители в составе глиноземистых цементов способны участвовать в физико-химических процессах гидратации минералов цементов, при этом на скорость гидратации активных минеральных добавок оказывает влияние содержание СаО в минералах алюминатных цементов.

В ходе проведенных экспериментальных исследований авторами выявлено влияние активных минеральных добавок и ускорителей твердения на гидратацию портландцемента и специальных цементов на основе глиноземистых шлаков с различным минералогическим составом в ранние и поздние сроки твердения, определены возможные направления оптимизации вяжущих для получения быстротвердеющих или высокопрочных составов. Основным преимуществом технологии с использованием смешанных композиционных вяжущих является ее гибкость, что делает возможным создание составов с широким спектром характеристик для самых разнообразных применений, например, ремонтных составов, клеев для плиток, screeds and grouts. На основании выявленных закономерностей гидратации разработаны рецептуры ССС для ремонтных работ и огнеупорные растворы на основе композиционного смешанного вяжущего из оптимизированных составов на глиноземистом шлаке и портландцементе с минеральными добавками.