Цемент с повышенным содержанием минеральных добавок

С целью снижения содержания клинкерной части в цементах, широкого использования минеральных компонентов – отходов промышленности, снижения выбросов углекислого газа при производстве клинкера во многих передовых странах мира получили широкое распространение цементы с высоким содержанием (от 30 до 80%) активных минеральных добавок. Использование активных минеральных добавок при производстве цемента обусловлено не только необходимостью экономии дорогостоящего клинкера, но и необходимостью придания бетонам определенных строительно-технических свойств (повышенная водонепроницаемость, морозостойкость, трещиностойкость, стойкость к коррозии). Данное положительное влияние на свойства бетона обусловлено наличием пуццоланической активности у минеральных компонентов (шлак, кислая зола-уноса, пуццолана, микрокремнезем), т.е. способностью взаимодействовать с гидроксидом кальция, который образуется в значительном количестве (15-20%) при гидратации основных клинкерных минералов, с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция гелевидной структуры, которые уплотняют и упрочняют структуру цементного камня. Наиболее широко в мировой практике для производства цементов применяются золы-уноса и шлаки. Пуццоланы имеют высокую водопотребность, поэтому их использование ограничено. Микрокремнезем по причине высокой удельной поверхности имеет низкую технологичность (зависает в силосах, налипает на транспортирующие и дозирующие устройства), поэтому при производстве цемента не используется. В России нет зол-уноса требуемого качества для производства цемента, поэтому единственный материал, пригодный для производства цемента с повышенным содержанием минеральных добавок класса прочности не ниже 42.5 – это доменный гранулированный шлак.

Пластифицированный цемент низкой водопотребности

Данная технология производства цемента была разработана в СССР для обеспечения нужд военно-промышленного комплекса. Технология предполагает совместный помол компонентов цемента в присутствии органического модификатора с целью механохимической активации клинкера и минеральных добавок. Преимущества данной технологии производства цемента следующие:

• Снижение клинкерной части до 30% за счет замещения ее минеральными добавками до 70%
• Повышение прочности цементов до класса 82,5 (до 100 МПа) за счет увеличения степени гидратации клинкера и снижения водопотребности
• Повышение гарантированного срока хранения цемента до 12 месяцев
• Снижение удельных затрат топлива и выбросов СО2 и Nox на каждую тонну цемента в 2-3 раза
• Улучшение технологических параметров работы цементных мельниц, перекачиваемости цементов
• Повышение качества и долговечности бетонов

На заводе Щурово было проведено несколько промышленных тестов по производству цемента низкой водопотребности. В качестве минерального компонента использовался шлак Северсталь и кварцевый песок в количестве около 40%. В качестве органического модификатора использовалась химическая добавка на основе эфиров поликарбоксилатов, которая показала более высокую эффективность по сравнению с нафталин сульфонатами. Характеристики цемента (по ПНСТ 19-2014 - расплыв конуса 130 мм) представлены в таблице ниже.

Из таблицы видно, что прочностные характеристики цемента со шлаком значительно выше во все сроки твердения, поскольку песок является инертным компонентом. Также необходимо отметить низкую водопотребность цемента (22%) по причине использования химической добавки. Водопотребность обычных цементов в пределе 27-28%. С использованием данных цементов были изготовлены стандартные составы бетона (расход цемента 330 кг/м3), характеристики которых представлены в таблице ниже.

По результатам испытаний можно сделать следующие выводы:

• Возможность производства на цементе со шлаком бетонов класса прочности В35 без химических добавок и В50 с химическими добавками • Возможность производства на цементе с песком бетонов класса прочности В22.5 без химических добавок и В40 с химическими добавками • Остановка кинетики набора прочности после 28 суток на цементе с песком без химических добавок • Недостаточная сохраняемость подвижности бетонов на цементах низкой водопотребности

Кроме того, была зафиксирована потеря пластифицирующего эффекта цемента с химической добавкой на основе эфиров поликарбоксилатов в процессе хранения. При этом, себестоимость цемента низкой водопотребности значительно выше по сравнению с обычными цементами по причине использования химической добавки. Таким образом, широкое применение цемента низкой водопотребности невозможно по вышеуказанным причинам. Альтернативная возможность для производства цемента с повышенным содержанием минеральных компонентов – цемент ЦЕМ II/В-Ш 42.5Н с количеством шлака 30%.

Цемент ЦЕМ II/В-Ш 42.5Н с количеством шлака 30%

С целью изучения возможности производства данного типа цемента на заводах Щурово и Ферзиково были проведены сравнительные тесты с целью определения возможности производства продукта оптимального качества. Сырьевые компоненты на данных заводах отличаются. Активность клинкера Ферзиково выше Щурово по причине наличия в сырьевой базе Щурово высокого содержания оксида магния. Кроме того, шлак Тулачермет, который использует завод Ферзиково, имеет преимущества по активности и размалываемости перед шлаком Северсталь, который использует завод Щурово. Характеристики цемента ЦЕМ II/В-Ш 42.5Н (по ГОСТ 30744) представлены в таблице ниже.

Из таблицы видно, что начальная прочность цемента, производства Щурово значительно уступает цементу Ферзиково, в то время, как разница в марочной прочности незначительна. Удельная поверхность цемента, при которой были достигнуты требуемые показатели прочности, завода Ферзиково значительно меньше завода Щурово по причине более высокой активности клинкера и шлака завода Ферзиково. С использованием данных цементов были изготовлены стандартные составы бетона (расход цемента 330 кг/м3) без использования химических добавок (вариант тарированного применения), характеристики которых представлены в таблице ниже.

Из таблицы видно, что характеристики цементов ЦЕМ II/В-Ш по всем параметрам сопоставимы с рядовыми цементами ЦЕМ II/А заводов Ферзиково и Щурово, а прочность в марочном возрасте даже превосходит. Результаты тестирования стандартных составов бетона (расход цемента 330 кг/м3) с использованием химических добавок (вариант навального применения) представлены в таблице ниже.

Из таблицы видно, что характеристики цементов ЦЕМ II/В-Ш по всем параметрам сопоставимы с рядовыми цементами ЦЕМ II/А заводов Ферзиково и Щурово, а прочность в марочном возрасте даже превосходит.

По результатам испытаний можно сделать следующие выводы:

• Результаты промышленных тестов показали возможность выпуска цемента ЦЕМ II/В-Ш 42.5Н с повышенным до 32% содержанием минеральной добавки шлака сопоставимого по качеству с текущими продуктами ЦЕМ II/А-К(Ш-И) 42.5Н заводов Ферзиково и Щурово
• По причине низкой активности шлака производства Северсталь и высоких затрат на помол выпуск цемента ЦЕМ II/В-Ш 42.5Н на заводе Щурово экономически нецелесообразен
• По причине высокой активности шлака производства Тулачермет экономически целесообразно выпускать цемент ЦЕМ II/В-Ш 42.5Н на заводе Ферзиково