В.И.СОЛОМАТОВ, д-р техн.наук, проф., А.Ю.ГУСЕВА, канд.техн.наук (МГУ ПС); О.В.КОНОНОВА, канд. техн. наук, М. Ю. КОНОНОВ, инж. (Марийский ГТУ), Влияние способа помола смешанного вяжущего на формирование прочности цементных композиций
Эффективное применение смешанных вяжущих способствует экономии цемента и снижению себестоимости бетонов и растворов. Смешанное вяжущее может быть получено как совместным помолом цемента с минеральным наполнителем, так и смешиванием цемента и наполнителя, размолотых раздельно до требуемой удельной поверхности. В настоящей работе предпринята попытка сопоставить эффективность производства и применения смешанных вяжущих совместного и раздельного помола, содержащих до 30% кварцевого наполнителя.
Изучены закономерности помола цементного клинкера, кварцевого песка и их смесей. В исследованиях применяли нормальный кварцевый песок и среднеалюминатный клинкер Новоульяновского цементного завода следующего минералогического состава (в %): C3S =57, C2S =18, C3F = 8, C4AF= = 13. Для регулирования сроков схватывания в клинкер вводили 4,5% двуводного сульфата кальция. Зерна клинкера крупностью более 10 мм предварительно дробили до наибольшей крупности 10 мм.
На рис. 1 приведены результаты лабораторных испытаний, отражающие изменение удельной поверхности изучаемых материалов в зависимости от длительности их помола. На графике помола материалов выявилось два момента времени, когда удельные поверхности клинкера, кварцевого песка и их смесей совпадают — 12,5 и 35 мин.
В изученном факторном пространстве установлены следующие закономерности помола материалов. Зависимость удельной поверхности кварцевого песка от продолжительности помола носит практически линейный характер. У клинкера, в отличие от кварцевого песка, рост удельной поверхности со временем существенно замедляется. В интервале времени от 12,5 до 35 мин удельная поверхность клинкера была выше, чем у кварцевого песка. Соответственно, и энергозатраты на помол клинкера в этом интервале времени были ниже.
Потребовалось 15,5 мин для клинкера и 18 мин для кварцевого песка, чтобы их удельные поверхности достигли 200 м2/кг. После 35 мин процесс помола клинкера стал более энергоемким по сравнению с помолом песка. Для достижения удельной поверхности 280 м2/кг клинкер требовалось размалывать в течение 39,5 мин. Затраты времени на совместный помол компонентов смешанного вяжущего во всем диапазоне исследований имеют промежуточное значение между затратами времени на раздельный помол клинкера и кварцевого песка. По расчетам, для достижения заданной удельной поверхности смешанного вяжущего при совместном и раздельном помоле компонентов необходимо равное время. Полученные данные дают основание предполагать, что при совместном помоле нарастание удельной поверхности песка и цементного клинкера происходит с той же скоростью, которая имеет место при раздельном помоле. Таким образом, появляется возможность с достаточно высокой точностью прогнозировать удельную поверхность каждого компонента в смешанном вяжущем совместного помола по графикам помола чистых материалов.
Для оценки эффективности совместного и раздельного способов помола компонентов смешанного вяжущего сопоставлялись прочностные характеристики цементных композиций, содержащих от 10 до 30% наполнителя. Из цемента, полученного совместным помолом клинкера с кварцевым песком до удельной поверхности 270 м2/кг, готовили пасты с водотвердым отношением (В/Т) 0,27. Расплыв паст на встряхивающем столике составлял 18,5 см. При таком же значении В/Т параллельно готовили пасты, в которых применялся цемент раздельного помола с клинкерной составляющей, имеющей удельную поверхность 270 м2/кг. В одной серии образцов кварцевый песок имел удельную поверхность 180 м2/кг, а в другой — 270 м2/кг. В случае применения грубомолотого наполнителя расплыв паст на встряхивающем столике достигал 19-21 см в зависимости от степени наполнения. Образцы-балочки размером 4x4x16 см, изготовленные из смешанных цементов совместного и раздельного помола, твердели 28 сут в воде при 20°С. Результаты испытаний образцов на сжатие представлены на рис. 2.
Наибольшую прочность показали образцы, изготовленные из цемента совместного помола. При равной удельной поверхности компонентов (270 м2/кг) и одинаковой подвижности паст прочность образцов на смешанном цементе раздельного помола оказалась на 6-8% ниже прочности образцов на смешанном цементе совместного помола, что является следствием эффекта активации цемента при совместном помоле клинкера и кварцевого наполнителя. Использование цемента раздельного помола с наполнителем дисперсностью 180 м2/кг позволило получить образцы, прочность при сжатии которых оказалась на 19-20% ниже прочности образцов из цемента совместного помола.
Исследовано влияние способа помола смешанного цемента на формирование прочности при сжатии керамзитобетона с содержанием вяжущего 300 кг/м3. Изготовлены две серии образцов-кубов с ребром 10 см из бетонной смеси жесткостью 10-20 с. Одну серию изготовляли на вяжущем совместного помола с удельной поверхностью 270 м2/кг при содержании кварцевого наполнителя от 10 до 30%. Для другой серии применяли смешанный цемент раздельного помола с дисперсностью клинкерной составляющей 270 м2/кг и дисперсностью кварцевого наполнителя 180 м2/кг.
Первые 90 сут образцы твердели в среде с влажностью не ниже 90%, последующие 90 сут — в воздушносухих условиях при влажности 50% и температуре 20°С. Результаты определения прочности керамзитобетонов приведены на рис. 3.
Установлено, что в возрасте 28 сут керамзитобетон на цементе совместного помола имел прочность при сжатии в среднем на 10% выше, чем в случае применения цемента раздельного помола (при равном содержании кварцевого наполнителя). Прирост прочности всех образцов к возрасту 90 сут составил почти 30%, при этом керамзитобетон на цементе совместного помола сохранил свое преимущество в прочности. Приведенные данные свидетельствуют о положительном влиянии повышенной дисперсности кварцевого наполнителя на структурообразование исследуемых составов, а также наличии эффекта активации цемента при совместном помоле.
В результате дальнейших испытаний установлено, что в возрасте 180 сут у керамзитобетона на цементе совместного помола отсутствует прирост прочности. Более того, при 30%-ном содержании кварцевого наполнителя наблюдается снижение прочности на 7% по сравнению с прочностью образцов этой серии в возрасте 90 сут. Прочность бетонов на цементе раздельного помола продолжала нарастать. В итоге она превысила прочность керамзитобетонов на цементе совместного помола на 12-15%.
Результаты исследований показывают, что преимущества в прочности композиционных материалов, связанные с активацией цемента при совместном помоле с кварцевым наполнителем, с течением времени могут быть утрачены. Цементы раздельного помола с грубодисперсным наполнителем обеспечивают более стабильный прирост прочности композиционного материала во времени в условиях изменения влажности окружающей среды.
Бетон и железобетон, 1999 №1