Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X
ИФ РИНЦ = 0,281

ВЛИЯНИЕ ВВОДА ГРАНУЛИРОВАННОГО ШЛАКА НА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ЦЕМЕНТА ПРИ ЕГО ГИДРАТАЦИИ

Штрипов И.К. 1 Корниенко Д.В. 1 Ряполов А.С. 1
1 БГТУ им. В.Г. Шухова
Тепловыделение цемента обусловлено тем, что реакции гидратации клинкерных минералов являются экзотермическими. При обжиге клинкера в нем образуются безводные минералы, имеющие большой запас внутренней энергии, которая проявляется при взаимодействии с водой. Процесс гидратации цемента является экзотермическим и сопровождается выделением теплоты. Наибольшее повышение температуры наблюдается в первые сутки твердения. В дальнейшем наружные поверхности бетона остывают быстрее внутренних, поэтому результате возникает тепловое напряжение по поперечному сечению бетона, способное вызвать появление в нем трещин. При возведении крупных монолитных сооружений не допускается возникновение повышенных перепадов температур по глубине изделия. Введение шлака снижает тепловыделение цемента при гидратации, и его содержание отрицательно влияет на прочностные свойства цемента.
тепловыделение.
теплоемкость
гидратация
калориметр
шлак
клинкер
1. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1973 г. - 504с
2. Грёйарт Э. Степень гидратации цемента и шлака в цементной пасте с добавками шлака / Э. Грёйарт, Н. Де Бели // Цемент и его применение.-2012.-№1.- с.152-159.
3. Маколэй С. Переход от измерений по Блэйну к гравиметрическому анализу методом лазерной дифракции / С. Маколэй, Д. М. Крутиков // Цемент и его применение. – 2011. – №2. – с.115-120.
Введение. Наиболее интенсивно портландцемент выделяет тепло в ранние сроки твердения, причем большее содержание алита и трехкальциевого алюмината обусловливает большее тепловыделение. Белитовые цементы имеют меньшее тепловыделение. Бóльшее тепловыделение позволяет твердеть бетону при низких температурах, в том числе при отрицательных (метод «термоса»), мéньшее – нужно для массивных конструкций (для недопущения неравномерных температурных деформаций). Выделение теплоты в процессе гидратации и твердения может привести к значительному повышению температуры бетона (на 20—40 °). Наибольшее повышение температуры наблюдается в первые сутки твердения. В дальнейшем наружные поверхности бетона остывают быстрее внутренних, в результате возникает тепловое напряжение по поперечному сечению бетона, способное вызвать появление в нем трещин. При дальнейшей службе эти трещины могут расширяться и углубляться, увеличивая опасность снижения водонепроницаемости и морозостойкости, ухудшая его коррозионную устойчивость и другие показатели.

В процессе гидратации цементной пасты зерна цемента вступают в реакцию с водой, образуются продукты гидратации, и ее степень непрерывно возрастает. Конечная степень гидратации в основном зависит от водоцементного отношения (в/ц), и ее можно рассчитать по формуле, предложенной Миллзом. Однако ситуация становится более сложной, когда цемент частично замещен доменным шлаком, поскольку реакции гидратации обоих компонентов оказывают взаимное влияние друг на друга. К тому же степень гидратации шлака в цементной пасте трудно оценить теоретически, поскольку она зависит от способахранения, возраста образцов, отношения в/ц и цемент/шлак, а также от реакционной способности шлака.

Цементы с повышенной экзотермией целесообразно применять в холодное время года, так как при этом требуется затрачивать меньше теплоты на поддержание благоприятных условий твердения бетона при низких положительных (выше нуля) температурах.

Методология.Тепловыделение гидратированного и негидратированного цемента определяется прямым методом исследования в обыкновенном калориметре. Теплоту раство­рения (Q1) определяют по формуле:

кал/г, (1)

где ∆t— истинное (с  поправкой)   повышение температуры, град; c - теплоемкость калориметра, кал/град; g— навеска цемента, г; ω - потеря   при  прокаливании, %; Ө0 — температура   помещения, град; Ө— температура конца главного периода, град; 0,2 — удель­ная теплоемкость негидратированного цемента, кал/г-град.

Значение теплоты   растворения  (Q2) вычисляют по формуле:

 кал/г, (2)

где 0,4 - теплоемкость гидратированного цемента, кал/г·град.

Из разности показателей теплоты растворения негидратированного и гидратированного цементов находят теплоту гидратации (q) цемента при 21 °С:

q=|Q1-Q2 | кал/г. (3)

 

Определение предела прочности при сжатии в малых образцах Предел прочности при сжатии каждого образца определяется как частное от деления величины разрушающего груза (кгс) на площадь грани образца (см2). Величина разрушающего груза определяется умножением показания манометра по шкале на цену деления соответствующего интервала шкале по формуле(1), [5].

Р= ,  кгс/см2               (4)

где Р - предел прочности на сжатие образцы, кгс/см2, Пм - показатель манометра,Цм – цена деления манометра (указанная на прессе),S – площадь образца, см2.

Основная часть.В работе были использованы сырьевые материалы ЗАО «Старооскольский цементный завод» -  клинкер, шлак.

Кн=0,93; n=2,3; p=1,4.

Химический состав клинкера.

Таблица 1.

 

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

R2O

Прочие

Клинкер

21,25

5,39

3,85

65,56

0,61

0,12

1,10

2,13

Шлак

23,22

3,7

20,67

34,89

-

-

-

-

Минералогический состав клинкера.

Таблица 2.

 

C3S

C2S

C3A

C4AF

Клинкер

62,86

13,5

7,74

11,7

Перед испытаниями необходимо приготовить 200 г.  цемента каждого вида.

Таблица 3.

 

Клинкер, г

Гипс, г

Шлак, г

Б/Д

186

14

-

5% шлака

176

14

10

30% шлака

126

14

60

60% шлака

66

14

120

 

Температура калориметра при испытании 4 видов негидратированного цемента сводятся в таблицу 4.

Таблица 4

Время, мин

Температура калориметра по Бекману, °С

Б/Д

5 % шлака

30 % шлака

60 % шлака

0

-0,29

0,22

-0,24

-0,28

1

-0,30

0,21

-0,20

-0,28

4

2,18

0,19

1,70

-0,29

5

2,91

2,65

2,55

2,66

6

3,20

3,20

2,57

2,79

7

3,34

3,66

2,81

2,82

8

3,41

3,74

2,87

2,83

9

3,46

3,82

3,02

2,83

12

3,52

3,88

3,17

 

14

3,53

3,90

3,18

 

15

3,52

3,89

3,17

 

Расчет тепловыделения 4 видов не гидратированного цемента:

кал/г,

кал/г,

кал/г,

кал/г,

Температура калориметра при испытании 4 видов гидратированного цемента в возрасте 7 суток сводятся в таблицу 5.

Таблица 5

Время, мин

Температура калориметра по Бекману, °С

Б/Д

5 % шлака

30 % шлака

60 % шлака

0

0,23

0,15

0,04

1,06

1

0,22

0,16

0,03

1,06

2

0,21

0,15

0,02

1,07

3

0,21

0,15

0,01

1,07

4

2,6

1,88

0,01

1,07

5

3,21

2,45

2,30

2,89

6

3,23

2,94

2,41

3,08

7

3,22

3,13

2,39

3,20

8

3,21

3,16

2,38

3,35

9

 

3,17

2,38

3,37

10

 

3,17

 

3,38

Расчет тепловыделения 4 видов гидратированного цемента в возрасте 7 суток:

кал/г,

кал/г,

кал/г,

кал/г,

Расчет теплоты гидратации 4 видов цемента в возрасте 7 суток:

q=|Q1-Q2|, кал/г.

qб/д=|587,2-784,53|=197,33 кал/г.

q5%=|551,2-767,3|=216,1 кал/г.

q30%=|533,91-646,86|=112,95 кал/г.

q60%=|538,1-669,68|=131,58 кал/г.

Теплоты гидратации 4 видов цемента в возрасте 7 суток сводятся в таблицу 6.

Таблица 6

Вид цемента

q, кал/г

Б/Д

197,33

5% шлака

216,1

30% шлака

112,95

60% шлака

131,58

 

Температура калориметра при испытании 4 видов гидратированного цемента в возрасте 28 суток сводятся в таблицу 6.

Таблица 6

Время, мин

Температура калориметра по Бекману, °С

Б/Д

5 % шлака

30 % шлака

60 % шлака

0

-0,19

0,07

0,15

-0,18

1

-0,18

0,04

0,15

-0,19

2

-0,17

0,00

0,15

-0,19

3

-0,17

-0,03

0,14

-0,20

4

-0,17

-0,05

0,14

-0,20

5

1,6

-0,06

1,89

1,00

6

2,35

-0,07

2,56

1,90

7

2,52

2,01

2,74

2,10

8

2,57

2,56

2,78

2,15

9

2,58

2,57

2,79

2,17

10

2,57

2,57

2,79

2,17

Расчет тепловыделения 4 видов гидратированного цемента в возрасте 28 суток:

кал/г,

кал/г,

кал/г,

кал/г,

Расчет теплоты гидратации 4 видов цемента в возрасте 28 суток:

q=|Q1-Q2 |кал/г.

qб/д=|587,2-755,11|=167,91 кал/г.

q5%=|551,2-736,92|=185,72 кал/г.

q30%=|533,91-736,58|=202,67 кал/г.

q60%=|538,1-679,23|=141,13 кал/г.

Теплоты гидратации 4 видов цемента в возрасте 28 суток сводятся в таблицу 7.

Таблица 7

Вид цемента

q, кал/г

Б/Д

167,91

5% шлака

185,72

30% шлака

202,67

60% шлака

141,13

Испытания проводились в 3-х, 7-ми, 28-ми суточном возрасте образцов кубиков. Полученные данные свели в таблицу 8.

Таблица 8.

Вид цемента

Предел прочности на сжатие, МПа

3 суток

7 суток

28 суток

Б/Д

55

64

73

5% шлака

58

56

68

30% шлака

38

51

57

60% шлака

21

18

29

Вывод: В результате научно – исследовательской работы было установлено, что шлак снижает тепловыделение цемента при его гидратации, и его содержание  отрицательно влияет на прочностные свойства цемента.



Библиографическая ссылка

Штрипов И.К., Корниенко Д.В., Ряполов А.С. ВЛИЯНИЕ ВВОДА ГРАНУЛИРОВАННОГО ШЛАКА НА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ЦЕМЕНТА ПРИ ЕГО ГИДРАТАЦИИ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 6.;
URL: http://www.eduherald.ru/ru/article/view?id=13842 (дата обращения: 13.12.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252