Портландцемент композиційний з підвищеним вмістом лужних оксидів та волокнистоцементні вироби на його основі

Abstract

В дисертаційній роботі теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено можливість отримання волокнистоцементних виробів з необхідними фізико-механічними показниками при підвищеному вмісті в цементній матриці лужних оксидів, кількість яких зростає в складі портландцементного клінкеру внаслідок використання альтернативних видів палива. Оптимізовано суміші для енергетичного використання в цементній промисловості, які при заданій калорійності палива мінімізують вміст лужних оксидів та SО3 в клінкері. Для виробництва волокнистоцементних виробів розроблено спеціальний портландцемент композиційний на основі клінкеру з підвищеним вмістом лужних оксидів, що одержується шляхом системного підходу до вибору гранулометричного та речовинного складів. Основні результати праці знайшли промислове впровадження при виробництві листів волокнистоцементних хвилястих з необхідними фізико-механічними показниками.В диссертационной работе теоретически обоснована и экспериментально подтверджена возможность получения волокнистоцементных изделий с необходимыми физико-техническими показателями при повышенном содержании в цементной матрице щелочных оксидов, количество которых возрастает в составе портландцементного клинкера в результате использования альтернативных видов топлива. Проведен анализ влияния каменного угля, торфа и вторичных топливных материалов (изношенные шины, биомасса и др.) на химико-минералогический состав клинкеров и оптимизированы смеси на их основе для энергетического использования в цементной промышленности, которые при заданной калорийности топлива минимизируют содержание щелочных оксидов и SО3 в клинкере. Микрозондовым рентгеноспектральным анализом портландцементного клинкера установлено, что такие основные элементы как кальций, силиций, алюминий распределяются в составе клинкерных минералов, тогда как атомы калия и серы концентрируются локально в порах клинкера на границе раздела фаз с образованием самостоятельной фазы - водорастворимого минерала арканита K2SO4. При этом содержание щелочных оксидов составляет 1,0 ± 0,2 мас.% K2O и 0,14 ± 0,03 мас.% Na2O, а содержание SO3 колеблется в пределах 0,5...0,8 мас.%. Активность клинкера после ТВО, полученного при использовании альтернативных видов топлива, составляет 36-38 МПа. Портландцемент ПЦА на основе клинкера с повышенным содержанием щелочных оксидов по срокам схватывания (начало - 2 ч 30 мин, конец – 3 ч 40 мин) и показателями прочности при изгибе/сжатии через 2 и 7 сут (соответственно 5,5/26,8 и 6,1/34,4 МПа) соответствует требованиям технологии асбестоцементного производства, в то же время содержание щелочных оксидов (Na2O = 0,75-0,85 масс.%) превышает допустимые пределы (Na2Oe ≤ 0,50 мас.%). Показано, что вследствие взаимодействия водорастворимого арканита с двуводным гипсом с образованием комплексной соли K2SO4.СаSO4.Н2О (минерал сингенит) на ранней стадии структурообразования часть двоводного гипса не полностью выполняет роль традиционного замедлителя схватывания портландцемента, что может вызвать деструктивные явления в цементном камне. Поэтому при рекуперации технологической воды в процессе производства волокнистоцементных изделий возрастает ее щелочность до 80…100 мг-экв/л вследствие увеличения содержания калия сульфата в суспензии, что приводит к повышенному водосодержанию первичного слоя асбестоцемента на сетчатом цилиндре, при этом наблюдается снижение фильтрующей способности и возникают деструктивные явления в цементной матрице. Разработан и оптимизирован гранулометрический и вещественный состав портландцемента композиционного на основе клинкеров с повышенным содержанием щелочных оксидов и показано, что при производстве волокнистоцементных изделий прочность цементной матрицы растет за счет взаимодействия гранулированного доменного шлака с калия сульфатом, при этом щелочные компоненты связываются в рентгеноаморфные фазы CSH(I) и цеолитоподобные щелочно-щелочноземельные гидроалюмосиликаты, а карбонатные добавки способствуют стабилизации гексагональных гидратов типа AFm-фаз. Установлена взаимосвязь микроструктуры и прочности цементной матрицы с повышенным содержанием щелочных оксидов с показателями средней плотности, влажностных деформаций и коробления асбестоцементных листов; показано, что листы асбестоцементные волнистые на основе портландцемента композиционного по показателям прочности на изгиб (17,9 МПа) и ударной вязкости (1,97 кДж/м2) отвечают нормативным требованиям. Значения минимальной планочной нагрузки разрушения в пределах 2900-4000 Н и момента изгиба на 1 м длины при разрыве (43,5-77,7 Н.м) определяют их показатели надежности. Сочетание в структуре безасбестовых волокнистоцементных изделий искусственных волокон с высоким и низким модулем упругости обеспечивает упруго-вязкий характер разрушения. Осуществлен в условиях ПАО "Ивано-Франковскцемент" промышленный выпуск специального портландцемента композиционного на основе клинкера, полученного с альтернативными видами топлива, и его внедрение при производстве листов волокнистоцементных волнистых с использованием хризотил-асбеста (АТ технология) и синтетических волокон (NT технология). Фактический экономический эффект от производства листов волокнистоцементных волнистых в расчете на опытную партию портландцемента композиционного в количестве 600 т составил 89,34 тыс. грн. The work gives theoretical background and practical proofs to possibility of producing fibre cement articles with the necessary physical and mechanical properties at elevated content of alkali oxides in the cement matrix; their quantity is increasing in Portland cement clinker due to use alternative fuels. Mixes for energetic using in the clinker burning process, which at given caloric value minimize content of alkali oxides and SO3 were optimized. Using special Portland-composite cement with a high content of alkali oxides obtained by a systematic approach to the selection of particle size and material composition for production fibre cement articles was proposed. The main results of the work had industrial implementation in the production of fibre cement roofing sheets with improved physical-mechanical parameters.