Влияние окружающей среды на процесс «слеживания» в многокомпонентных зеленых цементах

Введение. Проблемы ресурсо- и энергосбережения при производстве цемента и бетонов на их основе играют в мире большое значение. Важным направлением в решении этих проблем является разработка зеленых цементов, что содержат в своем составе разные минеральные добавки природного и техногенного происхождения. Достоинства зеленых цементов в сравнении с клинкерными цементами раскрываются также с позиций, как экологического фактора — снижение выбросов в атмосферу углекислого газа, применение побочных продуктов промышленности, так и технического — улучшение технологических свойств бетонных смесей, улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств бетонов. В тоже время замена клинкерной составляющей портландцемента минеральными компонентами приводит к изменению физико-механических свойств цемента в том числе при взаимодействии с окружающей средой на процесс «слёживания». Исследования в статье направлены на изучение влияния длительного хранения без добавочных цементов и многокомпонентных зеленых цементов в условиях свободного обмена с окружающей средой на физико-механические свойства цементного камня.

Материалы и методы. При проведении экспериментов применяли различные типы цементов. Многокомпонентные зеленые цементы получали в лаборатории совместным помолом со шлаком и золой-унос соответственно. Для улучшения процесса помола и замедления процесса сорбции в состав многокомпонентных зеленых цементов вводили добавку для интенсификации помола. Влияние окружающей среды на процесс сорбции цементов оценивали с помощью измерения косвенных параметров: удельной поверхности, угла естественного откоса, насыпной плотности и прочности при сжатии цементного камня.

Результаты исследования. Полученные результаты свидетельствуют о том, что удельная поверхность проб цемента, хранившихся на открытом воздухе в течение 30 дней вследствие процесса «слеживания» значительно снижается для цементов первого типа в среднем на 25 %, а для многокомпонентных зеленых цементов этот процесс происходит менее интенсивно и составляет 15 %. Схожая закономерность наблюдается при измерении угла естественного откоса и насыпной плотности. Уменьшение угла естественного откоса и высокие значения насыпной плотности для цемента первого типа связаны с активной сорбцией влаги из окружающей среды, которая приводит к образованию гидратных «мостиков» при взаимном контакте частиц. Снижение предела прочности при сжатии образцов цементного камня, испытанных в возрасте 28 суток твердения по сравнению с контрольными образцами, происходит в среднем на 25–30 % для цементов первого типа, и в меньшей степени на 15–20 % это наблюдается для многокомпонентных зеленых цементов.

Обсуждение и заключение. При хранении цемента разных типов в условиях свободного обмена с окружающей средой происходит сорбция влаги и на поверхности частиц образуются гидратные «мостики». Этот процесс происходит более интенсивно для цементов первого типа, так как поверхность частиц очень активна и соответственно быстрей гидратирует, что и отражается на снижении его активности на 30 %. Вместе с тем значительно меньше теряют активность на 20 % многокомпонентные зеленые цементы. Данная закономерность объясняется менее активной поверхностью частиц минеральных добавок присутствующих в составе, а также введением в состав добавки – интенсификатора помола.

1. He Z, Zhu X, Wang J, Mu Mulan, Wang Yuli. Comparison of CO2 Emissions from OPC and Recycled Cement Production. Construction and Building Materials. 2019;211:965–973. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.289

2. Liu X, Hou P, Chen H. Effects of Nanosilica on the Hydration and Hardening Properties of Slag Cement. Construction and Building Materials. 2021;282:122705. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122705

3. Bougara A, Lynsdale С, Milestone NB. The Influence of Slag Properties, Mix Parameters and Curing Temperature on Hydration and Strength Development of Slag/Cement Blends. Construction and Building Materials. 2018;187:339– 347. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.07.166

4. Zhenhai Xu, Zhaoheng Guo, Yasong Zhao, Shujun Li, Xu Luo, Gaofeng Chen et al. Hydration of Blended Cement with High-Volume Slag and Nano-Silica. Journal of Building Engineering. 2023;64:105657. http://dx.doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105657

5. Juenger MCG, Snellings R, Bernal SA. Supplementary Cementitious Materials: New Sources, Characterization, and Performance Insights. Cement and Concrete Research. 2019;122:257–273. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.05.008

6. Kurtis KE. Innovations in Cement-Based Materials: Addressing Sustainability in Structural and Infrastructure Applications. MRS Bulletin. 2015;40:1102–1109. https://doi.org/10.1557/mrs.2015.279

7. Thomas M. Optimizing the Use of Fly Ash in Concrete. 2007. URL: https://www.researchgate.net/publication/236509473_Optimizing_the_use_of_fly_ash_in_concrete (accessed: 10.09.2024).

8. Wang D, Zhou X, Meng Y, Chen Z. Durability of Concrete Containing Fly Ash and Silica Fume Against Combined Freezing-Thawing and Sulfate Attack. Construction and Building Materials. 2017;147:398–406. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2017.04.172

9. Jin Q, Li VC. Development of Lightweight Engineered Cementitious Composite for Durability Enhancement of Tall Concrete Wind Towers. Cement and Concrete Composites. 2019;96:87–94. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2018.11.016

10. Jin Q, Li VC. Structural and Durability Assessment of ECC/Concrete Dual-layer System for Tall Wind Turbine Towers. Engineering Structures. 2019;196:109338. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.109338

11. Shen X, Feng P, Zhang Qi, Lu J, Liu X, Ma Y, et al. Toward the Formation Mechanism of Synthetic Calcium Silicate Hydrate (CSH)-pH and Kinetic Considerations. Cement and Concrete Research. 2023;172:107248. http://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107248

12. Yan Y, Bernard E, Miron GD, Rentsch D, Ma B, Scrivener K, et al. Kinetics of Al Uptake in Synthetic Calcium Silicate Hydrate (C-S-H). Cement and Concrete Research. 2023;172:107250. http://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107250