XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка состава цементно-песчаной смеси на основе вяжущего с пониженным клинкер-фактором

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Воронина В.К. 1Глубоцкая А.А. 1

---

1МБОУ СОШ №9 г.о.Ступино

Букина И.А. 1Корчунов И.В. 2

---

1МБОУ СОШ №9 г.о.Ступино

2РХТУ им.Менделеева

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Практическая часть работы выполнена на лабораторном оборудовании в рамках сотрудничества СОШ №9 г. о. Ступино с кафедрой химической технологии композиционных и вяжущих материалов Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева под руководством сотрудника кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов Корчунова Ивана Васильевича.

Аннотация

Данный проект посвящён исследованию факторов, оказывающих вредное воздействие на окружающую среду при производстве цемента. В ходе работы было установлено, что большой объём углекислого газа, непосредственного участника парникового эффекта, выделяется в процессе обжига известняка при подготовке клинкера. Был исследован состав отходов металлургических производств – шлаков, установлено, что введение шлаков сделает производство цемента более экологичным. В экспериментальной части работы в лабораториях изготовлены образцы смесей и деталей с разным процентным содержанием шлака и все изделия проверены на лабораторных приборах. В работе доказано, что цемент с пониженным клинкер-фактором обладает лучшими показателями по прочности и разработан состав цементно-песчаной смеси на основе цемента с пониженным содержанием клинкера. Исследования необходимо продолжить для установления более точного процентного содержания шлаков.

Оглавление

Введение……………………………………………………………3-4 стр.

Литературный обзор……………………………………………………...4-8 стр.

Экспериментальная часть…………………………………………………8-12 стр.

Выводы………………………………………………..…………………. 12стр.

Список литературы……………………………………………………….13 стр.

Приложения……………………………………………………………..14-15 стр.

Введение

Мир, в котором мы живём, с каждым днём развивается, совершаются новые открытия, появляются новые приборы и изобретения, наука не стоит на месте. Урбанизация, рост численности населения, развитие стран – всё это порождает постоянный спрос на строительство новых домов, торговых центров, зданий и заводов. Цемент является основой строительной индустрии и имеет широкое распространение во всём мире. Сырьём для производства цемента являются природные минералы, содержащие соединения, которые присутствуют в известняках и глинах. Одним из этапов производства цемента является обжиг сырьевой смеси в печи. При этом происходит горение топлива, что приводит к протеканию реакции разложения карбоната кальция при температуре 900-1000^оС. В обоих процессах выделяется углекислый газ. Объём выброса углекислого газа в атмосферу при этом процессе составляет порядка 7% от всех антропогенных источников СО₂. Таким образом, производство цемента оказывает непосредственное негативное влияние на окружающую среду.

Увеличение выбросов углекислого газа CO₂, в атмосферу усиливает парниковый эффект, увеличивая среднее значение температуры окружающей среды Земли. Это, в свою очередь, вызывает дальнейшее потепление, что становится причиной нового увеличения концентрации водяного пара, т.е. имеет место самоусиливающийся цикл.

Основная проблема экологии, возникающая при производстве цемента:

-большое количество выбросов углекислого газа и других газообразных веществ в атмосферу.

Как можно уменьшить негативное влияние производства цемента на природу?

Гипотеза проекта: при уменьшении количества клинкера в цементе, уменьшится количество вредных примесей, выбрасываемых в атмосферу.

Цель проекта:Разработать цементно-песчаную смесь на основе цемента с пониженным клинкер-фактором при сохранении качества цемента, путём использования минеральных и химических добавок.

Задачи проекта:

Исследовать состав смеси для цемента

Экспериментальным путём подобрать состав вяжущего с пониженным содержанием клинкера

Определить свойства полученного материала

Доказать, что более экологичный способ получения вяжущего не ухудшает качество цемента

Разработать оптимальный состав цементно-песчаной смеси и определить её свойства

Литературный обзор

Слово «цемент» происходит от латинского caementum, что переводится как «дроблёный, битый камень». Цемент – это искусственное порошкообразное вещество, которое выполняет функцию «вяжущего» при замешивании бетонной смеси и состоит в основном из клинкера и гипса и его производных добавок. ¹

Бетон или цементно-песчаная смесь, получаемые на основе цемента, используются для заливки фундамента, в качестве закрепляющего раствора для кирпичной кладки, а так же для изготовления железобетона. Благодаря цементу, были получены новые материалы, которые применяются в современном строительстве. Цементы – это порошкообразные минеральные гидравлические вяжущие вещества, способные при смешивании с водой за счёт химических взаимодействий твердеть, и длительное время сохранять прочность как в воде, так и на воздухе.² Портландцементом называется тонкодисперсный минеральный порошок, получаемый в результате тонкого измельчения портландцементного клинкера – продукта обжига до спекания специально приготовленной смеси известняка, глины, двуводного гипса и других компонентов, в том числе минеральных добавок различного происхождения.

К основным свойствам цемента относятся: прочность, сроки схватывания, равномерность изменения объёма, тонкость помола, плотность, водопотребность, водоотделение, морозостойкость, тепловыделение.

Существует значительное множество разнообразных вяжущих веществ. Те из них, которые применяются в строительстве, называются вяжущими веществами строительного назначения. Среди них наиболее широко известны минеральные вяжущие вещества. Это порошкообразные материалы, которые после смешивания с водой и другими добавками образуют пластичную массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние.³

Для производства цемента могут применяться как природные вещества, так и промышленные продукты. Двумя основными компонентами сырьевой смеси, как правило, служат известняк и глина или известняк и мергель. Мергель - это известняк с примесями кремнезёма и глинистых веществ, а так же оксида железа. Благодаря широкому распространению мергели часто служат сырьём для производства

цемента. ⁴

Химический состав цемента:

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

CaO

MgO

SO₂

К общестроительным цементам относятся, прежде всего, портландцемент и его разновидности, являющиеся главными материальными ресурсами современного строительства, назначением которых является обеспечение прочности и долговечности строительных изделий и конструкций.⁵

Традиционная современная технология производства портландцемента включает этапы подготовки сырья, которая заключается в измельчении и смешении исходных компонентов в определенных пропорциях; обжиг сырьевой смеси в печи и получение клинкера; измельчение клинкера с введением необходимых добавок, обеспечивающих заданные эксплуатационные свойства готового продукта. 

Состав клинкера:

CaO

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

Сложный физико-химический процесс производства цемента осуществляется следующим образом. Сырьевая смесь, состоящая из карбонатного (известняк, мел или мергель), глинистого (глина, суглинок, шлаки и др.) и железосодержащего (огарки, колошниковая пыль) компонентов  определенного химического и гранулометрического составов,  подается на обжиг в печной агрегат с вращающейся печью, в которой она обжигается при температуре 1450 °С. В результате обжига из печи выходит полупродукт – портландцементный клинкер, который после охлаждения и складирования поступает в цементную мельницу совместно с активными минеральными добавками – граншлаком, золошлаком и др., а также гипсом. В результате помола получают готовый продукт – цемент, который отгружается потребителям.⁶

Сырье клинкера: известняк (CaCO₃), глина (Al₂O₃ * 2SiO₂ + 2H₂O)

Химизм процесса (обжиг): 

1. Al₂O₃ * 2SiO₂ * 2H₂O = Al₂O₃ *2SiO₂ + 2H₂O (обезвоживание каолинита при нагревании)

2. CaCO₃ = CaO + CO₂ (разложение известняка при нагревании)

3. CaO + SiO₂ = CaSiO₃ (образование силикатов и алюминатов кальция)

Технология: обжиг во вращающейся печи.

Как мы видим, большое количество углекислого газа выделяется при производстве клинкера, а именно при его обжиге в печи. По данным Европейской цементной организации, при производстве 1 тонны цемента выделяется полтонны CO₂, чтобы сделать цемент более экологичными, мы предлагаем сократить количество клинкера - ключевого ингредиента цемента, который смешивают с гипсом, водой и гравием для получения бетона.

Бетон-искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формирования и затвердевания рационально подобранной и уплотнённой смеси, состоящей из вяжущего вещества (например, цемент), крупных и мелких заполнителей, воды.⁷

Существует множество побочных продуктов, остающихся от выплавки черного и цветного металлов. Основным отходом производства является шлак. Он представляет собой продукт распада руды, может иметь разнородный состав, различные свойства и характеристики. Металлургический шлак получают наравне с золой, остающейся после выплавки стали, чугуна. Он остается на производстве после переработки, требует последующей утилизации или повторного использования в качестве самостоятельного материала.

Состав шлака:

SiO₂

Al₂O₃

CaO

Fe₂O₃

MgO

P₂O₅

Шлаки используют в строительстве как вторсырьё. Промышленные отходы отличаются по химическому составу и физическим свойствам, при этом их стоимость значительно ниже других заполнителей. Благодаря использованию вторичного сырья снижается количество отходов при производстве стройматериалов, следовательно, и уровень загрязнения окружающей среды.Гранулированный доменный шлак получается как отход в процессе выплавки черного металла. Ему присущи свойства, которые относятся и к общестроительному портландцементу, но есть и отличия. В виде тонко измельченного продукта он активен в проявлении вяжущих свойств, взаимодействуя с водой, а еще с продуктами гидратации минералов клинкерного типа (тех самых, что входят в состав простого портландцемента).⁸

Шлаки содержат в основном те же окислы (Al₂O₃ -13 %, CaO- 50%, MgO- 1,5%, SiO₂- 32%), что и цемент (CaO – 67%, SiO₂- 22%, Al₂O₃- 5%, Fe₂O₃- 3%, прочие составляющие- 3%), но в другом количественном соотношении. ⁹

Они отличаются от цемента меньшим содержанием извести и большим содержанием кремнезема и глинозема.)

Сравнивая состав шлака и цемента, мы пришли к выводу, что сократить количество клинкера можно путём добавления шлаков. Чем меньше будет количество клинкера, тем меньше будет выделения углекислого газа в атмосферу. Тем самым возможно сделать более экологичный цемент и уменьшить выбросы углекислого газа.

Экспериментальная часть

Схема эксперимента:

Приготовление цементной смеси и образцов из неё

Определение основных свойств исследуемых образцов

Выбор оптимального состава цемента

Разработка состава цементно-песчаной смеси на основе данных п.3

Первый этап исследования:

Приготовление трёх различных цементных смесей.

Виды смесей:

чистый цемент

цемент 80% + шлак 20% + вода

цемент 50%+ шлак 50% + вода

Используя электронные весы, было отмерено нужное количество веществ. Все смеси замешены в керамических тарах, хорошо промытых после каждого использования. [Приложение 1]

1. Для начала была сделана смесь из чистого цемента и воды, из неё изготовлены образцы.

Для этого было отмерено 20г цемента и 6г воды, тщательно смешано. Необходимо сделать это, пока смесь не начала схватываться. Затем с помощью малого прибора ВИКА была определена нормальная густота смеси и засечены сроки схватывания. [Приложение 2]

Густота смеси проверяется на приборе ВИКА. На приборе ВИКА проверяют сразу 2 параметра: нормальную густоту(НГ) и сроки схватывания. Во время смешивания сухой смеси с водой ставится таймер. В сухую смесь добавляется вода, размешивается до однородной массы и помещается в металлический цилиндр. Равномерно распределяется «вяжущее» и к его поверхности подносится головка ВИКА.

Весь этот процесс не должен занимать более одной минуты. Если головка плавно опускается в «вяжущее», то у него соотношение воды и сухой смеси в норме. Если у «вяжущего» подходящая НГ, то следующим шагом проверяют его сроки схватывания. Для подтверждения факта, что сроки схватывания смеси не удовлетворяют поставленной в проекте задаче, производится их проверка на приборе ВИКА. На приборе ставится насадка с металлической иглой. Как только он начинает не до конца входить в вяжущее, т.е. не касаться дна, то это означает начало схватывания. А когда стержень не входит в смесь вообще, то она застыла, схватилась. Это и будет конец схватывания.

2. Далее была сделана смесь из цемента 80% и шлака 20% с водой.
Кроме шлака в смесь был добавлен пластификатор (химическая добавка) компании BASf (Glenium ACE) в количестве 0,5% по массе цемента.

Для этого было отмерено 16г цемента, 4г шлака и 5,6г воды, смешано, проверено на приборе ВИКА и засечено время схватывания.

3. Затем был смешан цемент 50% и шлак 50% с водой.

Для этого отмерено10г цемента, 10г шлака, методом проб и ошибок было решено, что воды необходимо взять 4,9 г( 6,2 г;5,8 г; 5,3 г- было слишком много)

Сроки схватывания цементной смеси:

Второй этап исследования:

Для приготовления заготовок смесью были заполнены специальные силиконовые формы. Затем отправлены на вибрационный стол, для равномерного распределения. [Приложение 3]

После этого формы были помещены в камеру нормального твердения для обеспечения влажности среды порядка 95% до полного застывания.

Третий этап исследования:

Завершающим этапом исследования была проверка готовых образцов на прочность. Определение прочностных характеристик цементного камня при изгибе осуществлялось на испытательной машине Р˗05 Ивановского ПО «Точмаш» (погрешность измерения составляет 10%). Определение прочности при сжатии осуществлялось на испытательном гидравлическом прессе ПРГ˗ 1˗50 с ходом поршня 50 мм. [Приложение 4]

Определение прочности при изгибе проводилось на трех образцах˗ балочках размером 1x1x3 см., прочности на сжатие ˗ соответственно на шести половинках этих же образцов. Испытания проводились на 1, 7, 14 и 28 сутки твердения.

По результатам испытаний была составлена следующая таблица:

Из таблицы видно: во второй строке, при добавлении 20% шлака, сроки схватывания уменьшаются, а прочность при изгибе и при сжатии увеличивается.

Вывод: оптимальное содержание шлаков в цементе должно быть в районе 20%.

В дальнейшем мы продолжим исследования и подберём наиболее точное процентное содержание шлаков в пределах от 10% до 40%.

По такому же принципу был разработан состав цементно-песчаной смеси на основе экологичного цемента и определены его сроки схватывания:

Исследованиесвойствбетоннойсмесисмодифицированнымвяжущимихимическимидобавками

Система: ПЦ + заполнитель(песок):

И так же был исследован на прочность

Было выяснено, что данная смесь соответствует стандартам ГОСТ 30744-2001 и может быть использована в строительстве.

Лучшие показатели наблюдаются в смеси с соотношением цемента к песку равному 1/2.

Вывод из экспериментальной части: В ходе эксперимента исследован состав цемента, предложен вариант его улучшения понижением содержания клинкера, исследованы свойства образцов из смеси со шлаком и добавками.

Было установлено, что прочность вяжущего с добавкой 20% шлака и 0,5% суперпластификатора выше, чем у бездобавочного цемента и составляет 52,8 МПа.

В ходе работы был разработан состав песчано-цементной смеси: цемент /песок - 1/2.

Общий вывод: в результате работы над проектом разработан состав цементно-песчаной смеси на основе экологичного цемента с пониженным содержанием клинкера и доказано, что более экологичный способ получения вяжущего улучшает прочность цемента.

Список литературы.

https://prostroymat.ru/

EN 197-1:2000 Цементы. Часть 1: Состав, технические требования и критерии соответствия обычных цементов (Cement — Part 1: Composition, specifications and conforming criteria for common cements).

«Химия цемента и вяжущих веществ» / Е.И.Шмитько,А.В.Крылова.,В.В.Шаталова; Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.-Воронеж,2005.-164с.

«Цемент» В. Дуда 1981

«Общестроительные цементы», С. В. Анисимова, А.Е. Коршунов, А.Е. Мольков, Нижний Новгород: ННГАСУ, 2016.- 38с.

«Технология получения Бикарбоната аммония при утилизации выбросов углекислого газа цементной промышленности России и Украины» Г.Р. Мингалеева, И.В. Дмитриенко

«БЕТОН ГОРОД». Betongorod.ru

«Stroy-Podskazka.Ru», 2015–2021

Учебник для вузов / Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. - 6-изд., перераб. и доп. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2005 - 768 с

Приложение №1

Изготовление цементных смесей

Приложение №2

Определение нормальной густоты с помощью прибора ВИКА

Приложение №3

Равномерное распределение смеси в силиконовых формах на вибрационном столе

Приложение №4

Проверка прочности при изгибе и при сжатии