WO2021235922A1 - Cement-based building mixture with steelmaking slag additive - Google Patents

Abstract

The invention relates to the field of building materials, and more particularly to cement-based compositions containing steelmaking by-products for the construction and repair of industrial, civil and social infrastructure assets. The present invention is directed toward solving the problem of developing novel cement mixture compositions containing steelmaking slag as an additive. Accordingly, the technical result achieved by the use of the claimed mixture for the building and repair of assorted assets, including hydrotechnical and underground structures, consists in improved water tightness, fracture toughness and strength characteristics, as well as shrinkage compensation. The economic result consists in that the addition of steelmaking by-products reduces expenditure on raw materials for producing Portland cement and solves economic issues related to the purchase of expensive Portland cement. The claimed mixture is manufactured using 1-15 wt% steelmaking slag and 85-99 wt% Portland cement, wherein the steelmaking slag includes (not less than) 45 wt% СаО, 10 wt% SiO2, 1 wt% Аl₂O_З and 4 wt% МgО.

Description

СТРОИТЕЛЬНАЯ СМЕСЬ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА С ДОБАВКОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ШЛАКА CEMENT-BASED MIXTURE WITH STEEL MELT SLAG ADDITION

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к составам на основе цемента с содержанием ферритных отходов сталеплавильного производства для возведения и ремонта объектов производственной, инженерной и социальной инфраструктуры . The invention relates to the field of building materials, in particular to compositions based on cement containing ferritic waste from steel production for the construction and repair of industrial, engineering and social infrastructure facilities.

Ежегодно в мире производится более 1,6 миллиарда метрических тонн цемента и более 800 миллионов метрических тонн стали. Современные подходы к производству цемента оказывают значительное воздействие на окружающую среду, а именно около 5% энергопотребления и 10% антропогенных выбросов С0₂ связаны с производством портландцемента (ПЦ), при этом на его производство ежегодно расходуется более 30 млрд, тонн природных ресурсов. More than 1.6 billion metric tons of cement and more than 800 million metric tons of steel are produced annually in the world. Modern approaches to the production of cement have a significant impact on the environment, ie about 5% of energy consumption and 10% of anthropogenic emissions of C0 ₂ are associated with the production of Portland cement (PC), while its production is annually spent more than 30 billion tons of natural resources.

В настоящее время изучение возможности замены части традиционного портландцемента в строительной смеси другими материалами для улучшения механических, гидроизолирующих, прочностных и других свойстве целью решения экологических вопросов по утилизации огромного количества отходов металлургии, экономии сырьевых ресурсов для производства цемента, создания экономически рентабельных технологий для строительства и реконструкции объектов является одним из наиболее востребованных направлений для исследования. Currently, studying the possibility of replacing part of the traditional Portland cement in the building mixture with other materials to improve mechanical, waterproofing, strength and other properties with the aim of solving environmental issues for the disposal of a huge amount of metallurgical waste, saving raw materials for the production of cement, creating economically viable technologies for construction and reconstruction objects is one of the most demanded areas for research.

Кроме того, снижение показателей морозостойкости и водонепроницаемости на стыке бетонных элементов конструкций, приводящее к нарушению сцепления из-за трещин, образующихся вследствие усадки при строительстве объектов при воздействии различных температурно-влажностных режимов, агрессивных сред является весьма актуальным вопросом в условиях сурового климата. Особенно это касается гидротехнических, подземных сооружений, находящихся под давлением воды и грунтовых вод, где наряду с прочностью, требуется еще и очень высокая водонепроницаемость на стыке бетонных элементов этих сооружений. In addition, a decrease in frost resistance and water resistance indicators at the junction of concrete elements structures, leading to disruption of adhesion due to cracks formed as a result of shrinkage during the construction of facilities under the influence of various temperature and humidity conditions, aggressive environments is a very urgent issue in a harsh climate. This is especially true of hydraulic engineering, underground structures under pressure of water and groundwater, where, along with strength, a very high water resistance is also required at the junction of the concrete elements of these structures.

Известен способ получения стали и гидравлически активных связующих из шлаков, включающий восстановительную обработку в емкости расплава шлака, содержащего свыше 5% оксида железа, до клинкерной фазы с последующим его отделением от расплава металла, выпуском и охлаждением, рафинирование расплава металла, при этом в качестве расплава металла используют доменный чугун, который рафинируют шлаком, содержащим оксиды железа, восстанавливающимся в процессе рафинирования в клинкерную фазу, при этом в качестве шлака используют сталеплавильные шлаки, или Си- конвертерные шлаки после реакции со свинцовой ванной, или окисленные шлаки из установок для сжигания отходов. A known method of producing steel and hydraulically active binders from slags, including the reduction treatment in a vessel of a slag melt containing more than 5% iron oxide, to a clinker phase, followed by its separation from the metal melt, release and cooling, refining the metal melt, while as a melt Of metal, blast furnace iron is used, which is refined with a slag containing iron oxides, which is reduced during the refining process to a clinker phase, while steelmaking slags, or Si-converter slags after reaction with a lead bath, or oxidized slags from waste incinerators are used as the slag.

Недостатком известного способа является то, что получение высококачественного продукта по данному способу требует больших энергетических затрат и вследствие этого является нерентабельной (RU21277 65С1, 20.03.1999) . Известна сырьевая смесь для изготовления строительных блоков, содержащая цемент, кварцевый песок, наполнитель, отвердитель, вспениватель и воду. Наполнитель - шлак электросталеплавильный окислительный фракции 3-12 мм, отвердитель - шлак электросталеплавильный сухой газоочистки фракции 5-100 мкм, вспениватель - шлак электросталеплавильный окислительный или восстановительный фракции 0-3 мм совместно с отработанным травильным раствором сернокислотного травления черных металлов. Соотношение компонентов следующее, мас.%: цемент - 13-17, кварцевый песок - 4-7, отработанный травильный раствор - 4-8, указанный шлак фракции 0-3 мм - 18-24, наполнитель - 24-48, отвердитель - 8-12, вода - 5-8. The disadvantage of this method is that obtaining a high-quality product by this method requires high energy costs and, as a result, is unprofitable (RU21277 65C1, 03/20/1999). Known raw mixture for the manufacture of building blocks, containing cement, quartz sand, filler, hardener, foaming agent and water. Filler - electric steelmaking oxidizing slag, fraction 3-12 mm, hardener - electric steelmaking slag, dry gas cleaning, fraction 5-100 microns, foaming agent - electric steelmaking oxidizing or reducing slag, fraction 0-3 mm, together with a spent pickling solution of sulfuric acid etching of ferrous metals. The ratio of the components is as follows, wt%: cement - 13-17, quartz sand - 4-7, spent pickling solution - 4-8, the specified slag fraction 0-3 mm - 18-24, filler - 24-48, hardener - 8 -12, water - 5-8.

Недостатком данного решения является необходимость добавления множества различных фракций шлака в определенных количествах, что приводит к увеличению числа технологических этапов и как следствие усложнению самого процесса производства (RU2312091C1, 10.12.2007). The disadvantage of this solution is the need to add many different slag fractions in certain quantities, which leads to an increase in the number of technological stages and, as a consequence, the complication of the production process itself (RU2312091C1, 10.12.2007).

Известен способ получения цемента из металлургических шлаков, который включает смешение жидких шлаков восстановительных процессов и сталеплавильных процессов, например, доменного и конверторного шлаков, охлаждение, гранулирование, измельчение, при этом охлаждение на первой стадии при температуре свыше 10000С осуществляют медленнее, чем на второй последующей стадии, а полученный застывший продукт - литейный клинкер гранулируют и/или перемалывают . Недостатком известного способа является низкая эффективность получения материала, при котором теряется гидравлическое свойство цемента или специального связующего вещества (RU2111183C1, 20.05.1998). There is a known method of producing cement from metallurgical slags, which includes mixing liquid slags of reduction processes and steelmaking processes, for example, blast-furnace and converter slags, cooling, granulating, grinding, while cooling in the first stage at temperatures above 10000C is carried out slower than in the second subsequent stage and the resulting solidified product - foundry clinker - is granulated and / or milled. The disadvantage of this method is the low efficiency of obtaining the material, in which the hydraulic property of cement or a special binder is lost (RU2111183C1, 20.05.1998).

Известна быстротвердеющая строительная смесь на основе сталеплавильного шлака, содержащая массовые проценты компонентов такие как портландцемент - 55-65%; сталеплавильный шлак - 25-30%; гипс - 10-15%; изготовленная путем совместного помола компонентов с использованием сталеплавильного шлака, выдержанного в течение 6-8 месяцев в нормальных условиях, подвергнутого, перед введением в смесь, помолу до удельной поверхности 5200 см²/г. Known fast-hardening building mixture based on steel-making slag, containing mass percent of components such as Portland cement - 55-65%; steelmaking slag - 25-30%; gypsum - 10-15%; made by joint grinding of components using steelmaking slag, aged for 6-8 months under normal conditions, subjected to grinding to a specific surface area of 5200 cm ² / g before being added to the mixture.

Недостатками известной строительной смеси являются продолжительный срок схватывания, что делает невозможным ее использование при срочных аварийных работах, а также смесь характеризуется низкой прочностью вяжущего (RU2647010C1, 13.03.2018). The disadvantages of the known building mixture are the long setting period, which makes it impossible to use it in urgent emergency work, and the mixture is also characterized by low binder strength (RU2647010C1, 03/13/2018).

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка новых составов цементных смесей с содержанием сталеплавильного шлака (СПШ) в качестве добавки. The problem to be solved by this invention is the development of new compositions of cement mixtures with the content of steelmaking slag (SSS) as an additive.

Перспективным путем решения этой проблемы является использование ферритных отходов сталеплавильного производства. Известно, что ферритные отходы промышленности содержат сульфатсодержащие компоненты ферритов кальция, при гидратации которых обеспечивается высокая плотность цементного камня с компенсированной усадкой, влияющие на прочностные показатели. Таким образом, технический результат, достигаемый при использовании заявленной смеси для строительства и ремонта различных объектов, в том числе гидротехнических и подземных, заключается в улучшении показателей их водонепроницаемости, трещиностойкости, прочности, а также в компенсации усадки. Экономический результат заключается, что добавка отходов сталеплавильного шлака способствует экономии затрат на сырьевые ресурсы для производства портландцемента и решению экономических вопросов по закупу дорогостоящего портландцемента . A promising way to solve this problem is the use of ferritic waste from steelmaking production. It is known that ferrite industrial wastes contain sulfate-containing components of calcium ferrites, the hydration of which provides a high density of cement stone with compensated shrinkage, affecting the strength characteristics. Thus, the technical result achieved when using the claimed mixture for the construction and repair of various facilities, including hydraulic and underground facilities, is to improve their water resistance, crack resistance, strength, and also to compensate for shrinkage. The economic result is that the addition of steelmaking slag waste contributes to saving the cost of raw materials for the production of Portland cement and solving economic issues related to the purchase of expensive Portland cement.

Для изготовления заявляемой смеси используют сталеплавильный шлак (СПШ) в количестве 1-15% вес., и портландцемент (СПЦ) 85-99% вес. For the manufacture of the claimed mixture, steelmaking slag (SSSh) is used in an amount of 1-15% by weight, and Portland cement (SPC) is 85-99% by weight.

Сталеплавильный шлак - это отходы металлургического производства, полученные путем плавки чугуна с известковым или доломитовым флюсом в газообразной кислородной среде. Примесями в чугуне являются углерод, фосфор, кремний и марганец, Steelmaking slag is a waste of metallurgical production obtained by melting cast iron with lime or dolomite flux in a gaseous oxygen atmosphere. Impurities in cast iron are carbon, phosphorus, silicon and manganese,

C->C0₂; P-_^P₂0₅; Si_^Si0₂; Mn_^MnO.C-> C0 ₂ ; P- _^ P ₂ 0 ₅ ; Si _^ Si0 ₂ ; Mn _^ MnO.

Углекислый газ улетучивается, в то время как другие оксиды (например, железо, кремний, марганец) соединяются с известью или доломитом, которые имеются в шлаке, что может положительно повлиять на цементную смесь . Carbon dioxide is volatilized, while other oxides (eg iron, silicon, manganese) combine with lime or dolomite in the slag, which can have a positive effect on the cement mix.

При этом, необходимо чтобы химический состав сталеплавильного шлака включал (вес. % не менее) СаО- 45, SiO-10, AIO-I и МдО-4 присутствующие в роли гидравлических связующих, которые влияют на прочность цементного камня. Кроме того, данные соединения в результате гидратации цементного раствора со сталеплавильным шлаком, образуют гексагональные кристаллы портландита Са (ОН)₂,гидросиликаты кальция C-S- Н, что обуславливает важнейшие свойства цементного камня: прочность, устойчивость объема, проницаемость, усадку, ползучесть . In this case, it is necessary that the chemical composition of the steelmaking slag should include (wt.% Not less) CaO-45, SiO-10, AIO-I and МдО-4 present in the role of hydraulic binders that affect the strength cement stone. In addition, these compounds, as a result of the hydration of the cement slurry with steel-making slag, form hexagonal crystals of portlandite Ca (OH) ₂ , calcium hydrosilicates CS-H, which determines the most important properties of the cement stone: strength, volume stability, permeability, shrinkage, creep.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими рисунками и таблицами : The proposed invention is illustrated by the following figures and tables:

Таблица 1 - Химический состав оксидов (вес., %) в обычном портландцементе и сталеплавильном шлаке; Table 1 - Chemical composition of oxides (wt.%) In ordinary Portland cement and steelmaking slag;

Таблица 2 - Время начального и конечного схватывания испытуемых образцов; Table 2 - Time of initial and final setting of the test specimens;

Таблица 3 - Соотношение массы портландцемента с количеством добавок % СПШ; Table 3 - The ratio of the mass of Portland cement with the amount of additives% SPSH;

Таблица 4 - Результаты расчета прочности на сжатие растворов, содержащих шлак в разных возрастах твердения; Table 4 - The results of calculating the compressive strength of solutions containing slag at different ages of hardening;

Таблица 5 - Результаты расчета прочности на изгиб растворов, содержащих шлак в разных возрастах твердения; Table 5 - The results of calculating the flexural strength of solutions containing slag at different curing ages;

Фигура 1 - Распределение частиц по размерам сталеплавильного шлака и портландцемента; Figure 1 - Particle size distribution of steelmaking slag and Portland cement;

Фигура 2 - Измельченный сталеплавильный шлак для применения в цементном производстве; Figure 2 - Crushed steelmaking slag for use in cement production;

Фигура 3 - Результаты XRD СПШ и портландцемента типа I; Figure 3 - XRD Results of SPS and Type I Portland Cement;

Фигура 4 - Результаты электронной микроскопии цементных паст с различным содержанием СПШ в возрасте 28 суток - (а) на основе стандартного портландцемента,Figure 4 - Results of electron microscopy of cement pastes with different content of SPS at age 28 days - (a) based on standard Portland cement,

(Ь) с добавкой 1% СПШ, (с) 3% СПШ, (d) 5% СПШ, (е) 10%(B) with the addition of 1% SPS, (c) 3% SPS, (d) 5% SPS, (f) 10%

СПШ и (f) 15% СПШ; SPS and (f) 15% SPS;

Фигура 5 - Кривые а) тепловыделения, Ь) скорости теплоты гидратации с добавкой 1%, 3%, 5%, 10% и 15%Figure 5 - Curves a) heat release, b) rate of heat of hydration with the addition of 1%, 3%, 5%, 10% and 15%

СПШ; SPSh;

Фигура б - Гистограмма начального и конечного времени схватывания СПЦ и образцов с добавкой СПШ; Figure b - Histogram of the initial and final setting time of the SPC and specimens with the addition of SPP;

Фигура 7 - Испытание образцов на сжатие (а) и изгибFigure 7 - Compression (a) and Flexural Test of Specimens

(Ь); (B);

Фигура 8 - Результаты испытаний прочности на сжатие для цементных растворов СПЦ и ПЦ-СПШ; Figure 8 - The results of testing the compressive strength for cement mortars SPC and PC-SPSh;

Фигура 9 - Результаты XRD образцов с СПЦ и с содержанием 1, 3, 5, 10 и 15% СПШ; Figure 9 - XRD Results of Samples with TWS and 1, 3, 5, 10 and 15% SPS;

Фигура 10 - Кривые пористости образцов обычного портландцемента и цементной смеси с 5% содержанием СПШ. Figure 10 - Curves of porosity of samples of conventional Portland cement and cement mixture with 5% SPSH content.

Заявителем были проведены нижеследующие исследования различных образцов, изготовленных из заявленной смеси. The applicant carried out the following studies of various samples made from the claimed mixture.

Эксперименты и испытания образцов проводились на базе лаборатории Мичиганского государственного университета, город Лансинг, штат Мичиган, Соединенные Штаты Америки. Experiments and testing of samples were carried out at the laboratory of Michigan State University, Lansing, Michigan, United States of America.

Целью научно-исследовательской работы было определение оптимальной дозировки для замены части цемента ферритными отходами сталеплавильного шлака, которая непосредственно способствует повышению цементной активности и улучшению физико-механических свойств . Для лабораторных испытаний использовались следующие материалы: The purpose of the research work was to determine the optimal dosage for replacing part of the cement with ferritic waste of steelmaking slag, which directly contributes to an increase in cement activity and an improvement in physical and mechanical properties. The following materials were used for laboratory tests:

1) Портландцемент «Lafarge» типа I, (завод Alpena штат Мичиган, США) соответствующий требованиям стандарта ASTM С150. Тонкость помола портландцемента по Блейну - 372 м²/кг, содержание воздуха - 8%, автоклавное расширение 0,05%. 1) Portland cement "Lafarge" type I, (Alpena plant, Michigan, USA) meeting the requirements of ASTM C150 standard. The fineness of Portland cement grinding according to Blaine is 372 m ² / kg, the air content is 8%, the autoclave expansion is 0.05%.

2) Стандартный песок «Gilson» модели НМ-108 (Оттава, штат Иллинойс, США) соответствующий требованиям стандарта ASTM С 778. 2) Standard sand "Gilson" model HM-108 (Ottawa, Illinois, USA) meeting the requirements of ASTM C 778.

3) Сталеплавильный шлак (СПШ) кислородно- конвертерного способа выплавки стали АО «Арселор Миттал Темиртау», Казахстан, pH-12,07, удельный вес 2,09и удельная электропроводность 1087 мкСм/см. 3) Steelmaking slag (SSS) of the oxygen-converter steelmaking method of Arcelor Mittal Temirtau JSC, Kazakhstan, pH-12.07, specific gravity 2.09 and specific conductivity 1087 μS / cm.

4) Вода. 4) Water.

Для изучения потенциального применения этих отходов в цементе был определен химический состав сырьевых материалов на рентгенофлуоресцентном (XRF)спектрометре . Химический состав портландцемента и СШ представлены в таблице 1 . To investigate the potential use of these wastes in cement, the chemical composition of the raw materials was determined using an X-ray fluorescence (XRF) spectrometer. The chemical composition of Portland cement and SS are presented in Table 1.

Таблица 1 - Химический состав оксидов (вес.,. %) обычного портландцемента и сталеплавильного шлака

Химический состав показывает, что сталеплавильный шлак имеет оксид кальция СаО в качестве доминирующего соединения в количестве 46,17% и другие соединения как Si0₂ (12.03%), А1₂0₃ (1.53%), МдО(4.53%) присутствующие в роли гидравлических связующих, которые влияют на прочность цементного камня. Кроме того, данные соединения в результате гидратации цементного раствора со сталеплавильным шлаком, образуют гексагональные кристаллы портландита Са(ОН)₂, гидросиликаты кальция пластины C-S-H, что обуславливает важнейшие свойства цементного камня: прочность, устойчивость объема, проницаемость, компенсацию усадки и ползучесть. Table 1 - Chemical composition of oxides (wt.,.%) Of ordinary Portland cement and steel-making slag

Chemical composition shows that the steel slag has a CaO of calcium oxide as the predominant compound in an amount of 46.17%, and other compounds like Si0 ₂ (12.03%) A1 ₂ 0 ₃ (1.53%), MgO (4.53%) present as a hydraulic binders that affect the strength of the cement stone. In addition, these compounds, as a result of the hydration of the cement slurry with steel-making slag, form hexagonal crystals of portlandite Ca (OH) ₂ , calcium hydrosilicates of the CSH plate, which determines the most important properties of the cement stone: strength, volume stability, permeability, shrinkage compensation and creep.

Для начала проведения испытаний на определение оптимальной дозировки СПШ, приготовление образцов цементной смеси с различным содержанием СПШ осуществлялось в соответствии со следующими этапами: To start the tests to determine the optimal dosage of the SPSH, the preparation of samples of the cement mixture with different contents of the SPSH was carried out in accordance with the following stages:

1) шлак сначала измельчался методом криогенного измельчения с использованием машины для жидкого азота "Micronpowder system" для достижения среднего размера частиц 16 мкм (фиг.2); 1) the slag was first crushed by cryogenic grinding using a "Micronpowder system" liquid nitrogen machine to achieve an average particle size of 16 μm (FIG. 2);

2) дополнительные цементирующие материалы смешивали с портландцементом типа I в течение 3 минут на низкой скорости, используя классический кварцевый смеситель с наклонной головкой для обеспечения проникновения влаги по всем частицам; 2) the additional cementitious materials were mixed with Type I Portland cement for 3 minutes at low speed using a classic quartz tilt head mixer to ensure moisture penetration through all particles;

3) добавляли воду и регулировали водоцементное отношение для получения свежего потока смеси 110 ± 5% в соответствии с ASTM С1437; 4) стандартный песок затем медленно добавляли в смесь, удовлетворяющую соотношению песка и цемента 2.75; 3) water was added and the water-cement ratio was adjusted to obtain a fresh mixture flow of 110 ± 5% in accordance with ASTM C1437; 4) standard sand was then slowly added to a mixture satisfying a sand to cement ratio of 2.75;

5) и, наконец, после ожидания 90 секунд весь раствор смешивали со средней скоростью в течение 60 секунд . 5) and finally, after waiting 90 seconds, the entire solution was mixed at medium speed for 60 seconds.

Использование измельченного сталеплавильного шлака с высоким содержанием мелких фракций в качестве замены цемента обеспечило усиление взаимодействия с обычным цементом и повысило скорость гидратации. Распределение частиц по размерам сталеплавильного шлака и портландцемента было измерено с помощью анализатора 3071 А и представлено на фигуре 1. The use of high fines crushed steelmaking slag as a cement substitute has enhanced interaction with conventional cement and increased hydration rates. The particle size distribution of steelmaking slag and Portland cement was measured using a 3071 A analyzer and is shown in FIG. 1.

Минералогию рассматриваемых смешанных цементов оценивали с помощью метода рентгеновской дифракции (XRD). Рентгеновский дифрактометр Bruker D8, оснащенный Cu-рентгеновским излучением, использовался для проведения рентгеновских испытаний со скоростью 2°/мин, охватывая 2Q диапазон углов 5-60° The mineralogy of the considered mixed cements was assessed using the X-ray diffraction (XRD) method. A Bruker D8 X-ray diffractometer equipped with Cu-X-rays was used to perform X-ray tests at a speed of 2 ° / min, covering a 2Q angle range of 5-60 °

Результаты рентгеноструктурного анализа для портландцемента типа I и сталеплавильного шлака в порошковой форме приведены на фигуре 3. The results of X-ray diffraction analysis for Portland cement type I and steelmaking slag in powder form are shown in figure 3.

Методы испытаний . Test methods.

Микроструктурные характеристики смешанных цементных паст с 1%, 3%, 5%, 10%, 15% дозировки СШ оценивали методом рентгеноструктурного анализа (XRD) , сканирующего электронного микроскопа (SEM) и полуадиабатической калориметрии. Испытания, используемые для оценки физико-механических характеристик смешанного цементного раствора с содержанием СПШ, включали нормальную консистенцию, начальный и конечный времени схватывания, прочность на сжатие, прочность на изгиб, а также пористость. The microstructural characteristics of mixed cement pastes with 1%, 3%, 5%, 10%, 15% SS dosage were assessed by X-ray diffraction analysis (XRD), scanning electron microscope (SEM), and semi-adiabatic calorimetry. Tests used to assess physical and mechanical characteristics of the mixed slurry containing SPS, included normal consistency, initial and final setting time, compressive strength, flexural strength, and porosity.

1. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) . 1. Scanning Electron Microscopy (SEM).

Изображения продуктов гидратации на сканирующем электронном микроскопе (SEM) снимали с помощью микроаналитической системы Hitachi ТМ3030 иImages of hydration products on a scanning electron microscope (SEM) were taken using a Hitachi TM3030 microanalytical system and

BrukerXFlash MIN SVE для оценки микроструктурных характеристик и условий микротрещин смешанных цементных паст, а образцы визуализировали в высоковакуумном режиме при ускоряющем напряжении 15 кВ. BrukerXFlash MIN SVE to evaluate the microstructural characteristics and microcracking conditions of mixed cement pastes, and the samples were visualized in high vacuum mode at an accelerating voltage of 15 kV.

2. Полуадиабатическая калориметрия использовалась для определения оценки тепловыделения и ее скорости в период гидратации цемента. Помещение, в котором проводились испытания, имело контролируемую температуру 25 °С. Водоцементное отношение (В/Ц) было определено в соответствии с ASTM С305 и затем образцы были помещены непосредственно в адиабатическую камеру. Прослежена эволюция начального температурного развития свежих образцов пасты портландцемента и шлако-цементных паст. 2. Semi-adiabatic calorimetry was used to determine the estimate of heat release and its rate during the period of cement hydration. The room in which the tests were carried out had a controlled temperature of 25 ° C. The water / cement ratio (W / C) was determined in accordance with ASTM C305 and then the samples were placed directly into the adiabatic chamber. The evolution of the initial temperature development of fresh samples of Portland cement paste and slag-cement pastes is traced.

На фигуре 5 представлены результаты тепловыделения и скорости тепловыделения цементных паст на основе стандартного портландцемента и с добавкой 1%, 3%, 5%,Figure 5 shows the results of heat release and heat release rate of cement pastes based on standard Portland cement and with the addition of 1%, 3%, 5%,

10% и 15% СПШ. 10% and 15% SPS.

Микрочастицы СПШ и его химический состав определяют усиление активации процесса гидратации. Фигура 5 (Ь) указывает на снижение скорости тепловыделения для образцов с 10% и 15% СШ, что может рассматриваться как показатель замедления процесса гидратации цементной композиции и приводит к снижению прочности на сжатие и изгиб в этих образцах цементных паст (см. таблицу 4) . Этот вывод также может быть объяснен временем схватывания, представленным в таблице 2. Увеличение дозировки СПШ увеличивает начальное и конечное время схватывания, что связано с замедлением процесса твердения, вызванным недостатком цемента и низкой скоростью гидратации добавок. В случае 1% СШ начальное и конечное время схватывания наблюдаются почти одинаковыми. При использовании 3% и 5% СШ процесс гидратации ускоряется, что может быть также связано с тонкостью помола. SPS microparticles and its chemical composition determine the enhancement of the activation of the hydration process. Figure 5 (b) indicates a decrease in the heat release rate for samples with 10% and 15% SN, which can be considered as an indicator of the retardation of the process of hydration of the cement composition and leads to a decrease in the compressive and flexural strength in these samples of cement pastes (see table 4). This conclusion can also be explained by the setting time presented in Table 2. An increase in the dosage of SPSH increases the initial and final setting time, which is associated with a slowdown in the hardening process caused by a lack of cement and a low rate of hydration of additives. In the case of 1% SS, the initial and final setting times are observed to be almost the same. When using 3% and 5% SSH, the hydration process is accelerated, which can also be associated with the fineness of grinding.

3. Методы испытаний на определение нормальной консистенции, времени начала и конца схватывания гидравлической цементной пасты были проведены согласно стандарту ASTM С187 и ASTM С191. Следует отметить, что правильная пропорция воды к цементу необходима для достижения надлежащей прочности при использовании цемента в структуре. Таким образом, данный метод предназначен для определения количества воды (в% от массы сухого цемента) , необходимого для приготовления цемента и смешанных паст для дальнейших испытаний. Нормальная консистенция и время схватывания цементных паст стандартного портландцемента СПЦ и смешанных паст ПЦ-СПШ1, ПЦ-СПШЗ, ПЦ-СПШ5 , ПЦ-СПШЮ и ПЦ-СПШ15 измерялись на приборе «Вика». Количество воды, требуемой для стандартной консистенции цементных паст, определялось путем проникновения стандартного пестика «Вика» (диаметром 10 мм) в кольцо, заполненное пастой. Начальное и конечное время схватывания образцов определяли с помощью игл «Вика». Температура воздуха поддерживалась на уровне 24 °С, влажность воздуха в смесительной комнате составляла 54%. 3. Test methods for determining the normal consistency, start and end times of hydraulic cement paste were carried out according to ASTM C187 and ASTM C191. It should be noted that the correct proportion of water to cement is necessary to achieve proper strength when using cement in the structure. Thus, this method is intended to determine the amount of water (in% of the mass of dry cement) required for the preparation of cement and mixed pastes for further testing. The normal consistency and setting time of cement pastes of standard Portland cement SPTs and mixed pastes PC-SPSh1, PC-SPShZ, PC-SPSh5, PC-SPShYu and PC-SPSh15 were measured on a Vika device. The amount of water required for a standard consistency of cementitious pastes was determined by penetrating a standard pestle "Vika" (10 mm in diameter) into a ring filled with paste. The initial and final setting times of the samples were determined using Vika needles. The air temperature was maintained at 24 ° C, the humidity in the mixing room was 54%.

Таблица 2 -Время начального и конечного схватывания испытуемых образцов

Table 2 - Time of initial and final setting of test specimens

Начальное и конечное время схватывания приготовленных цементных паст СПЦ, ПЦ-СПШ 1, ПЦ-СПШЗ, ПЦ-СПШ5, ПЦ-СПШ10 и ПЦ-СПШ15 было оценено и графически представлено на фигуре б. Согласно фиг .б можно заметить, что на основе полученных результатов, время схватывания с увеличением дозировки СПШ в цементных смесях было дольше, чем справочные данные СПЦ. Первоначально это может быть связано с уменьшением количества С₃А, которое влияет на ранний период гидратации, но в конечном итоге с уменьшением высвобождения иона Са из цементной части паст, что влияет на рост кристаллов в течение конечного периода. Результаты при замене цемента 5% СПШ показали, прирост водоцементного отношения (В/Ц), времени схватывания ПЦ- СПШ5 . Но измельченная мелкая структура шлака, возможно, способствовала уменьшению времени схватывания образцов. Как видно на фигуре 5 впервые 10 часов скорости тепловой гидратации паст СПЦ и с добавкой 1% и 3% СПШ равны примерно 51,7 Дж/г. Образец с 5% дозировкой СПШ показывает самый высокое увеличение скорости тепловыделения на 13,3%, что сопровождается выделением теплоты и приводит к уменьшению времени схватывания образца. Полученные результаты благоприятно отразились в дальнейшем на показателях прочности цементного состава с 5% содержанием сталеплавильного шлака (см. таблицы 4 и 5). The initial and final setting times of the prepared cement pastes SPTs, PC-SPSh 1, PC-SPShZ, PC-SPSh5, PC-SPSh10 and PC-SPSh15 were estimated and graphically presented in figure b. According to Fig. B, it can be noted that, based on the results obtained, the setting time with an increase in the dosage of the SPS in the cement mixtures was longer than the reference data of the SPC. Initially, this may be associated with a decrease in the amount of C ₃ A, which affects the early period of hydration, but ultimately with a decrease in the release of Ca ion from the cement part of the pastes, which affects the growth of crystals during the final period. The results when replacing the cement with 5% SPSH showed an increase in the water-cement ratio (W / C), the setting time of PC-SPSh5. But the crushed fine structure of the slag may have contributed to a decrease in the setting time of the samples. As can be seen in figure 5, for the first time 10 hours, the rates of thermal hydration of the SPC pastes and with the addition of 1% and 3% SPM are approximately 51.7 J / g. The sample with a 5% dosage of SPS shows the highest increase in the rate of heat release by 13.3%, which is accompanied by the release of heat and leads to a decrease in the setting time of the sample. The results obtained had a favorable effect in the future on the strength indicators of the cement composition with 5% steelmaking slag content (see tables 4 and 5).

В цементных пастах при 10% и 15% замещения цемента шлаком наблюдалось замедление процесса гидратации. Вместе с тем, увеличение В/Ц способствовало росту пористости как видно по анализу результатов SEM образцов (фиг.4, (е) и (f)), где наблюдалось увеличение пор, что в целом привело к понижению прочности. In cement pastes with 10% and 15% slag substitution of cement, a slowdown in the hydration process was observed. At the same time, an increase in W / C contributed to an increase in porosity, as can be seen from the analysis of the SEM results of the samples (Fig. 4, (e) and (f)), where an increase in pores was observed, which generally led to a decrease in strength.

4. Определение прочности на сжатие и на изгиб цементных растворов проводилось в соответствии со стандартами ASTM С109 и ASTM С348. 4. Determination of the compressive and flexural strength of cement slurries was carried out in accordance with the standards ASTM С109 and ASTM С348.

Процедура приготовления цементного состава осуществлена согласно серии ASTM С109. The procedure for preparing the cement composition was carried out in accordance with the ASTM C109 series.

Данные методы испытаний обеспечивают возможность определения прочности на изгиб и на сжатие стандартного портландцемента и смешанных цементных растворов, содержащих сталеплавильный шлак в процентных соотношениях 1%, 3%, 5%, 10% и 15% от веса сухого цемента, результаты которых использованы для определения соответствия техническим требованиям. Прочность на сжатие 50 мм образцов-кубиков цементно-шлакового раствора измеряли через 3, 7 и 28 дней отверждения. Процедура приготовления цементного состава осуществлена согласно ASTM СЮ 9. Пропорции материалов для стандартного раствора составляли от одной части цемента до 2,75 частей сортированного стандартного песка по весу. Количество материалов, смешанных за один раз в партии раствора для девяти испытаний (образцы из партии раствора за период испытания 3, 7 и 28 дней) представлены в таблице 3. These test methods provide the ability to determine the flexural and compressive strength of standard Portland cement and mixed slurries containing steelmaking slag in percentages of 1%, 3%, 5%, 10% and 15% by weight of dry cement, the results of which are used to determine compliance technical requirements. The compressive strength of 50 mm slag slag cubes was measured after 3, 7 and 28 days of curing. The procedure for preparing the cement composition was carried out according to ASTM C10 9. The proportions of materials for the standard slurry ranged from one part of cement to 2.75 parts of sorted standard sand by weight. The number of materials mixed at one time in a batch of solution for nine tests (samples from a batch of solution for the test period 3, 7 and 28 days) are presented in table 3.

Таблица 3 - Соотношение массы портландцемента с количеством добавки % СПШ

Table 3 - The ratio of the mass of Portland cement to the amount of additive% SPSH

Затем образцы укладывали на вибростол, чтобы уменьшить пузырьки воздуха и обеспечить уплотнение. Через 24 часа образцы были демонтированы и помещены в камеру отверждения при температуре 20°С и относительной влажности 95%. Затем три образца по отдельности были испытаны с помощью компрессионной машины Forney FHS 600 (фигура 7(a)); прилагали нагрузку к граням образца, которые находились в контакте с истинными плоскими поверхностями формы; поместили образец в испытательную машину ниже центра верхнего подшипникового узла; привели сферически сидящий блок в равномерный контакт с поверхностью образца; применили скорость нагрузки при относительной скорости перемещения между верхней и нижней пластинами, соответствующей нагрузке на образец- куб в диапазоне от 200 до 400 фунтов/с [900 до 1800 Н/с] . В результате было получено среднее значение прочности в период 3,7 и 28 суток твердения. Каждому результату соответствовали в среднем три повтора. Условия испытаний соблюдены в соответствии с ASTM. Температура воздуха не превышала 25°С, влажность воздуха в лаборатории была 54%, температура воды смешивания 24 °С, сырьевые материалы комнатной температуры . The samples were then placed on a vibrating table to reduce air bubbles and provide compaction. After 24 hours, the samples were removed and placed in a curing chamber at 20 ° C and 95% relative humidity. Three samples were then individually tested with a Forney FHS 600 compression machine (FIG. 7 (a)); applying a load to the edges of the specimen that were in contact with the true flat surfaces of the mold; place the sample in the testing machine below the center of the upper bearing assembly; brought the spherically seated block into uniform contact with sample surface; applied a load rate at a relative speed of movement between the top and bottom plates corresponding to a load on the cube specimen in the range of 200 to 400 lb / s [900 to 1800 N / s]. As a result, an average value of strength was obtained in the period of 3.7 and 28 days of hardening. Each result had an average of three repetitions. Test conditions are met in accordance with ASTM. The air temperature did not exceed 25 ° C, the air humidity in the laboratory was 54%, the mixing water temperature was 24 ° C, and the raw materials were at room temperature.

Результаты расчета прочности на сжатие стандартного портландцемента и смешанных растворов представлены в таблице 4. Наблюдалось, что у цементного раствора с заменой 5% цемента сталеплавильным шлаком в возрасте 3, 7, 28 суток твердения происходило стабильное увеличение показателей прочности. The results of calculating the compressive strength of standard Portland cement and mixed mortars are presented in table 4. It was observed that the cement slurry with the replacement of 5% cement with steel-making slag at the age of 3, 7, 28 days of hardening showed a stable increase in strength indicators.

Таблица 4 - Результаты расчета прочности на сжатие растворов, содержащих шлак в разных возрастах твердения

Table 4 - The results of calculating the compressive strength of solutions containing slag at different hardening ages

Можно видеть, что для всех возрастов только при 5% замещении цемента сталеплавильным шлаком происходило стабильное повышение прочности. Более того, согласно расчетным результатам, образец ПЦ-СПШ5 в сравнении с СПЦ превысил его значения по прочности, что свидетельствует о повышения активности физико- механических параметров с использованием в цементе сталеплавильного шлака в 5%-ой дозировке. Что касается, образцов с содержанием 10% и 15% сталеплавильного шлака, наблюдалось понижение прочностных свойств. Эти результаты свидетельствуют, что прочность на сжатие для цементного раствора с увеличением количества коэффициентов замещения шлака при различных периодах отверждения, замедляет активность набора прочности. It can be seen that for all ages, a stable increase in strength occurred only at 5% replacement of cement by steelmaking slag. Moreover, according to the calculated results, the sample PC-SPSh5 in comparison with SPC exceeded its strength values, which indicates an increase in the activity of physical and mechanical parameters with the use of steelmaking slag in cement in a 5% dosage. As for specimens with 10% and 15% steelmaking slag, a decrease in strength properties was observed. These results indicate that the compressive strength for a cement slurry with an increase in the number of slag replacement coefficients at different curing periods slows down the strength building activity.

Таким образом, образцы ПЦ-СПШ5, обладают наибольшей средней прочностью на сжатие: 3 суток-36. 4 Мпа, 7 суток - 38.3 МПа, 28суток - 42.2 МПа, как это видно по динамике увеличения прочности на фигуре 8. Thus, samples PC-SPSh5 have the highest average compressive strength: 3 days-36. 4 MPa, 7 days - 38.3 MPa, 28 days - 42.2 MPa, as can be seen from the dynamics of increasing strength in figure 8.

Этот прирост прочности можно объяснить улучшением реакционной способности шлака в период гидратации, что может быть связано с тонкостью помола, реакцией в щелочной среде, связанной с минералогическим содержанием шлака, а также с тем, что подходящее содержание использованного шлака привело к образованию большого количества геля C-S-H и эттрингита во время гидратации и небольшого количества фазы С₃А при ранней гидратации. Микрочастицы измельченного шлака образуют ненасыщенные соединения, которые являются нестабильными и имеют тенденцию реагировать быстрее, т.е. они становятся очень активными. Мелкозернистость частиц шлака по размерам способна повысить раннюю и позднюю прочность на сжатие цементного раствора, улучшить микроструктуру цементного камня. Прочность на изгиб образцов цементно-шлакового раствора измеряли через 3, 7 и 28 дней твердения.This increase in strength can be explained by the improvement in the reactivity of the slag during the hydration period, which may be due to the fineness of the grinding, the reaction in an alkaline medium associated with the mineralogical content of the slag, and also to the fact that the appropriate content of the used slag led to the formation of a large amount of CSH gel and ettringite during hydration and a small amount of C ₃ A phase during early hydration. Microparticles of crushed slag form unsaturated compounds that are unstable and tend to react faster, i. E. they become very active. The fineness of the slag particles in size can increase the early and late compressive strength of the cement slurry, and improve the microstructure of the cement stone. The flexural strength of the samples of the cement-slag mortar was measured after 3, 7 and 28 days of hardening.

Образцы отливали в призматические формы размером 40x40x160 мм по ASTM С348. Дозирование, консистенция и смешивание стандартного раствора и раствора с добавками шлака осуществлялись в соответствии с разделом процедур метода испытаний ASTM С109/С109М. Используемый испытательный раствор состоял из 1 части цемента и 2,75 части песка в соотношении по массе. Тестовые призмы формировали путем трамбовки в два слоя. Призмы твердели во влажной комнате при влажности 98% в течение одного дня в пресс-формах и освобождали в момент перед испытанием с помощью нагрузки в центральной точке (Фигура 7 (Ь)) . Для каждого указанного периода испытаний (3, 7, 28 дней) изготовлено по три образца для получения среднего значения прочности на изгиб для каждого срока твердения The samples were cast into prismatic molds of 40x40x160 mm in accordance with ASTM C348. Dosing, consistency, and mixing of the standard solution and the slag-added solution were carried out in accordance with the procedure section of the ASTM test method C109 / C109M. The test solution used consisted of 1 part cement and 2.75 parts sand in a ratio by weight. Test prisms were formed by ramming in two layers. The prisms were solidified in a humid room at 98% humidity for one day in the molds and released immediately before testing with a center point load (Figure 7 (b)). For each specified test period (3, 7, 28 days), three samples were made to obtain the average bending strength for each hardening period.

Таблица 5 - Результаты расчета прочности на изгиб растворов, содержащих шлак в разных возрастах твердения

Table 5 - The results of calculating the flexural strength of solutions containing slag at different curing ages

При проведении испытаний на изгиб призматических образцов использовался метод осевой нагрузки. Устройство для проведения испытаний образцов строительных растворов на изгиб было установлено с учетом следующих принципов : расстояние между опорами и точками приложения нагрузки должно оставаться постоянным; нагрузка должна прилагаться нормально к нагруженной поверхности образца и таким образом, чтобы избежать любого эксцентриситета нагрузки; направление реакций должно быть всегда параллельным направлению приложенной нагрузки во время испытания; нагрузка должна прилагаться с равномерной скоростью и таким образом, чтобы избежать удара током. Испытательная машине Forney на которой проведены испытания на сжатие и изгиб (Фигура 7) соответствовала требованиям, ASTM С109/С109М. Условия испытаний соответствовали требованиям ASTM С109/С109М, ASTM С511. Сырьевые материалы комнатной температуры. When carrying out bending tests of prismatic specimens, the axial load method was used. A device for testing samples of building mortars for bending was installed with taking into account the following principles: the distance between the supports and the points of application of the load must remain constant; the load shall be applied normally to the loaded surface of the specimen and in such a way as to avoid any eccentricity of the load; the direction of the reactions should always be parallel to the direction of the applied load during the test; the load must be applied at a uniform rate and in such a way as to avoid electric shock. The Forney testing machine on which the compression and flexural tests were carried out (Figure 7) met the requirements of ASTM C109 / C109M. Test conditions corresponded to the requirements of ASTM С109 / С109М, ASTM С511. Raw materials at room temperature.

Результаты испытаний прочности образцов с дозировкой 5% ферритного СПШ на сжатие кубических форм и на изгиб призматических форм показали увеличение прочности в возрасте 3, 7 и 28 дней твердения в сравнении со справочными данными обычного портландцемента типа I. В результате было установлено, что ферритные отходы металлургического производства, то есть СПШ благоприятно взаимодействуют с цементом при гидратации и могут быть применены в качестве высокопрочной добавки к цементному композиту в оптимальной дозировке 5%. The results of testing the strength of samples with a dosage of 5% ferritic SPSH for compression of cubic molds and for bending of prismatic molds showed an increase in strength at the age of 3, 7 and 28 days of hardening in comparison with the reference data of ordinary Portland cement of type I. As a result, it was found that ferrite waste of metallurgical production, that is, SPSH favorably interact with cement during hydration and can be used as a high-strength additive to a cement composite in an optimal dosage of 5%.

5. Метод вакуумного водопоглощения был использован для определения пористости цементного раствора, содержащего СПШ. Образцы (50ммх50ммх25мм) с разницей возрастов отверждения сушили при 105°С, взвешивали и затем помещали в машину для вакуумирования в течение 2 часов, а затем замачивали в воде в течение 24 часов. Температура воды контролировалась на уровне 25°С (как и температура в помещении) . Отношение разности масс до и после замачивания в воде, деленное на объем цементного раствора, рассматривалось как пористость. 5. The method of vacuum water absorption was used to determine the porosity of the cement slurry containing SPSH. Samples (50mmx50mmx25mm) with different curing ages were dried at 105 ° C, weighed and then put into a vacuum machine for 2 hours, and then soaked in water for 24 hours. The water temperature was controlled at 25 ° C (as was the room temperature). The ratio of the mass difference before and after soaking in water divided by the volume of the cement slurry was considered porosity.

Метод вакуумного водопоглощения продемонстрировал динамику пористости с увеличением возраста твердения. На фигуре 10 представлены кривые пористости портландцемента и 5% цементно-шлакового состава, где видно, что поры уменьшаются с возрастом. Если на 3 сутки поры ПЦ составили 22,5 %, на 28 сутки поры уменьшились до 17,5%, кривая представляет динамику медленного понижения количества пор. В сравнении с кривой 5% цементно-шлакового состава наблюдалась также динамика снижения пористости, но количество пор уменьшалось интенсивнее по сравнению с образцом СПЦ. В 28 суточном возрасте при дозировке 5% СПШ в цементном растворе количество пор составило 16,9%. Таким образом, пористость цементного раствора ПЦ-СПШ5 значительно снижалась с возрастом твердения, а значит, цементный камень с дозировкой 5% сталеплавильного шлака в 28 суточном возрасте приобретает более плотную структуру и увеличивает показатели прочности. The vacuum water absorption method has demonstrated the dynamics of porosity with increasing age of hardening. Figure 10 shows the curves of the porosity of Portland cement and 5% cement-slag composition, where it is seen that the pores decrease with age. If on the 3rd day the pores of the PC were 22.5%, on the 28th day the pores decreased to 17.5%, the curve represents the dynamics of a slow decrease in the number of pores. In comparison with the curve of 5% cement-slag composition, the dynamics of a decrease in porosity was also observed, but the number of pores decreased more intensively in comparison with the SPC sample. At 28 days of age, with a dosage of 5% SPH in the cement slurry, the number of pores was 16.9%. Thus, the porosity of the cement mortar PC-SPSh5 significantly decreased with the age of hardening, which means that the cement stone with a dosage of 5% steelmaking slag at 28 days of age acquires a denser structure and increases the strength indicators.

6. Продукты гидратации образцов стандартного портландцемента типа I и цементных паст с добавкой 1,3,5,10 и 15% СПШ. 6. Products of hydration of samples of standard type I Portland cement and cement pastes with the addition of 1,3,5,10 and 15% SPSH.

На фигуре 9 представлены результаты гидратации образцов в возрасте 3-х суток твердения. Основными соединениями, обнаруженными на рентгеновских дифрактограммах, являются гидрат силиката кальция (C-S- Н), гидроксид кальция (СН), трехкальциевый силикат (C₃S), двухкальциевый силикат (C₂S) и сульфоалюминат кальция/Эттрингит (Е). Гидроксид кальция известный как портландит (СН), образовался в значительных количествах в раннем возрасте в результате гидратации силикатов кальция. Поскольку эти минералы содержат аморфный активный кремнезем и глинозем, они внесли свой вклад в гидратацию цемента и участвовали в химическом превращении извести (гидроксида кальция), выделяющейся при гидратации цемента, в гидрат силиката кальция (C-S- Н), который был фазой, ответственной за повышение прочности. Увеличение активности на ранних стадиях твердения, несмотря на увеличение зерен белита C₂S, вероятно, связано с увеличением пористости клинкеров в результате введения в структуру дикальциевого силиката. Изменение количества кристаллической и аморфной фаз в образцах также могло быть вызвано процессом измельчения, который привел к термомеханической активации. Микроснимки дозировки 5% СШ в цементную смесь (Фигура 4 (d)) подтверждают, что межтканевые пространства внутри каркаса данного образца плотно заполнены стержневыми кристаллами СН и сетчатыми волокнами геля CSH, количество продуктов гидратации увеличилось с возрастом твердения, плотная структура обеспечила снижение количества пор, что согласуется с полученными результатами прочности на сжатие и изгиб. Исследован побочный отход металлургии, кислородно- конверторный сталеплавильный шлак высокой основности, на возможность применения в роли добавки к стандартному Портландцементу (СПЦ) типа I. Определены химические составы сырьевых материалов, а именно сталеплавильного шлака (СПШ) и портландцемента (СПЦ) типа I, что позволило установить потенциальное влияние шлака в момент гидратации на физико-химические свойства цемента. Цементный композит с содержанием шлака был изготовлен и отлит в кубические и балочные формы для испытаний на сжатие и трехточечный изгиб, а прочность на сжатие и изгиб были экспериментально установлены. Для подтверждения экспериментальных результатов проведены рентгенологические исследования, испытания на пористость с использованием метода вакуумного водопоглощения , полуадиабатической калориметрии, и результаты показали, что с добавкой 5% СПШ к цементной смеси является оптимальным соотношением для ускорения процесса гидратации и увеличения количества продуктов гидратации, особенно в раннем 3-х суточном возрасте твердения. Были получены изображения на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), свидетельствующие о том, что СПШ может быть использован для предотвращения развития микротрещин при одновременном смягчении их распространения в цементном растворе. Механические характеристики цементной смеси с 5% СПШ показали, что прочность на сжатие и изгиб увеличена при относительно низких концентрациях 5%. Вышеприведенные результаты исследований дают основания полагать, что добавление оптимальной дозировки сталеплавильного шлака в портландцемент улучшают утилитарные свойства цементной строительной смеси. При этом, наилучшие результаты показывает смесь с 5% сталеплавильного шлака. Figure 9 shows the results of hydration of samples at the age of 3 days of hardening. The main The compounds found on X-ray diffraction patterns are calcium silicate hydrate (CS-H), calcium hydroxide (CH), tricalcium silicate (C ₃ S), dicalcium silicate (C ₂ S), and calcium sulfoaluminate / Ettringite (E). Calcium hydroxide, known as portlandite (CH), is formed in significant quantities at an early age as a result of the hydration of calcium silicates. Since these minerals contain amorphous active silica and alumina, they contributed to the hydration of the cement and participated in the chemical transformation of lime (calcium hydroxide) released during cement hydration into calcium silicate hydrate (CS-H), which was the phase responsible for increasing strength. An increase in activity at the early stages of hardening, despite an increase in the grains of belite C ₂ S, is probably associated with an increase in the porosity of clinkers as a result of the introduction of dicalcium silicate into the structure. A change in the amount of crystalline and amorphous phases in the samples could also be caused by the grinding process, which led to thermomechanical activation. Micrographs of the dosage of 5% SS in the cement mixture (Figure 4 (d)) confirm that the interstitial spaces inside the framework of this sample are densely filled with CH rod crystals and CSH gel mesh fibers, the amount of hydration products increased with the age of hardening, the dense structure ensured a decrease in the number of pores. which is consistent with the results obtained for the compressive and flexural strengths. The by-product of metallurgy, oxygen-converter steelmaking slag of high basicity, was investigated for the possibility of using it as an additive to standard Portland cement (SPC) of type I. made it possible to establish the potential effect of slag at the moment of hydration on the physicochemical properties of cement. A slag-containing cement composite was fabricated and cast into cubic and beam molds for compression and three-point bending tests, and the compressive and flexural strengths were experimentally established. To confirm the experimental results, X-ray studies were carried out, tests for porosity using the method of vacuum water absorption, semi-adiabatic calorimetry, and the results showed that with the addition of 5% SSS to the cement mixture is the optimal ratio to accelerate the hydration process and increase the amount of hydration products, especially in early 3 -x day-old hardening age. Scanning electron microscope (SEM) images were obtained, indicating that SSS can be used to prevent the development of microcracks while softening their propagation in the cement slurry. The mechanical characteristics of the cement mixture with 5% SPSH showed that the compressive and flexural strength was increased at a relatively low concentration of 5%. The above research results suggest that the addition of the optimal dosage of steelmaking slag to Portland cement improves the utilitarian properties of the cement mortar. At the same time, the best results are shown by a mixture with 5% steelmaking slag.

Кроме того, проведенные исследования показали, что побочные продукты производства металлургической промышленности являются ценным сырьем для цементов и бетонов, обладающих устойчивостью к пресным и сульфатным водам. Использование СПШ взамен части дорогостоящего цемента позволяет снизить затраты тепловой и других видов энергии, затраты на хранение шлаков, решают проблемы охраны окружающей среды. In addition, studies have shown that by-products of the metallurgical industry are a valuable raw material for cements and concretes that are resistant to fresh and sulphate waters. The use of SPSH instead of a part of expensive cement allows to reduce the cost of heat and other types of energy, the cost of storing slag, and solve the problems of environmental protection.

Claims

Формула изобретения Claim

1. Строительная смесь на основе цемента с добавкой сталеплавильного шлака, включающая портландцемент и сталеплавильный шлак, отличающийся тем, что количество портландцемента в ней 85-99%. вес, а сталеплавильного шлака от 1 до 15% вес., при этом сталеплавильный шлак включает (вес. % не менее) СаО-45, SiO₂-10 , А1₂0_З-1 И МдО-4. 1. Building mixture based on cement with the addition of steelmaking slag, including Portland cement and steelmaking slag, characterized in that the amount of Portland cement in it is 85-99%. weight, and steelmaking slag from 1 to 15% wt., while the steelmaking slag includes (wt% not less) CaO-45, SiO ₂ -10, A1 ₂ 0 _Z -1 And MdO-4.

2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что средний размер частиц сталеплавильного шлака равен 16 мкм. 2. A mixture according to claim 1, characterized in that the average particle size of the steelmaking slag is 16 microns.