Свойства минеральных вяжущих веществ: Минеральные вяжущие вещества

Минеральные вяжущие вещества

Минеральные вяжущие вещества представляют собой порошкообразные материалы, способные при смешивании их с водой образовывать пластическое тесто, которое в результате физико-химических процессов постепенно затвердевает в каменновидное тело.

Из минеральных вяжущих веществ производят растворы для кладки стен, фундаментов, печей, труб, а также изготавливают искусственные безобжиговые изделия, бетон, железобетон, детали и конструкции из них.

Минеральные вяжущие вещества делятся на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие затвердевают и длительно сохраняют прочность только на воздухе. Гидравлические вяжущие затвердевают и длительно сохраняют прочность не только на воздухе, но и в воде.

Воздушные вяжущие вещества. К воздушным вяжущим веществам относятся: воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие.

Воздушная известь является местным вяжущим веществом. Ее получают обжигом при температуре 1000—1200 °С кальциево-карбонатных пород (известняка, мела и др.), содержащих не более 8 % глинистых примесей. Воздушная известь может выпускаться в виде кусков белого или серого цвета и называется комовой; или, если комовую известь измельчить, получается молотая известь. В порошкообразное состояние воздушная известь может превращаться гашением. Гашение извести протекает бурно, с выделением тепла и образованием гидроксида кальция по реакции:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 15,5 ккал.

Если для гашения взять 40—70 % воды от веса извести, то получается тонкий порошок, который называется гидратной известью.

В зависимости от содержания активных оксидов Са и Mg и непогасившихся зерен воздушная и гидратная известь делится на два сорта: I и II. Для воздушной извести содержание оксидов должно быть не менее 70 % для I сорта и 52% — для второго сорта, а для гидратной извести соответственно 55% и 40%.

Применяется известь для приготовления растворов для кладки и штукатурки, получения силикатного кирпича и смешанных цементов.

Гипсовые вяжущие вещества получают в результате обжига природного двухводного гипсового камня (CaSО₄-2H₂О). Из гипсовых вяжущих веществ основными являются строительный, формовочный и ангидритовый цемент.

Строительный гипс (устаревшее название — алебастр) получают при обжиге двухводного гипсового камня при температуре 120— 170 °С. В результате обжига происходит гидратация и двуводный гипсовый камень переходит в полуводное состояние по реакции: 2(CaSО₄*2H₂О) = 2(CaSО₄*0,5H₂О) + 3H₂О

Строительный гипс относится к быстротвердеющим вяжущим — начало схватывания 4-6 минут, а конец — 30 минут. Строительный гипс делится на три сорта: I, II и III. Для I сорта тонкость помола должна быть не более 15 %, для II сорта — 20 % и для III сорта — 30%. Предел прочности при сжатии соответственно 5,5 МПа, 4,5 МПа и 3,5 МПа.

Применяют строительный гипс при оштукатуривании помещений и получения сухой гипсовой штукатурки, перегородочных плит.

Формовочный гипс от строительного отличается более тонким помолом и более высокой прочностью. Время схватывания формовочного гипса должно быть не менее 30 мин. Применяется формовочный гипс для скульптурных и лепных работ, изготовления форм для керамической промышленности.

Ангидритовый цемент получают при обжиге двуводного гипсового камня при температуре 600-700 °С и последующим помолом с добавлением извести и шлака и других активизаторов твердения. По пределу прочности на сжатие (МПа) он делится на четыре маркий, 10, 15, 20. Применяется для кладки и оштукатуривания внутренних стен и изготовления художественных изделий.

Недостатком гипсовых вяжущих является их низкая водостойкость, т.е. их можно применять в помещениях с влажностью не более 60—70%. Поэтому были разработаны более стойкие гипсовые вяжущие, к ним относятся полимергипс и гипсоцементно-пуццолановые вяжущие.

Полимергипс получают при смешивании строительного гипса с фенольно-фурфурольной смолой (17—20 %). Этот материал в отличие от строительного гипса имеет высокую прочность на сжатие -30 МПа и большую водостойкость. Используется в производстве облицовочных плиток, а также для отделочных работ в помещениях с повышенной относительной влажностью воздуха.

Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие получают по предложению А.В.Волженского на основе полуводного гипса (40-60%), портландцемента (20-25%) и трепела (10-25%). Прочность на сжатие данного материала 10-11 МПа и коэффициент водостойкости 0,7-0,8. Используется для кладки и оштукатуривания помещений с повышенной относительной влажностью воздуха.

Магнезиальные вяжущие вещества получают путем обжига магнезита (MgCО₃) или доломита (CaCО₃MgCО₃) при температуре 800-850 °С. Продукт обжига соответственно называется каустическим магнезитом или каустическим доломитом. Магнезиальные вяжущие хорошо сцепляются с древесными, асбестовыми и другими волокнами и применяются для получения теплоизоляционных материалов (фибролит), устройства теплых полов (ксилолит). Магнезиальные вяжущие затворяются не водой, а растворами солей хлористого и сернокислого магния. Начало затвердевания этого материала не ранее 20 мин и не позднее 6 ч. Магнезиальные вяжущие имеют высокий предел прочности на сжатие 40-60 МПа. Недостатком материала является малая водостойкость, поэтому он используется только в сухих условиях.

Гидравлические вяжущие вещества. Гидравлические вяжущие вещества являются более сложными по составу, чем воздушные. Гидравлические вяжущие вещества в отличие от воздушных затвердевают и сохраняют свою прочность не только на воздухе, но и в воде. К гидравлическим вяжущим веществам относятся: известь гидравлическая и различные цементы (роман-цемент, портландцемент, шлакопортландцемент и другие виды цементов). Гидравлические вяжущие вещества применяются как в сухих, так и во влажных условиях, там, где требуется высокая прочность и там, где нельзя применять воздушные вяжущие вещества. Их используют в кладочных и штукатурных растворах для наружных стен, фундаментов и получения бетона, железобетона, асбестоцементных и других изделий.

Гидравлическая известь — продукт обжига кальциево-магниевых карбонатных пород при температуре 1000 °С, содержащих 8-20% глинистых примесей. Выпускается в виде кусков или порошка. Основным показателем качества является гидравлический модуль. Гидравлический модуль есть отношение оксидов кальция (СаО) к сумме других оксидов.

где m — гидравлический модуль.

Если гидравлический модуль находится в пределах 1,7-4,5, значит, материал обладает сильными гидравлическими свойствами и ближе к цементам, если он колеблется от 4,5 до 9 значит он обладает слабыми гидравлическими свойствами и по свойствам ближе воздушной извести.

Роман-цемент — порошок от светло-желтого до бурого цвета, получаемый в результате тонкого помола обожженных не до спекания (при температуре 1000-1100 °С) известняков, содержащих свыше 20% глинистых примесей. По прочности делится на три марки: 2, 5, 50 и 100. Начало схватывания не ранее 15 мин, конец не позднее 24 ч, остаток на сите № 008 не более 25%. Применяется для растворов при кладке и оштукатуривании стен и фундаментов, изготовления бетонов невысоких марок.

Портландцемент — основной вид гидравлических вяжущих веществ. Представляет собой тонкий порошок серого цвета с зеленоватым оттенком. Получается помолом обожженной до спекания при температуре 1450 °С смеси известняка (углекислый кальций) 75% и 25% глины. Портландцемент с необходимыми свойствами можно получить в том случае, когда содержание основных оксидов будет в следующих количествах: СаО — 60-67%, SiО₂— 12-24%, Аl₂О₃ — 4-7% и Fe₂О₃ -2-6%. Вредными примесями являются MgO и SО₃, содержание которых соответственно допускается не более 5 и 3,5%. Повышенное содержание их вызывает неравномерное изменение объема при затвердевании и повышает сульфатную коррозию. Производство портландцемента является сложным процессом. После подготовки сырьевых материалов — они подвергаются обжигу. При обжиге под влиянием высокой температуры происходят сложные физико-химические процессы взаимодействия оксида кальция с другими оксидами, с образованием следующих минералов: трехкальциевого силиката 3CaОSiО₂ ~ 37-60 %; двухкальциевого силиката 2CaОSiО₂ — 15-37%; трехкальциевого алюмината ЗСаОАl₂О₃ — 7-15% и четырехкальциевого алюмоферрита 4CaОAl₂О₃Fe₂О₃ — 10-18 %, которые обусловливают гидравлические свойства портландцемента.

По прочности при сжатии в 28-суточном возрасте цемент подразделяется на марки: 400, 500, 550 и 600. Начало схватывания Цемента должно наступить не ранее 45 минут, а конец — не позднее 10. ч от начала затворения. Остаток на сите № 008 не должен быть более 15%.

Шлакопортландцемент представляет собой портландцемент (20— 85 %) с добавками шлаков (15—80 %). По свойствам похож на портландцемент, но является более дешевым. Выпускается трех марок: 300, 400 и 500.

Минеральные вяжущие вещества применяются в качестве кладочных и штукатурных растворов. В зависимости от возможных условий формирования структуры искусственного камня в них выделяют воздушные (известь воздушная, гипс, магнезиальные вяжущие вещества — формирование искусственного камня происходит в сухой среде) и гидравлические — отличаются более сложным составом, искусственный камень образуется и сохраняется как в сухой, так и во влажной среде (гидравлическая известь и цементы: портландцемент, шлакопортландцемент, специальные цементы).

В большинстве случаев в строительстве применяют смеси минерального вяжущего вещества, воды и заполнителя. Необходимость использования заполнителя вызвана двумя основными причинами:

1) вяжущие вещества в смеси только с водой при отвердении имеют повышенную склонность к набуханию и усадке, что приводит к образованию трещин и разрушению конструкций. Заполнители уменьшают усадочные явления;

2) использование заполнителя уменьшает расход вяжущего вещества, а следовательно, и стоимость сооружений.

Смесь вяжущего вещества, воды и мелкого заполнителя (песка) называется строительным раствором, а смесь вяжущего вещества, воды, песка и крупного заполнителя (щебня, гравия) — бетоном.

Наиболее распространенным представителем минеральных вяжущих веществ является портландцемент. В зависимости от показателя прочности при сжатии выделяют четыре основные марки портландцемента 300, 400, 500 и 600. Марку определяют при сжатии образца, изготовленного из смеси цемента и песка в соотношении 1:3, испытанного через 28 дней после его изготовления.

Большое влияние на качество портландцемента (в первую очередь на прочность) оказывает тонкость помола. Остаток на сите с сеткой № 008 не должен превышать 15% от массы пробы.

Портландцемент не должен содержать посторонних включений, цвет его должен быть равномерным серо-зеленым.

Классификация минеральных вяжущих веществ. Известь строительная

Классификация минеральных вяжущих веществ. Известь строительная

Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

Негашеная комовая или молотая известь
Примечание: в скобках указано содержание MgO для доломитовой извести

Требования, предъявляемые к гидратной извести

Управление недвижимостью: сдача в аренду, работа с арендаторами и поставщиками услуг.
Технический надзор за подрядчиками (мастерами, специалистами), ведение документации.

2007-2021 © remstroyinfo.ru
При цитировании материалов в сети обратная ссылка строго обязательна

Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Тонкодисперсные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное в результате физико-химических процессов со временем
самопроизвольно затвердевать в камень, называют вяжущими веществами.

При переходе из теста в камневидное состояние вяжущее вещество связывает, скрепляет между собой в монолит разрозненные частицы других материалов. Этим свойством пользуются при и иотовлении из цемента, воды, песка и
щебня (или гравия) искусственного камня, называемого бетоном.

Механическая смесь вяжущего (цемента, извести), воды и песка после затверден образует строительный раствор в виде швов каменной кладки, слоя штукатурки или
какого-либо изделия.

Строительные вяжущие по составу делят на неорганические (минеральные) и органические.

Неорганическими вяжущими являются известь, цементы, гипсовые вяжущие, жидкое стекло. Как правило, их затворяют водой, реже — водными растворами солей.
К органическим вяжущим относятся битумы, дегти, некоторые клеи, полимеры и др.

В зависимости от условий твердения минеральные вяжущие делят на воздушные, гидравлические, кислотостойкие и вяжущие автоклавного твердения.

Воздушные вяжущие твердеют и длительное время сохраняют свою прочность только на воздухе.

К ним относят воздушную известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие. Во влажных условиях они теряют свою прочность, поэтому их применяют только
в сухих условиях.

Гидравлические вяжущие после предварительного твердения на воздухе сохраняют и наращивают свою прочность в воде.

К ним относят гидравлическую известь, портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и др. Для эффективного твердения
гидравлических вяжущих необходимо, чтобы в твердеющем материале постоянно была вода, в сухих условиях они прекращают твердение.

По условиям применения гидравлические вяжущие универсальны, их можно применять в сухих и влажных условиях, а также в воде.

Кислотостойкие вяжущие после затворения их водным раствором силиката натрия (жидкого стекла) затвердевают на воздухе, после чего длительно сохраняют свою
прочность при воздействии некоторых кислот. Это особая разновидность воздушных вяжущих веществ, основным представителем которых является кварцевый цемент,
применяемый для изготовления кислотостойких бетонов, растворов, замазок. Эти материалы теряют прочность в воде, а в среде едкой щелочи разрушаются.

Вяжущие автоклавного твердения — разновидность гидравлических вяжущих, они затвердевают в среде насыщенного водяного пара, т.е. в условиях автоклавной
обработки.

В группу этих вяжущих входят нефелиновый цемент, известково-кремнеземнистые, изяестково-зольные, известково-шлаковые вяжущие и др.

Смотрите также

Минеральные вяжущие вещества (технология и свойства). Волженский А.В. и др. 1979 | Библиотека: книги по архитектуре и строительству

Рассмотрены основные принципы технологии минеральных вяжущих веществ, применяемых для изготовления изделий и конструкций. Основное внимание уделено рассмотрению свойств вяжущих веществ и особенностей их применения в производстве изделий. Изложены физико-химические основы процессов твердения вяжущих веществ, освещены современные методы интенсификации и регулирования этих процессов, позволяющих получать бетоны с требуемыми свойствами. Отражены новые данные по технологии вяжущих и их строительным свойствам в зависимости от микроструктуры цементного камня. Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций».

Предисловие

Часть I. Общие сведения

Глава 1. Основные понятия о минеральных вяжущих веществах, их значение для народного хозяйства

Глава 2. Краткие сведения о развитии производства минеральных вяжущих веществ

Глава 3. Классификация и номенклатура вяжущих веществ, исходные материалы для их производства. Добавки

Часть II. Воздушные вяжущие вещества

Глава 4. Гипсовые вяжущие вещества
Виды гипсовых вяжущих веществ и сырье для их производства
Модификации водного и безводного сульфата кальция
Строительный гипс
Охрана труда на гипсовых заводах
Автоматизация производства
Высокопрочный технический гипс
Схватывание твердение полуводного гипса
Свойства строительного и высокопрочного гипса и области его применения
Формовочный гипс
Гипсовые вяжущие из гипсосодержащих материалов
Гипсоизвестковые сухие смеси
Ангидритовые вяжущие

Глава 5. Магнезиальные вяжущие вещества
Каустический магнезит
Каустический доломит

Глава 6. Известь строительная воздушная
Общие сведения
Исходные материалы
Негашеная известь (комовая)
Гидратная известь (пушонка) и известковое тесто
Молотая негашеная известь
Охрана труда на известковых заводах
Твердение воздушной извести
Свойства воздушной извести и области ее применения

Часть III. Гидравлические вяжущие вещества

Глава 7. Гидравлическая строительная известь и романцемент
Гидравлическая известь
Романцемент

Глава 8. Портландцемент
Состав и классификация
Клинкер, его химический и минералогический состав
Характеристика клинкера
Классификация клинкеров и номенклатура портландцементов

Глава 9. Технология портландцемента
Сырьевые материалы и топливо
Производство портландцемента

Глава 10. Твердение портландцемента и его свойства
Взаимодействие цемента с водой и химический состав новообразований
Теория твердения портландцемента при его взаимодействии с водой

Глава 11. Структура и свойства цементного теста и затвердевшего цемента (камня)
Структурная вязкость и пластическая прочность теста
Седиментационные явления в тесте
Тепловыделение при взаимодействии цемента с водой
Набухание цементного теста
Изменения в содержании твердой фазы цементного теста и камня при твердении, контракция и пористость
Структура цементного теста и камня
Формы связи воды в цементном тесте и камне
Щелочность жидкой фазы цементного камня и ее значение для защиты стали от коррозии

Глава 12. Физические и механические свойства цементов
Плотность и объемная масса
Водопотребность и нормальная густота теста
Схватывание теста
Равномерность изменения объема
Активность и прочность портландцементов и их зависимость от различных факторов
Влияние температуры и добавок на скорость твердения портландцементов
Усадка и набухание цементного камня при изменении его влажности
Стойкость цементного камня при переменном увлажнении и высушивании
Трещиностойкость
Ползучесть цементного камня

Глава 13. Стойкость цементов и бетонов против действия химических и физических агрессивных факторов
Химическая коррозия цементного камня
Агрессивное действие на цемент некоторых органических веществ и защита бетона
Физическая коррозия цементного камня
Жаростойкость и огнеупорность цементов

Глава 14. Разновидности портландцементов
Быстротвердеющие портландцементы
Портландцементы с пластифицирующими и гидрофобизирующими добавками
Сульфатостойкие портландцементы
Белый и цветные портландцементы
Портландцементы для бетона дорожных и аэродромных покрытий
Портландцемент для производства асбестоцементных изделий
Портландцементы с микронаполнителями

Глава 15. Активные минеральные добавки и пуццолановые цементы
Активные минеральные добавки
Пуццолановые цементы

Глава 16. Шлаки и шлаковые цементы
Шлаки и их свойства
Шлаковые цементы

Глава 17. Глиноземистый цемент и его разновидности
Производство глиноземистого цемента
Твердение глиноземистого цемента
Свойства и области применения глиноземистого цемента

Глава 18. Смешанные вяжущие вещества со специальными свойствами
Расширяющиеся и напрягающиеся цементы
Гипсоцементнопуццолановые вяжущие вещества (ГЦПВ)

Глава 19. Неорганические вяжущие с добавками полимерных веществ

Глава 20. Кислотоупорный кварцевый цемент и жидкое стекло

Список литературы

Вяжущие вещества минеральные — Справочник химика 21

    Возникновение фазы из пересыщенных растворов лежит в основе образования конденсационно-кристаллизационных структур при твердении минеральных вяжущих материалов. Исходное сырье в порошкообразном состоянии смешивают с водой до получения тестообразной массы, которая через некоторое время твердеет, При изготовлении бетонов и других строительных материалов вяжущие вещества смешивают с различными минеральными наполнителями (песок, гравий, щебень, шлак), а затем с водой. В результате затвердевания образуется монолитная масса, в которой частицы наполнителя прочно связаны затвердевшим вяжущим веществом. В качестве минеральных вяжущих используют ок-сиды [c.387]









    В монографии рассмотрены современные представления о природе твердения вяжущих веществ, включая вопросы состава тампонажных растворов, стехиометрии продуктов гидратации портландцемента, физико-химических основ процессов формирования дисперсных структур вяжущих веществ. Особое место занимают исследования механизма процессов структурообразования в дисперсиях минеральных вяжущих — трехкальциевого силиката, трехкальциевого алюмината, трехкальциевого алюмината в присутствии гипса и наполнителя, тампонажных цементных дисперсий. [c.6]

    Совершенно иные по своим свойствам материалы получаются ири затвердевании полимербетонов или пластбетонов. В них отвердевание тампонажной жидкости происходит на основе реакций полимеризации или поликонденсации. В состав затвердевшего тела кроме полимера входят различные наполнители, в качестве которых могут быть использованы и минеральные вяжущие вещества. В результате получаются материалы иной химической природы, часто химически инертные по отношению к окружающей пластовой среде и обладающие рядом других ценных свойств. [c.148]

    В производствах —сернокислотном, вяжущих веществ, минеральных удобрений, азотнокислотном, содовом, синтетического каучука, органического синтеза, керамическом и стекольном — [c.87]

    В состав всех материалов данной группы входят вяжущие вещества, минеральные наполнители и в ряде случаев (в силикатных кислотоупорных замазках и бетонах) ускоритель твердения. [c.319]

    Вяжущими материалами называются одно- или многокомпонентные порошкообразные минеральные вещества, образующие при смешении с водой пластичную формующуюся массу, затвердевающую при выдержке в прочное камневидное тело. В зависимости от состава и свойств вяжущие вещества подразделяются на три группы (рис. 20.4). [c.309]

    Минералы портландцемента и многих других минеральных (неорганических) вяжущих веществ представляют собой оксиды или чаще соли щелочных и щелочноземельных металлов (Ыа, К, Са, Mg) и очень слабых кремниевых, алюминиевых и железистых кислот. [c.92]

    Однако они применяются в качестве тампонажных материалов для цементирования тех участков ствола скважин, которые сложены солями магния (бишофиты, карналлиты). Другие минеральные вяжущие вещества разрушаются в контакте с солями магния. [c.147]

    В строительстве, как правило, применяют асфальтовый бетон оптимальной структуры. Оптимальной считается такая структура, при которой полидисперсные зерна минеральной смеси контактируют через прослойки вяжущего вещества, а общее количество последнего соответствует минимально необходимому для образования сплошной пространственной сетки в монолите. [c.210]

    Минеральные вяжущие материалы делятся на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие вещества после смешивания с водой затвердевают и длительно сохраняют свою прочность на воздухе. К таким материалам относят известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие материалы. [c.6]

    Вяжущие вещества разделяют на органические (смолы, клеи и др.) и минеральные (цемент, известь и др.). Минеральные вяжущие вещества, в свою очередь, подразделяют на воздушные и гидравлические. [c.446]

    Для достижения наиболее плотной упаковки частиц, т. е. реализации максимального числа контактов в структуре, и вместе с тем для предотвращения возникновения высоких внутренних напряжений широко применяются вибрационные воздействия. Вместе с тем для ослабления сцепления частиц (например, при формовании сухих и влажных катализаторных и керамических масс) используются добавки различных ПАВ, которые, адсорбируясь на поверхности частиц, снижают прочность контактов в коагуляционных структурах и препятствуют на определенных этапах развитию фазовых контактов. Для регулирования процессов структурообразования при твердении минеральных вяжущих веществ в систему вместе с ПАВ вводят добавки соответствующих электролитов, что позволяет направленно изменять величину пересыщения, условия кристаллизации и срастания гидратных новообразований и тем самым осуществлять процесс твердения в оптимальных условиях. В любом текстильном производстве волокна защищаются адсорбционными слоями, препятствующими их сильному сцеплению (и повреждению) при изготовлении пряжи и ткани. Сходные задачи имеют место в производстве бумаги, в пищевой промышленности и т. д. [c.324]

    Молекулярная контракция при гидратации минеральных вяжущих веществ объясняется в основном тем, что вода, входящая в состав новообразований, занимает в их кристаллической структуре меньший объем, чем в свободном состоянии, а расстояние между другими элементами кристаллической структуры не меняется или меняется незначительно. Поэтому, хотя удельный объем твердой фазы в результате гидратации увеличивается, это увеличение объема твердой фазы не комисисируст уменьшение объема свободной воды. [c.130]

    В этой главе описаны новые реологические приборы и методы, при помощи которых возможно количественное определение кинетики процесса структурообразования дисперсных систем на основе минеральных вяжущих веществ, а также оригинальные приборы для комплексного исследования процессов гидратации. Показаны примеры исследований в научном плане новых положений физикохимической механики вяжущих веществ и тампонажных растворов. [c.42]

    Из полимерных соединений этого типа следует упомянуть мент (общее название многочисленных минеральных вяжущих веществ), состоящий главным образом из различных силикатов, и бетон. [c.35]

    Б настоящее время разрабатываются комплексные методы закрепления грунтов, сочетающие в себе коренное изменение свойств грунта под воздействием добавок минеральных вяжущих материалов (цемент, известь и-др.> с одновременным изменением коллоидно-химического состояния тонкодисперсной части грунта и степени гидрофильности поверхности частиц путём введения нефтяных вяжущих веществ. [c.27]

    Рис, 9. График зависимости прочности материала от фазового отношения вяжущего вещества для различных количеств минеральных зернистых смесей (р[c.35]

    Процесс твердения минеральных вяжущих веществ, к которым относятся и гипсовые вяжущие, состоит из двух взаимно связанных основных процессов образования новой фазы (гидрат исходного вещества) и создания структуры твердеющей системы. [c.42]

    Особенности конструкции скважины как сооружения предопределяют единственный путь решения этих задач — формирование искусственного твердого тела, обладающего необходимыми свойствами, из специальных отвердевающих жидкостей, какими являются тампонажные растворы. Исторически сложилось так, что к началу массового бурения скважин для добычи нефти единственными пригодными для крупнотоннажного промышленного применения отвердевающими жидкостями были так называемые растворы минеральных вяжущих веществ, широко применявшихся в строительстве. Минеральные вяжущие вещества и до сих пор являются основой большинства тампонажных растворов для глубоких скважин, хотя почти за 80 лет применения они значительно изменились по составу и свойствам. В последние годы разработаны и другие отвердевающие жидкости, например органические полимеризующиеся материалы, но объем их применения в качестве тампонажных материалов в настоящее время невелик. Их широкому использованию препятствуют малый объем производства, сравнительно высокая стоимость, недостаточная изученность, сложность применения в полевых условиях, токсичность. [c.80]

    Добавки в иортлаидцемснтах могут быть химически активными или инертными по отношению к вяжущему веществу. Химически активные добавки реагируют с минералами портландцемента или продуктами их гидратации, участвуя тем самым в процессе твердения. В некотором роде они являются частью вяжущего вещества цементного раствора. В качестве активных минеральных добавок могут применяться как вещества, которые не обладают способностью к самостоятельному твердению, так и другпе, вяжущие вещества. Например, металлургические щ лаки могут быть добавкой к портландцементу, в других случаях портландцемент может быть добавкой к шлаковому вяжущему веществу. [c.89]

    Контракцией называют явление уменьшения суммарного объема системы в химических или физических процессах. Контракция свойственна многим процессам растворения, когда объем раствора меньше суммы объемов растворителя и растворенного вещества, и процессам гидратациоиного твердения минеральных вяжущих веществ. [c.130]

    В основе формирования структуры твердеющего материала ло-лпроцесс структурообразования суспензий минеральных вяжущих веществ. Полимеризующийся материал находится в жидкой фазе минеральной суспензии в растворенном или коллоидно-диспергированном виде. [c.148]

    Грунтовые материалы — затвердевщий камнеподобный материал, получаемый на основе вяжущего вещества (иортландцемеят, шлак, зола, растворимое стекло), тонкодисперсных минеральных грунтов и воды. Известны грунтобетон, грунгосиликаты, цементо-грунты. Цементирующие функции осуществляют продукты гидратации вяжущих веществ. [c.225]

    Для повышения качества минеральных вяжущих веществ, получения на их основе бетона со специальными свойствами и увеличения долговечности конструкций из сборного и монолитного бетона в качестве модификаторов свойств бетонов используют различные органические и неорганические соединения. Путем введения в бетонную смесь модифицирующих добавок представляется возможным наиравленно воздействовать на кинетику твердения вяжущих веществ, изменять реологические свойства бетонных смесей, обеспечивать твердение бетонов в условиях отрицательных температур, предотвращать коррозию стальной арматуры и пр. [c.314]

    Продолжается активное развитие ряда фугих направлений коллоидно-химической науки и смежных областей знания учения об аэрозолях (играющего важную роль в создании методов защиты окружающей среды от загрязнения) физикохимии электроповерхностных явлений, включая коллоидно-химические аспекты борьбы с коррозией термодинамики поверхностных явлений и фазовых равновесий в дисперсных системах, теории электрокинетргаеских и оптических свойсгв коллоидных дисперсий изучения коллоидных свойств дисперсий ВМС (включая методы получения полимерных покрытий, особенности латексной полимеризации) исследований специфических коллоидно-поверхностных эффектов в кристаллах особенностей смачивания и других поверхностных явлений в высокотемпературных системах. Энергично развивается физико-химическая механика природных дисперсных систем (глинистые минералы, уголь, торф и др.) конструкционных и строительных материалов (стали, сплавы, керамика, материалы на основе минеральных вяжущих веществ) контакта твердых поверхностей, трения, смазывающего действия. [c.14]

    Если бы активная минеральная добавка не входила в состав вяжущего вещества, т. е. если гипс был бы смешан с одним только портландцементом и водой, то при твердении получился бы неустойчивый материал, деформирующийся и даже разрушающийся через несколько месяцев. Такое проведение твердеющей смеси гипса с цементом объясняется образованием высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция  [c.199]

    Во второй части пособия на большом фактическом материале рассмотрены методы управления свойствами дисперсных систем, их виброреология, научные основы процессов формирования керамических масс, структурообразование в дисперсиях минеральных вяжущих веществ, вопросы теории разжижения дисперсных систем, структурно-механическая характеристика и реологическая оценка формовочных материалов, физико-химия процессов спекания, результаты использования физико-химической механики в науке и технике и ее новые проблемы. [c.5]

    Нескомпенсированность молекулярных сил в поверхностном слое жидкостей и твердых тел определяет все виды их молекулярного взаимодействия прилипание, сваривание, паяние, склеивание, треиие, а следовательно, и ряд важнейших технологических процессов эмульсионная полимеризация, тонкое измельчение материалов, растворение и кристаллизация, испарение и конденсация пара, обогащение руд флотацией, твердение минеральных вяжущих веществ. Во всех этих случаях очень важно знать поверхностное натяжение на границе соприкасающихся фаз, ибо, если твердое тело размолоть даже на мельчайшие пылинки (поверхность каждой единицы объема увеличится в десятки тысяч раз), свойства полученных дисперсных материалов все равно целиком будут определяться свойствами их поверхностного слоя, который в рассматриваемом случае резко повышает свою химическую активность. [c.23]

    Образование твердых тел типа цементных бетонов и других строительных материалов с использованием минеральных вяжущих веществ — цемента, извести, гипса — происходит путем кристаллизационного структурообразования на основе первоначальной коагуляционной структуры в концентрированных суспензиях — дисперсных смесях из порошка цемента и инертного заполнителя с водой. Коагуляционные структуры образуются сцеплением частичек твердой фазы через тонкие остаточные прослойки жидкой дисперсионной среды. Поэтому прочность таких структур, обусловленная весьма слабыми вандерваальсовыми взаимодействиями, очень мала по сравнению с прочностью конечной кристаллизационной структуры — плотного поликристаллического сростка, который образуется непосредственным -срастанием друг с другом кристалликов гидратных новообразований, выделяющихся из пересыщенного водного раствора. [c.184]

    Выродов П. П., Будько Л. С.—В кн. О некоторых вопросах кинетики твердения минеральных вяжущих веществ и методах исследования продуктов их твердения. Изд-во Кубанск. сельск. ин-та, Краснодар, 1963, 3. [c.272]

    Современные представления о механизме твердения минеральных вяжущих веществ, начало которым положил в своих работах П. А. Ребиндер [106, 107], развивали А. Ф. Полак [92, 93, 94, 96], В. В. Бабков [13, 14,89,90,91], В. Б. Ратинов [104, 105], М. М. Сычев [123, 124, 125], А. В. Волженский [25, 26, 27, 28, 29], И. М. Ляшкевич [66, 67, 68, 69, 70] и др. Последние достижения в этой области привели к ясности в отношении наиболее принципиальных теоретических положений. [c.42]

ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА — это… Что такое ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА?

ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА, строительные материалы для изготовления бетонов и строительных растворов. Различают минеральные (цемент, гипс, известь и др.) и органические (битумы, дегти, пеки) вяжущие вещества. Минеральные вяжущие вещества (преимущественно порошкообразные) при смешивании с водой образуют пластичную массу, затвердевающую в камневидное тело. Органические вяжущие вещества в смеси с наполнителями (обычно без добавления воды) образуют пластичное тесто, способное при физических и химических воздействиях переходить в твердое состояние.

Современная энциклопедия.
2000.

Смотреть что такое «ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА» в других словарях:

• Вяжущие вещества — – вещества, выполняющие функцию цементирующего компонента. По происхождению вяжущие вещества могут быть как органическими, так и неорганическими. [Волженский А. В., Буров Ю. С., Колокольников В. С. Минеральные вяжущие вещества.1979 г.]… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

• Вяжущие вещества — Вяжущие  вещества, способные затвердевать в результате физико химических процессов. Переходя из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой камни либо зёрна песка, гравия, щебня. Это свойство вяжущих… …   Википедия

• ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА — строительные материалы для изготовления бетонов и растворов. Различают неорганические (минеральные) вяжущие вещества (цемент, гипс, известь и др.) и органические (битумы, дегти, пеки). Минеральные вяжущие вещества (обычно порошкообразные) при… …   Большой Энциклопедический словарь

• Вяжущие вещества — Вещества, выполняющие функцию цементирующего компонента. По происхождению вяжущие вещества могут быть как органическими, так и неорганическими …   Словарь строителя

• ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА — строительные порошкообразные материалы, способные после смешивания их с водой затвердевать в однородную камнеобразную массу, а также связывать в сплошной монолит камни, кирпичи и другие аналогичные материалы. По составу и происхождению В. в.… …   Технический железнодорожный словарь

• вяжущие вещества — материалы для изготовления бетонов и растворов. Различают неорганические (минеральные) вяжущие вещества (цемент, гипс, известь и др.) и органические (битумы, дёгти, пеки). Минеральные вяжущие вещества (обычно порошкообразные) при смешивании с… …   Энциклопедический словарь

• Вяжущие Вещества — Вещества, выполняющие функцию цементирующего компонента. По происхождению могут быть как органическими, так и неорганическими. Источник: Словарь архитектурно строительных терминов …   Строительный словарь

• ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА — материалы для изготовления бетонов и строит. р ров. Различают неорганич. (минер.) В. в. (цемент, гипс, известь и др.) и органич. (битумы, дёгти, пеки). Минер. В. в. (обычно порошкообразные) при смешивании с водой (иногда с вод. р рами солей)… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

• Вяжущие вещества известково-кремнеземистые и известково-нефелиновые — – вещества, применяемые для изготовления строительных изделий и сборных конструкций, подвергаемых автоклавной обработке. Марки вяжущих устанавливают техническими условиями. [Большой энциклопедический политехнический словарь] Рубрика термина …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

• Вяжущие вещества кислотоупорные — – состоят в осн. из кислотоупорного цемента, содержащего тонкоизмельченную смесь кварцевого песка и Na2SiF6; их затворяют, как правило, водными р рами силиката Na или К (см. Стекло растворимое), они длительно сохраняют свою прочность при… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Книги

• Минеральные вяжущие вещества. Технология и свойства. Учебник, Волженский Александр Васильевич, Буров Юрий Сергеевич, Колокольников Вадим Сергеевич. Рассмотрены основные принципы технологии минеральных вяжущих веществ, применяемых для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Основное внимание уделено рассмотрению… Подробнее  Купить за 1593 руб
• Минеральные вяжущие вещества. Технология и свойства. Учебник, Волженский Александр Васильевич, Буров Юрий Сергеевич, Колокольников Вадим Сергеевич. Рассмотрены основные принципы технологии минеральных вяжущих веществ, применяемых для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Основное внимание уделено рассмотрению… Подробнее  Купить за 1172 грн (только Украина)
• Минеральные вяжущие вещества. Технология и свойства. Учебник, Волженский А.В.. Рассмотрены основные принципы технологии минеральных вяжущих веществ, применяемых для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Основное внимание уделено рассмотрению… Подробнее  Купить за 906 руб

Другие книги по запросу «ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА» >>

Испытание минеральных вяжущих веществ

Навигация:
Главная → Все категории → Определения структурных характеристик

Испытание минеральных вяжущих веществ

Испытание минеральных вяжущих веществ

Минеральные вяжущие – тонкодисперсные порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой (реже с водными растворами солей) образуют пластичную легко формирующуюся массу (вяжущее тесто), постепенно переходящую в камневидное состояние. Вяжущие материалы обычно используются как основной компонент бетонов и растворов. Поэтому некоторые испытания вяжущих проводят с заполнителями, имитируя их работу в бетоне (растворе).
Основным качественным показателем вяжущих служит их отношение к воде. Вяжущие, способные твердеть и сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде, называют гидравлическими. К ним относятся портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент, гидравлическая известь. Вяжущие, способные твердеть и сохранять свою прочность только на воздухе, называют воздушными. К ним относятся гипсовые вяжущие, воздушная известь и магнезиальные вяжущие.

При оценке качества минеральных вяжущих определяют следующие технические показатели.

Прочность — основной показатель качества вяжущих веществ. Так как прочность вяжущих изменяется во времени, то их качество оценивается по прочности, достигнутой за определенное время твердения и в условиях, установленных стандартом. Этот показатель называют маркой вяжущего.

Скорость твердения — другая не менее важная характеристика вяжущих. Наибольшей быстротой твердения обладают гипсовые вяжущие — они полностью затвердевают за несколько часов. Очень медленно твердеет известь: процесс ее твердения длится годы.

Сроки схватывания характеризуют, сколько времени вяжущее тесто сохраняет пластичность. Схватыванием называют процесс потери пластичности вяжущим тестом: при этом оно становится жестким и приобретает начальную прочность.

Тонкость помола влияет на скорость твердения и прочность вяжущего: чем тоньше оно размолото, тем больше суммарная поверхность его частиц и тем активнее оно взаимодействует с водой, быстрее набирая прочность. Кроме того, более тонкий помол увеличивает пластичность вяжущего теста и соответственно бетонных и растворных смесей на его основе.

Необходимое количество воды для каждого вида вяжущего определяется не из расчета полного химического взаимодействия вяжущего с водой, а из условия получения вяжущего теста (или растворной смеси) стандартной консистенции {нормальной густоты). Для разных вяжущих стандартную консистенцию определяют различными методами, что объясняется неодинаковыми способами укладки смесей, например на основе гипса — заливкой, а на основе цемента — с применением механического уплотнения. Определение нормальной густоты вяжущего теста или растворной смеси предшествует определению сроков схватывания, прочности и некоторых других свойств и служит для установления стандартного водовяжущего (водоцементного, водогипсового и т.п.) отношения.

Для некоторых вяжущих, кроме того, выполняют специальные испытания, характерные для данного вяжущего, например у извести определяют скорость гашения.

Похожие статьи:
Структурные характеристики и свойства строительных материалов

Навигация:
Главная → Все категории → Определения структурных характеристик

Статьи по теме:

Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум

Свойства трехкомпонентного минерального дорожного вяжущего для технологии глубокой холодной переработки

Материалы (Базель). 2020 Aug; 13 (16): 3585.

Факультет гражданского строительства и архитектуры, Технологический университет Кельце, 25-314 Кельце, Польша; lp.ecleik.ut@kaiswo

Поступило 08.07.2020; Принято 11 августа 2020 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0 /). Эту статью цитировали в других статьях в PMC.

Abstract

В этом исследовании изучались физические свойства трехкомпонентного минерального вяжущего, которое обычно используется при глубокой холодной переработке. Тестовые вяжущие были произведены с использованием портландцемента, гашеной извести и цементной байпасной пыли (CBPD) в качестве побочного продукта, полученного при производстве цемента. Была оценена пригодность CBPD для использования в дорожных вяжущих. Определено влияние трехкомпонентной вяжущей композиции на время схватывания, прочность, консистенцию, прочность на разрыв и сжатие цементных паст и растворов.Были испытаны пасты и строительные растворы одинаковой консистенции, полученные при различных соотношениях вес / вес. На основании этого были определены пропорции смесей, приводящие к получению дорожных вяжущих, удовлетворяющих требованиям PN-EN 13282-2: 2015. Путем смешивания цемента, извести и CBPD во время испытаний были получены вяжущие классы от N1 до N3. Замена 40% массы цемента на CBPD с высоким содержанием свободной извести позволила получить дорожные вяжущие, подходящие для вторичных слоев основания. Общее содержание CBPD и гашеной извести в дорожном вяжущем не должно превышать 50% по массе.Обсуждался потенциальный риск снижения прочности строительного раствора из-за перекристаллизации KCl.

Ключевые слова: цементная пыль, цементное тесто, раствор, смешанное минеральное вяжущее, физические свойства

1. Введение

Битумные дорожные покрытия подвержены деградации из-за различных воздействий окружающей среды. Постоянная деформация, возникающая в фундаменте или слоях минеральной основы, является проблемой, требующей обширного обслуживания. Одним из методов, рекомендуемых для устранения причины остаточной деформации, является экологически чистая технология глубокого холодного ресайклинга (CR) [1,2,3,4].Нижние слои дорожного покрытия, изготовленные с использованием CR, представляют собой полужесткие базовые слои, которые обычно изготавливаются с использованием битумных вяжущих (таких как эмульсия или вспененный битум) и минеральных вяжущих (портландцемент, гашеная известь, летучая зола или цементная пыль) [5,6]. Минеральные связующие делают основу более жесткой, тем самым сводя к минимуму возможность восстановления остаточной деформации в слое. С другой стороны, чрезмерная прочность вяжущего может способствовать чрезмерной жесткости вторичного слоя и вызывать образование трещин во всех слоях битумного покрытия [2,5].Чтобы противодействовать этому эффекту и сделать смесь более эластичной, добавляют соответствующее количество битумного вяжущего [7]. Жесткость слоя также можно снизить, заменив цемент дополнительными вяжущими материалами (SCM), такими как гашеная известь, и побочными продуктами процесса производства цемента, такими как цементная пыль (CKD) и цементная байпасная пыль (CBPD) [ 8,9,10,11,12,13,14,15].

Использование цемента с добавлением побочных продуктов, образующихся при производстве цемента, является относительно недавним нововведением и требует проведения дальнейших исследований.Пыль, такая как CKD или CBPD, особенно та, которая образуется при более низких температурах в современных печных системах, может обладать связующими свойствами, поскольку она содержит фазы клинкера [8,9]. Они также могут содержать непрореагировавшую свободную известь [9,13]. Таким образом, присутствие этой пыли может существенно повлиять на свойства связующего, используемого в основном слое. Дополнительным преимуществом этого решения является меньшая зависимость от мусорных свалок в качестве средства удаления пыли [10,13,16]. Количество CKD и CBPD, образующихся в процессе производства цементного клинкера, во многом зависит от применяемой технологии.Как сообщают исследователи [16,17], он обычно составляет от 0 до 25% от массы клинкера. По данным Польской цементной ассоциации, количество пыли, образующейся при производстве цемента, уменьшается. В их последнем отчете установлено, что годовое количество пыли из цементных печей в Польше составляет около 1200 тонн [18]. По сравнению с 25 000 тонн в Омане, 2,7–3,5 млн тонн в Египте, 8 млн тонн в Великобритании и 2,5–12 млн тонн в США [16,19,20,21], количество 1200 тонн кажется незначительным. Однако, поскольку один цементный завод способен производить 1000 тонн CBPD ежедневно [22], зарегистрированный уровень выбросов пыли не совпадает с общим количеством пыли, образующейся на польских цементных заводах, и не включает CKD и CBPD, которые перерабатываются. обратно в систему печи.Количество пыли, используемой таким образом в Польше, намного выше и колеблется от 9000 до 25000 тонн в год [23]. В 2016 году в процессе производства цемента было повторно использовано 15 071 тонна ЦП и КБД [24]. Однако, поскольку переработанная пыль снижает качество цемента, проводятся исследования новых возможностей для удаления пыли [16].

Существует большое количество исследований, изучающих альтернативы использованию CBPD [8,11,14,16]. Одним из важных направлений исследований является стабилизация грунтов [13,16,17,25]. По данным на 2006 год, в США для этой цели используется больше ЦП, чем для производства цемента.В том же источнике упоминается использование пыли при строительстве дорожных покрытий. Ряд исследователей [21,26,27] исследовали применение ЦП в качестве наполнителя в асфальтовых смесях. Цементная пыль байпаса не является инертным материалом, поскольку она содержит фазы, которые обладают связующими свойствами [9,13,17]. Поэтому его можно использовать при производстве минеральных вяжущих. Высокое содержание хлоридов и щелочей [9] не позволяет широко использовать CBPD в производстве классического цементного бетона [16]. Другие области применения этого материала изучаются, например, его включение в связующие, активируемые щелочью [17,19], и в связующие, которые не должны иметь высоких прочностных характеристик [17].Последние минеральные связующие выбирают для глубокой холодной переработки [28,29,30].

Правильный выбор пропорций компонентов смеси холодного ресайклинга имеет ключевое значение с точки зрения требуемых свойств основного слоя. Полужесткое основание должно защищать дорожное покрытие от остаточных деформаций, отражающего растрескивания [2,10] и местного снижения нагрузки на грунтовое полотно из-за грунтовых вод. Требуемые свойства основного слоя достигаются, прежде всего, за счет использования соответствующих соотношений минеральных и битумных вяжущих с известными характеристиками [2].Идентификация свойств минерального вяжущего затруднена, если оно состоит из разных материалов [31,32,33,34]. Самым популярным вяжущим, используемым в CR, является портландцемент. Цемент увеличивает жесткость повторно используемой базовой смеси, тем самым увеличивая риск образования трещин отражения при эксплуатационных нагрузках. Вместе с гашеной известью CBPD используется для снижения жесткости затвердевшего композита [2]. Снижение жесткости с помощью CBPD связано со снижением прочности, поскольку CBPD обеспечивает более слабый скелет, несмотря на его связывающие свойства [9,12,13].Способность CBPD набухать во время схватывания является интересным свойством [9,11,12], которое уравновешивает усадку портландцемента и гашеной извести на стадии схватывания. Смешивая эти три связующих, можно контролировать изменения объема, связанные с установкой.

Это исследование было направлено на изучение свойств трехкомпонентного минерального связующего, которое может использоваться в смесях холодного вторичного использования. В дополнение к обычным компонентам, таким как портландцемент и гашеная известь, связующее содержало CBPD. Трехкомпонентное вяжущее, состоящее из цемента, гашеной извести и CBPD, еще не изучалось для использования в глубокой холодной переработке.План экспериментов, предложенный Аткинсоном и Доневым [36], был принят для расчета состава трехкомпонентных смесей. План включал определение оптимального состава вяжущего цемент-известь-CBPD с точки зрения его использования для смесей базового слоя, подвергнутых холодному ресайклингу. Физико-механические свойства паст и строительных растворов, приготовленных с семью связующими смесями, были определены в соответствии с требованиями PN-EN 13282-2: 2015 [37].

Это исследование было направлено на изучение свойств трехкомпонентного минерального связующего, которое может использоваться в смесях холодного вторичного использования.В дополнение к обычным компонентам, таким как портландцемент и гашеная известь, связующее содержало CBPD. Трехкомпонентное вяжущее, состоящее из цемента, гашеной извести и CBPD, еще не изучалось для использования в глубокой холодной переработке. План экспериментов, предложенный Аткинсоном и Доневым [36], был принят для расчета состава трехкомпонентных смесей. План включал определение оптимального состава вяжущего цемент-известь-CBPD с точки зрения его использования для смесей базового слоя, подвергнутых холодному ресайклингу.Физико-механические свойства паст и строительных растворов, приготовленных с семью связующими смесями, были определены в соответствии с требованиями PN-EN 13282-2: 2015 [37].

2. Материалы и методы

2.1. Свойства компонентов, использованных в приготовлении вяжущего

Исходными материалами, используемыми для создания минеральных дорожных вяжущих, были портландцемент CEM I 32.5R (Cement Ożarów, Oarów, Польша), гашеная известь (ZSChiM «PIOTROWICE II», Sitkówka, Польша) , и CBPD с высоким содержанием свободной извести (Cement Ożarów, Ожаров, Польша).Химический состав материалов показан на. Фазовый состав, определенный с помощью дифракции рентгеновских лучей, представлен в виде рентгенограмм в и в виде таблиц результатов количественного анализа в. Гранулометрический состав сырья приведен в.

Рентгенограммы цемента CEM I 32.5R, CBPD и гашеной извести. Обозначения: A — алит, B’- белит, R — браунмилерит, 3 — C ₃ A, Ar — арканит, Q — кварц, G — гипс, L — свободный CaO, S — сильвин, P — портландит, C — кальцит.

Гранулометрический состав сырья.

Таблица 1

Химический состав портландцемента CEM I 32.5R и цементной байпасной пыли (CBPD).

Таблица 2

Фазовый состав компонентов дорожного вяжущего (%).

Каждый из результатов минералогических испытаний цемента выявил фазовый состав, типичный для каждого соответствующего материала. В CBPD присутствовали две фазы, указывающие на связывающие свойства: CaO и C ₂ S, сопровождаемые сильвином (хлоридом калия) и кальцитом, которые были получены из сырья, которое было кальцинировано перед его поступлением в печь или было перенесено из печи. воздушным потоком, переносящим мостиковые соединения хлора.Незначительное количество кальцита в гашеной извести может быть связано с присутствием недекарбонизированного сырья или частичной карбонизацией портландита. Высокое содержание свободной извести в испытанном CBPD примечательно при сравнении его с другими видами пыли [13].

Было обнаружено, что гранулометрический состав гашеной извести аналогичен гранулометрическому составу портландцемента, то есть от 0 до 100 мкм, при этом у извести больше частиц в диапазоне от 3 до 45 мкм. Перегиб более 12 мкм на кривой градации извести, вероятно, был связан с образованием агломератов частиц извести.Частицы извести размером более 200 мкм исключались из анализа и рассматривались как агломераты мелких частиц, размер которых мог достигать десятков миллиметров. Самые мелкие частицы размером от 0,20 до 18,5 мкм были обнаружены в CBPD. По сравнению с цементом и известью CBPD содержал больше частиц в диапазоне от 0,50 до 18,5 мкм, но меньше частиц в диапазоне от 0,20 до 0,50 мкм. Все компоненты гидравлического вяжущего соответствуют требованиям стандарта EN 13282-2 [20]. Рекомендуемый предел содержания частиц размером более 90 мкм — 15%.Цемент и CBPD соответствовали стандартным требованиям в отношении своего состава.

2.2. Методика

2.2.1. Экспериментальный план

Подгонка поверхностей отклика к результатам смеси выполняется так же, как подгонка к данным из центрального композитного дизайна. Однако данные о смеси ограничены тем, что сумма всех компонентов смеси всегда составляет 100%. Трехкомпонентная смесь может быть определена путем определения точки в треугольной системе координат, определяемой тремя переменными.Все экспериментальные планы, основанные на дизайне смеси, требуют вершинных точек, то есть смесей, состоящих только из одного компонента. На практике эти системы могут оказаться неприменимыми из-за стоимости или других технологических ограничений. В этом эксперименте использовались ограниченные конструкции смеси, то есть базовая конструкция смеси была изменена таким образом, чтобы количество каждого компонента находилось в диапазоне от 20% до 60%. В конечном итоге исследовательская программа была подчинена расчету смеси с ограничениями, основанному на дизайне симплекс-центроид [38].

Влияние состава гидравлического вяжущего на его свойства было определено путем приготовления семи различных дорожных вяжущих на основе экспериментального плана. Принципы симплекс-центроидного дизайна Аткинсона и Донева [36] были приняты для описания связующего состава. План экспериментов предполагает оценку влияния содержания отдельных компонентов и взаимодействий между ними на свойства связующего и позволяет оценить влияние композиции связующего на заданное свойство в любой точке в пределах анализируемой области экспериментального плана. .Симплекс-центроидный дизайн показан на рис. Кроме того, обозначения и составы гидравлических вяжущих показаны на.

Таблица 3

Обозначения и составы связующих (мас.%).

5C

Семь дорожных вяжущих были приготовлены на основе экспериментального плана для всесторонней оценки влияния компонентов вяжущего на свойства затвердевшего раствора. В качестве эталонного связующего использовался чистый портландцемент.

показывает места кодовой маркировки для комбинации компонентов, включенных в универсальное связующее, и метод определения процентного значения этих компонентов. Количество данного компонента в треугольнике — это длина сегмента, который является биссектрисой между соседними сторонами треугольника.Расчет смеси с ограничениями состоял из оценки псевдокомпонентов и обработки области с ограничениями как полной схемы. На практике анализ эксперимента с использованием смесевых планов представляет собой множественную (многомерную) регрессию с постоянной составляющей, приведенной к нулю. Влияние состава смеси на свойства инновационного вяжущего оценивалось на основании анализа адекватности типа аппроксимируемой функции тест-объекта и оценки коэффициентов функции.

В качестве аппроксимирующей функции была принята полиномиальная функция. Степень полинома зависела от важности его формы для объяснения изменчивости результатов теста. Следующим этапом анализа стала оценка коэффициентов полинома со степенью, определенной на основе дисперсионного анализа. Аппроксимация параметров была основана на методе наименьших квадратов (LSM).

2.2.2. Паста и строительный раствор

Химический состав исходных материалов был проанализирован в соответствии с PE-EN 196-2 [39].Фазовый состав был идентифицирован с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) на порошковых образцах. Использовали дифрактометр Empyrean (PANalytical, Алмело, Нидерланды). Диапазон углов 2θ от 5 ° до 75 ° был проанализирован с размером шага 0,0167 ° и временем счета 60 с. Для идентификации фаз использовали программное обеспечение для анализа PANalytical XRD HighScore 4.6 с базой данных PDF-2 Международного центра дифференциальных данных (ICDD). Анализ размера частиц связующих проводился с использованием лазерной дифракции на лазерном дифрактометре Hellos KR (Sympatec, Клаусталь-Целлерфельд, Германия).

Надлежащее количество воды для смешивания, начальное и конечное время схватывания, а также изменения объема связующего были определены с помощью теста Ле Шателье (Институт керамики и строительных материалов, Краков, Польша) в соответствии с PN-EN 196-3 [40]. Испытание Блейна (Институт керамики и строительных материалов, Краков, Польша) использовалось в соответствии с PN-EN 196-6 [41] для измерения удельной поверхности связующих. Эти методы испытаний использовались для объяснения влияния отдельных компонентов на консистенцию приготовленных строительных смесей.

Консистенция раствора была определена с помощью теста на проникновение в соответствии с PN 85 / B-04500 [42] и теста таблицы текучести в соответствии с PN-EN 1015-3 [43].

Эти испытания были выполнены для определения соотношения воды к вяжущему (w / b), необходимого для соответствующей консистенции строительных смесей. Известно, что площадь поверхности и, следовательно, потребность в воде значительно варьируется между цементом, гашеной известью и CBPD. Более того, присутствие значительного количества свободной извести в составе CPBD может способствовать испарению части воды для смешивания в результате выделения тепла во время гидратации [9,12], тем самым снижая эффективное w / b соотношение.Таким образом, существует потребность в определении соотношения вес / вес для каждого связующего, из которого получаются пасты и строительные растворы, пригодные для испытаний, а в более долгосрочной перспективе — для использования в холодном ресайклинге.

Прочность строительного раствора на сжатие и изгиб была измерена на стержнях размером 40 × 40 × 160 мм через 28 и 56 дней в соответствии с PN-EN 196-1 [44]. Определение прочности в течение 56 дней необходимо для проверки соответствия смесей требованиям к дорожным вяжущим, установленным в PN-EN 13282-2: 2015 [37]. 28-дневные испытания представляют собой классические испытания на прочность, выполняемые для различных цементных композитов и широко обсуждаемые в литературе [44].

3. Результаты испытаний физико-механических свойств вяжущего

3.1. Определение плотности, удельной поверхности, надлежащего количества воды и времени схватывания связующих

представляет результаты испытаний на плотность, удельную поверхность, количество воды, время схватывания и стабильность объема связующего.

Таблица 4

Надлежащее количество воды, время схватывания отдельных связующих и результаты определения стабильности объема связующего в кольце Ле Шателье.

99 2,74

Плотность и удельная поверхность связующих зависят от процентного содержания исходных компонентов.Известь или байпасная пыль, используемые вместо цемента, увеличивают водопотребность вяжущего. Это было связано со значительно меньшей удельной поверхностью и большей плотностью цемента [17,44]. Присутствие CBPD увеличивало потребность в воде больше, чем добавление гашеной извести. Начальное время схватывания для всех связующих составило более 150 мин, что соответствует требованиям стандарта. Присутствие гашеной извести в связующем наиболее сильно влияло на увеличение времени схватывания.Самое короткое время схватывания наблюдалось у связующего 3V. Помимо цемента в качестве основного компонента вяжущее 3V содержало небольшие количества извести и CBPD. Действие щелочей и свободной извести, присутствующих в CBPD, способствовало более быстрому схватыванию вяжущего по сравнению с портландцементом. В небольших количествах щелочи и свободная известь могут действовать как активаторы схватывания цемента. Точно так же повышение температуры образца в результате свободной гидратации извести может способствовать более быстрому схватыванию. Однако, как правило, время схватывания приготовленных трехкомпонентных связующих удлинялось.Это было связано с тем, что время схватывания гашеной извести и CBPD было намного дольше, чем у цемента [17,25].

Стандартное требование к цементным вяжущим — изменение плотности по Ле-Шателье не должно превышать 30 мм. Связующие 1V и 4C не соответствовали этому условию; все другие связующие проявляли набухание в допустимых пределах. Таким образом, было очевидно, что высокое содержание CBPD в связующих приводит к значительным изменениям их объема. Результаты, полученные для 4C и 5C, можно было компенсировать добавлением цемента, в то время как добавление гашеной извести имело незначительный эффект.Материал CBDP был основным фактором увеличения потребности в воде вяжущего.

3.2. Определение консистенции строительного раствора

Строительные растворы, содержащие определенные связующие вещества, имеющие состав, как указано для стандартных строительных растворов в PN-EN 196-1, были использованы в испытаниях на консистенцию. собирает средние значения из трех измерений.

Таблица 5

Консистенция анализируемых растворов.

Растворы были испытаны при различных значениях w / b, и результаты консистенции, полученные для растворов с разработанными вяжущими, были сопоставлены с для раствора, приготовленного на цементном вяжущем. Как и в тестах на консистенцию пасты, водопотребность вяжущих увеличивалась с уменьшением содержания цемента. В отличие от паст, различия были меньше, поскольку консистенция растворов в значительной степени зависела от водопотребления заполнителей, а количество заполнителей было одинаковым в каждом образце [44].Эти результаты не подтверждают положительное влияние CBPD на текучесть строительных растворов, как было обнаружено Sreekrishnavilasam и Santagata [17] для материалов с низкой прочностью. Эти результаты подтверждают выводы конкретного анализа, представленные Сиддиком [25], который сообщил о более густой консистенции с повышенным содержанием ХБП.

3.3. Результаты испытаний строительного раствора на прочность на сжатие и изгиб

и показывают результаты испытаний строительного раствора на изгиб и сжатие через 28 и 56 дней.Результаты испытаний на прочность показывают, что использование в связующем побочных продуктов извести и пыли привело к значительному снижению прочности. Механические параметры контрольного образца через 28 дней были значительно выше, чем у других образцов. Прочность на изгиб и сжатие образца 3V, содержащего на 40% меньше цемента, была на 50% и 55% соответственно меньше, чем у контрольного образца. Таким образом, видно, что зависимость прочности от содержания цемента не была линейной. На прочность растворов особенно повлияло добавление гашеной извести к связующему.Присутствие CBPD в связующем также снижает прочность строительных смесей, что подтверждается другими исследованиями [14,17,25]. Через 56 дней все смеси, за исключением смеси 2V с наибольшим содержанием гашеной извести, соответствовали стандартным требованиям прочности для гидравлических дорожных вяжущих, достигая минимальной прочности 2,5 МПа, что соответствует классу N1. Наивысшая прочность на сжатие, 23,7 МПа через 56 дней, была достигнута у вяжущего 3V, в котором портландцемент был доминирующим компонентом, представляющим классы N2 и N3.

28-дневная прочность на сжатие и изгиб брусков раствора, изготовленных с дорожным вяжущим.

Прочность на сжатие и изгиб в течение 56 дней строительных брусков, изготовленных с использованием дорожного вяжущего.

В большинстве случаев сравнение 28-дневного и 56-дневного тестов показало лишь незначительные изменения силы. Таким образом, можно сделать вывод, что испытанные связующие вели себя как обычные связующие портландцемента, причем увеличение прочности происходило в основном за период менее 28 дней. Обычно изменения, происходящие по истечении этого времени, приводили к увеличению прочности, за исключением связующих 5C и 6C.Наблюдаемое снижение прочности этих вяжущих может быть связано с прогрессирующим разрушением бетона из-за влияния хлоридов из CBPD [14,17,45].

В течение первых 2-х суток на поверхности прутков кристаллизовался белый налет с высоким содержанием цементной пыли (1V). Результаты исследования дифракции рентгеновских лучей () показали, что осадок состоит из кристаллов сильвина. Рентгенограмма также показала единичные очень слабые пики других фаз в растворе на основе цемента, кварце и кальците.

Рентгенограмма отложений на поверхности брусков дорожного вяжущего раствора. Q — кварц, S — сильвин, C — кальцит.

Эти данные подтверждают перекристаллизацию сильвина во время схватывания и отверждения связующего, содержащего CBPD, как было обнаружено в предыдущих исследованиях [9,12]. В предыдущих исследованиях было обнаружено, что перекристаллизация сильвина внутри пасты изменяет ее микроструктуру. Образовывались мелкие кристаллы и пленки KCl. Как было продемонстрировано, кристаллическая пленка также могла образовываться на поверхности образцов, принимая форму крупных кристаллов, видимых невооруженным глазом.Образование таких крупных кристаллов в ограниченном пространстве матрицы пасты может повредить ее и, таким образом, снизить ее прочность. Это может объяснить снижение прочности в период между 28 и 56 днями, наблюдаемое для связующих 5C и 6C, и отсутствие стабильности размеров затвердевших образцов [14,17].

4. Обсуждение

Для оценки полученных результатов был применен экспериментальный план симплекс-центроид. Для описания переменных использовались модели второй и третьей степени (специальная кубическая).показывает поверхности отклика компонентов связующего и их влияние на прочность на изгиб и сжатие брусков раствора.

Поверхности отклика для переменных: ( a ) прочность на сжатие стержней раствора через 56 дней и ( b ) прочность на изгиб стержней раствора через 56 дней.

показывает оптимизацию состава дорожного вяжущего в отношении прочности. Анализ влияния вяжущей композиции на ее прочность на сжатие (а) показал, что цемент в первую очередь отвечает за полезные свойства трехкомпонентного дорожного вяжущего.Чтобы соответствовать требованиям EN 13282-2: 2015 для класса N1, дорожное вяжущее должно содержать до 60% гашеной извести при содержании CBPD около 30%, но эти пропорции не были оптимальными из-за времени схватывания. Учитывая параметры прочности, CBPD может заменить цемент в больших количествах. Теоретически весь цемент можно заменить на CBPD в дорожных вяжущих. Это было невозможно из-за несоблюдения требований к прочности связующих. По этой причине содержание CBPD в дорожном вяжущем не должно превышать 40% ().Это значение, однако, все еще в два раза больше, чем рекомендуемая максимальная дозировка CPBD, используемого в качестве минеральной добавки для цемента [8]. Это также значительно больше, чем количество (12%), рекомендованное в качестве требований к водостойкости дорожного вяжущего [29].

Замена цемента гашеной известью и CBPD часто приводит к значительному снижению прочности на сжатие вяжущего, что позволяет отнести его только к классу N1. Для получения дорожного вяжущего более высокого класса минимально необходимое количество цемента должно составлять 50% от массы вяжущего.

Было замечено, что прочность бетона на изгиб в целом ниже, чем у раствора; Таким образом, раствор определяет верхний предел прочности бетона на изгиб [45]. Этот вывод важен при проектировании дорожных покрытий на основе значений прочности на изгиб и играет роль в случае повторно используемых слоев основы. Нет требований к прочности на изгиб растворов с гидравлическим дорожным вяжущим.

Результаты (б) показывают, что по сравнению с CBPD снижение прочности на изгиб из-за извести было намного больше.Теоретически, чтобы прочность раствора упала ниже 2 МПа, достаточно заменить 55% цемента ЦЕМ 32.5R гашеной известью. Чтобы получить такой же эффект с CBPD, количество заменяемого цемента должно составлять не менее 85%.

5. Выводы

Результаты испытаний, полученные в результате этого исследования, показывают, что:

• Соответствующая комбинация компонентов гидравлического дорожного вяжущего дала оптимальный состав для требуемых механических и физических характеристик в повторно используемом слое основы.

• Добавление CBPD и гашеной извести к портландцементу позволило получить минеральное дорожное вяжущее с классом N1 до N3, которое соответствовало требованиям EN 13282 2: 2015.

• Наличие CBPD в минеральном вяжущем увеличило его потребность в воде и объем во время схватывания. Это также вызвало кристаллизацию хлорида калия, которая произошла после схватывания связующего, что проявилось в образовании белого налета на поверхности раствора.

• Присутствие гашеной извести в первую очередь способствовало увеличению времени схватывания и снижению прочности раствора на изгиб и сжатие.

• Содержание портландцемента было основным фактором, увеличившим прочность цементно-известково-CBPD раствора.

• Замена портландцемента на 50% гашеную известь и CBPD обеспечила сохранение требуемых физико-механических свойств, что продемонстрировано оптимизацией состава гидравлического дорожного вяжущего. Для производства дорожного вяжущего не следует использовать CBPD в количестве, превышающем 40% от массы вяжущего.

• Присутствие CBPD снижает прочность растворов из-за перекристаллизации KCl.

Вклад авторов

Концептуализация, Z.O .; методология, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; проверка, Z.O., P.C., and J.Z.-S .; формальный анализ, З.О. и ПК; расследование, P.C. и J.Z.-S .; ресурсы, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; data curation, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; письмо — подготовка оригинального проекта, Z.O., P.C. и J.Z.-S; написание — просмотр и редактирование, Z.O., P.C. и J.Z.-S; визуализация, ПК; надзор, З.О .; администрация проекта, Z.O .; привлечение финансирования, Z.О. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Результаты исследования были разработаны в рамках проекта под названием «Инновационная технология, используемая для оптимизации связующего агента, обеспечивающая долгий срок службы переработанного базового слоя» (TECHMATSTRATEG1 / 349326/9 / NCBR / 2017) в рамках научное начинание Программы стратегических исследований и разработок под названием «Современные технологии материалов» (TECHMATSTRATEG I), которое финансируется Национальным центром исследований и разработок (польский NCBR).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Бучиньски П., Ивански М. Влияние полимерного порошка на свойства холодно-переработанной смеси со вспененным битумом. Материалы. 2019; 12: 4244. DOI: 10.3390 / ma12244244. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 2. Ивански М., Хомич-Ковляска А. Лабораторные исследования механических параметров вспененной битумной смеси в технологии холодного рециклинга. Процедуры Eng.2013; 57: 433–442. DOI: 10.1016 / j.proeng.2013.04.056. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Ивански М., Хомич-Ковальска А. Применение вспененного битума и битумной эмульсии в дорожных базовых смесях в технологии глубокой холодной переработки. Baltic J. Road Bridge Eng. 2016; 11: 93–101. DOI: 10.3846 / bjrbe.2016.11. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Ивански М., Бучиньски П., Мазурек Г. Использование габброидной пыли в холодном ресайклинге асфальтовых смесей со вспененным битумом. Бык. Pol. Акад. Sci. Tech. Sci. 2016; 64: 763–773.DOI: 10.1515 / bpasts-2016-0085. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Хомич-Ковальска А., Мацеевски К. Характеристики и вязкоупругая сборка холодно-вспененных битумных смесей с высокой степенью рециклинга, изготовленных с использованием вяжущих для разной проницаемости, для восстановления разрушенных дорожных покрытий. J. Clean. Prod. 2020; 23: 120517. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2020.120517. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Кукиелка Ю. Глубокий холодный ресайклинг на местной асфальтированной дороге. Materiały Budowlane. 2014; 12: 11–13. [Google Scholar] 7. Judycki J., Dołżycki B., Hunik K., Stienss M. Weryfikacja Zasad Projektowania Mieszanek Mineralno-Cementowo-Emulsyjnych. Гданьский технологический университет; Гданьск, Польша: 2006. С. 7–48. [Google Scholar] 8. Барнат-Хунек Д., Гора Й., Сухораб З., Лагод Г. 5 — Цементная пыль. В: Sissique R., Cachim P., ред. Отходы и дополнительные вяжущие материалы в бетоне: характеристика, свойства и применение. Издательство Woodhead Publishing; Кембридж, Великобритания: 2018. С. 149–180. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Чапик П., Запала-Слава Ю., Овсяк З., Стемпень П. Гидратация цементной байпасной пыли. Констр. Строительный мат. 2020; 231: 117139. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2019.117139. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ивански М., Бучиньски П., Мазурек Г. Оптимизация дорожного вяжущего в слое дорожного строительства. Констр. Строительный мат. 2016; 125: 1044–1054. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2016.08.112. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Нокунь-Вчелик В., Столярска К. Калориметрия в исследованиях пыли цементных печей байпаса в качестве добавки к алюминатному цементу.J. Therm. Анальный. Калорим. 2019; 138: 4561–4569. DOI: 10.1007 / s10973-019-08913-2. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Овсяк З., Чапик П., Запала-Славета Ю. Испытания цемента, гашеной извести и цементных байпасных пылеулавливающих смесей. Дороги Мосты — Дроги и Мосты. 2020; 19: 135–147. DOI: 10.7409 / rabdim.020.009. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Peethamparan S., Olek J., Lovell J. Влияние химических и физических характеристик пыли цементных печей (CKD) на их гидратационные свойства и потенциальную пригодность для стабилизации грунта.Джем. Concr. Res. 2008. 38: 803–815. DOI: 10.1016 / j.cemconres.2008.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Стрычек С., Гонет А., Чапик П. Разработка технологических свойств герметизирующих растворов с использованием цементной пыли. AGH Drill. Нефтяной газ. 2009. 26: 345–354. [Google Scholar] 15. Со М., Ли С.-Й., Ли К., Чо С.-С. Переработка пыли цементных печей в качестве сырья для цемента. Среды. 2019; 6: 113. DOI: 10.3390 / Environment6100113. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Адаска В.С., Тауберт Д.Х. Выгодное использование пыли цементных печей; Протоколы технической конференции IEEE Cement Industry 2008; Майами, Флорида, США.18–28 мая 2008 г .; [CrossRef] [Google Scholar] 17. Срикришнавиласам А., Сантагата М.С. Отчет № FHWA / IN / JTRP-2005/10 Разработка критериев использования пыли цементных печей (CKD) в инфраструктуре автомобильных дорог. Университет Пердью; Вест Лафайет, Индиана, США: 2006. Совместная программа транспортных исследований. [Google Scholar] 19. Абдель-Гани Н.Т., Эль-Сайед Х.А., Эль-Хабак А.А. Использование байпасной цементной пыли и доменного шлака с воздушным охлаждением при производстве некоторых «зеленых» цементных изделий.HBRC J. 2018; 14: 408–414. DOI: 10.1016 / j.hbrcj.2017.11.001. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Дарвиш Х. Обзорная статья о влиянии электростатических осадков от пыли из цементных печей на окружающую среду и здоровье населения. Являюсь. J. Biol. Environ. Стат. 2017; 3: 36–43. DOI: 10.11648 / j.ajbes.20170303.11. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Таха Р., Аль-Равас А., Аль-Харти А., Катан А. Использование цементной байпасной пыли в качестве наполнителя в асфальтобетонной смеси. J. Mater. Civil Eng. 2002. 14: 338–343. DOI: 10.1061 / (ASCE) 0899-1561 (2002) 14: 4 (338).[CrossRef] [Google Scholar] 22. Хатер Г.А. Использование байпасной цементной пыли для производства стеклокерамических материалов. Adv. Прил. Ceram. 2006; 105: 107–111. DOI: 10.1179 / 174367606X86736. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Уляш-Бохенчик А. Химические характеристики пыли цементных печей. Господ. Surowcami Мин. 2019; 35: 87–102. DOI: 10.24425 / GSM.2019.128524. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Сиддик Р. Использование пыли цементных печей (ЦП) в цементном растворе и бетоне — обзор. Ресурс. Консерв. Recycl.2006. 48: 315–338. DOI: 10.1016 / j.resconrec.2006.03.010. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Орешкович М., Трифунович С., Младенович Г. Использование гашеной извести и цементной байпасной пыли в качестве альтернативных наполнителей в горячих асфальтовых смесях; Материалы 17-го Коллоквиума «Асфальт, битум и тротуары»; Блед, Словения. 27–29 ноября 2019 г. [Google Scholar] 27. Ходары Ф., Абд Эль-Садек М.С., Эль-Шестави Х.С. Наноразмерный цементный обход в качестве модификатора асфальта при строительстве автомобильных дорог. Int. J. Eng. Res. Прил. 2013; 3: 645–648. [Google Scholar] 28.Бучинский П., Ивански М. Влияние гидратированной извести, портландцемента и цементной пыли на реологические свойства переработанных холодных смесей со вспененным битумом; Материалы 10-й Международной конференции «Экологическая инженерия»; Вильнюс, Литва. 27–28 апреля 2017 г .; [CrossRef] [Google Scholar] 29. Бучиньски П., Ивански М., Мазурек Г. Водостойкость переработанной основы со вспененным битумом с точки зрения композиции дорожного вяжущего. Бутон. Arch. 2016; 15: 19–29. DOI: 10.24358 / Bud-Arch_16_151_02.[CrossRef] [Google Scholar] 30. Омрани М.А., Модаррес А. Эмульгированные смеси холодного ресайклинга с использованием пыли цементных печей и золы угольных отходов — механическое воздействие на окружающую среду. J. Clean. Prod. 2018; 199: 101–111. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2018.07.155. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Бахар Р., Бенаццуг М., Кенай С. Характеристики уплотненного цементно-стабилизированного грунта. Джем. Concr. Compos. 2004; 26: 811–820. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.01.003. [CrossRef] [Google Scholar] 32. Махамеди А., Хемисса М. Стабилизация расширяющейся переуплотненной глины с помощью гидравлических вяжущих.HBRC J. 2015; 11: 82–90. DOI: 10.1016 / j.hbrcj.2014.03.001. [CrossRef] [Google Scholar] 33. Перес П., Агрела Ф., Херрадор Р., Ордоньес Дж. Применение переработанных материалов, обработанных цементом, при строительстве участка дороги в Малаге, Испания. Констр. Строить. Мат. 2013; 44: 593–599. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2013.02.034. [CrossRef] [Google Scholar] 34. Пизон Ю., Лавневска-Пекарчик Б. Оценка эффективности примесей и пыли цементных печей при взаимодействии с цементами с шлаковой смесью разного фазового состава.IOP Conf. Сер. Матер. Sci. Англ. 2019; 603: 032088. DOI: 10.1088 / 1757-899X / 603/3/032088. [CrossRef] [Google Scholar] 35. Чарнецкий Л., Курдовский В. Tendencje kształtujące przyszłość betonu. Budownictwo Technologie Architektura. 2007; 1: 50–55. [Google Scholar] 36. Аткинсон А.С., Донев А.Н. Оптимальные экспериментальные планы, Oxford Science Publications. Clarendon Press; Оксфорд, Великобритания: 1992. [Google Scholar] 37. Польский комитет по стандартизации. Гидравлические дорожные вяжущие. Гидравлические дорожные вяжущие нормального твердения.Состав, технические характеристики и критерии соответствия. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2015. PN-EN 13282-2: 2015. [Google Scholar] 38. Лазич Ž.R. Дизайн экспериментов в химической инженерии: Практическое руководство. Wiley-VCH; Weinheim, Germany: 2004. [Google Scholar] 39. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Химический анализ цемента. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2013. PN-EN 196-2: 2013. [Google Scholar] 40. Польский комитет по стандартизации.Методы испытания цемента. Определение сроков схватывания и прочности. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2016. PN-EN 196-3: 2016. [Google Scholar] 41. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Определение тонкости помола. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2018. PN-EN 196-6: 2018. [Google Scholar] 42. Польский комитет по стандартизации. Строительные растворы — испытание физико-механических свойств. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 1985.PN 85 / B-04500. [Google Scholar] 43. Польский комитет по стандартизации. Методы испытаний строительных растворов для кладки. Определение консистенции свежего строительного раствора (таблицей расхода) Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2005. PN-EN 1015-3: 2000 / A1: 2005. [Google Scholar] 44. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Определение силы. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2016. PN-EN 196-1: 2016. [Google Scholar] 45. Невилл А. Свойства бетона.5-е изд. Пирсон; Харлоу, Великобритания: 2011. [Google Scholar]

Свойства трехкомпонентного минерального дорожного вяжущего для технологии глубокой холодной переработки

Материалы (Базель). 2020 Aug; 13 (16): 3585.

Факультет гражданского строительства и архитектуры, Технологический университет Кельце, 25-314 Кельце, Польша; lp.ecleik.ut@kaiswo

Поступило 08.07.2020; Принято 11 августа 2020 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0 /). Эту статью цитировали в других статьях в PMC.

Abstract

В этом исследовании изучались физические свойства трехкомпонентного минерального вяжущего, которое обычно используется при глубокой холодной переработке. Тестовые вяжущие были произведены с использованием портландцемента, гашеной извести и цементной байпасной пыли (CBPD) в качестве побочного продукта, полученного при производстве цемента. Была оценена пригодность CBPD для использования в дорожных вяжущих. Определено влияние трехкомпонентной вяжущей композиции на время схватывания, прочность, консистенцию, прочность на разрыв и сжатие цементных паст и растворов.Были испытаны пасты и строительные растворы одинаковой консистенции, полученные при различных соотношениях вес / вес. На основании этого были определены пропорции смесей, приводящие к получению дорожных вяжущих, удовлетворяющих требованиям PN-EN 13282-2: 2015. Путем смешивания цемента, извести и CBPD во время испытаний были получены вяжущие классы от N1 до N3. Замена 40% массы цемента на CBPD с высоким содержанием свободной извести позволила получить дорожные вяжущие, подходящие для вторичных слоев основания. Общее содержание CBPD и гашеной извести в дорожном вяжущем не должно превышать 50% по массе.Обсуждался потенциальный риск снижения прочности строительного раствора из-за перекристаллизации KCl.

Ключевые слова: цементная пыль, цементное тесто, раствор, смешанное минеральное вяжущее, физические свойства

1. Введение

Битумные дорожные покрытия подвержены деградации из-за различных воздействий окружающей среды. Постоянная деформация, возникающая в фундаменте или слоях минеральной основы, является проблемой, требующей обширного обслуживания. Одним из методов, рекомендуемых для устранения причины остаточной деформации, является экологически чистая технология глубокого холодного ресайклинга (CR) [1,2,3,4].Нижние слои дорожного покрытия, изготовленные с использованием CR, представляют собой полужесткие базовые слои, которые обычно изготавливаются с использованием битумных вяжущих (таких как эмульсия или вспененный битум) и минеральных вяжущих (портландцемент, гашеная известь, летучая зола или цементная пыль) [5,6]. Минеральные связующие делают основу более жесткой, тем самым сводя к минимуму возможность восстановления остаточной деформации в слое. С другой стороны, чрезмерная прочность вяжущего может способствовать чрезмерной жесткости вторичного слоя и вызывать образование трещин во всех слоях битумного покрытия [2,5].Чтобы противодействовать этому эффекту и сделать смесь более эластичной, добавляют соответствующее количество битумного вяжущего [7]. Жесткость слоя также можно снизить, заменив цемент дополнительными вяжущими материалами (SCM), такими как гашеная известь, и побочными продуктами процесса производства цемента, такими как цементная пыль (CKD) и цементная байпасная пыль (CBPD) [ 8,9,10,11,12,13,14,15].

Использование цемента с добавлением побочных продуктов, образующихся при производстве цемента, является относительно недавним нововведением и требует проведения дальнейших исследований.Пыль, такая как CKD или CBPD, особенно та, которая образуется при более низких температурах в современных печных системах, может обладать связующими свойствами, поскольку она содержит фазы клинкера [8,9]. Они также могут содержать непрореагировавшую свободную известь [9,13]. Таким образом, присутствие этой пыли может существенно повлиять на свойства связующего, используемого в основном слое. Дополнительным преимуществом этого решения является меньшая зависимость от мусорных свалок в качестве средства удаления пыли [10,13,16]. Количество CKD и CBPD, образующихся в процессе производства цементного клинкера, во многом зависит от применяемой технологии.Как сообщают исследователи [16,17], он обычно составляет от 0 до 25% от массы клинкера. По данным Польской цементной ассоциации, количество пыли, образующейся при производстве цемента, уменьшается. В их последнем отчете установлено, что годовое количество пыли из цементных печей в Польше составляет около 1200 тонн [18]. По сравнению с 25 000 тонн в Омане, 2,7–3,5 млн тонн в Египте, 8 млн тонн в Великобритании и 2,5–12 млн тонн в США [16,19,20,21], количество 1200 тонн кажется незначительным. Однако, поскольку один цементный завод способен производить 1000 тонн CBPD ежедневно [22], зарегистрированный уровень выбросов пыли не совпадает с общим количеством пыли, образующейся на польских цементных заводах, и не включает CKD и CBPD, которые перерабатываются. обратно в систему печи.Количество пыли, используемой таким образом в Польше, намного выше и колеблется от 9000 до 25000 тонн в год [23]. В 2016 году в процессе производства цемента было повторно использовано 15 071 тонна ЦП и КБД [24]. Однако, поскольку переработанная пыль снижает качество цемента, проводятся исследования новых возможностей для удаления пыли [16].

Существует большое количество исследований, изучающих альтернативы использованию CBPD [8,11,14,16]. Одним из важных направлений исследований является стабилизация грунтов [13,16,17,25]. По данным на 2006 год, в США для этой цели используется больше ЦП, чем для производства цемента.В том же источнике упоминается использование пыли при строительстве дорожных покрытий. Ряд исследователей [21,26,27] исследовали применение ЦП в качестве наполнителя в асфальтовых смесях. Цементная пыль байпаса не является инертным материалом, поскольку она содержит фазы, которые обладают связующими свойствами [9,13,17]. Поэтому его можно использовать при производстве минеральных вяжущих. Высокое содержание хлоридов и щелочей [9] не позволяет широко использовать CBPD в производстве классического цементного бетона [16]. Другие области применения этого материала изучаются, например, его включение в связующие, активируемые щелочью [17,19], и в связующие, которые не должны иметь высоких прочностных характеристик [17].Последние минеральные связующие выбирают для глубокой холодной переработки [28,29,30].

Правильный выбор пропорций компонентов смеси холодного ресайклинга имеет ключевое значение с точки зрения требуемых свойств основного слоя. Полужесткое основание должно защищать дорожное покрытие от остаточных деформаций, отражающего растрескивания [2,10] и местного снижения нагрузки на грунтовое полотно из-за грунтовых вод. Требуемые свойства основного слоя достигаются, прежде всего, за счет использования соответствующих соотношений минеральных и битумных вяжущих с известными характеристиками [2].Идентификация свойств минерального вяжущего затруднена, если оно состоит из разных материалов [31,32,33,34]. Самым популярным вяжущим, используемым в CR, является портландцемент. Цемент увеличивает жесткость повторно используемой базовой смеси, тем самым увеличивая риск образования трещин отражения при эксплуатационных нагрузках. Вместе с гашеной известью CBPD используется для снижения жесткости затвердевшего композита [2]. Снижение жесткости с помощью CBPD связано со снижением прочности, поскольку CBPD обеспечивает более слабый скелет, несмотря на его связывающие свойства [9,12,13].Способность CBPD набухать во время схватывания является интересным свойством [9,11,12], которое уравновешивает усадку портландцемента и гашеной извести на стадии схватывания. Смешивая эти три связующих, можно контролировать изменения объема, связанные с установкой.

Это исследование было направлено на изучение свойств трехкомпонентного минерального связующего, которое может использоваться в смесях холодного вторичного использования. В дополнение к обычным компонентам, таким как портландцемент и гашеная известь, связующее содержало CBPD. Трехкомпонентное вяжущее, состоящее из цемента, гашеной извести и CBPD, еще не изучалось для использования в глубокой холодной переработке.План экспериментов, предложенный Аткинсоном и Доневым [36], был принят для расчета состава трехкомпонентных смесей. План включал определение оптимального состава вяжущего цемент-известь-CBPD с точки зрения его использования для смесей базового слоя, подвергнутых холодному ресайклингу. Физико-механические свойства паст и строительных растворов, приготовленных с семью связующими смесями, были определены в соответствии с требованиями PN-EN 13282-2: 2015 [37].

Это исследование было направлено на изучение свойств трехкомпонентного минерального связующего, которое может использоваться в смесях холодного вторичного использования.В дополнение к обычным компонентам, таким как портландцемент и гашеная известь, связующее содержало CBPD. Трехкомпонентное вяжущее, состоящее из цемента, гашеной извести и CBPD, еще не изучалось для использования в глубокой холодной переработке. План экспериментов, предложенный Аткинсоном и Доневым [36], был принят для расчета состава трехкомпонентных смесей. План включал определение оптимального состава вяжущего цемент-известь-CBPD с точки зрения его использования для смесей базового слоя, подвергнутых холодному ресайклингу.Физико-механические свойства паст и строительных растворов, приготовленных с семью связующими смесями, были определены в соответствии с требованиями PN-EN 13282-2: 2015 [37].

2. Материалы и методы

2.1. Свойства компонентов, использованных в приготовлении вяжущего

Исходными материалами, используемыми для создания минеральных дорожных вяжущих, были портландцемент CEM I 32.5R (Cement Ożarów, Oarów, Польша), гашеная известь (ZSChiM «PIOTROWICE II», Sitkówka, Польша) , и CBPD с высоким содержанием свободной извести (Cement Ożarów, Ожаров, Польша).Химический состав материалов показан на. Фазовый состав, определенный с помощью дифракции рентгеновских лучей, представлен в виде рентгенограмм в и в виде таблиц результатов количественного анализа в. Гранулометрический состав сырья приведен в.

Рентгенограммы цемента CEM I 32.5R, CBPD и гашеной извести. Обозначения: A — алит, B’- белит, R — браунмилерит, 3 — C ₃ A, Ar — арканит, Q — кварц, G — гипс, L — свободный CaO, S — сильвин, P — портландит, C — кальцит.

Гранулометрический состав сырья.

Таблица 1

Химический состав портландцемента CEM I 32.5R и цементной байпасной пыли (CBPD).

Таблица 2

Фазовый состав компонентов дорожного вяжущего (%).

Каждый из результатов минералогических испытаний цемента выявил фазовый состав, типичный для каждого соответствующего материала. В CBPD присутствовали две фазы, указывающие на связывающие свойства: CaO и C ₂ S, сопровождаемые сильвином (хлоридом калия) и кальцитом, которые были получены из сырья, которое было кальцинировано перед его поступлением в печь или было перенесено из печи. воздушным потоком, переносящим мостиковые соединения хлора.Незначительное количество кальцита в гашеной извести может быть связано с присутствием недекарбонизированного сырья или частичной карбонизацией портландита. Высокое содержание свободной извести в испытанном CBPD примечательно при сравнении его с другими видами пыли [13].

Было обнаружено, что гранулометрический состав гашеной извести аналогичен гранулометрическому составу портландцемента, то есть от 0 до 100 мкм, при этом у извести больше частиц в диапазоне от 3 до 45 мкм. Перегиб более 12 мкм на кривой градации извести, вероятно, был связан с образованием агломератов частиц извести.Частицы извести размером более 200 мкм исключались из анализа и рассматривались как агломераты мелких частиц, размер которых мог достигать десятков миллиметров. Самые мелкие частицы размером от 0,20 до 18,5 мкм были обнаружены в CBPD. По сравнению с цементом и известью CBPD содержал больше частиц в диапазоне от 0,50 до 18,5 мкм, но меньше частиц в диапазоне от 0,20 до 0,50 мкм. Все компоненты гидравлического вяжущего соответствуют требованиям стандарта EN 13282-2 [20]. Рекомендуемый предел содержания частиц размером более 90 мкм — 15%.Цемент и CBPD соответствовали стандартным требованиям в отношении своего состава.

2.2. Методика

2.2.1. Экспериментальный план

Подгонка поверхностей отклика к результатам смеси выполняется так же, как подгонка к данным из центрального композитного дизайна. Однако данные о смеси ограничены тем, что сумма всех компонентов смеси всегда составляет 100%. Трехкомпонентная смесь может быть определена путем определения точки в треугольной системе координат, определяемой тремя переменными.Все экспериментальные планы, основанные на дизайне смеси, требуют вершинных точек, то есть смесей, состоящих только из одного компонента. На практике эти системы могут оказаться неприменимыми из-за стоимости или других технологических ограничений. В этом эксперименте использовались ограниченные конструкции смеси, то есть базовая конструкция смеси была изменена таким образом, чтобы количество каждого компонента находилось в диапазоне от 20% до 60%. В конечном итоге исследовательская программа была подчинена расчету смеси с ограничениями, основанному на дизайне симплекс-центроид [38].

Влияние состава гидравлического вяжущего на его свойства было определено путем приготовления семи различных дорожных вяжущих на основе экспериментального плана. Принципы симплекс-центроидного дизайна Аткинсона и Донева [36] были приняты для описания связующего состава. План экспериментов предполагает оценку влияния содержания отдельных компонентов и взаимодействий между ними на свойства связующего и позволяет оценить влияние композиции связующего на заданное свойство в любой точке в пределах анализируемой области экспериментального плана. .Симплекс-центроидный дизайн показан на рис. Кроме того, обозначения и составы гидравлических вяжущих показаны на.

Таблица 3

Обозначения и составы связующих (мас.%).

5C

Семь дорожных вяжущих были приготовлены на основе экспериментального плана для всесторонней оценки влияния компонентов вяжущего на свойства затвердевшего раствора. В качестве эталонного связующего использовался чистый портландцемент.

показывает места кодовой маркировки для комбинации компонентов, включенных в универсальное связующее, и метод определения процентного значения этих компонентов. Количество данного компонента в треугольнике — это длина сегмента, который является биссектрисой между соседними сторонами треугольника.Расчет смеси с ограничениями состоял из оценки псевдокомпонентов и обработки области с ограничениями как полной схемы. На практике анализ эксперимента с использованием смесевых планов представляет собой множественную (многомерную) регрессию с постоянной составляющей, приведенной к нулю. Влияние состава смеси на свойства инновационного вяжущего оценивалось на основании анализа адекватности типа аппроксимируемой функции тест-объекта и оценки коэффициентов функции.

В качестве аппроксимирующей функции была принята полиномиальная функция. Степень полинома зависела от важности его формы для объяснения изменчивости результатов теста. Следующим этапом анализа стала оценка коэффициентов полинома со степенью, определенной на основе дисперсионного анализа. Аппроксимация параметров была основана на методе наименьших квадратов (LSM).

2.2.2. Паста и строительный раствор

Химический состав исходных материалов был проанализирован в соответствии с PE-EN 196-2 [39].Фазовый состав был идентифицирован с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) на порошковых образцах. Использовали дифрактометр Empyrean (PANalytical, Алмело, Нидерланды). Диапазон углов 2θ от 5 ° до 75 ° был проанализирован с размером шага 0,0167 ° и временем счета 60 с. Для идентификации фаз использовали программное обеспечение для анализа PANalytical XRD HighScore 4.6 с базой данных PDF-2 Международного центра дифференциальных данных (ICDD). Анализ размера частиц связующих проводился с использованием лазерной дифракции на лазерном дифрактометре Hellos KR (Sympatec, Клаусталь-Целлерфельд, Германия).

Надлежащее количество воды для смешивания, начальное и конечное время схватывания, а также изменения объема связующего были определены с помощью теста Ле Шателье (Институт керамики и строительных материалов, Краков, Польша) в соответствии с PN-EN 196-3 [40]. Испытание Блейна (Институт керамики и строительных материалов, Краков, Польша) использовалось в соответствии с PN-EN 196-6 [41] для измерения удельной поверхности связующих. Эти методы испытаний использовались для объяснения влияния отдельных компонентов на консистенцию приготовленных строительных смесей.

Консистенция раствора была определена с помощью теста на проникновение в соответствии с PN 85 / B-04500 [42] и теста таблицы текучести в соответствии с PN-EN 1015-3 [43].

Эти испытания были выполнены для определения соотношения воды к вяжущему (w / b), необходимого для соответствующей консистенции строительных смесей. Известно, что площадь поверхности и, следовательно, потребность в воде значительно варьируется между цементом, гашеной известью и CBPD. Более того, присутствие значительного количества свободной извести в составе CPBD может способствовать испарению части воды для смешивания в результате выделения тепла во время гидратации [9,12], тем самым снижая эффективное w / b соотношение.Таким образом, существует потребность в определении соотношения вес / вес для каждого связующего, из которого получаются пасты и строительные растворы, пригодные для испытаний, а в более долгосрочной перспективе — для использования в холодном ресайклинге.

Прочность строительного раствора на сжатие и изгиб была измерена на стержнях размером 40 × 40 × 160 мм через 28 и 56 дней в соответствии с PN-EN 196-1 [44]. Определение прочности в течение 56 дней необходимо для проверки соответствия смесей требованиям к дорожным вяжущим, установленным в PN-EN 13282-2: 2015 [37]. 28-дневные испытания представляют собой классические испытания на прочность, выполняемые для различных цементных композитов и широко обсуждаемые в литературе [44].

3. Результаты испытаний физико-механических свойств вяжущего

3.1. Определение плотности, удельной поверхности, надлежащего количества воды и времени схватывания связующих

представляет результаты испытаний на плотность, удельную поверхность, количество воды, время схватывания и стабильность объема связующего.

Таблица 4

Надлежащее количество воды, время схватывания отдельных связующих и результаты определения стабильности объема связующего в кольце Ле Шателье.

99 2,74

Плотность и удельная поверхность связующих зависят от процентного содержания исходных компонентов.Известь или байпасная пыль, используемые вместо цемента, увеличивают водопотребность вяжущего. Это было связано со значительно меньшей удельной поверхностью и большей плотностью цемента [17,44]. Присутствие CBPD увеличивало потребность в воде больше, чем добавление гашеной извести. Начальное время схватывания для всех связующих составило более 150 мин, что соответствует требованиям стандарта. Присутствие гашеной извести в связующем наиболее сильно влияло на увеличение времени схватывания.Самое короткое время схватывания наблюдалось у связующего 3V. Помимо цемента в качестве основного компонента вяжущее 3V содержало небольшие количества извести и CBPD. Действие щелочей и свободной извести, присутствующих в CBPD, способствовало более быстрому схватыванию вяжущего по сравнению с портландцементом. В небольших количествах щелочи и свободная известь могут действовать как активаторы схватывания цемента. Точно так же повышение температуры образца в результате свободной гидратации извести может способствовать более быстрому схватыванию. Однако, как правило, время схватывания приготовленных трехкомпонентных связующих удлинялось.Это было связано с тем, что время схватывания гашеной извести и CBPD было намного дольше, чем у цемента [17,25].

Стандартное требование к цементным вяжущим — изменение плотности по Ле-Шателье не должно превышать 30 мм. Связующие 1V и 4C не соответствовали этому условию; все другие связующие проявляли набухание в допустимых пределах. Таким образом, было очевидно, что высокое содержание CBPD в связующих приводит к значительным изменениям их объема. Результаты, полученные для 4C и 5C, можно было компенсировать добавлением цемента, в то время как добавление гашеной извести имело незначительный эффект.Материал CBDP был основным фактором увеличения потребности в воде вяжущего.

3.2. Определение консистенции строительного раствора

Строительные растворы, содержащие определенные связующие вещества, имеющие состав, как указано для стандартных строительных растворов в PN-EN 196-1, были использованы в испытаниях на консистенцию. собирает средние значения из трех измерений.

Таблица 5

Консистенция анализируемых растворов.

Растворы были испытаны при различных значениях w / b, и результаты консистенции, полученные для растворов с разработанными вяжущими, были сопоставлены с для раствора, приготовленного на цементном вяжущем. Как и в тестах на консистенцию пасты, водопотребность вяжущих увеличивалась с уменьшением содержания цемента. В отличие от паст, различия были меньше, поскольку консистенция растворов в значительной степени зависела от водопотребления заполнителей, а количество заполнителей было одинаковым в каждом образце [44].Эти результаты не подтверждают положительное влияние CBPD на текучесть строительных растворов, как было обнаружено Sreekrishnavilasam и Santagata [17] для материалов с низкой прочностью. Эти результаты подтверждают выводы конкретного анализа, представленные Сиддиком [25], который сообщил о более густой консистенции с повышенным содержанием ХБП.

3.3. Результаты испытаний строительного раствора на прочность на сжатие и изгиб

и показывают результаты испытаний строительного раствора на изгиб и сжатие через 28 и 56 дней.Результаты испытаний на прочность показывают, что использование в связующем побочных продуктов извести и пыли привело к значительному снижению прочности. Механические параметры контрольного образца через 28 дней были значительно выше, чем у других образцов. Прочность на изгиб и сжатие образца 3V, содержащего на 40% меньше цемента, была на 50% и 55% соответственно меньше, чем у контрольного образца. Таким образом, видно, что зависимость прочности от содержания цемента не была линейной. На прочность растворов особенно повлияло добавление гашеной извести к связующему.Присутствие CBPD в связующем также снижает прочность строительных смесей, что подтверждается другими исследованиями [14,17,25]. Через 56 дней все смеси, за исключением смеси 2V с наибольшим содержанием гашеной извести, соответствовали стандартным требованиям прочности для гидравлических дорожных вяжущих, достигая минимальной прочности 2,5 МПа, что соответствует классу N1. Наивысшая прочность на сжатие, 23,7 МПа через 56 дней, была достигнута у вяжущего 3V, в котором портландцемент был доминирующим компонентом, представляющим классы N2 и N3.

28-дневная прочность на сжатие и изгиб брусков раствора, изготовленных с дорожным вяжущим.

Прочность на сжатие и изгиб в течение 56 дней строительных брусков, изготовленных с использованием дорожного вяжущего.

В большинстве случаев сравнение 28-дневного и 56-дневного тестов показало лишь незначительные изменения силы. Таким образом, можно сделать вывод, что испытанные связующие вели себя как обычные связующие портландцемента, причем увеличение прочности происходило в основном за период менее 28 дней. Обычно изменения, происходящие по истечении этого времени, приводили к увеличению прочности, за исключением связующих 5C и 6C.Наблюдаемое снижение прочности этих вяжущих может быть связано с прогрессирующим разрушением бетона из-за влияния хлоридов из CBPD [14,17,45].

В течение первых 2-х суток на поверхности прутков кристаллизовался белый налет с высоким содержанием цементной пыли (1V). Результаты исследования дифракции рентгеновских лучей () показали, что осадок состоит из кристаллов сильвина. Рентгенограмма также показала единичные очень слабые пики других фаз в растворе на основе цемента, кварце и кальците.

Рентгенограмма отложений на поверхности брусков дорожного вяжущего раствора. Q — кварц, S — сильвин, C — кальцит.

Эти данные подтверждают перекристаллизацию сильвина во время схватывания и отверждения связующего, содержащего CBPD, как было обнаружено в предыдущих исследованиях [9,12]. В предыдущих исследованиях было обнаружено, что перекристаллизация сильвина внутри пасты изменяет ее микроструктуру. Образовывались мелкие кристаллы и пленки KCl. Как было продемонстрировано, кристаллическая пленка также могла образовываться на поверхности образцов, принимая форму крупных кристаллов, видимых невооруженным глазом.Образование таких крупных кристаллов в ограниченном пространстве матрицы пасты может повредить ее и, таким образом, снизить ее прочность. Это может объяснить снижение прочности в период между 28 и 56 днями, наблюдаемое для связующих 5C и 6C, и отсутствие стабильности размеров затвердевших образцов [14,17].

4. Обсуждение

Для оценки полученных результатов был применен экспериментальный план симплекс-центроид. Для описания переменных использовались модели второй и третьей степени (специальная кубическая).показывает поверхности отклика компонентов связующего и их влияние на прочность на изгиб и сжатие брусков раствора.

Поверхности отклика для переменных: ( a ) прочность на сжатие стержней раствора через 56 дней и ( b ) прочность на изгиб стержней раствора через 56 дней.

показывает оптимизацию состава дорожного вяжущего в отношении прочности. Анализ влияния вяжущей композиции на ее прочность на сжатие (а) показал, что цемент в первую очередь отвечает за полезные свойства трехкомпонентного дорожного вяжущего.Чтобы соответствовать требованиям EN 13282-2: 2015 для класса N1, дорожное вяжущее должно содержать до 60% гашеной извести при содержании CBPD около 30%, но эти пропорции не были оптимальными из-за времени схватывания. Учитывая параметры прочности, CBPD может заменить цемент в больших количествах. Теоретически весь цемент можно заменить на CBPD в дорожных вяжущих. Это было невозможно из-за несоблюдения требований к прочности связующих. По этой причине содержание CBPD в дорожном вяжущем не должно превышать 40% ().Это значение, однако, все еще в два раза больше, чем рекомендуемая максимальная дозировка CPBD, используемого в качестве минеральной добавки для цемента [8]. Это также значительно больше, чем количество (12%), рекомендованное в качестве требований к водостойкости дорожного вяжущего [29].

Замена цемента гашеной известью и CBPD часто приводит к значительному снижению прочности на сжатие вяжущего, что позволяет отнести его только к классу N1. Для получения дорожного вяжущего более высокого класса минимально необходимое количество цемента должно составлять 50% от массы вяжущего.

Было замечено, что прочность бетона на изгиб в целом ниже, чем у раствора; Таким образом, раствор определяет верхний предел прочности бетона на изгиб [45]. Этот вывод важен при проектировании дорожных покрытий на основе значений прочности на изгиб и играет роль в случае повторно используемых слоев основы. Нет требований к прочности на изгиб растворов с гидравлическим дорожным вяжущим.

Результаты (б) показывают, что по сравнению с CBPD снижение прочности на изгиб из-за извести было намного больше.Теоретически, чтобы прочность раствора упала ниже 2 МПа, достаточно заменить 55% цемента ЦЕМ 32.5R гашеной известью. Чтобы получить такой же эффект с CBPD, количество заменяемого цемента должно составлять не менее 85%.

5. Выводы

Результаты испытаний, полученные в результате этого исследования, показывают, что:

• Соответствующая комбинация компонентов гидравлического дорожного вяжущего дала оптимальный состав для требуемых механических и физических характеристик в повторно используемом слое основы.

• Добавление CBPD и гашеной извести к портландцементу позволило получить минеральное дорожное вяжущее с классом N1 до N3, которое соответствовало требованиям EN 13282 2: 2015.

• Наличие CBPD в минеральном вяжущем увеличило его потребность в воде и объем во время схватывания. Это также вызвало кристаллизацию хлорида калия, которая произошла после схватывания связующего, что проявилось в образовании белого налета на поверхности раствора.

• Присутствие гашеной извести в первую очередь способствовало увеличению времени схватывания и снижению прочности раствора на изгиб и сжатие.

• Содержание портландцемента было основным фактором, увеличившим прочность цементно-известково-CBPD раствора.

• Замена портландцемента на 50% гашеную известь и CBPD обеспечила сохранение требуемых физико-механических свойств, что продемонстрировано оптимизацией состава гидравлического дорожного вяжущего. Для производства дорожного вяжущего не следует использовать CBPD в количестве, превышающем 40% от массы вяжущего.

• Присутствие CBPD снижает прочность растворов из-за перекристаллизации KCl.

Вклад авторов

Концептуализация, Z.O .; методология, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; проверка, Z.O., P.C., and J.Z.-S .; формальный анализ, З.О. и ПК; расследование, P.C. и J.Z.-S .; ресурсы, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; data curation, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; письмо — подготовка оригинального проекта, Z.O., P.C. и J.Z.-S; написание — просмотр и редактирование, Z.O., P.C. и J.Z.-S; визуализация, ПК; надзор, З.О .; администрация проекта, Z.O .; привлечение финансирования, Z.О. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Результаты исследования были разработаны в рамках проекта под названием «Инновационная технология, используемая для оптимизации связующего агента, обеспечивающая долгий срок службы переработанного базового слоя» (TECHMATSTRATEG1 / 349326/9 / NCBR / 2017) в рамках научное начинание Программы стратегических исследований и разработок под названием «Современные технологии материалов» (TECHMATSTRATEG I), которое финансируется Национальным центром исследований и разработок (польский NCBR).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Бучиньски П., Ивански М. Влияние полимерного порошка на свойства холодно-переработанной смеси со вспененным битумом. Материалы. 2019; 12: 4244. DOI: 10.3390 / ma12244244. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 2. Ивански М., Хомич-Ковляска А. Лабораторные исследования механических параметров вспененной битумной смеси в технологии холодного рециклинга. Процедуры Eng.2013; 57: 433–442. DOI: 10.1016 / j.proeng.2013.04.056. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Ивански М., Хомич-Ковальска А. Применение вспененного битума и битумной эмульсии в дорожных базовых смесях в технологии глубокой холодной переработки. Baltic J. Road Bridge Eng. 2016; 11: 93–101. DOI: 10.3846 / bjrbe.2016.11. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Ивански М., Бучиньски П., Мазурек Г. Использование габброидной пыли в холодном ресайклинге асфальтовых смесей со вспененным битумом. Бык. Pol. Акад. Sci. Tech. Sci. 2016; 64: 763–773.DOI: 10.1515 / bpasts-2016-0085. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Хомич-Ковальска А., Мацеевски К. Характеристики и вязкоупругая сборка холодно-вспененных битумных смесей с высокой степенью рециклинга, изготовленных с использованием вяжущих для разной проницаемости, для восстановления разрушенных дорожных покрытий. J. Clean. Prod. 2020; 23: 120517. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2020.120517. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Кукиелка Ю. Глубокий холодный ресайклинг на местной асфальтированной дороге. Materiały Budowlane. 2014; 12: 11–13. [Google Scholar] 7. Judycki J., Dołżycki B., Hunik K., Stienss M. Weryfikacja Zasad Projektowania Mieszanek Mineralno-Cementowo-Emulsyjnych. Гданьский технологический университет; Гданьск, Польша: 2006. С. 7–48. [Google Scholar] 8. Барнат-Хунек Д., Гора Й., Сухораб З., Лагод Г. 5 — Цементная пыль. В: Sissique R., Cachim P., ред. Отходы и дополнительные вяжущие материалы в бетоне: характеристика, свойства и применение. Издательство Woodhead Publishing; Кембридж, Великобритания: 2018. С. 149–180. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Чапик П., Запала-Слава Ю., Овсяк З., Стемпень П. Гидратация цементной байпасной пыли. Констр. Строительный мат. 2020; 231: 117139. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2019.117139. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ивански М., Бучиньски П., Мазурек Г. Оптимизация дорожного вяжущего в слое дорожного строительства. Констр. Строительный мат. 2016; 125: 1044–1054. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2016.08.112. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Нокунь-Вчелик В., Столярска К. Калориметрия в исследованиях пыли цементных печей байпаса в качестве добавки к алюминатному цементу.J. Therm. Анальный. Калорим. 2019; 138: 4561–4569. DOI: 10.1007 / s10973-019-08913-2. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Овсяк З., Чапик П., Запала-Славета Ю. Испытания цемента, гашеной извести и цементных байпасных пылеулавливающих смесей. Дороги Мосты — Дроги и Мосты. 2020; 19: 135–147. DOI: 10.7409 / rabdim.020.009. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Peethamparan S., Olek J., Lovell J. Влияние химических и физических характеристик пыли цементных печей (CKD) на их гидратационные свойства и потенциальную пригодность для стабилизации грунта.Джем. Concr. Res. 2008. 38: 803–815. DOI: 10.1016 / j.cemconres.2008.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Стрычек С., Гонет А., Чапик П. Разработка технологических свойств герметизирующих растворов с использованием цементной пыли. AGH Drill. Нефтяной газ. 2009. 26: 345–354. [Google Scholar] 15. Со М., Ли С.-Й., Ли К., Чо С.-С. Переработка пыли цементных печей в качестве сырья для цемента. Среды. 2019; 6: 113. DOI: 10.3390 / Environment6100113. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Адаска В.С., Тауберт Д.Х. Выгодное использование пыли цементных печей; Протоколы технической конференции IEEE Cement Industry 2008; Майами, Флорида, США.18–28 мая 2008 г .; [CrossRef] [Google Scholar] 17. Срикришнавиласам А., Сантагата М.С. Отчет № FHWA / IN / JTRP-2005/10 Разработка критериев использования пыли цементных печей (CKD) в инфраструктуре автомобильных дорог. Университет Пердью; Вест Лафайет, Индиана, США: 2006. Совместная программа транспортных исследований. [Google Scholar] 19. Абдель-Гани Н.Т., Эль-Сайед Х.А., Эль-Хабак А.А. Использование байпасной цементной пыли и доменного шлака с воздушным охлаждением при производстве некоторых «зеленых» цементных изделий.HBRC J. 2018; 14: 408–414. DOI: 10.1016 / j.hbrcj.2017.11.001. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Дарвиш Х. Обзорная статья о влиянии электростатических осадков от пыли из цементных печей на окружающую среду и здоровье населения. Являюсь. J. Biol. Environ. Стат. 2017; 3: 36–43. DOI: 10.11648 / j.ajbes.20170303.11. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Таха Р., Аль-Равас А., Аль-Харти А., Катан А. Использование цементной байпасной пыли в качестве наполнителя в асфальтобетонной смеси. J. Mater. Civil Eng. 2002. 14: 338–343. DOI: 10.1061 / (ASCE) 0899-1561 (2002) 14: 4 (338).[CrossRef] [Google Scholar] 22. Хатер Г.А. Использование байпасной цементной пыли для производства стеклокерамических материалов. Adv. Прил. Ceram. 2006; 105: 107–111. DOI: 10.1179 / 174367606X86736. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Уляш-Бохенчик А. Химические характеристики пыли цементных печей. Господ. Surowcami Мин. 2019; 35: 87–102. DOI: 10.24425 / GSM.2019.128524. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Сиддик Р. Использование пыли цементных печей (ЦП) в цементном растворе и бетоне — обзор. Ресурс. Консерв. Recycl.2006. 48: 315–338. DOI: 10.1016 / j.resconrec.2006.03.010. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Орешкович М., Трифунович С., Младенович Г. Использование гашеной извести и цементной байпасной пыли в качестве альтернативных наполнителей в горячих асфальтовых смесях; Материалы 17-го Коллоквиума «Асфальт, битум и тротуары»; Блед, Словения. 27–29 ноября 2019 г. [Google Scholar] 27. Ходары Ф., Абд Эль-Садек М.С., Эль-Шестави Х.С. Наноразмерный цементный обход в качестве модификатора асфальта при строительстве автомобильных дорог. Int. J. Eng. Res. Прил. 2013; 3: 645–648. [Google Scholar] 28.Бучинский П., Ивански М. Влияние гидратированной извести, портландцемента и цементной пыли на реологические свойства переработанных холодных смесей со вспененным битумом; Материалы 10-й Международной конференции «Экологическая инженерия»; Вильнюс, Литва. 27–28 апреля 2017 г .; [CrossRef] [Google Scholar] 29. Бучиньски П., Ивански М., Мазурек Г. Водостойкость переработанной основы со вспененным битумом с точки зрения композиции дорожного вяжущего. Бутон. Arch. 2016; 15: 19–29. DOI: 10.24358 / Bud-Arch_16_151_02.[CrossRef] [Google Scholar] 30. Омрани М.А., Модаррес А. Эмульгированные смеси холодного ресайклинга с использованием пыли цементных печей и золы угольных отходов — механическое воздействие на окружающую среду. J. Clean. Prod. 2018; 199: 101–111. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2018.07.155. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Бахар Р., Бенаццуг М., Кенай С. Характеристики уплотненного цементно-стабилизированного грунта. Джем. Concr. Compos. 2004; 26: 811–820. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.01.003. [CrossRef] [Google Scholar] 32. Махамеди А., Хемисса М. Стабилизация расширяющейся переуплотненной глины с помощью гидравлических вяжущих.HBRC J. 2015; 11: 82–90. DOI: 10.1016 / j.hbrcj.2014.03.001. [CrossRef] [Google Scholar] 33. Перес П., Агрела Ф., Херрадор Р., Ордоньес Дж. Применение переработанных материалов, обработанных цементом, при строительстве участка дороги в Малаге, Испания. Констр. Строить. Мат. 2013; 44: 593–599. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2013.02.034. [CrossRef] [Google Scholar] 34. Пизон Ю., Лавневска-Пекарчик Б. Оценка эффективности примесей и пыли цементных печей при взаимодействии с цементами с шлаковой смесью разного фазового состава.IOP Conf. Сер. Матер. Sci. Англ. 2019; 603: 032088. DOI: 10.1088 / 1757-899X / 603/3/032088. [CrossRef] [Google Scholar] 35. Чарнецкий Л., Курдовский В. Tendencje kształtujące przyszłość betonu. Budownictwo Technologie Architektura. 2007; 1: 50–55. [Google Scholar] 36. Аткинсон А.С., Донев А.Н. Оптимальные экспериментальные планы, Oxford Science Publications. Clarendon Press; Оксфорд, Великобритания: 1992. [Google Scholar] 37. Польский комитет по стандартизации. Гидравлические дорожные вяжущие. Гидравлические дорожные вяжущие нормального твердения.Состав, технические характеристики и критерии соответствия. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2015. PN-EN 13282-2: 2015. [Google Scholar] 38. Лазич Ž.R. Дизайн экспериментов в химической инженерии: Практическое руководство. Wiley-VCH; Weinheim, Germany: 2004. [Google Scholar] 39. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Химический анализ цемента. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2013. PN-EN 196-2: 2013. [Google Scholar] 40. Польский комитет по стандартизации.Методы испытания цемента. Определение сроков схватывания и прочности. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2016. PN-EN 196-3: 2016. [Google Scholar] 41. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Определение тонкости помола. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2018. PN-EN 196-6: 2018. [Google Scholar] 42. Польский комитет по стандартизации. Строительные растворы — испытание физико-механических свойств. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 1985.PN 85 / B-04500. [Google Scholar] 43. Польский комитет по стандартизации. Методы испытаний строительных растворов для кладки. Определение консистенции свежего строительного раствора (таблицей расхода) Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2005. PN-EN 1015-3: 2000 / A1: 2005. [Google Scholar] 44. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Определение силы. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2016. PN-EN 196-1: 2016. [Google Scholar] 45. Невилл А. Свойства бетона.5-е изд. Пирсон; Харлоу, Великобритания: 2011. [Google Scholar]

Свойства трехкомпонентного минерального дорожного вяжущего для технологии глубокой холодной переработки

Материалы (Базель). 2020 Aug; 13 (16): 3585.

Факультет гражданского строительства и архитектуры, Технологический университет Кельце, 25-314 Кельце, Польша; lp.ecleik.ut@kaiswo

Поступило 08.07.2020; Принято 11 августа 2020 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0 /). Эту статью цитировали в других статьях в PMC.

Abstract

В этом исследовании изучались физические свойства трехкомпонентного минерального вяжущего, которое обычно используется при глубокой холодной переработке. Тестовые вяжущие были произведены с использованием портландцемента, гашеной извести и цементной байпасной пыли (CBPD) в качестве побочного продукта, полученного при производстве цемента. Была оценена пригодность CBPD для использования в дорожных вяжущих. Определено влияние трехкомпонентной вяжущей композиции на время схватывания, прочность, консистенцию, прочность на разрыв и сжатие цементных паст и растворов.Были испытаны пасты и строительные растворы одинаковой консистенции, полученные при различных соотношениях вес / вес. На основании этого были определены пропорции смесей, приводящие к получению дорожных вяжущих, удовлетворяющих требованиям PN-EN 13282-2: 2015. Путем смешивания цемента, извести и CBPD во время испытаний были получены вяжущие классы от N1 до N3. Замена 40% массы цемента на CBPD с высоким содержанием свободной извести позволила получить дорожные вяжущие, подходящие для вторичных слоев основания. Общее содержание CBPD и гашеной извести в дорожном вяжущем не должно превышать 50% по массе.Обсуждался потенциальный риск снижения прочности строительного раствора из-за перекристаллизации KCl.

Ключевые слова: цементная пыль, цементное тесто, раствор, смешанное минеральное вяжущее, физические свойства

1. Введение

Битумные дорожные покрытия подвержены деградации из-за различных воздействий окружающей среды. Постоянная деформация, возникающая в фундаменте или слоях минеральной основы, является проблемой, требующей обширного обслуживания. Одним из методов, рекомендуемых для устранения причины остаточной деформации, является экологически чистая технология глубокого холодного ресайклинга (CR) [1,2,3,4].Нижние слои дорожного покрытия, изготовленные с использованием CR, представляют собой полужесткие базовые слои, которые обычно изготавливаются с использованием битумных вяжущих (таких как эмульсия или вспененный битум) и минеральных вяжущих (портландцемент, гашеная известь, летучая зола или цементная пыль) [5,6]. Минеральные связующие делают основу более жесткой, тем самым сводя к минимуму возможность восстановления остаточной деформации в слое. С другой стороны, чрезмерная прочность вяжущего может способствовать чрезмерной жесткости вторичного слоя и вызывать образование трещин во всех слоях битумного покрытия [2,5].Чтобы противодействовать этому эффекту и сделать смесь более эластичной, добавляют соответствующее количество битумного вяжущего [7]. Жесткость слоя также можно снизить, заменив цемент дополнительными вяжущими материалами (SCM), такими как гашеная известь, и побочными продуктами процесса производства цемента, такими как цементная пыль (CKD) и цементная байпасная пыль (CBPD) [ 8,9,10,11,12,13,14,15].

Использование цемента с добавлением побочных продуктов, образующихся при производстве цемента, является относительно недавним нововведением и требует проведения дальнейших исследований.Пыль, такая как CKD или CBPD, особенно та, которая образуется при более низких температурах в современных печных системах, может обладать связующими свойствами, поскольку она содержит фазы клинкера [8,9]. Они также могут содержать непрореагировавшую свободную известь [9,13]. Таким образом, присутствие этой пыли может существенно повлиять на свойства связующего, используемого в основном слое. Дополнительным преимуществом этого решения является меньшая зависимость от мусорных свалок в качестве средства удаления пыли [10,13,16]. Количество CKD и CBPD, образующихся в процессе производства цементного клинкера, во многом зависит от применяемой технологии.Как сообщают исследователи [16,17], он обычно составляет от 0 до 25% от массы клинкера. По данным Польской цементной ассоциации, количество пыли, образующейся при производстве цемента, уменьшается. В их последнем отчете установлено, что годовое количество пыли из цементных печей в Польше составляет около 1200 тонн [18]. По сравнению с 25 000 тонн в Омане, 2,7–3,5 млн тонн в Египте, 8 млн тонн в Великобритании и 2,5–12 млн тонн в США [16,19,20,21], количество 1200 тонн кажется незначительным. Однако, поскольку один цементный завод способен производить 1000 тонн CBPD ежедневно [22], зарегистрированный уровень выбросов пыли не совпадает с общим количеством пыли, образующейся на польских цементных заводах, и не включает CKD и CBPD, которые перерабатываются. обратно в систему печи.Количество пыли, используемой таким образом в Польше, намного выше и колеблется от 9000 до 25000 тонн в год [23]. В 2016 году в процессе производства цемента было повторно использовано 15 071 тонна ЦП и КБД [24]. Однако, поскольку переработанная пыль снижает качество цемента, проводятся исследования новых возможностей для удаления пыли [16].

Существует большое количество исследований, изучающих альтернативы использованию CBPD [8,11,14,16]. Одним из важных направлений исследований является стабилизация грунтов [13,16,17,25]. По данным на 2006 год, в США для этой цели используется больше ЦП, чем для производства цемента.В том же источнике упоминается использование пыли при строительстве дорожных покрытий. Ряд исследователей [21,26,27] исследовали применение ЦП в качестве наполнителя в асфальтовых смесях. Цементная пыль байпаса не является инертным материалом, поскольку она содержит фазы, которые обладают связующими свойствами [9,13,17]. Поэтому его можно использовать при производстве минеральных вяжущих. Высокое содержание хлоридов и щелочей [9] не позволяет широко использовать CBPD в производстве классического цементного бетона [16]. Другие области применения этого материала изучаются, например, его включение в связующие, активируемые щелочью [17,19], и в связующие, которые не должны иметь высоких прочностных характеристик [17].Последние минеральные связующие выбирают для глубокой холодной переработки [28,29,30].

Правильный выбор пропорций компонентов смеси холодного ресайклинга имеет ключевое значение с точки зрения требуемых свойств основного слоя. Полужесткое основание должно защищать дорожное покрытие от остаточных деформаций, отражающего растрескивания [2,10] и местного снижения нагрузки на грунтовое полотно из-за грунтовых вод. Требуемые свойства основного слоя достигаются, прежде всего, за счет использования соответствующих соотношений минеральных и битумных вяжущих с известными характеристиками [2].Идентификация свойств минерального вяжущего затруднена, если оно состоит из разных материалов [31,32,33,34]. Самым популярным вяжущим, используемым в CR, является портландцемент. Цемент увеличивает жесткость повторно используемой базовой смеси, тем самым увеличивая риск образования трещин отражения при эксплуатационных нагрузках. Вместе с гашеной известью CBPD используется для снижения жесткости затвердевшего композита [2]. Снижение жесткости с помощью CBPD связано со снижением прочности, поскольку CBPD обеспечивает более слабый скелет, несмотря на его связывающие свойства [9,12,13].Способность CBPD набухать во время схватывания является интересным свойством [9,11,12], которое уравновешивает усадку портландцемента и гашеной извести на стадии схватывания. Смешивая эти три связующих, можно контролировать изменения объема, связанные с установкой.

Это исследование было направлено на изучение свойств трехкомпонентного минерального связующего, которое может использоваться в смесях холодного вторичного использования. В дополнение к обычным компонентам, таким как портландцемент и гашеная известь, связующее содержало CBPD. Трехкомпонентное вяжущее, состоящее из цемента, гашеной извести и CBPD, еще не изучалось для использования в глубокой холодной переработке.План экспериментов, предложенный Аткинсоном и Доневым [36], был принят для расчета состава трехкомпонентных смесей. План включал определение оптимального состава вяжущего цемент-известь-CBPD с точки зрения его использования для смесей базового слоя, подвергнутых холодному ресайклингу. Физико-механические свойства паст и строительных растворов, приготовленных с семью связующими смесями, были определены в соответствии с требованиями PN-EN 13282-2: 2015 [37].

Это исследование было направлено на изучение свойств трехкомпонентного минерального связующего, которое может использоваться в смесях холодного вторичного использования.В дополнение к обычным компонентам, таким как портландцемент и гашеная известь, связующее содержало CBPD. Трехкомпонентное вяжущее, состоящее из цемента, гашеной извести и CBPD, еще не изучалось для использования в глубокой холодной переработке. План экспериментов, предложенный Аткинсоном и Доневым [36], был принят для расчета состава трехкомпонентных смесей. План включал определение оптимального состава вяжущего цемент-известь-CBPD с точки зрения его использования для смесей базового слоя, подвергнутых холодному ресайклингу.Физико-механические свойства паст и строительных растворов, приготовленных с семью связующими смесями, были определены в соответствии с требованиями PN-EN 13282-2: 2015 [37].

2. Материалы и методы

2.1. Свойства компонентов, использованных в приготовлении вяжущего

Исходными материалами, используемыми для создания минеральных дорожных вяжущих, были портландцемент CEM I 32.5R (Cement Ożarów, Oarów, Польша), гашеная известь (ZSChiM «PIOTROWICE II», Sitkówka, Польша) , и CBPD с высоким содержанием свободной извести (Cement Ożarów, Ожаров, Польша).Химический состав материалов показан на. Фазовый состав, определенный с помощью дифракции рентгеновских лучей, представлен в виде рентгенограмм в и в виде таблиц результатов количественного анализа в. Гранулометрический состав сырья приведен в.

Рентгенограммы цемента CEM I 32.5R, CBPD и гашеной извести. Обозначения: A — алит, B’- белит, R — браунмилерит, 3 — C ₃ A, Ar — арканит, Q — кварц, G — гипс, L — свободный CaO, S — сильвин, P — портландит, C — кальцит.

Гранулометрический состав сырья.

Таблица 1

Химический состав портландцемента CEM I 32.5R и цементной байпасной пыли (CBPD).

Таблица 2

Фазовый состав компонентов дорожного вяжущего (%).

Каждый из результатов минералогических испытаний цемента выявил фазовый состав, типичный для каждого соответствующего материала. В CBPD присутствовали две фазы, указывающие на связывающие свойства: CaO и C ₂ S, сопровождаемые сильвином (хлоридом калия) и кальцитом, которые были получены из сырья, которое было кальцинировано перед его поступлением в печь или было перенесено из печи. воздушным потоком, переносящим мостиковые соединения хлора.Незначительное количество кальцита в гашеной извести может быть связано с присутствием недекарбонизированного сырья или частичной карбонизацией портландита. Высокое содержание свободной извести в испытанном CBPD примечательно при сравнении его с другими видами пыли [13].

Было обнаружено, что гранулометрический состав гашеной извести аналогичен гранулометрическому составу портландцемента, то есть от 0 до 100 мкм, при этом у извести больше частиц в диапазоне от 3 до 45 мкм. Перегиб более 12 мкм на кривой градации извести, вероятно, был связан с образованием агломератов частиц извести.Частицы извести размером более 200 мкм исключались из анализа и рассматривались как агломераты мелких частиц, размер которых мог достигать десятков миллиметров. Самые мелкие частицы размером от 0,20 до 18,5 мкм были обнаружены в CBPD. По сравнению с цементом и известью CBPD содержал больше частиц в диапазоне от 0,50 до 18,5 мкм, но меньше частиц в диапазоне от 0,20 до 0,50 мкм. Все компоненты гидравлического вяжущего соответствуют требованиям стандарта EN 13282-2 [20]. Рекомендуемый предел содержания частиц размером более 90 мкм — 15%.Цемент и CBPD соответствовали стандартным требованиям в отношении своего состава.

2.2. Методика

2.2.1. Экспериментальный план

Подгонка поверхностей отклика к результатам смеси выполняется так же, как подгонка к данным из центрального композитного дизайна. Однако данные о смеси ограничены тем, что сумма всех компонентов смеси всегда составляет 100%. Трехкомпонентная смесь может быть определена путем определения точки в треугольной системе координат, определяемой тремя переменными.Все экспериментальные планы, основанные на дизайне смеси, требуют вершинных точек, то есть смесей, состоящих только из одного компонента. На практике эти системы могут оказаться неприменимыми из-за стоимости или других технологических ограничений. В этом эксперименте использовались ограниченные конструкции смеси, то есть базовая конструкция смеси была изменена таким образом, чтобы количество каждого компонента находилось в диапазоне от 20% до 60%. В конечном итоге исследовательская программа была подчинена расчету смеси с ограничениями, основанному на дизайне симплекс-центроид [38].

Влияние состава гидравлического вяжущего на его свойства было определено путем приготовления семи различных дорожных вяжущих на основе экспериментального плана. Принципы симплекс-центроидного дизайна Аткинсона и Донева [36] были приняты для описания связующего состава. План экспериментов предполагает оценку влияния содержания отдельных компонентов и взаимодействий между ними на свойства связующего и позволяет оценить влияние композиции связующего на заданное свойство в любой точке в пределах анализируемой области экспериментального плана. .Симплекс-центроидный дизайн показан на рис. Кроме того, обозначения и составы гидравлических вяжущих показаны на.

Таблица 3

Обозначения и составы связующих (мас.%).

5C

Семь дорожных вяжущих были приготовлены на основе экспериментального плана для всесторонней оценки влияния компонентов вяжущего на свойства затвердевшего раствора. В качестве эталонного связующего использовался чистый портландцемент.

показывает места кодовой маркировки для комбинации компонентов, включенных в универсальное связующее, и метод определения процентного значения этих компонентов. Количество данного компонента в треугольнике — это длина сегмента, который является биссектрисой между соседними сторонами треугольника.Расчет смеси с ограничениями состоял из оценки псевдокомпонентов и обработки области с ограничениями как полной схемы. На практике анализ эксперимента с использованием смесевых планов представляет собой множественную (многомерную) регрессию с постоянной составляющей, приведенной к нулю. Влияние состава смеси на свойства инновационного вяжущего оценивалось на основании анализа адекватности типа аппроксимируемой функции тест-объекта и оценки коэффициентов функции.

В качестве аппроксимирующей функции была принята полиномиальная функция. Степень полинома зависела от важности его формы для объяснения изменчивости результатов теста. Следующим этапом анализа стала оценка коэффициентов полинома со степенью, определенной на основе дисперсионного анализа. Аппроксимация параметров была основана на методе наименьших квадратов (LSM).

2.2.2. Паста и строительный раствор

Химический состав исходных материалов был проанализирован в соответствии с PE-EN 196-2 [39].Фазовый состав был идентифицирован с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) на порошковых образцах. Использовали дифрактометр Empyrean (PANalytical, Алмело, Нидерланды). Диапазон углов 2θ от 5 ° до 75 ° был проанализирован с размером шага 0,0167 ° и временем счета 60 с. Для идентификации фаз использовали программное обеспечение для анализа PANalytical XRD HighScore 4.6 с базой данных PDF-2 Международного центра дифференциальных данных (ICDD). Анализ размера частиц связующих проводился с использованием лазерной дифракции на лазерном дифрактометре Hellos KR (Sympatec, Клаусталь-Целлерфельд, Германия).

Надлежащее количество воды для смешивания, начальное и конечное время схватывания, а также изменения объема связующего были определены с помощью теста Ле Шателье (Институт керамики и строительных материалов, Краков, Польша) в соответствии с PN-EN 196-3 [40]. Испытание Блейна (Институт керамики и строительных материалов, Краков, Польша) использовалось в соответствии с PN-EN 196-6 [41] для измерения удельной поверхности связующих. Эти методы испытаний использовались для объяснения влияния отдельных компонентов на консистенцию приготовленных строительных смесей.

Консистенция раствора была определена с помощью теста на проникновение в соответствии с PN 85 / B-04500 [42] и теста таблицы текучести в соответствии с PN-EN 1015-3 [43].

Эти испытания были выполнены для определения соотношения воды к вяжущему (w / b), необходимого для соответствующей консистенции строительных смесей. Известно, что площадь поверхности и, следовательно, потребность в воде значительно варьируется между цементом, гашеной известью и CBPD. Более того, присутствие значительного количества свободной извести в составе CPBD может способствовать испарению части воды для смешивания в результате выделения тепла во время гидратации [9,12], тем самым снижая эффективное w / b соотношение.Таким образом, существует потребность в определении соотношения вес / вес для каждого связующего, из которого получаются пасты и строительные растворы, пригодные для испытаний, а в более долгосрочной перспективе — для использования в холодном ресайклинге.

Прочность строительного раствора на сжатие и изгиб была измерена на стержнях размером 40 × 40 × 160 мм через 28 и 56 дней в соответствии с PN-EN 196-1 [44]. Определение прочности в течение 56 дней необходимо для проверки соответствия смесей требованиям к дорожным вяжущим, установленным в PN-EN 13282-2: 2015 [37]. 28-дневные испытания представляют собой классические испытания на прочность, выполняемые для различных цементных композитов и широко обсуждаемые в литературе [44].

3. Результаты испытаний физико-механических свойств вяжущего

3.1. Определение плотности, удельной поверхности, надлежащего количества воды и времени схватывания связующих

представляет результаты испытаний на плотность, удельную поверхность, количество воды, время схватывания и стабильность объема связующего.

Таблица 4

Надлежащее количество воды, время схватывания отдельных связующих и результаты определения стабильности объема связующего в кольце Ле Шателье.

99 2,74

Плотность и удельная поверхность связующих зависят от процентного содержания исходных компонентов.Известь или байпасная пыль, используемые вместо цемента, увеличивают водопотребность вяжущего. Это было связано со значительно меньшей удельной поверхностью и большей плотностью цемента [17,44]. Присутствие CBPD увеличивало потребность в воде больше, чем добавление гашеной извести. Начальное время схватывания для всех связующих составило более 150 мин, что соответствует требованиям стандарта. Присутствие гашеной извести в связующем наиболее сильно влияло на увеличение времени схватывания.Самое короткое время схватывания наблюдалось у связующего 3V. Помимо цемента в качестве основного компонента вяжущее 3V содержало небольшие количества извести и CBPD. Действие щелочей и свободной извести, присутствующих в CBPD, способствовало более быстрому схватыванию вяжущего по сравнению с портландцементом. В небольших количествах щелочи и свободная известь могут действовать как активаторы схватывания цемента. Точно так же повышение температуры образца в результате свободной гидратации извести может способствовать более быстрому схватыванию. Однако, как правило, время схватывания приготовленных трехкомпонентных связующих удлинялось.Это было связано с тем, что время схватывания гашеной извести и CBPD было намного дольше, чем у цемента [17,25].

Стандартное требование к цементным вяжущим — изменение плотности по Ле-Шателье не должно превышать 30 мм. Связующие 1V и 4C не соответствовали этому условию; все другие связующие проявляли набухание в допустимых пределах. Таким образом, было очевидно, что высокое содержание CBPD в связующих приводит к значительным изменениям их объема. Результаты, полученные для 4C и 5C, можно было компенсировать добавлением цемента, в то время как добавление гашеной извести имело незначительный эффект.Материал CBDP был основным фактором увеличения потребности в воде вяжущего.

3.2. Определение консистенции строительного раствора

Строительные растворы, содержащие определенные связующие вещества, имеющие состав, как указано для стандартных строительных растворов в PN-EN 196-1, были использованы в испытаниях на консистенцию. собирает средние значения из трех измерений.

Таблица 5

Консистенция анализируемых растворов.

Растворы были испытаны при различных значениях w / b, и результаты консистенции, полученные для растворов с разработанными вяжущими, были сопоставлены с для раствора, приготовленного на цементном вяжущем. Как и в тестах на консистенцию пасты, водопотребность вяжущих увеличивалась с уменьшением содержания цемента. В отличие от паст, различия были меньше, поскольку консистенция растворов в значительной степени зависела от водопотребления заполнителей, а количество заполнителей было одинаковым в каждом образце [44].Эти результаты не подтверждают положительное влияние CBPD на текучесть строительных растворов, как было обнаружено Sreekrishnavilasam и Santagata [17] для материалов с низкой прочностью. Эти результаты подтверждают выводы конкретного анализа, представленные Сиддиком [25], который сообщил о более густой консистенции с повышенным содержанием ХБП.

3.3. Результаты испытаний строительного раствора на прочность на сжатие и изгиб

и показывают результаты испытаний строительного раствора на изгиб и сжатие через 28 и 56 дней.Результаты испытаний на прочность показывают, что использование в связующем побочных продуктов извести и пыли привело к значительному снижению прочности. Механические параметры контрольного образца через 28 дней были значительно выше, чем у других образцов. Прочность на изгиб и сжатие образца 3V, содержащего на 40% меньше цемента, была на 50% и 55% соответственно меньше, чем у контрольного образца. Таким образом, видно, что зависимость прочности от содержания цемента не была линейной. На прочность растворов особенно повлияло добавление гашеной извести к связующему.Присутствие CBPD в связующем также снижает прочность строительных смесей, что подтверждается другими исследованиями [14,17,25]. Через 56 дней все смеси, за исключением смеси 2V с наибольшим содержанием гашеной извести, соответствовали стандартным требованиям прочности для гидравлических дорожных вяжущих, достигая минимальной прочности 2,5 МПа, что соответствует классу N1. Наивысшая прочность на сжатие, 23,7 МПа через 56 дней, была достигнута у вяжущего 3V, в котором портландцемент был доминирующим компонентом, представляющим классы N2 и N3.

28-дневная прочность на сжатие и изгиб брусков раствора, изготовленных с дорожным вяжущим.

Прочность на сжатие и изгиб в течение 56 дней строительных брусков, изготовленных с использованием дорожного вяжущего.

В большинстве случаев сравнение 28-дневного и 56-дневного тестов показало лишь незначительные изменения силы. Таким образом, можно сделать вывод, что испытанные связующие вели себя как обычные связующие портландцемента, причем увеличение прочности происходило в основном за период менее 28 дней. Обычно изменения, происходящие по истечении этого времени, приводили к увеличению прочности, за исключением связующих 5C и 6C.Наблюдаемое снижение прочности этих вяжущих может быть связано с прогрессирующим разрушением бетона из-за влияния хлоридов из CBPD [14,17,45].

В течение первых 2-х суток на поверхности прутков кристаллизовался белый налет с высоким содержанием цементной пыли (1V). Результаты исследования дифракции рентгеновских лучей () показали, что осадок состоит из кристаллов сильвина. Рентгенограмма также показала единичные очень слабые пики других фаз в растворе на основе цемента, кварце и кальците.

Рентгенограмма отложений на поверхности брусков дорожного вяжущего раствора. Q — кварц, S — сильвин, C — кальцит.

Эти данные подтверждают перекристаллизацию сильвина во время схватывания и отверждения связующего, содержащего CBPD, как было обнаружено в предыдущих исследованиях [9,12]. В предыдущих исследованиях было обнаружено, что перекристаллизация сильвина внутри пасты изменяет ее микроструктуру. Образовывались мелкие кристаллы и пленки KCl. Как было продемонстрировано, кристаллическая пленка также могла образовываться на поверхности образцов, принимая форму крупных кристаллов, видимых невооруженным глазом.Образование таких крупных кристаллов в ограниченном пространстве матрицы пасты может повредить ее и, таким образом, снизить ее прочность. Это может объяснить снижение прочности в период между 28 и 56 днями, наблюдаемое для связующих 5C и 6C, и отсутствие стабильности размеров затвердевших образцов [14,17].

4. Обсуждение

Для оценки полученных результатов был применен экспериментальный план симплекс-центроид. Для описания переменных использовались модели второй и третьей степени (специальная кубическая).показывает поверхности отклика компонентов связующего и их влияние на прочность на изгиб и сжатие брусков раствора.

Поверхности отклика для переменных: ( a ) прочность на сжатие стержней раствора через 56 дней и ( b ) прочность на изгиб стержней раствора через 56 дней.

показывает оптимизацию состава дорожного вяжущего в отношении прочности. Анализ влияния вяжущей композиции на ее прочность на сжатие (а) показал, что цемент в первую очередь отвечает за полезные свойства трехкомпонентного дорожного вяжущего.Чтобы соответствовать требованиям EN 13282-2: 2015 для класса N1, дорожное вяжущее должно содержать до 60% гашеной извести при содержании CBPD около 30%, но эти пропорции не были оптимальными из-за времени схватывания. Учитывая параметры прочности, CBPD может заменить цемент в больших количествах. Теоретически весь цемент можно заменить на CBPD в дорожных вяжущих. Это было невозможно из-за несоблюдения требований к прочности связующих. По этой причине содержание CBPD в дорожном вяжущем не должно превышать 40% ().Это значение, однако, все еще в два раза больше, чем рекомендуемая максимальная дозировка CPBD, используемого в качестве минеральной добавки для цемента [8]. Это также значительно больше, чем количество (12%), рекомендованное в качестве требований к водостойкости дорожного вяжущего [29].

Замена цемента гашеной известью и CBPD часто приводит к значительному снижению прочности на сжатие вяжущего, что позволяет отнести его только к классу N1. Для получения дорожного вяжущего более высокого класса минимально необходимое количество цемента должно составлять 50% от массы вяжущего.

Было замечено, что прочность бетона на изгиб в целом ниже, чем у раствора; Таким образом, раствор определяет верхний предел прочности бетона на изгиб [45]. Этот вывод важен при проектировании дорожных покрытий на основе значений прочности на изгиб и играет роль в случае повторно используемых слоев основы. Нет требований к прочности на изгиб растворов с гидравлическим дорожным вяжущим.

Результаты (б) показывают, что по сравнению с CBPD снижение прочности на изгиб из-за извести было намного больше.Теоретически, чтобы прочность раствора упала ниже 2 МПа, достаточно заменить 55% цемента ЦЕМ 32.5R гашеной известью. Чтобы получить такой же эффект с CBPD, количество заменяемого цемента должно составлять не менее 85%.

5. Выводы

Результаты испытаний, полученные в результате этого исследования, показывают, что:

• Соответствующая комбинация компонентов гидравлического дорожного вяжущего дала оптимальный состав для требуемых механических и физических характеристик в повторно используемом слое основы.

• Добавление CBPD и гашеной извести к портландцементу позволило получить минеральное дорожное вяжущее с классом N1 до N3, которое соответствовало требованиям EN 13282 2: 2015.

• Наличие CBPD в минеральном вяжущем увеличило его потребность в воде и объем во время схватывания. Это также вызвало кристаллизацию хлорида калия, которая произошла после схватывания связующего, что проявилось в образовании белого налета на поверхности раствора.

• Присутствие гашеной извести в первую очередь способствовало увеличению времени схватывания и снижению прочности раствора на изгиб и сжатие.

• Содержание портландцемента было основным фактором, увеличившим прочность цементно-известково-CBPD раствора.

• Замена портландцемента на 50% гашеную известь и CBPD обеспечила сохранение требуемых физико-механических свойств, что продемонстрировано оптимизацией состава гидравлического дорожного вяжущего. Для производства дорожного вяжущего не следует использовать CBPD в количестве, превышающем 40% от массы вяжущего.

• Присутствие CBPD снижает прочность растворов из-за перекристаллизации KCl.

Вклад авторов

Концептуализация, Z.O .; методология, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; проверка, Z.O., P.C., and J.Z.-S .; формальный анализ, З.О. и ПК; расследование, P.C. и J.Z.-S .; ресурсы, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; data curation, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; письмо — подготовка оригинального проекта, Z.O., P.C. и J.Z.-S; написание — просмотр и редактирование, Z.O., P.C. и J.Z.-S; визуализация, ПК; надзор, З.О .; администрация проекта, Z.O .; привлечение финансирования, Z.О. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Результаты исследования были разработаны в рамках проекта под названием «Инновационная технология, используемая для оптимизации связующего агента, обеспечивающая долгий срок службы переработанного базового слоя» (TECHMATSTRATEG1 / 349326/9 / NCBR / 2017) в рамках научное начинание Программы стратегических исследований и разработок под названием «Современные технологии материалов» (TECHMATSTRATEG I), которое финансируется Национальным центром исследований и разработок (польский NCBR).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Бучиньски П., Ивански М. Влияние полимерного порошка на свойства холодно-переработанной смеси со вспененным битумом. Материалы. 2019; 12: 4244. DOI: 10.3390 / ma12244244. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 2. Ивански М., Хомич-Ковляска А. Лабораторные исследования механических параметров вспененной битумной смеси в технологии холодного рециклинга. Процедуры Eng.2013; 57: 433–442. DOI: 10.1016 / j.proeng.2013.04.056. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Ивански М., Хомич-Ковальска А. Применение вспененного битума и битумной эмульсии в дорожных базовых смесях в технологии глубокой холодной переработки. Baltic J. Road Bridge Eng. 2016; 11: 93–101. DOI: 10.3846 / bjrbe.2016.11. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Ивански М., Бучиньски П., Мазурек Г. Использование габброидной пыли в холодном ресайклинге асфальтовых смесей со вспененным битумом. Бык. Pol. Акад. Sci. Tech. Sci. 2016; 64: 763–773.DOI: 10.1515 / bpasts-2016-0085. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Хомич-Ковальска А., Мацеевски К. Характеристики и вязкоупругая сборка холодно-вспененных битумных смесей с высокой степенью рециклинга, изготовленных с использованием вяжущих для разной проницаемости, для восстановления разрушенных дорожных покрытий. J. Clean. Prod. 2020; 23: 120517. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2020.120517. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Кукиелка Ю. Глубокий холодный ресайклинг на местной асфальтированной дороге. Materiały Budowlane. 2014; 12: 11–13. [Google Scholar] 7. Judycki J., Dołżycki B., Hunik K., Stienss M. Weryfikacja Zasad Projektowania Mieszanek Mineralno-Cementowo-Emulsyjnych. Гданьский технологический университет; Гданьск, Польша: 2006. С. 7–48. [Google Scholar] 8. Барнат-Хунек Д., Гора Й., Сухораб З., Лагод Г. 5 — Цементная пыль. В: Sissique R., Cachim P., ред. Отходы и дополнительные вяжущие материалы в бетоне: характеристика, свойства и применение. Издательство Woodhead Publishing; Кембридж, Великобритания: 2018. С. 149–180. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Чапик П., Запала-Слава Ю., Овсяк З., Стемпень П. Гидратация цементной байпасной пыли. Констр. Строительный мат. 2020; 231: 117139. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2019.117139. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ивански М., Бучиньски П., Мазурек Г. Оптимизация дорожного вяжущего в слое дорожного строительства. Констр. Строительный мат. 2016; 125: 1044–1054. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2016.08.112. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Нокунь-Вчелик В., Столярска К. Калориметрия в исследованиях пыли цементных печей байпаса в качестве добавки к алюминатному цементу.J. Therm. Анальный. Калорим. 2019; 138: 4561–4569. DOI: 10.1007 / s10973-019-08913-2. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Овсяк З., Чапик П., Запала-Славета Ю. Испытания цемента, гашеной извести и цементных байпасных пылеулавливающих смесей. Дороги Мосты — Дроги и Мосты. 2020; 19: 135–147. DOI: 10.7409 / rabdim.020.009. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Peethamparan S., Olek J., Lovell J. Влияние химических и физических характеристик пыли цементных печей (CKD) на их гидратационные свойства и потенциальную пригодность для стабилизации грунта.Джем. Concr. Res. 2008. 38: 803–815. DOI: 10.1016 / j.cemconres.2008.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Стрычек С., Гонет А., Чапик П. Разработка технологических свойств герметизирующих растворов с использованием цементной пыли. AGH Drill. Нефтяной газ. 2009. 26: 345–354. [Google Scholar] 15. Со М., Ли С.-Й., Ли К., Чо С.-С. Переработка пыли цементных печей в качестве сырья для цемента. Среды. 2019; 6: 113. DOI: 10.3390 / Environment6100113. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Адаска В.С., Тауберт Д.Х. Выгодное использование пыли цементных печей; Протоколы технической конференции IEEE Cement Industry 2008; Майами, Флорида, США.18–28 мая 2008 г .; [CrossRef] [Google Scholar] 17. Срикришнавиласам А., Сантагата М.С. Отчет № FHWA / IN / JTRP-2005/10 Разработка критериев использования пыли цементных печей (CKD) в инфраструктуре автомобильных дорог. Университет Пердью; Вест Лафайет, Индиана, США: 2006. Совместная программа транспортных исследований. [Google Scholar] 19. Абдель-Гани Н.Т., Эль-Сайед Х.А., Эль-Хабак А.А. Использование байпасной цементной пыли и доменного шлака с воздушным охлаждением при производстве некоторых «зеленых» цементных изделий.HBRC J. 2018; 14: 408–414. DOI: 10.1016 / j.hbrcj.2017.11.001. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Дарвиш Х. Обзорная статья о влиянии электростатических осадков от пыли из цементных печей на окружающую среду и здоровье населения. Являюсь. J. Biol. Environ. Стат. 2017; 3: 36–43. DOI: 10.11648 / j.ajbes.20170303.11. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Таха Р., Аль-Равас А., Аль-Харти А., Катан А. Использование цементной байпасной пыли в качестве наполнителя в асфальтобетонной смеси. J. Mater. Civil Eng. 2002. 14: 338–343. DOI: 10.1061 / (ASCE) 0899-1561 (2002) 14: 4 (338).[CrossRef] [Google Scholar] 22. Хатер Г.А. Использование байпасной цементной пыли для производства стеклокерамических материалов. Adv. Прил. Ceram. 2006; 105: 107–111. DOI: 10.1179 / 174367606X86736. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Уляш-Бохенчик А. Химические характеристики пыли цементных печей. Господ. Surowcami Мин. 2019; 35: 87–102. DOI: 10.24425 / GSM.2019.128524. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Сиддик Р. Использование пыли цементных печей (ЦП) в цементном растворе и бетоне — обзор. Ресурс. Консерв. Recycl.2006. 48: 315–338. DOI: 10.1016 / j.resconrec.2006.03.010. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Орешкович М., Трифунович С., Младенович Г. Использование гашеной извести и цементной байпасной пыли в качестве альтернативных наполнителей в горячих асфальтовых смесях; Материалы 17-го Коллоквиума «Асфальт, битум и тротуары»; Блед, Словения. 27–29 ноября 2019 г. [Google Scholar] 27. Ходары Ф., Абд Эль-Садек М.С., Эль-Шестави Х.С. Наноразмерный цементный обход в качестве модификатора асфальта при строительстве автомобильных дорог. Int. J. Eng. Res. Прил. 2013; 3: 645–648. [Google Scholar] 28.Бучинский П., Ивански М. Влияние гидратированной извести, портландцемента и цементной пыли на реологические свойства переработанных холодных смесей со вспененным битумом; Материалы 10-й Международной конференции «Экологическая инженерия»; Вильнюс, Литва. 27–28 апреля 2017 г .; [CrossRef] [Google Scholar] 29. Бучиньски П., Ивански М., Мазурек Г. Водостойкость переработанной основы со вспененным битумом с точки зрения композиции дорожного вяжущего. Бутон. Arch. 2016; 15: 19–29. DOI: 10.24358 / Bud-Arch_16_151_02.[CrossRef] [Google Scholar] 30. Омрани М.А., Модаррес А. Эмульгированные смеси холодного ресайклинга с использованием пыли цементных печей и золы угольных отходов — механическое воздействие на окружающую среду. J. Clean. Prod. 2018; 199: 101–111. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2018.07.155. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Бахар Р., Бенаццуг М., Кенай С. Характеристики уплотненного цементно-стабилизированного грунта. Джем. Concr. Compos. 2004; 26: 811–820. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.01.003. [CrossRef] [Google Scholar] 32. Махамеди А., Хемисса М. Стабилизация расширяющейся переуплотненной глины с помощью гидравлических вяжущих.HBRC J. 2015; 11: 82–90. DOI: 10.1016 / j.hbrcj.2014.03.001. [CrossRef] [Google Scholar] 33. Перес П., Агрела Ф., Херрадор Р., Ордоньес Дж. Применение переработанных материалов, обработанных цементом, при строительстве участка дороги в Малаге, Испания. Констр. Строить. Мат. 2013; 44: 593–599. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2013.02.034. [CrossRef] [Google Scholar] 34. Пизон Ю., Лавневска-Пекарчик Б. Оценка эффективности примесей и пыли цементных печей при взаимодействии с цементами с шлаковой смесью разного фазового состава.IOP Conf. Сер. Матер. Sci. Англ. 2019; 603: 032088. DOI: 10.1088 / 1757-899X / 603/3/032088. [CrossRef] [Google Scholar] 35. Чарнецкий Л., Курдовский В. Tendencje kształtujące przyszłość betonu. Budownictwo Technologie Architektura. 2007; 1: 50–55. [Google Scholar] 36. Аткинсон А.С., Донев А.Н. Оптимальные экспериментальные планы, Oxford Science Publications. Clarendon Press; Оксфорд, Великобритания: 1992. [Google Scholar] 37. Польский комитет по стандартизации. Гидравлические дорожные вяжущие. Гидравлические дорожные вяжущие нормального твердения.Состав, технические характеристики и критерии соответствия. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2015. PN-EN 13282-2: 2015. [Google Scholar] 38. Лазич Ž.R. Дизайн экспериментов в химической инженерии: Практическое руководство. Wiley-VCH; Weinheim, Germany: 2004. [Google Scholar] 39. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Химический анализ цемента. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2013. PN-EN 196-2: 2013. [Google Scholar] 40. Польский комитет по стандартизации.Методы испытания цемента. Определение сроков схватывания и прочности. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2016. PN-EN 196-3: 2016. [Google Scholar] 41. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Определение тонкости помола. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2018. PN-EN 196-6: 2018. [Google Scholar] 42. Польский комитет по стандартизации. Строительные растворы — испытание физико-механических свойств. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 1985.PN 85 / B-04500. [Google Scholar] 43. Польский комитет по стандартизации. Методы испытаний строительных растворов для кладки. Определение консистенции свежего строительного раствора (таблицей расхода) Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2005. PN-EN 1015-3: 2000 / A1: 2005. [Google Scholar] 44. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Определение силы. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2016. PN-EN 196-1: 2016. [Google Scholar] 45. Невилл А. Свойства бетона.5-е изд. Пирсон; Харлоу, Великобритания: 2011. [Google Scholar]

Свойства трехкомпонентного минерального дорожного вяжущего для технологии глубокой холодной переработки

Материалы (Базель). 2020 Aug; 13 (16): 3585.

Факультет гражданского строительства и архитектуры, Технологический университет Кельце, 25-314 Кельце, Польша; lp.ecleik.ut@kaiswo

Поступило 08.07.2020; Принято 11 августа 2020 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0 /). Эту статью цитировали в других статьях в PMC.

Abstract

В этом исследовании изучались физические свойства трехкомпонентного минерального вяжущего, которое обычно используется при глубокой холодной переработке. Тестовые вяжущие были произведены с использованием портландцемента, гашеной извести и цементной байпасной пыли (CBPD) в качестве побочного продукта, полученного при производстве цемента. Была оценена пригодность CBPD для использования в дорожных вяжущих. Определено влияние трехкомпонентной вяжущей композиции на время схватывания, прочность, консистенцию, прочность на разрыв и сжатие цементных паст и растворов.Были испытаны пасты и строительные растворы одинаковой консистенции, полученные при различных соотношениях вес / вес. На основании этого были определены пропорции смесей, приводящие к получению дорожных вяжущих, удовлетворяющих требованиям PN-EN 13282-2: 2015. Путем смешивания цемента, извести и CBPD во время испытаний были получены вяжущие классы от N1 до N3. Замена 40% массы цемента на CBPD с высоким содержанием свободной извести позволила получить дорожные вяжущие, подходящие для вторичных слоев основания. Общее содержание CBPD и гашеной извести в дорожном вяжущем не должно превышать 50% по массе.Обсуждался потенциальный риск снижения прочности строительного раствора из-за перекристаллизации KCl.

Ключевые слова: цементная пыль, цементное тесто, раствор, смешанное минеральное вяжущее, физические свойства

1. Введение

Битумные дорожные покрытия подвержены деградации из-за различных воздействий окружающей среды. Постоянная деформация, возникающая в фундаменте или слоях минеральной основы, является проблемой, требующей обширного обслуживания. Одним из методов, рекомендуемых для устранения причины остаточной деформации, является экологически чистая технология глубокого холодного ресайклинга (CR) [1,2,3,4].Нижние слои дорожного покрытия, изготовленные с использованием CR, представляют собой полужесткие базовые слои, которые обычно изготавливаются с использованием битумных вяжущих (таких как эмульсия или вспененный битум) и минеральных вяжущих (портландцемент, гашеная известь, летучая зола или цементная пыль) [5,6]. Минеральные связующие делают основу более жесткой, тем самым сводя к минимуму возможность восстановления остаточной деформации в слое. С другой стороны, чрезмерная прочность вяжущего может способствовать чрезмерной жесткости вторичного слоя и вызывать образование трещин во всех слоях битумного покрытия [2,5].Чтобы противодействовать этому эффекту и сделать смесь более эластичной, добавляют соответствующее количество битумного вяжущего [7]. Жесткость слоя также можно снизить, заменив цемент дополнительными вяжущими материалами (SCM), такими как гашеная известь, и побочными продуктами процесса производства цемента, такими как цементная пыль (CKD) и цементная байпасная пыль (CBPD) [ 8,9,10,11,12,13,14,15].

Использование цемента с добавлением побочных продуктов, образующихся при производстве цемента, является относительно недавним нововведением и требует проведения дальнейших исследований.Пыль, такая как CKD или CBPD, особенно та, которая образуется при более низких температурах в современных печных системах, может обладать связующими свойствами, поскольку она содержит фазы клинкера [8,9]. Они также могут содержать непрореагировавшую свободную известь [9,13]. Таким образом, присутствие этой пыли может существенно повлиять на свойства связующего, используемого в основном слое. Дополнительным преимуществом этого решения является меньшая зависимость от мусорных свалок в качестве средства удаления пыли [10,13,16]. Количество CKD и CBPD, образующихся в процессе производства цементного клинкера, во многом зависит от применяемой технологии.Как сообщают исследователи [16,17], он обычно составляет от 0 до 25% от массы клинкера. По данным Польской цементной ассоциации, количество пыли, образующейся при производстве цемента, уменьшается. В их последнем отчете установлено, что годовое количество пыли из цементных печей в Польше составляет около 1200 тонн [18]. По сравнению с 25 000 тонн в Омане, 2,7–3,5 млн тонн в Египте, 8 млн тонн в Великобритании и 2,5–12 млн тонн в США [16,19,20,21], количество 1200 тонн кажется незначительным. Однако, поскольку один цементный завод способен производить 1000 тонн CBPD ежедневно [22], зарегистрированный уровень выбросов пыли не совпадает с общим количеством пыли, образующейся на польских цементных заводах, и не включает CKD и CBPD, которые перерабатываются. обратно в систему печи.Количество пыли, используемой таким образом в Польше, намного выше и колеблется от 9000 до 25000 тонн в год [23]. В 2016 году в процессе производства цемента было повторно использовано 15 071 тонна ЦП и КБД [24]. Однако, поскольку переработанная пыль снижает качество цемента, проводятся исследования новых возможностей для удаления пыли [16].

Существует большое количество исследований, изучающих альтернативы использованию CBPD [8,11,14,16]. Одним из важных направлений исследований является стабилизация грунтов [13,16,17,25]. По данным на 2006 год, в США для этой цели используется больше ЦП, чем для производства цемента.В том же источнике упоминается использование пыли при строительстве дорожных покрытий. Ряд исследователей [21,26,27] исследовали применение ЦП в качестве наполнителя в асфальтовых смесях. Цементная пыль байпаса не является инертным материалом, поскольку она содержит фазы, которые обладают связующими свойствами [9,13,17]. Поэтому его можно использовать при производстве минеральных вяжущих. Высокое содержание хлоридов и щелочей [9] не позволяет широко использовать CBPD в производстве классического цементного бетона [16]. Другие области применения этого материала изучаются, например, его включение в связующие, активируемые щелочью [17,19], и в связующие, которые не должны иметь высоких прочностных характеристик [17].Последние минеральные связующие выбирают для глубокой холодной переработки [28,29,30].

Правильный выбор пропорций компонентов смеси холодного ресайклинга имеет ключевое значение с точки зрения требуемых свойств основного слоя. Полужесткое основание должно защищать дорожное покрытие от остаточных деформаций, отражающего растрескивания [2,10] и местного снижения нагрузки на грунтовое полотно из-за грунтовых вод. Требуемые свойства основного слоя достигаются, прежде всего, за счет использования соответствующих соотношений минеральных и битумных вяжущих с известными характеристиками [2].Идентификация свойств минерального вяжущего затруднена, если оно состоит из разных материалов [31,32,33,34]. Самым популярным вяжущим, используемым в CR, является портландцемент. Цемент увеличивает жесткость повторно используемой базовой смеси, тем самым увеличивая риск образования трещин отражения при эксплуатационных нагрузках. Вместе с гашеной известью CBPD используется для снижения жесткости затвердевшего композита [2]. Снижение жесткости с помощью CBPD связано со снижением прочности, поскольку CBPD обеспечивает более слабый скелет, несмотря на его связывающие свойства [9,12,13].Способность CBPD набухать во время схватывания является интересным свойством [9,11,12], которое уравновешивает усадку портландцемента и гашеной извести на стадии схватывания. Смешивая эти три связующих, можно контролировать изменения объема, связанные с установкой.

Это исследование было направлено на изучение свойств трехкомпонентного минерального связующего, которое может использоваться в смесях холодного вторичного использования. В дополнение к обычным компонентам, таким как портландцемент и гашеная известь, связующее содержало CBPD. Трехкомпонентное вяжущее, состоящее из цемента, гашеной извести и CBPD, еще не изучалось для использования в глубокой холодной переработке.План экспериментов, предложенный Аткинсоном и Доневым [36], был принят для расчета состава трехкомпонентных смесей. План включал определение оптимального состава вяжущего цемент-известь-CBPD с точки зрения его использования для смесей базового слоя, подвергнутых холодному ресайклингу. Физико-механические свойства паст и строительных растворов, приготовленных с семью связующими смесями, были определены в соответствии с требованиями PN-EN 13282-2: 2015 [37].

Это исследование было направлено на изучение свойств трехкомпонентного минерального связующего, которое может использоваться в смесях холодного вторичного использования.В дополнение к обычным компонентам, таким как портландцемент и гашеная известь, связующее содержало CBPD. Трехкомпонентное вяжущее, состоящее из цемента, гашеной извести и CBPD, еще не изучалось для использования в глубокой холодной переработке. План экспериментов, предложенный Аткинсоном и Доневым [36], был принят для расчета состава трехкомпонентных смесей. План включал определение оптимального состава вяжущего цемент-известь-CBPD с точки зрения его использования для смесей базового слоя, подвергнутых холодному ресайклингу.Физико-механические свойства паст и строительных растворов, приготовленных с семью связующими смесями, были определены в соответствии с требованиями PN-EN 13282-2: 2015 [37].

2. Материалы и методы

2.1. Свойства компонентов, использованных в приготовлении вяжущего

Исходными материалами, используемыми для создания минеральных дорожных вяжущих, были портландцемент CEM I 32.5R (Cement Ożarów, Oarów, Польша), гашеная известь (ZSChiM «PIOTROWICE II», Sitkówka, Польша) , и CBPD с высоким содержанием свободной извести (Cement Ożarów, Ожаров, Польша).Химический состав материалов показан на. Фазовый состав, определенный с помощью дифракции рентгеновских лучей, представлен в виде рентгенограмм в и в виде таблиц результатов количественного анализа в. Гранулометрический состав сырья приведен в.

Рентгенограммы цемента CEM I 32.5R, CBPD и гашеной извести. Обозначения: A — алит, B’- белит, R — браунмилерит, 3 — C ₃ A, Ar — арканит, Q — кварц, G — гипс, L — свободный CaO, S — сильвин, P — портландит, C — кальцит.

Гранулометрический состав сырья.

Таблица 1

Химический состав портландцемента CEM I 32.5R и цементной байпасной пыли (CBPD).

Таблица 2

Фазовый состав компонентов дорожного вяжущего (%).

Каждый из результатов минералогических испытаний цемента выявил фазовый состав, типичный для каждого соответствующего материала. В CBPD присутствовали две фазы, указывающие на связывающие свойства: CaO и C ₂ S, сопровождаемые сильвином (хлоридом калия) и кальцитом, которые были получены из сырья, которое было кальцинировано перед его поступлением в печь или было перенесено из печи. воздушным потоком, переносящим мостиковые соединения хлора.Незначительное количество кальцита в гашеной извести может быть связано с присутствием недекарбонизированного сырья или частичной карбонизацией портландита. Высокое содержание свободной извести в испытанном CBPD примечательно при сравнении его с другими видами пыли [13].

Было обнаружено, что гранулометрический состав гашеной извести аналогичен гранулометрическому составу портландцемента, то есть от 0 до 100 мкм, при этом у извести больше частиц в диапазоне от 3 до 45 мкм. Перегиб более 12 мкм на кривой градации извести, вероятно, был связан с образованием агломератов частиц извести.Частицы извести размером более 200 мкм исключались из анализа и рассматривались как агломераты мелких частиц, размер которых мог достигать десятков миллиметров. Самые мелкие частицы размером от 0,20 до 18,5 мкм были обнаружены в CBPD. По сравнению с цементом и известью CBPD содержал больше частиц в диапазоне от 0,50 до 18,5 мкм, но меньше частиц в диапазоне от 0,20 до 0,50 мкм. Все компоненты гидравлического вяжущего соответствуют требованиям стандарта EN 13282-2 [20]. Рекомендуемый предел содержания частиц размером более 90 мкм — 15%.Цемент и CBPD соответствовали стандартным требованиям в отношении своего состава.

2.2. Методика

2.2.1. Экспериментальный план

Подгонка поверхностей отклика к результатам смеси выполняется так же, как подгонка к данным из центрального композитного дизайна. Однако данные о смеси ограничены тем, что сумма всех компонентов смеси всегда составляет 100%. Трехкомпонентная смесь может быть определена путем определения точки в треугольной системе координат, определяемой тремя переменными.Все экспериментальные планы, основанные на дизайне смеси, требуют вершинных точек, то есть смесей, состоящих только из одного компонента. На практике эти системы могут оказаться неприменимыми из-за стоимости или других технологических ограничений. В этом эксперименте использовались ограниченные конструкции смеси, то есть базовая конструкция смеси была изменена таким образом, чтобы количество каждого компонента находилось в диапазоне от 20% до 60%. В конечном итоге исследовательская программа была подчинена расчету смеси с ограничениями, основанному на дизайне симплекс-центроид [38].

Влияние состава гидравлического вяжущего на его свойства было определено путем приготовления семи различных дорожных вяжущих на основе экспериментального плана. Принципы симплекс-центроидного дизайна Аткинсона и Донева [36] были приняты для описания связующего состава. План экспериментов предполагает оценку влияния содержания отдельных компонентов и взаимодействий между ними на свойства связующего и позволяет оценить влияние композиции связующего на заданное свойство в любой точке в пределах анализируемой области экспериментального плана. .Симплекс-центроидный дизайн показан на рис. Кроме того, обозначения и составы гидравлических вяжущих показаны на.

Таблица 3

Обозначения и составы связующих (мас.%).

5C

Семь дорожных вяжущих были приготовлены на основе экспериментального плана для всесторонней оценки влияния компонентов вяжущего на свойства затвердевшего раствора. В качестве эталонного связующего использовался чистый портландцемент.

показывает места кодовой маркировки для комбинации компонентов, включенных в универсальное связующее, и метод определения процентного значения этих компонентов. Количество данного компонента в треугольнике — это длина сегмента, который является биссектрисой между соседними сторонами треугольника.Расчет смеси с ограничениями состоял из оценки псевдокомпонентов и обработки области с ограничениями как полной схемы. На практике анализ эксперимента с использованием смесевых планов представляет собой множественную (многомерную) регрессию с постоянной составляющей, приведенной к нулю. Влияние состава смеси на свойства инновационного вяжущего оценивалось на основании анализа адекватности типа аппроксимируемой функции тест-объекта и оценки коэффициентов функции.

В качестве аппроксимирующей функции была принята полиномиальная функция. Степень полинома зависела от важности его формы для объяснения изменчивости результатов теста. Следующим этапом анализа стала оценка коэффициентов полинома со степенью, определенной на основе дисперсионного анализа. Аппроксимация параметров была основана на методе наименьших квадратов (LSM).

2.2.2. Паста и строительный раствор

Химический состав исходных материалов был проанализирован в соответствии с PE-EN 196-2 [39].Фазовый состав был идентифицирован с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) на порошковых образцах. Использовали дифрактометр Empyrean (PANalytical, Алмело, Нидерланды). Диапазон углов 2θ от 5 ° до 75 ° был проанализирован с размером шага 0,0167 ° и временем счета 60 с. Для идентификации фаз использовали программное обеспечение для анализа PANalytical XRD HighScore 4.6 с базой данных PDF-2 Международного центра дифференциальных данных (ICDD). Анализ размера частиц связующих проводился с использованием лазерной дифракции на лазерном дифрактометре Hellos KR (Sympatec, Клаусталь-Целлерфельд, Германия).

Надлежащее количество воды для смешивания, начальное и конечное время схватывания, а также изменения объема связующего были определены с помощью теста Ле Шателье (Институт керамики и строительных материалов, Краков, Польша) в соответствии с PN-EN 196-3 [40]. Испытание Блейна (Институт керамики и строительных материалов, Краков, Польша) использовалось в соответствии с PN-EN 196-6 [41] для измерения удельной поверхности связующих. Эти методы испытаний использовались для объяснения влияния отдельных компонентов на консистенцию приготовленных строительных смесей.

Консистенция раствора была определена с помощью теста на проникновение в соответствии с PN 85 / B-04500 [42] и теста таблицы текучести в соответствии с PN-EN 1015-3 [43].

Эти испытания были выполнены для определения соотношения воды к вяжущему (w / b), необходимого для соответствующей консистенции строительных смесей. Известно, что площадь поверхности и, следовательно, потребность в воде значительно варьируется между цементом, гашеной известью и CBPD. Более того, присутствие значительного количества свободной извести в составе CPBD может способствовать испарению части воды для смешивания в результате выделения тепла во время гидратации [9,12], тем самым снижая эффективное w / b соотношение.Таким образом, существует потребность в определении соотношения вес / вес для каждого связующего, из которого получаются пасты и строительные растворы, пригодные для испытаний, а в более долгосрочной перспективе — для использования в холодном ресайклинге.

Прочность строительного раствора на сжатие и изгиб была измерена на стержнях размером 40 × 40 × 160 мм через 28 и 56 дней в соответствии с PN-EN 196-1 [44]. Определение прочности в течение 56 дней необходимо для проверки соответствия смесей требованиям к дорожным вяжущим, установленным в PN-EN 13282-2: 2015 [37]. 28-дневные испытания представляют собой классические испытания на прочность, выполняемые для различных цементных композитов и широко обсуждаемые в литературе [44].

3. Результаты испытаний физико-механических свойств вяжущего

3.1. Определение плотности, удельной поверхности, надлежащего количества воды и времени схватывания связующих

представляет результаты испытаний на плотность, удельную поверхность, количество воды, время схватывания и стабильность объема связующего.

Таблица 4

Надлежащее количество воды, время схватывания отдельных связующих и результаты определения стабильности объема связующего в кольце Ле Шателье.

99 2,74

Плотность и удельная поверхность связующих зависят от процентного содержания исходных компонентов.Известь или байпасная пыль, используемые вместо цемента, увеличивают водопотребность вяжущего. Это было связано со значительно меньшей удельной поверхностью и большей плотностью цемента [17,44]. Присутствие CBPD увеличивало потребность в воде больше, чем добавление гашеной извести. Начальное время схватывания для всех связующих составило более 150 мин, что соответствует требованиям стандарта. Присутствие гашеной извести в связующем наиболее сильно влияло на увеличение времени схватывания.Самое короткое время схватывания наблюдалось у связующего 3V. Помимо цемента в качестве основного компонента вяжущее 3V содержало небольшие количества извести и CBPD. Действие щелочей и свободной извести, присутствующих в CBPD, способствовало более быстрому схватыванию вяжущего по сравнению с портландцементом. В небольших количествах щелочи и свободная известь могут действовать как активаторы схватывания цемента. Точно так же повышение температуры образца в результате свободной гидратации извести может способствовать более быстрому схватыванию. Однако, как правило, время схватывания приготовленных трехкомпонентных связующих удлинялось.Это было связано с тем, что время схватывания гашеной извести и CBPD было намного дольше, чем у цемента [17,25].

Стандартное требование к цементным вяжущим — изменение плотности по Ле-Шателье не должно превышать 30 мм. Связующие 1V и 4C не соответствовали этому условию; все другие связующие проявляли набухание в допустимых пределах. Таким образом, было очевидно, что высокое содержание CBPD в связующих приводит к значительным изменениям их объема. Результаты, полученные для 4C и 5C, можно было компенсировать добавлением цемента, в то время как добавление гашеной извести имело незначительный эффект.Материал CBDP был основным фактором увеличения потребности в воде вяжущего.

3.2. Определение консистенции строительного раствора

Строительные растворы, содержащие определенные связующие вещества, имеющие состав, как указано для стандартных строительных растворов в PN-EN 196-1, были использованы в испытаниях на консистенцию. собирает средние значения из трех измерений.

Таблица 5

Консистенция анализируемых растворов.

Растворы были испытаны при различных значениях w / b, и результаты консистенции, полученные для растворов с разработанными вяжущими, были сопоставлены с для раствора, приготовленного на цементном вяжущем. Как и в тестах на консистенцию пасты, водопотребность вяжущих увеличивалась с уменьшением содержания цемента. В отличие от паст, различия были меньше, поскольку консистенция растворов в значительной степени зависела от водопотребления заполнителей, а количество заполнителей было одинаковым в каждом образце [44].Эти результаты не подтверждают положительное влияние CBPD на текучесть строительных растворов, как было обнаружено Sreekrishnavilasam и Santagata [17] для материалов с низкой прочностью. Эти результаты подтверждают выводы конкретного анализа, представленные Сиддиком [25], который сообщил о более густой консистенции с повышенным содержанием ХБП.

3.3. Результаты испытаний строительного раствора на прочность на сжатие и изгиб

и показывают результаты испытаний строительного раствора на изгиб и сжатие через 28 и 56 дней.Результаты испытаний на прочность показывают, что использование в связующем побочных продуктов извести и пыли привело к значительному снижению прочности. Механические параметры контрольного образца через 28 дней были значительно выше, чем у других образцов. Прочность на изгиб и сжатие образца 3V, содержащего на 40% меньше цемента, была на 50% и 55% соответственно меньше, чем у контрольного образца. Таким образом, видно, что зависимость прочности от содержания цемента не была линейной. На прочность растворов особенно повлияло добавление гашеной извести к связующему.Присутствие CBPD в связующем также снижает прочность строительных смесей, что подтверждается другими исследованиями [14,17,25]. Через 56 дней все смеси, за исключением смеси 2V с наибольшим содержанием гашеной извести, соответствовали стандартным требованиям прочности для гидравлических дорожных вяжущих, достигая минимальной прочности 2,5 МПа, что соответствует классу N1. Наивысшая прочность на сжатие, 23,7 МПа через 56 дней, была достигнута у вяжущего 3V, в котором портландцемент был доминирующим компонентом, представляющим классы N2 и N3.

28-дневная прочность на сжатие и изгиб брусков раствора, изготовленных с дорожным вяжущим.

Прочность на сжатие и изгиб в течение 56 дней строительных брусков, изготовленных с использованием дорожного вяжущего.

В большинстве случаев сравнение 28-дневного и 56-дневного тестов показало лишь незначительные изменения силы. Таким образом, можно сделать вывод, что испытанные связующие вели себя как обычные связующие портландцемента, причем увеличение прочности происходило в основном за период менее 28 дней. Обычно изменения, происходящие по истечении этого времени, приводили к увеличению прочности, за исключением связующих 5C и 6C.Наблюдаемое снижение прочности этих вяжущих может быть связано с прогрессирующим разрушением бетона из-за влияния хлоридов из CBPD [14,17,45].

В течение первых 2-х суток на поверхности прутков кристаллизовался белый налет с высоким содержанием цементной пыли (1V). Результаты исследования дифракции рентгеновских лучей () показали, что осадок состоит из кристаллов сильвина. Рентгенограмма также показала единичные очень слабые пики других фаз в растворе на основе цемента, кварце и кальците.

Рентгенограмма отложений на поверхности брусков дорожного вяжущего раствора. Q — кварц, S — сильвин, C — кальцит.

Эти данные подтверждают перекристаллизацию сильвина во время схватывания и отверждения связующего, содержащего CBPD, как было обнаружено в предыдущих исследованиях [9,12]. В предыдущих исследованиях было обнаружено, что перекристаллизация сильвина внутри пасты изменяет ее микроструктуру. Образовывались мелкие кристаллы и пленки KCl. Как было продемонстрировано, кристаллическая пленка также могла образовываться на поверхности образцов, принимая форму крупных кристаллов, видимых невооруженным глазом.Образование таких крупных кристаллов в ограниченном пространстве матрицы пасты может повредить ее и, таким образом, снизить ее прочность. Это может объяснить снижение прочности в период между 28 и 56 днями, наблюдаемое для связующих 5C и 6C, и отсутствие стабильности размеров затвердевших образцов [14,17].

4. Обсуждение

Для оценки полученных результатов был применен экспериментальный план симплекс-центроид. Для описания переменных использовались модели второй и третьей степени (специальная кубическая).показывает поверхности отклика компонентов связующего и их влияние на прочность на изгиб и сжатие брусков раствора.

Поверхности отклика для переменных: ( a ) прочность на сжатие стержней раствора через 56 дней и ( b ) прочность на изгиб стержней раствора через 56 дней.

показывает оптимизацию состава дорожного вяжущего в отношении прочности. Анализ влияния вяжущей композиции на ее прочность на сжатие (а) показал, что цемент в первую очередь отвечает за полезные свойства трехкомпонентного дорожного вяжущего.Чтобы соответствовать требованиям EN 13282-2: 2015 для класса N1, дорожное вяжущее должно содержать до 60% гашеной извести при содержании CBPD около 30%, но эти пропорции не были оптимальными из-за времени схватывания. Учитывая параметры прочности, CBPD может заменить цемент в больших количествах. Теоретически весь цемент можно заменить на CBPD в дорожных вяжущих. Это было невозможно из-за несоблюдения требований к прочности связующих. По этой причине содержание CBPD в дорожном вяжущем не должно превышать 40% ().Это значение, однако, все еще в два раза больше, чем рекомендуемая максимальная дозировка CPBD, используемого в качестве минеральной добавки для цемента [8]. Это также значительно больше, чем количество (12%), рекомендованное в качестве требований к водостойкости дорожного вяжущего [29].

Замена цемента гашеной известью и CBPD часто приводит к значительному снижению прочности на сжатие вяжущего, что позволяет отнести его только к классу N1. Для получения дорожного вяжущего более высокого класса минимально необходимое количество цемента должно составлять 50% от массы вяжущего.

Было замечено, что прочность бетона на изгиб в целом ниже, чем у раствора; Таким образом, раствор определяет верхний предел прочности бетона на изгиб [45]. Этот вывод важен при проектировании дорожных покрытий на основе значений прочности на изгиб и играет роль в случае повторно используемых слоев основы. Нет требований к прочности на изгиб растворов с гидравлическим дорожным вяжущим.

Результаты (б) показывают, что по сравнению с CBPD снижение прочности на изгиб из-за извести было намного больше.Теоретически, чтобы прочность раствора упала ниже 2 МПа, достаточно заменить 55% цемента ЦЕМ 32.5R гашеной известью. Чтобы получить такой же эффект с CBPD, количество заменяемого цемента должно составлять не менее 85%.

5. Выводы

Результаты испытаний, полученные в результате этого исследования, показывают, что:

• Соответствующая комбинация компонентов гидравлического дорожного вяжущего дала оптимальный состав для требуемых механических и физических характеристик в повторно используемом слое основы.

• Добавление CBPD и гашеной извести к портландцементу позволило получить минеральное дорожное вяжущее с классом N1 до N3, которое соответствовало требованиям EN 13282 2: 2015.

• Наличие CBPD в минеральном вяжущем увеличило его потребность в воде и объем во время схватывания. Это также вызвало кристаллизацию хлорида калия, которая произошла после схватывания связующего, что проявилось в образовании белого налета на поверхности раствора.

• Присутствие гашеной извести в первую очередь способствовало увеличению времени схватывания и снижению прочности раствора на изгиб и сжатие.

• Содержание портландцемента было основным фактором, увеличившим прочность цементно-известково-CBPD раствора.

• Замена портландцемента на 50% гашеную известь и CBPD обеспечила сохранение требуемых физико-механических свойств, что продемонстрировано оптимизацией состава гидравлического дорожного вяжущего. Для производства дорожного вяжущего не следует использовать CBPD в количестве, превышающем 40% от массы вяжущего.

• Присутствие CBPD снижает прочность растворов из-за перекристаллизации KCl.

Вклад авторов

Концептуализация, Z.O .; методология, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; проверка, Z.O., P.C., and J.Z.-S .; формальный анализ, З.О. и ПК; расследование, P.C. и J.Z.-S .; ресурсы, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; data curation, Z.O., P.C. и J.Z.-S .; письмо — подготовка оригинального проекта, Z.O., P.C. и J.Z.-S; написание — просмотр и редактирование, Z.O., P.C. и J.Z.-S; визуализация, ПК; надзор, З.О .; администрация проекта, Z.O .; привлечение финансирования, Z.О. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Результаты исследования были разработаны в рамках проекта под названием «Инновационная технология, используемая для оптимизации связующего агента, обеспечивающая долгий срок службы переработанного базового слоя» (TECHMATSTRATEG1 / 349326/9 / NCBR / 2017) в рамках научное начинание Программы стратегических исследований и разработок под названием «Современные технологии материалов» (TECHMATSTRATEG I), которое финансируется Национальным центром исследований и разработок (польский NCBR).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Бучиньски П., Ивански М. Влияние полимерного порошка на свойства холодно-переработанной смеси со вспененным битумом. Материалы. 2019; 12: 4244. DOI: 10.3390 / ma12244244. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 2. Ивански М., Хомич-Ковляска А. Лабораторные исследования механических параметров вспененной битумной смеси в технологии холодного рециклинга. Процедуры Eng.2013; 57: 433–442. DOI: 10.1016 / j.proeng.2013.04.056. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Ивански М., Хомич-Ковальска А. Применение вспененного битума и битумной эмульсии в дорожных базовых смесях в технологии глубокой холодной переработки. Baltic J. Road Bridge Eng. 2016; 11: 93–101. DOI: 10.3846 / bjrbe.2016.11. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Ивански М., Бучиньски П., Мазурек Г. Использование габброидной пыли в холодном ресайклинге асфальтовых смесей со вспененным битумом. Бык. Pol. Акад. Sci. Tech. Sci. 2016; 64: 763–773.DOI: 10.1515 / bpasts-2016-0085. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Хомич-Ковальска А., Мацеевски К. Характеристики и вязкоупругая сборка холодно-вспененных битумных смесей с высокой степенью рециклинга, изготовленных с использованием вяжущих для разной проницаемости, для восстановления разрушенных дорожных покрытий. J. Clean. Prod. 2020; 23: 120517. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2020.120517. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Кукиелка Ю. Глубокий холодный ресайклинг на местной асфальтированной дороге. Materiały Budowlane. 2014; 12: 11–13. [Google Scholar] 7. Judycki J., Dołżycki B., Hunik K., Stienss M. Weryfikacja Zasad Projektowania Mieszanek Mineralno-Cementowo-Emulsyjnych. Гданьский технологический университет; Гданьск, Польша: 2006. С. 7–48. [Google Scholar] 8. Барнат-Хунек Д., Гора Й., Сухораб З., Лагод Г. 5 — Цементная пыль. В: Sissique R., Cachim P., ред. Отходы и дополнительные вяжущие материалы в бетоне: характеристика, свойства и применение. Издательство Woodhead Publishing; Кембридж, Великобритания: 2018. С. 149–180. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Чапик П., Запала-Слава Ю., Овсяк З., Стемпень П. Гидратация цементной байпасной пыли. Констр. Строительный мат. 2020; 231: 117139. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2019.117139. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ивански М., Бучиньски П., Мазурек Г. Оптимизация дорожного вяжущего в слое дорожного строительства. Констр. Строительный мат. 2016; 125: 1044–1054. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2016.08.112. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Нокунь-Вчелик В., Столярска К. Калориметрия в исследованиях пыли цементных печей байпаса в качестве добавки к алюминатному цементу.J. Therm. Анальный. Калорим. 2019; 138: 4561–4569. DOI: 10.1007 / s10973-019-08913-2. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Овсяк З., Чапик П., Запала-Славета Ю. Испытания цемента, гашеной извести и цементных байпасных пылеулавливающих смесей. Дороги Мосты — Дроги и Мосты. 2020; 19: 135–147. DOI: 10.7409 / rabdim.020.009. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Peethamparan S., Olek J., Lovell J. Влияние химических и физических характеристик пыли цементных печей (CKD) на их гидратационные свойства и потенциальную пригодность для стабилизации грунта.Джем. Concr. Res. 2008. 38: 803–815. DOI: 10.1016 / j.cemconres.2008.01.011. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Стрычек С., Гонет А., Чапик П. Разработка технологических свойств герметизирующих растворов с использованием цементной пыли. AGH Drill. Нефтяной газ. 2009. 26: 345–354. [Google Scholar] 15. Со М., Ли С.-Й., Ли К., Чо С.-С. Переработка пыли цементных печей в качестве сырья для цемента. Среды. 2019; 6: 113. DOI: 10.3390 / Environment6100113. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Адаска В.С., Тауберт Д.Х. Выгодное использование пыли цементных печей; Протоколы технической конференции IEEE Cement Industry 2008; Майами, Флорида, США.18–28 мая 2008 г .; [CrossRef] [Google Scholar] 17. Срикришнавиласам А., Сантагата М.С. Отчет № FHWA / IN / JTRP-2005/10 Разработка критериев использования пыли цементных печей (CKD) в инфраструктуре автомобильных дорог. Университет Пердью; Вест Лафайет, Индиана, США: 2006. Совместная программа транспортных исследований. [Google Scholar] 19. Абдель-Гани Н.Т., Эль-Сайед Х.А., Эль-Хабак А.А. Использование байпасной цементной пыли и доменного шлака с воздушным охлаждением при производстве некоторых «зеленых» цементных изделий.HBRC J. 2018; 14: 408–414. DOI: 10.1016 / j.hbrcj.2017.11.001. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Дарвиш Х. Обзорная статья о влиянии электростатических осадков от пыли из цементных печей на окружающую среду и здоровье населения. Являюсь. J. Biol. Environ. Стат. 2017; 3: 36–43. DOI: 10.11648 / j.ajbes.20170303.11. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Таха Р., Аль-Равас А., Аль-Харти А., Катан А. Использование цементной байпасной пыли в качестве наполнителя в асфальтобетонной смеси. J. Mater. Civil Eng. 2002. 14: 338–343. DOI: 10.1061 / (ASCE) 0899-1561 (2002) 14: 4 (338).[CrossRef] [Google Scholar] 22. Хатер Г.А. Использование байпасной цементной пыли для производства стеклокерамических материалов. Adv. Прил. Ceram. 2006; 105: 107–111. DOI: 10.1179 / 174367606X86736. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Уляш-Бохенчик А. Химические характеристики пыли цементных печей. Господ. Surowcami Мин. 2019; 35: 87–102. DOI: 10.24425 / GSM.2019.128524. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Сиддик Р. Использование пыли цементных печей (ЦП) в цементном растворе и бетоне — обзор. Ресурс. Консерв. Recycl.2006. 48: 315–338. DOI: 10.1016 / j.resconrec.2006.03.010. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Орешкович М., Трифунович С., Младенович Г. Использование гашеной извести и цементной байпасной пыли в качестве альтернативных наполнителей в горячих асфальтовых смесях; Материалы 17-го Коллоквиума «Асфальт, битум и тротуары»; Блед, Словения. 27–29 ноября 2019 г. [Google Scholar] 27. Ходары Ф., Абд Эль-Садек М.С., Эль-Шестави Х.С. Наноразмерный цементный обход в качестве модификатора асфальта при строительстве автомобильных дорог. Int. J. Eng. Res. Прил. 2013; 3: 645–648. [Google Scholar] 28.Бучинский П., Ивански М. Влияние гидратированной извести, портландцемента и цементной пыли на реологические свойства переработанных холодных смесей со вспененным битумом; Материалы 10-й Международной конференции «Экологическая инженерия»; Вильнюс, Литва. 27–28 апреля 2017 г .; [CrossRef] [Google Scholar] 29. Бучиньски П., Ивански М., Мазурек Г. Водостойкость переработанной основы со вспененным битумом с точки зрения композиции дорожного вяжущего. Бутон. Arch. 2016; 15: 19–29. DOI: 10.24358 / Bud-Arch_16_151_02.[CrossRef] [Google Scholar] 30. Омрани М.А., Модаррес А. Эмульгированные смеси холодного ресайклинга с использованием пыли цементных печей и золы угольных отходов — механическое воздействие на окружающую среду. J. Clean. Prod. 2018; 199: 101–111. DOI: 10.1016 / j.jclepro.2018.07.155. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Бахар Р., Бенаццуг М., Кенай С. Характеристики уплотненного цементно-стабилизированного грунта. Джем. Concr. Compos. 2004; 26: 811–820. DOI: 10.1016 / j.cemconcomp.2004.01.003. [CrossRef] [Google Scholar] 32. Махамеди А., Хемисса М. Стабилизация расширяющейся переуплотненной глины с помощью гидравлических вяжущих.HBRC J. 2015; 11: 82–90. DOI: 10.1016 / j.hbrcj.2014.03.001. [CrossRef] [Google Scholar] 33. Перес П., Агрела Ф., Херрадор Р., Ордоньес Дж. Применение переработанных материалов, обработанных цементом, при строительстве участка дороги в Малаге, Испания. Констр. Строить. Мат. 2013; 44: 593–599. DOI: 10.1016 / j.conbuildmat.2013.02.034. [CrossRef] [Google Scholar] 34. Пизон Ю., Лавневска-Пекарчик Б. Оценка эффективности примесей и пыли цементных печей при взаимодействии с цементами с шлаковой смесью разного фазового состава.IOP Conf. Сер. Матер. Sci. Англ. 2019; 603: 032088. DOI: 10.1088 / 1757-899X / 603/3/032088. [CrossRef] [Google Scholar] 35. Чарнецкий Л., Курдовский В. Tendencje kształtujące przyszłość betonu. Budownictwo Technologie Architektura. 2007; 1: 50–55. [Google Scholar] 36. Аткинсон А.С., Донев А.Н. Оптимальные экспериментальные планы, Oxford Science Publications. Clarendon Press; Оксфорд, Великобритания: 1992. [Google Scholar] 37. Польский комитет по стандартизации. Гидравлические дорожные вяжущие. Гидравлические дорожные вяжущие нормального твердения.Состав, технические характеристики и критерии соответствия. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2015. PN-EN 13282-2: 2015. [Google Scholar] 38. Лазич Ž.R. Дизайн экспериментов в химической инженерии: Практическое руководство. Wiley-VCH; Weinheim, Germany: 2004. [Google Scholar] 39. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Химический анализ цемента. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2013. PN-EN 196-2: 2013. [Google Scholar] 40. Польский комитет по стандартизации.Методы испытания цемента. Определение сроков схватывания и прочности. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2016. PN-EN 196-3: 2016. [Google Scholar] 41. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Определение тонкости помола. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2018. PN-EN 196-6: 2018. [Google Scholar] 42. Польский комитет по стандартизации. Строительные растворы — испытание физико-механических свойств. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 1985.PN 85 / B-04500. [Google Scholar] 43. Польский комитет по стандартизации. Методы испытаний строительных растворов для кладки. Определение консистенции свежего строительного раствора (таблицей расхода) Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2005. PN-EN 1015-3: 2000 / A1: 2005. [Google Scholar] 44. Польский комитет по стандартизации. Методы испытания цемента. Определение силы. Польский комитет по стандартизации; Варшава, Польша: 2016. PN-EN 196-1: 2016. [Google Scholar] 45. Невилл А. Свойства бетона.5-е изд. Пирсон; Харлоу, Великобритания: 2011. [Google Scholar]

Минеральные связующие вещества Промышленное применение и общая информация

При строительстве зданий и сооружений используются каменные материалы: кирпич, камень, блоки, панели, облицовочная плитка и многое другое. Но чтобы здание было прочным и теплым, эти материалы необходимо соединить в единую монолитную конструкцию.

Для этого используются связующие. Вяжущие также являются основным компонентом таких искусственных каменных материалов, как бетон и строительный раствор, в которых они скрепляются между собой зерновыми заполнителями (песок, гравий и щебень).

Одним из первых наручников, использованных человеком, была необработанная глина. В 3000 году до нашей эры люди начали использовать более прочные связующие, произведенные искусственно путем обжига материалов из природного камня. Первым материалом, вероятно, было гипсовое связующее, следующим — воздушная известь. Однако из-за отсутствия водонепроницаемости такой материал не полностью отвечал требованиям конструкции. Для повышения водостойкости вяжущих древние римляне добавляли вулканический пепел в воздушную известь. Позже, в XVIII веке, строители обнаружили, что путем обжига известняка с высоким содержанием глины можно получить более эффективное водостойкое связующее.Так родилась гидравлическая известь и римский цемент. Толчком для дальнейшего развития производства и использования вяжущих явилось изобретение в начале XIX века нового качественного цемента повышенной прочности и водостойкости, известного как портландцемент.

В настоящее время в конструкции используется множество других минеральных вяжущих, которые отличаются по своим свойствам. Современные архитектурные компании, такие как британская Telling, специализирующаяся на технологиях гидравлической извести и известковых растворов, используют более 30 видов минеральных вяжущих в зависимости от цели проекта и условий окружающей среды.

Минеральные связующие вещества представляют собой порошкообразные вещества, способные при смешивании с водой (иногда с растворами солей) образовывать вязкопластичную массу, которая постепенно затвердевает в камнеобразное тело. При строительстве вяжущих используются смеси с наполнителями для сохранения вяжущего и улучшения некоторых свойств искусственного камня.

Вот виды смесей на основе вяжущих:

• Вяжущее (например, гипсовое) тесто — смесь вяжущего (гипса) с водой; затвердевшая гипсовая паста под названием гипс
• Раствор, состоящий из вяжущего, воды и песка; после застывания растворной смеси образуется
• Бетонная смесь, включающая вяжущее, воду, песок и щебень (или гравий)

Минеральные вяжущие в зависимости от их способности затвердевать (набирать прочность) при определенных условиях делятся на воздушные и гидравлические.

Воздушные связующие твердеют и долго сохраняют прочность только на воздухе; в воде они впитываются и довольно быстро теряют свои качества. Причина снижения прочности — относительно высокая растворимость компонентов искусственного камня. В эту группу входят: гипсовые и магнезиальные связующие, жидкое стекло, воздушная известь. Иногда к воздушным вяжущим относятся глины. Однако это не совсем оправдано, так как глиняное тесто затвердевает исключительно в результате высыхания и не меняет своего химического состава, что характерно для всех затвердевших минеральных вяжущих.

Binder Property — обзор

4.6 Свойства битума, модифицированного каучуком

Свойства битумно-каучукового вяжущего зависят от многих факторов, таких как свойства битума, свойства резины, срок службы и температура резинобитумного вяжущего. производства, способа и интенсивности процесса смешивания, а также свойств используемых добавок. Консистенция резинобитумного связующего, его реологические свойства и сопротивление старению зависят от химического состава битума, а также от содержания и размера частиц резиновой крошки.Кроме того, удельная поверхность резиновых частиц зависит от используемого метода измельчения. Также следует отметить, что химический состав и примеси резины существенно влияют на процесс модификации и определяют конечные свойства резинобитумного связующего.

Количество добавляемой резиновой крошки варьируется во многих странах и колеблется от небольшого количества (5–12%) (Page, 1992) до 22% (CALTRANS, 2006) от веса связующего. Более высокое содержание каучука в битуме приводит к положительному увеличению вязкоупругих свойств резинобитумного связующего.

Гранулирование резиновой крошки и ее удельная поверхность в значительной степени определяют вязкость резинобитумного связующего. Более мелкие частицы резины с хорошо развитой удельной поверхностью эффективно набухают в битуме. Метод измельчения резины влияет на характеристики поверхности резиновых частиц. Резиновые частицы, полученные механическим измельчением, имеют развитую поверхность (пористую, зазубренную) и легко вступают в реакцию с битумом. Резиновые частицы, полученные с помощью криогенной технологии, имеют правильную форму с гладкими и глянцевыми поверхностями и противостоят процессу набухания при производстве резинобитумного вяжущего (Шен, Амирханян, 2005; Дантас Нето и др., 2009).

Химический состав резины влияет на качество резинобитумного связующего. Компоненты каучука, полученного из шин, — это синтетические и натуральные каучуки, наполнители, ароматические масла, сера и другие химические добавки. Резиновая шина содержит только около 50% резиновых компонентов. Наиболее распространенными загрязнителями измельченного каучука являются вода, волокна и мелкие металлические детали (Hicks, 2002; Corté et al., 1999). Избыточная влажность резиновой крошки (более 1% по весу) может вызвать вспенивание битума при добавлении каучука.Следовательно, резиновая крошка, дозируемая в смеситель, должна иметь влажность ниже 0,75% (ASTM, 2009a).

Технические свойства резинобитумного вяжущего зависят от резиновой крошки, температуры битума и времени перемешивания (Fanto et al., 2003). Предпочтительна более высокая температура смешивания, поскольку она ускоряет взаимодействие между битумом и частицами резины. Кроме того, более длительное время перемешивания (более 1 часа) увеличивает эффективность модификации. Условия смешивания резиновой крошки с битумом влияют на свойства резинобитумного вяжущего.Высокоскоростное перемешивание, помимо повышенного набухания резины, вызывает фрагментацию мягких резиновых частиц и увеличивает их дисперсию в жидкой битумной фазе (Шен и Амирханян, 2005; Сяо и др., 2006). Чтобы улучшить процесс модификации, используются различные виды масел для размягчения и пластификации связующего при низких температурах.

Резиново-битумное вяжущее характеризуется улучшенными техническими характеристиками по сравнению с обычными вяжущими, применяемыми при строительстве дорожных покрытий.Улучшение свойств включает:

•

Повышенная температура размягчения (повышенная устойчивость к остаточным деформациям)

•

Пониженная чувствительность к температуре (повышенный индекс пенетрации)

•

Значительное увеличение вязкости

•

Расширенный температурный диапазон вязкоупругости

•

Повышенная эластичность (повышенное упругое восстановление)

•

Улучшенные свойства связующего при низких температурах

•

Пониженная склонность к старению .

Температура размягчения, коэффициент резино-битумного вяжущего, который характеризует консистенцию при высоких рабочих температурах, благоприятно увеличивается с 40 до 65 ° C (Radziszewski et al., 2004). Эта температура зависит от типа используемого битума, количества резины и метода модификации.

Термочувствительность — это мера вязкоупругих свойств связующего. Предпочтительно, чтобы связующее показывало небольшие изменения пенетрации в зависимости от изменения температуры.Показателем этого является индекс проникновения, который для резинобитумного вяжущего выше +1 (с предпочтительным значением от 0 до +2) (Read and Whiteoak, 2003).

Вязкость резинобитумного вяжущего благоприятно увеличивается при высоких рабочих температурах дорожного покрытия (60-80 ° С), а при технологических (перекачка вяжущего, производство и уплотнение асфальтобетонной смеси) температурах (120-200 ° С) увеличивается. неблагоприятно и неэкономично, так как связующее требует дополнительного нагрева.

Битумное вяжущее должно характеризоваться широким температурным диапазоном вязкоупругости.Значение фазового угла между напряжением и деформацией при исследовании комплексного модуля упругости при циклическом нагружении дает представление об упругом или вязком поведении материала. В общем, коэффициент потерь (tan δ) для идеального асфальта должен быть как можно более высоким (и выше 0) при низких рабочих температурах и как можно меньшим (и ниже бесконечности) при высоких рабочих температурах. Резино-битумное связующее имеет расширенный температурный диапазон вязкоупругости по сравнению с немодифицированным битумом, примерно до 90 ° C.Это означает, что резиново-битумное связующее не станет хрупким (tan δ> 0) при низких температурах (- 30 ° C), а при высоких температурах (+ 60 ° C) связующее не будет течь, как ньютоновская жидкость (tan δ ≠ ∞ (Kalabińska et al., 1999).

Упругие свойства модифицированных вяжущих определяются на основе исследований упругого восстановления. Оценка эластичности битума включает определение упругого восстановления образца модифицированного вяжущего, подвергнутого растяжению. во время испытания на пластичность.Результаты показали, что добавление резиновой крошки к битуму увеличивает упругое восстановление с 5–10% до примерно 75% по сравнению с первоначальным упругим восстановлением (Piłat et al., 2000).

Оценка поведения связующего при низких температурах может проводиться в соответствии с различными процедурами испытаний: исследованиями консистенции (испытание на пенетрацию), пластичности как функции температуры, температуры хрупкости (определяемой методом Фрааса) и жесткости при ползучести (реометр изгибающейся балки (BBR). ) тестовое задание).Было обнаружено, что резино-битумное вяжущее при низкой температуре показывает более высокую пластичность (более высокие прочность на разрыв и энергию деформации), чем немодифицированный битум. Хрупкость (температура разрушения по Фраасу) каучукового битума примерно на 7–10% ниже, чем предел разрушения обычного битума.

В результате старения битумное вяжущее постепенно теряет свои вязкоупругие свойства и становится все более твердым и хрупким материалом. Изменения в результате старения битумных вяжущих вызваны испарением летучих компонентов битума при высоких температурах и окислением во время производства смеси и эксплуатации дорожных покрытий.Следующие изменения свойств битумного вяжущего вызваны старением:

•

Отверждение (приводящее к снижению пенетрации, а также к повышению температуры размягчения и увеличения вязкости)

•

Ухудшение низкотемпературных характеристик (например, повышение жесткость при низкой температуре, приводящая к более высокому пределу разрушения).

Добавка каучука к битуму замедляет старение из-за окисления из-за присутствия в резине ингибиторов окисления.Большинство доказательств улучшения стойкости модифицированного битума к старению можно наблюдать при испытаниях пластичности с измерением силы растяжения. Благоприятный эффект битумного вяжущего, модифицированного каучуком, в плане повышения его устойчивости к старению наиболее очевиден в исследованиях пластичности с одновременным измерением силы растяжения во время испытания пластичности. На основании результатов испытаний пластичности как функции температуры, проведенных для модифицированных (например, SBS или EVA) и немодифицированных битумов разной твердости, подвергнутых лабораторному старению (методами RTFOT и PAV), было обнаружено, что резино-битумное связующее демонстрирует наименьшие и наиболее благоприятные изменения пластичности, максимальной силы растяжения и энергии деформации (Radziszewski, 2007).

Влияние типов и температур вяжущего на механические свойства и микроструктуру засыпки из цементной пасты

Для изучения влияния глубины залегания или пожара на площадь сердцевины засыпки из цементной пасты (CPB) был проведен эксперимент CPB с различными типами связующего и температуры. Три типа вяжущих: красный шлам (RM), портландцемент (PC) и шлаковый цемент (SC) — используются и испытываются при 20 ° C, 40 ° C, 60 ° C и 80 ° C. Макропроизводительность и эволюция микроструктуры CPB анализируются с помощью осадки, прочности на одноосное сжатие (UCS), дифракции рентгеновских лучей и сканирующей электронной микроскопии (SEM).Результаты показывают, что совместные эффекты типа связующего и температуры оказывают значительное влияние на макроскопические характеристики и микроструктурную эволюцию CPB. Осадка CPB, приготовленная с использованием трех типов вяжущего, соответствует производственным требованиям рудника. Независимо от температуры отверждения и времени отверждения, прочность на одноосное сжатие образцов CPB с PC и SC намного выше, чем у образцов CPB с красным шламом. При отверждении в течение 12 часов прочность на одноосное сжатие образцов CPB, содержащих ПК и SC, сначала увеличивается, затем уменьшается и, наконец, снова увеличивается с повышением температуры.Однако с повышением температуры прочность на одноосное сжатие образцов ХПБ, содержащих РМ, сначала только увеличивается, а затем уменьшается. Когда температура отверждения составляет менее 40 ° C, основная причина увеличения UCS была связана с тем, что повышение температуры ускоряет реакцию гидратации и улучшает плотность образца. Когда температура отверждения составляет 60 ° C, основной причиной снижения UCS является образование расширяющегося эттрингита (AFt), который разрушает внутреннюю пространственную структуру образца.Когда температура отверждения составляет 80 ° C, UCS снова увеличивается из-за того, что такая высокая температура может разрушить кристаллическую структуру AFt и отвердить продукт гидратации геля C-S-H.

1. Введение

Засыпка из цементированной пасты (CPB) — это экологически чистый заполняющий материал, который привлекает все большее внимание и широко используется на горнодобывающих предприятиях [1–3]. CPB в основном состоит из твердых гранулированных отходов, образующихся при таких операциях, как измельчение и сепарация угля.Преимущества CPB многочисленны, включая лучшую устойчивость подземных выработок, контроль проседания поверхности и повышенное извлечение руды. Используя CPB, можно добывать подземную инфраструктуру, такую ​​как здания и железные дороги, и добывать под водой [4–6]. CPB, используемый в угольных шахтах, в основном состоит из вяжущего, летучей золы и пустой породы; его твердое содержание находится в диапазоне от 70% до 85%.

Как один из компонентов CPB, связующее в основном играет роль цементации. Когда связующее находится в контакте с водой, оно подвергается реакции гидратации и генерирует продукты гидратации, обеспечивающие прочность CPB.Стоимость вяжущего для угольных шахт составляет 90% от общей стоимости заполняющих материалов CPB (например, угольная шахта Синьхэ в провинции Шаньдун в Китае). Портландцемент (ПК) традиционно используется в качестве связующего в пропорциях, которые обычно составляют от 2% до 7% от общей массы [7, 8]. Однако разные типы вяжущих имеют разные цены и цементирующий эффект. Поэтому очень важно изучить влияние различных типов связующих на эффективность CPB.В связи с истощением неглубоких запасов угля в Китае глубина добычи угля увеличивается с каждым годом, и геотермальная проблема становится все более серьезной. В процессе засыпки пастой в шахте задняя часть забоя находится в полностью закрытом состоянии с плохой вентиляцией. В сочетании с влиянием температуры породы, сжатия и расширения воздуха, реакции гидратации и выделения тепла температура за рабочим забоем может быть значительно высокой. Следовательно, необходимо провести экспериментальные исследования термостабильности КПБ.

В последние десятилетия многие ученые провели обширные исследования факторов, влияющих на эффективность CPB. Wu et al. [9] исследовали влияние трех типов связующих на CPB, и результаты показали, что эти типы связующих оказывают значительное влияние на характеристики коагуляции и прочность на сжатие. Ercikdi et al. [10] исследовали влияние OPC, PCC и SRC на механические свойства и микроструктуру CPB. Результаты показали, что механические свойства CPB были тесно связаны с хвостами, богатыми сульфидами.Sun et al. [11] изучали влияние различных пропорций микрокремнезема в качестве связующих на свойства CPB, и результаты показали, что UCS образцов CPB является наибольшим, когда доля микрокремнезема составляет 5%. Xu et al. [12] изучали влияние типа связующего на UCS. Результаты показали, что шлаковый цемент (SC) имеет больше преимуществ, чем PC и SC с 5 мас.% NaOH. Yilmaz et al. [13] изучили влияние времени отверждения и содержания различных типов связующих на характеристики образцов CPB на основе использования усовершенствованной экспериментальной установки.Результаты показали, что влияние различных типов связующего на механические свойства CPB в основном зависит от различного поведения при отверждении различных типов связующего.

Предыдущие исследования показали, что тип связующего оказывает значительное влияние на эффективность CPB. Тем не менее, существует несколько исследований влияния температуры окружающей среды как фактора, влияющего на производительность CPB. Кроме того, в некоторых исследованиях изучалось влияние только одного фактора на эффективность КПБ [14, 15].Нет исследований, посвященных сопутствующему влиянию типа связующего и температуры на развитие прочности и микроструктурную эволюцию CPB.

Таким образом, это исследование исследует совместное влияние типа связующего и температуры на развитие прочности и микроструктурную эволюцию CPB. Целью этого экспериментального исследования является изучение (а) того, может ли CPB, содержащий три типа связующего, соответствовать техническим требованиям осадки пасты, (b) влияние типа связующего и температуры на свойства UCS, и (c) эволюция микроструктуры. КПБ.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

2.1.1. Связующие

В этом эксперименте использовали три типа связующих. Эти связующие представляют собой красный шлам (RM), PC и SC, как показано на Рисунке 1. RM, использованный в этом эксперименте, был произведен методом Байера на алюминиевом руднике Хайтао в провинции Хэнань с плотностью 3,01 г / см ³ и удельной поверхностью 0,48 м ² / г. Связующие PC и SC производились на цементном заводе Yishui в провинции Шаньдун.Их плотности составляют 3,07 г / см ³ и 3,1 г / см ³ соответственно, а их удельная поверхность составляет 0,36 м ² / г и 0,39 м ² / г соответственно. Их основные химические составы приведены в таблице 1.

2.1.2. Летучая зола

Летучая зола, используемая в эксперименте, представляет собой летучую золу класса II с электростанции Хуандао в городе Циндао в провинции Шаньдун с плотностью 2.15 г / см ³ и удельная поверхность 0,98 м ² / г. И его внешний вид светло-серый. Его основной химический состав показан в таблице 2.

2.1.3. Уголь Gangue

Жила, выбранная в этом эксперименте, происходит из твердых отходов, образующихся в процессе выемки проезжей части, добычи угля и сепарации на угольной шахте Дайчжуан горнорудной группы Цзыбо в провинции Шаньдун. Размер его частиц менее 25 мм. Его химические свойства и размер частиц показаны в таблицах 3 и 4.

33

2.2. Процедура смешивания и пропорции смешивания

Образцы, используемые для эксперимента, в основном состоят из RM, PC, SC, летучей золы и пустой породы. Рассматривая состав CPB на угольной шахте Дайчжуан Горнодобывающего управления Цзыбо провинции Шаньдун, Бюро отметило, что при соотношении смеси связующего, летучей золы и пустой породы 1: 4: 6 характеристики продукта были оптимальными [16, 17 ].Таким же образом были выбраны три типа связующих для синтеза образцов в условиях постоянного соотношения. Сначала был смешан и перемешан наполнитель в соответствии с заданной пропорцией. Затем перемешанный CPB вводили в кубические формы размером 70,7 мм × 70,7 мм × 70,7 мм. После встряхивания и утрамбовки образцы CPB затем помещаются в камеру с постоянной температурой и влажностью для отверждения в течение 28 дней. Через 28 дней образцы были отверждены при 40 ° C, 60 ° C и 80 ° C в течение 4, 8 и 12 часов соответственно.

2.3. Методы испытаний

2.3.1. Измерение просадки

Осадка — это комплексный показатель, используемый для оценки характеристик транспортировки CPB по трубопроводу [18, 19]. В этой работе испытание на осадку CPB было проведено в соответствии со стандартом C143 Американского общества испытаний и материалов (ASTM) [20]. Верхний и нижний диаметры конуса осадки составляют 100 мм и 200 мм соответственно, а высота — 300 мм. CPB наливается в конус, и для обеспечения полного заполнения используется шейкер.После заполнения конуса излишки материала удаляются. Конус медленно поднимают в течение 5–10 секунд и измеряют высоту образца.

2.3.2. Тестирование механических свойств

UCS часто тестируется для оценки механических характеристик CPB. Тесты UCS относительно недороги и могут быть легко включены в рутинные программы контроля качества на рудниках [21, 22]. В текущем лабораторном исследовании значения UCS CPB были определены с помощью электрогидравлической испытательной машины Shimazu AG-X250.Испытательная машина приводится в действие двигателем с сервоуправлением и нагружена двухвинтовой конструкцией. Испытательная машина может выполнять широкий спектр испытаний механических свойств. Точность составляет ± 0,1%, разрешение измерения хода крейцкопфа составляет 0,0104 мкм м, а эффективная ширина испытания составляет 595 мм. Скорость составляет 0,01 мм / с в режиме управления перемещением.

2.3.3. Эксперимент по дифракции рентгеновских лучей (XRD)

XRD использовали для анализа выбранных образцов для идентификации характерных кристаллических веществ, образующихся при гидратации CPB.Рентгеноструктурный анализ выполняли с помощью рентгеновского дифракционного прибора Rigaku Ultima IV (излучение, 2 θ = 5–80 °) с рабочим напряжением 40 кВ, током эмиссии 40 мА и размером шага 0,02.

Сначала образец выливается в ступку и растирается в порошок. Затем образец порошка заливается в стеклянную щель и помещается в дифрактометр XRD. Наконец, мы устанавливаем начальный угол на 5 °, конечный угол на 60 ° и скорость сканирования на 8 ° в минуту.

2.3.4. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) Experiment

Для более интуитивного наблюдения за морфологией и структурой продуктов гидратации CPB был использован электронный микроскоп APREO (FEI, США) для сканирования в высоком и низком вакууме. Его разрешение в высоком вакууме составляет 0,8 нм при 15 кВ и 0,8 нм при 1 кВ / 0,8 нм при 1 кВ, а разрешение в низком вакууме составляет 0,9 нм при 500 В.

Перед наблюдениями SEM образцы вымачивали в безводном этаноле. чтобы предотвратить увлажнение. Затем образец обрабатывается в блок диаметром 10 мм и высотой 5 мм и напыляется проводящим металлом.Затем образец, напыленный золотом, помещали на внутреннюю платформу сканирующего электронного микроскопа (SEM), образец герметично закрывали и вакуумировали. Наконец, образцы были отсканированы в разном количестве.

3. Результаты

3.1. Влияние типа связующего на характеристики осадки

Для каждого типа CPB было проведено три испытания на оседание, и разница между результатами испытаний составила менее 5%. Конфигурация испытания на оседание показана на рисунке 2. Средние результаты испытаний на оседание приведены в таблице 5.

3.2. Совместное влияние типа связующего и температуры на UCS

3.2.1. Четырехчасовой процесс отверждения

На рисунке 3 показаны результаты испытаний UCS для различных типов связующего CPB (RM, PC и SC) после отверждения в течение 4 часов при 20 ° C, 40 ° C, 60 ° C и 80 ° C.Как можно видеть, независимо от температуры отверждения, значения UCS образцов CPB, содержащих PC и SC, намного выше, чем значения UCS для образцов CPB, содержащих RM. С другой стороны, независимо от типа связующего, более высокая температура отверждения приводит к увеличению прочности CPB, за исключением образцов RM при 80 ° C, которые дали значение UCS 0,09 МПа, самое низкое значение прочности.

3.2.2. Восьмичасовой процесс отверждения

На рисунке 4 показаны результаты испытаний UCS для различных типов связующего после отверждения в течение 8 часов при различных температурах отверждения.Как показано на Рисунке 4, UCS образцов RM и PC показали одинаковые тенденции; то есть UCS увеличился до пика при 60 ° C, а затем снизился при температуре отверждения 80 ° C. Когда температура отверждения составляла 60 ° C, UCS этих двух типов образцов достигал максимальных значений 0,21 МПа и 1,32 МПа соответственно. По сравнению с температурой отверждения 20 ° C, UCS образцов, отвержденных при 60 ° C, соответственно, увеличился на 29% и 31%. Значения UCS образцов, содержащих SC, после отверждения при 20 ° C, 40 ° C и 60 ° C в течение 8 часов показали незначительные различия, начиная с 1.От 69 до 1,77 МПа. Однако при температуре отверждения 80 ° C максимальное значение UCS образцов SC составляет 2,25 МПа. По сравнению с температурой отверждения 20 ° C, UCS образца SC увеличился на 33%.

3.2.3. 12-часовой процесс отверждения

На рис. 5 показаны результаты испытаний UCS для различных типов связующего после отверждения в течение 12 часов при 20 ° C, 40 ° C, 60 ° C и 80 ° C. Как показано на рисунке 5, значения UCS для образцов, содержащих три типа связующего, после отверждения в течение 12 часов при четырех температурах отверждения, сильно различаются.Как и результаты отверждения через 4 и 8 часов, значения UCS образцов CPB, содержащих ПК и SC, намного выше, чем у образцов RM. Когда температура составляет 80 ° C, значение UCS образца SC в 31,5 раз больше, чем у образца RM. В то же время можно наблюдать, что образец SC показывает тенденцию к увеличению, за которой следует снижение и окончательное увеличение при 80 ° C. Значения UCS образцов SC, отвержденных при 20 ° C и 40 ° C в течение 12 часов, составляют 1,69 МПа и 1,72 МПа соответственно. Однако стоит отметить, что при температуре отверждения 60 ° C значение UCS образца SC является самым низким на уровне 1.39 МПа. Кроме того, максимальное значение UCS образца при температуре отверждения 80 ° C составляет 2,52 МПа. При повышении температуры значения UCS образцов ПК увеличиваются с 1,01 МПа до 1,28 МПа, затем уменьшаются с 1,28 МПа до 1,13 МПа и, наконец, увеличиваются до 1,71 МПа. При одинаковом времени отверждения значения UCS для всех типов образцов при 40 ° C, 60 ° C и 80 ° C выше, чем при 20 ° C, с увеличением на 26,7%, 11,9% и 69,3% соответственно. Значения UCS образцов RM сначала увеличиваются, а затем уменьшаются с повышением температуры.Значения UCS варьируются от 0,08 до 0,21 МПа.

3.3. Результаты XRD

Вышеупомянутые результаты испытаний показали, что тип связующего, температура отверждения и время отверждения имеют значительное влияние на CPB. Кроме того, время отверждения 12 часов считается более репрезентативным, чем 4 и 8 часов. Как можно видеть из результатов UCS после 12 часов отверждения, некоторые образцы показали увеличение, затем снижение прочности и, наконец, показало увеличение при 80 ° C. Чтобы лучше понять влияние этих факторов, фазы образцов CPB после 12 часов отверждения были проанализированы с помощью XRD.

На рис. 6 показаны рентгенограммы продуктов гидратации CPB с различными типами связующего после отверждения при 20 ° C в течение 12 часов. Как видно, самая сильная дифракция — это кремнезем (SiO ₂ ). Появление дифракционного пика диоксида кремния указывает на то, что образец все еще содержит многочисленные частицы диоксида кремния, которые не участвуют в реакции гидратации. Пики дифракции кремнезема в образцах ПК и СК относительно слабые. Это указывает на то, что больше диоксида кремния участвовало в реакции гидратации, чтобы произвести больше продуктов гидратации.В то же время можно наблюдать дифракционные пики C-S-H, C-A-H, гипса и AFt. Появление этих дифракционных пиков указывает на то, что реакция гидратации произошла в образце во время периода отверждения и образовались соответствующие продукты гидратации. Легко заметить, что дифракционный пик продуктов гидратации, генерируемых образцами ПК и СК, больше (по количеству) и сильнее (по интенсивности), чем у образца RM. Это указывает на то, что C3S и C3A в образцах, содержащих PC и SC, участвуют в реакции гидратации и производят больше C-S-H и гидрата алюмината кальция (C-A-H).Однако образец, который дал наибольшее количество пиков с наивысшими интенсивностями дифракционных пиков C-S-H и AFt, представляет собой образец SC.

На рис. 7 показана рентгенограмма продуктов гидратации CPB с различными типами связующего после отверждения при 40 ° C в течение 12 часов. Из рисунка 7 видно, что дифракционные пики диоксида кремния, гипса, C-S-H и AFt все еще появляются после отверждения трех типов CPB при 40 ° C в течение 12 часов. Однако по сравнению с Фиг.6 дифракционные пики продуктов гидратации каждого образца значительно увеличиваются, а дифракционный пик диоксида кремния значительно уменьшается.Результаты показывают, что вторичная гидратация происходит при 40 ° C и образуется больше кристаллических форм продуктов гидратации. Более того, продуктов гидратации образцов ПК и SC (рисунки 7 (b) и 7 (c)) больше, чем продуктов гидратации образца RM (рисунок 7 (a)).

На рис. 8 показана рентгенограмма продуктов гидратации CPB с различными типами связующих после отверждения при 60 ° C в течение 12 часов. Из рисунка 8 видно, что пиковая дифракционная интенсивность все еще связана с кремнеземом.Помимо диоксида кремния, дифракционные пики C-S-H, C-A-H и AFt также относительно высоки. В то же время из фиг. 8 (b) и 7 (c) очевидно, что продуктов гидратации больше, особенно AFt. По сравнению с Фиг.7, пики XRD гипса на Фиг.8 (b) и 8 (c) слабее, что указывает на то, что больше гипса участвует во вторичной реакции гидратации, чтобы произвести больше AFt.

На рис. 9 показаны рентгенограммы продуктов гидратации CPB с различными типами связующего после отверждения при 80 ° C в течение 12 часов.Из рисунка 9 видно, что количество продуктов гидратации и сила дифракционного пика образца SC больше, чем у образца ПК. В свою очередь, количество и интенсивность пиков ПК больше, чем у образца RM. Рисунок 9 (а) показывает, что дифракционный пик продуктов гидратации образцов RM является слабым, что указывает на то, что продукты гидратации относительно малы при 80 ° C. Рисунки 9 (b) и 9 (c) показывают, что образцы PC и SC производят больше геля C-S-H после отверждения при 80 ° C в течение 12 часов.Однако дифракционные пики AFt становятся слабее.

3.4. Результаты SEM

Для более тщательного наблюдения внутренней микроструктуры трех типов образцов связующего были проведены тесты SEM на образцах CPB, которые были отверждены в течение 12 часов.

На Рисунке 10 показаны изображения СЭМ с увеличением в 5000 раз. Результаты испытаний SEM показывают, что микроструктура трех типов связующего различается. Рисунок 10 (а) показывает, что образец RM имеет единую внутреннюю структуру, в основном сферическую летучую золу.Также есть несколько гелей C-S-H. Однако внутренняя структура образцов ПК и СК более сложна. На рис. 10 (б) показано изображение образца ПК, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Как можно заметить, есть ватный гель C-S-H и игольчатая задняя часть. Гель C-S-H и AFt чередуются в середине исходного материала. Рисунок 10 (c) показывает SEM-изображение образца SC. В целом в образце SC имеется несколько меньших пустот. Однако вне пустот между частицами образца наблюдаются продукты гидратации, такие как гель C-S-H, игольчатый и AFt в форме стержня.Эти продукты гидратации плотно окружены частицами сырья.

На рис. 11 показано увеличенное в 5000 раз изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе, после того, как образцы трех типов связующих были отверждены при 60 ° C в течение 12 часов. По сравнению с рис. 10 (а) продукты гидратации (гель C-S-H) между частицами на рис. 11 (а) значительно увеличиваются. Однако стоит отметить, что образец ПК на Рисунке 11 (б) имеет относительно плотную внутреннюю структуру практически без зазоров. Очевидно, что продукты гидратации компактны и равномерно распределены, а пространства между частицами материала заполнены большим количеством продуктов гидратации.Толстое стержнеобразное вещество (AFt) образуется около и в середине геля C-S-H. Этот толстый стержнеобразный AFt разрушает гель C-S-H и плотно смешивается с гелем C-S-H. Результаты показывают, что кристалл AFt относительно крупный и крупный, и в образце недостаточно места. На рисунке 11 (c) показана внутренняя структура образца, содержащего SC. Из рисунка видно, что внутри образца все еще есть пустоты. Однако между сырьем все еще есть хлопчатобумажный гель C-S-H и стержневидные кристаллы AFt.

На рис. 12 показаны увеличенные в 5000 раз изображения СЭМ после того, как образцы трех типов связующих были отверждены при 80 ° C в течение 12 часов. При 80 ° C продукты гидратации в образце РМ практически не наблюдаются. Однако стоит отметить, что большая часть AFt на рисунках 12 (b) и 12 (c) имеет очевидные поврежденные порошкообразные состояния. Кроме того, на рисунках 12 (b) и 12 (c) более похожий на хлопок гель C-S-H имеет покрытия с частицами исходного материала.

4. Обсуждение

Тест на оседание служит макроиндексом для оценки реологических свойств CPB, и его легче получить на практике.Из результатов в таблице 5 ясно видно, что результаты испытаний на оседание трех типов связующих существенно не различаются и варьируются от 22,45 см до 25,45 см. Результаты испытаний на осадку показывают, что CPB, приготовленный этими тремя связующими, может отвечать требованиям текучести горных работ [23].

Рисунки 3–5 показывают, что влияние температуры отверждения на прочность CPB сильно зависит от типа связующего. Показано, что значения UCS образцов PC и SC намного выше, чем у образцов, содержащих RM, в основном из-за цементирующих характеристик связующих в образцах.PC и SC могут обеспечить CPB дополнительным сырьем для реакций гидратации, таким как C3S, C2S и C3A. Продукты гидратации, образующиеся в результате реакций гидратации этих связующих, способствуют связыванию заполняющих материалов, уменьшают пористость CPB и улучшают общие значения UCS образцов [24–31]. В то же время можно сделать вывод, что образец ПК более чувствителен к температуре, чем образец СК.

Однако, независимо от времени отверждения, образец RM показывает тенденцию сначала увеличиваться, а затем уменьшаться по мере увеличения температуры.В частности, образец RM показал самую низкую прочность при 80 ° C. Основная причина этого явления — плохая термостойкость образца РМ. Высокие температуры могут препятствовать или разрушать продукты гидратации, что приводит к более низким значениям UCS. Самая фундаментальная причина связана с тем, что образец RM не может постоянно обеспечивать сырьем для реакции гидратации. Это представление полностью поддерживается изображениями XRD и SEM, показанными выше.

Температура отверждения также играет решающую роль в характеристиках UCS образцов.Когда образцы отверждаются в течение 12 часов, значения UCS при 40 ° C выше, чем при 20 ° C. Увеличение UCS можно объяснить тем, что скорость повышения температуры ускоряет растворение фазы клинкера, тем самым ускоряя процесс гидратации связующего. Соответственно, продукты гидратации (AFt и гель C-S-H) увеличиваются в зависимости от температуры. Образование этих продуктов гидратации способствует увеличению прочности CPB. C-S-H — основная связующая фаза затвердевшего цемента.Содержание геля C-S-H и AFt увеличивается в зависимости от температуры отверждения. С повышением температуры отверждения увеличивается осаждение продуктов гидратации, что приводит к уменьшению структуры пустот. В результате образец имеет более плотную микроструктуру и более мелкое распределение пор, что улучшает прочность CPB.

Интересно сделать вывод (на основе рисунка 5), что UCS образцов ПК и SC значительно уменьшается в окружающей среде при 60 ° C. В основном это связано с тем, что температура отверждения 60 ° C способствует образованию большего количества AFt.Генерация AFt значительно превышает несущую способность пор внутри образца. Это привело к расширению выборки и уменьшению UCS. Кроме того, сам AFt обладает специфической расширяемостью, а давление расширения приводит к уменьшению UCS [32, 33]. AFt может разрушить хлопьевидную структуру C-S-H и снизить целостность геля C-S-H. Картина XRD на Рисунке 8 и изображение SEM на Рисунке 11 подтверждают это утверждение. Однако производство геля C-S-H также увеличивается в зависимости от температуры.Однако общая прочность образца снижается. Результаты показывают, что образование AFt, сила связи C-S-H и внутреннее пространство образца имеют конкурентные отношения при определенных температурах.

Стоит отметить, что значения UCS образцов, содержащих ПК и SC, после отверждения при 80 ° C в течение 12 часов увеличиваются до 1,71 МПа и 2,52 МПа соответственно. Это в основном объясняется тем фактом, что температура отверждения 80 ° C побудила образцы PC и SC производить больше продуктов гидратации (гель C-S-H), которые благоприятствуют прочности образцов.Картина дифракции XRD и изображения SEM подтверждают эту точку зрения. Из спектров XRD нетрудно различить, что дифракционный пик геля C-S-H увеличивается после отверждения в течение 12 часов при 80 ° C, в то время как дифракционный пик AFt уменьшается. СЭМ-изображения показывают, что образцы демонстрируют явные порошкообразные повреждения после отверждения в течение 12 часов при 80 ° C. Это в основном связано с тем, что 80 ° C превышает предельную температуру AFt. Другими словами, структура AFt разрушалась при 80 ° C [34].

Изменение UCS образца было тесно связано с внутренним пространством образца, объемом кристалла, термостойкостью кристалла и исходным материалом гидратации, обеспечиваемым связующим.Другими словами, ПСК выборки — это показатель, на который влияет множество факторов. Совместное влияние типа связующего и температуры на UCS показывает, что связующие PC и SC и температуры (20 ° C, 40 ° C и 80 ° C), по-видимому, имеют положительные эффекты. Это открытие имеет большое значение для эффективности добычи и улучшения поддержки обратной засыпки. Изменение прочности CPB особенно важно при проектировании засыпки шахты. Очевидно, это связано с экономической выгодой от рудника, и риск отказа может быть уменьшен за счет достижения согласованной пары точек устойчивости.

Кроме того, мы исследовали только влияние средней и низкой температуры на стабильность CPB. Когда происходит подземный пожар, CPB будет подвержен воздействию высокой температуры. Это новая идея — изучить стабильность CPB вблизи высокотемпературных источников тепла.

5. Выводы

Цель исследования — оценить влияние типа связующего и температуры на развитие микроструктуры и развитие макроскопической прочности CPB. Результаты предоставляют некоторые новые доказательства, которые могут способствовать пониманию процесса отверждения CPB с различными типами связующего, а именно RM, PC и SC, при различных температурах (20 ° C, 40 ° C, 60 ° C и 80 ° C). ° С).Из этой работы можно сделать следующие выводы: (1) Показано, что температура сильно влияет на производительность CPB. Значения UCS для образца SC больше, чем для образца PC; последний, в свою очередь, больше, чем образец RM. UCS образцов в основном зависит от того, может ли связующее предоставить больше сырья для продуктов гидратации. SC и PC могут обеспечить увеличенное количество исходных материалов для гидратации (C3A, C3S) для образца и могут производить больше продуктов гидратации, таких как гель C-S-H и AFt.Эти продукты гидратации заполняют структуру внутреннего пространства образца и, таким образом, улучшают компактность и UCS образца. (2) Было обнаружено, что температура имеет положительное и отрицательное влияние на UCS образцов. Когда образцы, содержащие SC и PC, отверждаются при разных температурах в течение 12 часов, UCS образцов сначала увеличивается, затем уменьшается и, наконец, увеличивается в зависимости от температуры. Когда температура отверждения составляет ≤40 ° C, UCS образца положительно зависит от температуры, главным образом потому, что повышение температуры может ускорить процесс гидратации связующего.Когда температура отверждения составляет 60 ° C, значения UCS образцов уменьшаются. Основная причина связана с тем, что эта температура способствует образованию более расширяющейся AFt, имеющей большую несущую способность, чем у внутреннего пространства образцов. При температуре отверждения 80 ° C прочность образцов, содержащих ПК и СК, снова возрастает. Основная причина заключается в том, что повышенная температура повреждает структуру AFt и способствует затвердеванию геля C-S-H. Кроме того, UCS образца тесно связан с внутренним пространством образца, объемом продуктов гидратации, влиянием температуры на продукты гидратации и исходными материалами гидратации, обеспечиваемыми связующим.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Это исследование было поддержано Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (2018YFC0604704), Национальным фондом естественных наук Китая (51774194), Фондом естественных наук провинции Шаньдун для выдающихся молодых ученых (JQ201612), Ключом провинции Шаньдун План НИОКР (2017GSF17112), Фонд естественных наук провинции Шаньдун (ZR2018ZC0740) и Проект ученых Тайшаня.