Сулейменов А.Т., Азимова Н.Б., Серкебаев М.К.

Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова,

г. Шымкент

Исследование кинетики нарастания прочности образцов портландцементного клинкера при твердении в магнитном поле.

Исследование влияния магнитных полей на активность портландцементного клинкера при твердении цемента является одним из путей более полного использования прочностных ресурсов, заложенных в минералогическом составе портландцементного клинкера. Влияние магнитных полей на процесс твердения и прочностные характеристики отдельных клинкерных минералов связано с их магнитной восприимчивостью.

В данной статье представлены результаты разработки составов портландцементного клинкера, обладающего значительной магнитной восприимчивостью. Такие качества обеспечиваются двумя основными фазами портландцементного клинкера: алитом и алюмоферритом кальция. В свою очередь, магнитная восприимчивость находится в прямой зависимости от количества алюмоферритной фазы в клинкере, а также обуславливается химическим составом исходного сырья.

С целью корректирования состава сырьевой смеси по этим минералам, был введен новый показатель - магнитный модуль (f-модуль):

(1)

где х=0÷0,7.

Магнитный модуль связан с коэффициентом насыщения, а также силикатным модулем следующим соотношением:

(2)

Расчет сырьевой смеси портландцементного клинкера производится по известным методикам, задаваясь величиной магнитного модуля, которая колеблется в пределах 0,15÷0,95. Это обеспечивает содержание алюмоферритной фазы с высокой магнитной восприимчивостью от 12 до 60 мас. %.

Магнитную восприимчивость определяли баллистическим способом, используя компенсационный метод Гуи [1]. Метод основан на компенсации сил выталкивания стеклянной трубки с порошком магнитным полем. При этом использовали магнит марки Ф-1, торсионные весы и стеклянную трубку, по длине равную диаметру электромагнитных катушек. Относительная погрешность измерений составила 2,5-2,7%.

В таблице 1 приведены составы сырьевых смесей с использованием реактивов марки У.Д.А, состав сырьевой смеси АО «Шымкентцемент» и температура обжига. При обжиге сырьевых смесей образуются кристаллические фазы алюмината, белита, трехкальциевого алюмината и твердые растворы алюмоферитов кальция. При увеличении f-модуля и снижении температуры обжига до 1350 ⁰С состав алюмоферритов кальция приближается к C₆AF₂ – C₆A₂F: полосы поглощения на ИК-спектрах - 410÷450 см^-1, что указывает на комбинацию колебаний AlO_4-, FeO_4-, AlO_6- и FeO- групп в этих фазах.

Таблица 1 Химический состав сырьевых смесей и модульные характеристики.

номера составов	Модульные характеристики						П.п.п., %		Химический состав, масс. %					Про-чие	Темпе-ратура обжига, ^0С
	n		p		f				SiO2		Al2O3	Fe2O3	CaO
1	4,4		1,5		0,18		-		25,00		3,40	2,27	69,33	-	1450
2	2,8		1,5		0,30		-		23,33		5,00	3,33	68,34	-	1400
3	2,2		1,2		0,46		-		22,22		5,77	4,81	67,20	-	1400
4	3,3		0,7		0,92		-		24,44		3,05	4,36	68,15	2,00	1350
Сырьевая смесь АО «Шымкентцемент»
С-47	2,8	0,9		0,39		34,98		14,88		2,52		2,80	43,22	1,60	1400
С-1	2,2	0,7		0,57		34,40		14,74		2,76		3,94	42,00	1,45	1400

Петрографическим анализом установлено, что содержание алюмоферритных фаз в исследуемых составах колеблется от 5 до 10% по массе при возрастании f-модуля от 0,18 до 0,92.

Содержание алита зависит от величины f-модуля, а также изменение магнитной восприимчивости х от величины f-модуля для приведенных составов. При этом выявлено, что увеличение существенным образом не влияет на колебания содержания алита, тогда как магнитная восприимчивость колеблется в значительных пределах: от 1,92 · 10^-6 до 19,8· 10^-6 , то есть возрастает в 10 раз.

Таким образом, можно ожидать повышение гидравлической активности таких цементов при твердении их в магнитном поле.

Изменение активности портландцементных клинкеров (образцов-балочек размером 4х4х16 см состава «цемент: песок»=1 ׃ 3 от величины напряженности магнитного поля [4-5]. При этом установлено, что изменение физико-механических свойств исследуемых составов смеси, в том числе и портландцементного клинкера АО «Шымкентцемент» носит экспоненциальный характер, что указывает на существование предельной насыщенности составов по намагниченности. Величина ее зависит от f-модуля и колеблется от 50-10 кА/м.

Все синтезированные составы показали высокий рост прочностных характеристик как в ранние, так и более поздние сроки твердения. Увеличение предела прочности при сжатии твердеющих образцов связано с качественным и количественным составом магнитовосприимчивой алюмоферритной фазы.

Изучение зависимости процесса намагниченности от напряженности внешнего поля позволило установить, что в первые 4 ч гидратации для составов с f >0,3 основным процессом является смещение границ коллоидации при возрастании внешнего магнитного поля с конечной скоростью при 20-50 кА/м, причем процесс этот является необратимым. Завершение процессов смещения границ отдельных ферромагнитных областей коллоидной массы новообразований приводит к техническому насыщению их в течении 20-30 мин после затворения водой [3].

Электронно-микроскопические исследования показали наличие концентрационных слоев, насыщенных ферритной фазой и расположенных вдоль магнитных силовых линий. В последующие сроки твердения образцы с повышенным содержанием алюмоферритной фазы имели кристаллические новообразования, расположенные вдоль одной из осей легчайшего намагничивания, ближайшей к направлению намагничивающего магнитного поля. Этим можно объяснить повышенную активность с f >0,3 при наложении магнитного поля, и, следовательно, количество алюмоферритов в клинкере (или величина f-модуля) может служить оценочным критерием обработки цементов магнитными полями [6].

Для составов с f >0,3 и содержанием алита более 60 мас. % повышенная активность в первые сроки твердения (4 ч) является характерной, так как алит обладает положительной магнитной восприимчивостью (парамагнетизм). Магнитный момент на единицу объема у трехкальциевого силиката в 5 раз выше, чем у C₂S. Это объясняется тем, что в структуре C₂S имеется кальций кислородный, не принадлежащий кремнекислородным тетраэдрам. В результате появляются «свободные» ионы кислорода, имеющие координационное число по кальцию, равное 6, что вызывает дополнительные деформационные напряжения в решетке [2].

Увеличение гидратационной активности составов с содержанием C₂S>60% при наложении магнитного поля объясняется изменением формы и объема решетки при намагничивании. Появляются локальные области самопроизвольной намагниченности и изменяются условия равновесия между узлами кристаллической решетки, в результате чего наблюдается параллельная ориентация векторов намагниченности областей, куда входят свободные ионы кислорода. Следовательно, для высокоосновной силикатной фазы критерием пригодности для обработки в магнитных полях является оптимальное сочетание гидравлической активности и магнитной восприимчивости. Так как магнитная стимуляция влияет на активность портландцементного клинкера, то расчет состава портландцементной сырьевой смеси следует вести с учетом магнитного модуля.

Магнитный модуль цементов большинства заводов страны (от 0,15 до 0,5) позволит повысить качество цементов при обработке их магнитными полями.

Литература:

1. Чечерников В.И. Магнитные измерения. М.: МГУ, 1963.281с.

2. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Портландцемент (минералогический и гранулометрический составы, процессы модифицирования и гидратации). М.: Стройиздат, 1974. С.52-54.

3. Использование на магнитоэлектричния эффект в цементной композиции/ А.Ю.Сичкарева, В.Ф. Сазонова, А.А.Джурабаев, В.Н.Грибанов. Национальная конференция по механике и технологии на композиционе материали. Варна, 1988. София: ВАН, 1988. С.453-456.

4. Бикбау М.Я. Нанотехнологии в производстве цемента. М.; ОАО «Московский ИМЭТ». 2008-288с.

5. Болотских О.Н. Европейские нормы физико-механических испытаний цемента – Харьков, Торнадо, 2008-56с.

6. Судакас Л.Г. Фосфатные вяжущие системы СПБ, ОМА, Квинтет – 2008, 268с.