Technique and technology of silicates Technique and technology of silicates Техника и технология силикатов 2076-0655 83771 10.62980/2076-0655-2024-108-117 qhzolj ОСНОВНАЯ РУБРИКА MAIN RUBRIC ОСНОВНАЯ РУБРИКА SYNTHESIS AND PROPERTIES OF CALCIUM-ALUMINOFERRITE CEMENT USING MAN-MADE MATERIALS СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КАЛЬЦИЕВО-АЛЮМОФЕРРИТОВОГО ЦЕМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ Борисов Иван Николаевич Borisov Ivan Nikolaevich in.borisov2016@gmail.com

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Новоселов Алексей Геннадьевич Novosyolov Alexey Gennadievich novosyolovag@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Никитина Мария Анатольевна Nikitina Mariya Anatolevna mn111993@mail.ru Мануйлов Владимир Евгеньевич Manuilov Vladimir Evgenievich vmanujlov@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г. Шухова) Белгород Россия Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Belgorod Russian Federation ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г. Шухова) Белгород Россия Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Belgorod Russian Federation ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г. Шухова) Белгород Россия Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Belgorod Russian Federation ООО «ТП-ИНЖИНИРИНГ» Белгород Россия OOO TP-ENGINEERING Belgorod Russian Federation 03 07 2024 03 07 2024 31 2 108 117 05 02 2024 03 04 2024 https://tsilicates.ru/en/nauka/article/83771/view

В статье рассматривается получение кальциево-алюмоферритового клинкера (цемента) из трехкомпонентной смеси (методом спекания), где 56,2–57,4 мас.% смеси составляют алюмо- и железосодержащие техногенные отходы. Было установлено, что использование техногенных отходов в качестве компонента сырьевой смеси приводит к снижению количества образующихся отходов на 4,9-5,4 %, при получении 300 000 тонн кальциево-алюмоферритового цемента в год. Представлены результаты качественного и количественного рентгенофазового анализа полученных клинкеров, которые свидетельствуют о формировании в качестве основных клинкерных фаз – алюминатов кальция (CA,C3A,C12A7), алюмоферрита кальция (Ca2(Al,Fe)2O5) и силиката кальция (α-, β-C2S) во всех образцах. Клинкерные фазы алюмината и алюмоферрита кальция образуются не в чистом виде, а с внедрением при-месных элементов (Mg2+, Ti4+). Определение гидратационной активности КАФЦ показало, что количественное соотношение клинкерных фаз CA: Ca2(Al,Fe)2O5 = 38,8:33,8 (КАФК I) и CA: Ca2(Al,Fe)2O5 = 27,6:23,9 (КАФК II) приводит к росту прочности цементного камня в начальные сроки твердения на 48 и 32 МПа, а в поздние сроки (28 суток) к возрастаю прочности на 28 и 8 МПа, соответственно.

The article discusses the production of calcium-aluminoferrite clinker (cement) from a three-component mixture (by sin-tering), where 56.2-57.4 wt.% of the mixture consists of aluminum– and iron-containing man-made waste. It was found that the use of man-made waste as a component of the raw material mixture leads to a decrease in the amount of waste generat-ed by 4.9-5.4%, based on the production of 300,000 tons of calcium-alumoferrite cement per year. The results of qualitative and quantitative X–ray phase analysis of the clinkers obtained are presented, which indicate the formation of calcium aluminates (CA,C3A,C12A7), calcium aluminoferrite(Ca2(Al,Fe)2O5) and calcium silicate (α-, β-C2S) as the main clinker phases in all samples. Clinker phases of aluminate and calcium aluminoferrite are formed not in pure form, but with the introduction of impurity elements (Mg2+, Ti4+). Determination of the hydration activity of CAFC showed that the quantitative ratio of clinker phases CA:Ca2(Al,Fe)2O5 = 38.8:33.8 (CAFC I) and CA:Ca2(Al,Fe)2O5 = 27.6:23.9 (CAFC II) leads to an increase in the strength of cement stone in the initial periods of hardening by 48 and 32 MPa, and in later periods (28 days) - to an increase in strength by 28 and 8 MPa, respectively.

 техногенные материалы кальциево-алюмоферритовый цемент фазовый состав алюминаты кальция алюмоферрит кальция энерго- и ресурсосбережение technogenic materials calcium-alumoferrite cement phase composition calcium aluminates calcium aluminoferrite energy and resource conservation Работа выполнена в рамках реализации Программы развития университета «ПРИОРИТЕТ 2030». Проект № 12/22 «Разработка технологии и получение специальных безусадочных и слаборасширяющихся композиционных вяжущих» The work was carried out within the framework of the University Development Program “PRIORITY 2030”. Project No. 12/22 “Development of technology and production of special shrinkage-free and weakly expanding composite binders”

Дегель Р., Фрелинг К., Хансман Т. [и др.]. Концепция безотходного металлургического производства //Черные металлы. – 2016. № 4. – С. 40-49. Degel' R., Freling K., Hansman T. [i dr.]. Koncepciya bezothodnogo metallurgicheskogo proizvodstva //Chernye metally. – 2016. № 4. – S. 40-49. Новые пути использования отходов металлургической и энергетической промышленности в технологии вяжущих / М.А. Суханов, С.Н. Ефимов, Н.Н. Долгополов [и др.] // Строительные материалы. – 1991. – № 7. – С. 22–23. Novye puti ispol'zovaniya othodov metallurgicheskoy i energeticheskoy promyshlennosti v tehnologii vyazhuschih / M.A. Suhanov, S.N. Efimov, N.N. Dolgopolov [i dr.] // Stroitel'nye materialy. – 1991. – № 7. – S. 22–23. Официальный сайт Росстат https://rosstat.gov.ru/ Oficial'nyy sayt Rosstat https://rosstat.gov.ru/ Liew K.M., Sojobi A.O., Zhang L.W. Green concrete: Prospects and challenges. Construction and Building Materials. - 2017. Vol. 156. - Pp. 1063-1095. Liew K.M., Sojobi A.O., Zhang L.W. Green concrete: Prospects and challenges. Construction and Building Materials. - 2017. Vol. 156. - Pp. 1063-1095. Tamanna K., Raman S., Jamil M., Hamid R. Utilization of wood waste ash in construction technology: A review. Construction and Building Materials. – 2020. Vol. 237. 117654. Tamanna K., Raman S., Jamil M., Hamid R. Utilization of wood waste ash in construction technology: A review. Construction and Building Materials. – 2020. Vol. 237. 117654. Zulkernain N.H., Gani P., Chuck Chuan N., Uvarajan T. Utilisation of plastic waste as aggregate in construction materials: A review. Construction and Building Materials. – 2021. Vol. 296. 123669. Zulkernain N.H., Gani P., Chuck Chuan N., Uvarajan T. Utilisation of plastic waste as aggregate in construction materials: A review. Construction and Building Materials. – 2021. Vol. 296. 123669. Poudyal L., Adhikari K. Environmental sustainability in cement industry: An integrated approach for green and economical cement production. Resources, Environment and Sustainability. – 2021. Vol. 4. 100024. Poudyal L., Adhikari K. Environmental sustainability in cement industry: An integrated approach for green and economical cement production. Resources, Environment and Sustainability. – 2021. Vol. 4. 100024. Tsakiridis P.E., Papadimitriou G.D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production. Journal of Hazardous Materials. – 2008. Vol. 152. - Pp. 805-811. Tsakiridis P.E., Papadimitriou G.D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production. Journal of Hazardous Materials. – 2008. Vol. 152. - Pp. 805-811. Перфилов В. А. Утилизация промышленных отходов для повышения экологической безопасности окружающей среды // Юг России: экология, развитие. – 2016. – Т. 11, № 2. – С. 205-212. Perfilov V. A. Utilizaciya promyshlennyh othodov dlya povysheniya ekologicheskoy bezopasnosti okruzhayuschey sredy // Yug Rossii: ekologiya, razvitie. – 2016. – T. 11, № 2. – S. 205-212. Томашевский В. А. Перспективы использования отходов ПАО «Северсталь» в цементной промышленности // Инициативы молодых - науке и производству: Сборник статей IV Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов, 30 ноября 2022 года. – Пенза, 2022. – С. 515-516. Tomashevskiy V. A. Perspektivy ispol'zovaniya othodov PAO «Severstal'» v cementnoy promyshlennosti // Iniciativy molodyh - nauke i proizvodstvu: Sbornik statey IV Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii molodyh uchenyh i studentov, 30 noyabrya 2022 goda. – Penza, 2022. – S. 515-516. Классен В. К., Долгова Е. П., Морозова И. А., Долгов В. М. Производство цемента на основе техногенных материалов Белгородской области // Наукоемкие технологии и инновации, 09–10 октября 2014 г. – Белгород, 2014. – С. 112-117. Klassen V. K., Dolgova E. P., Morozova I. A., Dolgov V. M. Proizvodstvo cementa na osnove tehnogennyh materialov Belgorodskoy oblasti // Naukoemkie tehnologii i innovacii, 09–10 oktyabrya 2014 g. – Belgorod, 2014. – S. 112-117. Крутилин А. А., Крапчетова Т. В., Инькова Н. А., Пахомова О. К. Использование ферритно-кальциевого шлака в качестве железосодержащего компонента при производстве портландцементного клинкера // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2021. – Т. 23, № 5. – С. 118-126. – DOI 10.31675/1607-1859-2021-23-5-118-126. Krutilin A. A., Krapchetova T. V., In'kova N. A., Pahomova O. K. Ispol'zovanie ferritno-kal'cievogo shlaka v kachestve zhelezosoderzhaschego komponenta pri proizvodstve portlandcementnogo klinkera // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. – 2021. – T. 23, № 5. – S. 118-126. – DOI 10.31675/1607-1859-2021-23-5-118-126. Борисов И. Н., Мануйлов В. Е. Энерго- и ресурсосбережение в производстве цемента при комплексном использовании техногенных материалов // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. – 2009. – № 6(12). – С. 50-58. Borisov I. N., Manuylov V. E. Energo- i resursosberezhenie v proizvodstve cementa pri kompleksnom ispol'zovanii tehnogennyh materialov // ALITinform: Cement. Beton. Suhie smesi. – 2009. – № 6(12). – S. 50-58. Кривобородов Ю.Р. Специальные цементы: разновидности, свойства и применение // Техника и технология силикатов. 2023. Т. 30. № 1. С. 84 – 91 Krivoborodov Yu.R. Special'nye cementy: raznovidnosti, svoystva i primenenie // Tehnika i tehnologiya silikatov. 2023. T. 30. № 1. S. 84 – 91 Самченко С.В. Сульфатированные алюмоферриты кальция и цементы на их основе./ Самченко С. В.; Федеральное агентство по образованию, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Издательский центр М. 2004. 120 с. Samchenko S.V. Sul'fatirovannye alyumoferrity kal'ciya i cementy na ih osnove./ Samchenko S. V.; Federal'noe agentstvo po obrazovaniyu, RHTU im. D. I. Mendeleeva, Izdatel'skiy centr M. 2004. 120 s. Кузнецова Т.В., Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В. Химия, состав и свойства специальных цементов /В сборнике: Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий. материалы научно-практической конференции. Томский политехнический университет (ТПУ). 2000. С. 96-98. Kuznecova T.V., Krivoborodov Yu.R., Samchenko S.V. Himiya, sostav i svoystva special'nyh cementov /V sbornike: Himiya i himicheskaya tehnologiya na rubezhe tysyacheletiy. materialy nauchno-prakticheskoy konferencii. Tomskiy politehnicheskiy universitet (TPU). 2000. S. 96-98. Самченко С.В., Зорин Д.А. Влияние дисперсности расширяющегося компонента на свойства цементов // Техника и технология силикатов. 2006. Т. 13. № 2. С. 2-7. Samchenko S.V., Zorin D.A. Vliyanie dispersnosti rasshiryayuschegosya komponenta na svoystva cementov // Tehnika i tehnologiya silikatov. 2006. T. 13. № 2. S. 2-7. Самченко С.В., Коршунов А.В., Зорин Д.А., Тоболев П.Д. Физико-механические и деформационные характеристики полиминеральных вяжущих композиций на основе сульфоалюмоферритов кальция // Техника и технология силикатов. – 2023. – Т.30, № 3. – С. 230-240. https://tsilicates.ru/2023_tts3 Samchenko S.V., Korshunov A.V., Zorin D.A., Tobolev P.D. Fiziko-mehanicheskie i deformacionnye harakteristiki polimineral'nyh vyazhuschih kompoziciy na osnove sul'foalyumoferritov kal'ciya // Tehnika i tehnologiya silikatov. – 2023. – T.30, № 3. – S. 230-240. https://tsilicates.ru/2023_tts3 Isteri V., Ohenoja K., Hanein T., Kinoshita H., Kletti H., Rößler C., Tanskanen P., Illikainen M., Fabritius T. Ferritic calcium sulfoaluminate belite cement from metallurgical industry residues and phosphogypsum: Clinker production, scale-up, and microstructural characterization. Cement and Concrete Research. – 2022. Vol. 154. 106715. Isteri V., Ohenoja K., Hanein T., Kinoshita H., Kletti H., Rößler C., Tanskanen P., Illikainen M., Fabritius T. Ferritic calcium sulfoaluminate belite cement from metallurgical industry residues and phosphogypsum: Clinker production, scale-up, and microstructural characterization. Cement and Concrete Research. – 2022. Vol. 154. 106715. Кузнецова, Т.В. Специальные цементы на основе отходов промышленности [Текст] // Цемент. - 1984. №4. – С. 6-8. Kuznecova, T.V. Special'nye cementy na osnove othodov promyshlennosti [Tekst] // Cement. - 1984. №4. – S. 6-8. Гребенюк А. А., Борисов И. Н. Железосодержащие техногенные отходы для получения расширяющихся композиций // Наукоемкие технологии и инновации: сборник докладов международной научно-практической конференции, 06–07 октября 2016 года. – Белгород, 2016. - С. 91-97. Grebenyuk A. A., Borisov I. N. Zhelezosoderzhaschie tehnogennye othody dlya polucheniya rasshiryayuschihsya kompoziciy // Naukoemkie tehnologii i innovacii: sbornik dokladov mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, 06–07 oktyabrya 2016 goda. – Belgorod, 2016. - S. 91-97. Ивашина М. А. Использование техногенных материалов в производстве сульфоалюминатного клинкера // Химия и химическая технология в XXI веке : Материалы XIX Международной научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых, 21–24 мая 2018 года. – Томск, 2018. – С. 73-74. Ivashina M. A. Ispol'zovanie tehnogennyh materialov v proizvodstve sul'foalyuminatnogo klinkera // Himiya i himicheskaya tehnologiya v XXI veke : Materialy XIX Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii imeni professora L.P. Kuleva studentov i molodyh uchenyh, 21–24 maya 2018 goda. – Tomsk, 2018. – S. 73-74. Серпичев А.С., Сычева Л.И. Использование техногенных отходов при получении белитсульфоалюминатного цемента // Успехи в химии и химической технологии. – 2022. – Т. 36, № 3(252). – С. 130-133. Serpichev A.S., Sycheva L.I. Ispol'zovanie tehnogennyh othodov pri poluchenii belitsul'foalyuminatnogo cementa // Uspehi v himii i himicheskoy tehnologii. – 2022. – T. 36, № 3(252). – S. 130-133. Гребенюк А.А., Борисов И.Н., Давидюк А.С. Никитина М.А. Формирование твердофазовых растворов при синтезе высокоосновного ферритного клинкера // Техника и технология силикатов. 2022. Т. 29. №3. С. 217 – 230. Grebenyuk A.A., Borisov I.N., Davidyuk A.S. Nikitina M.A. Formirovanie tverdofazovyh rastvorov pri sinteze vysokoosnovnogo ferritnogo klinkera // Tehnika i tehnologiya silikatov. 2022. T. 29. №3. S. 217 – 230. Hewlett P., Liska M. Lea's Chemistry of Cement and Concrete. Butterworth-Heinemann, Oxford, 2019. Hewlett P., Liska M. Lea's Chemistry of Cement and Concrete. Butterworth-Heinemann, Oxford, 2019. Кузнецова Т. В., Талабер Й. Глиноземистый цемент. – Москва: Стройиздат. - 1988. с. 272. Kuznecova T. V., Talaber Y. Glinozemistyy cement. – Moskva: Stroyizdat. - 1988. s. 272. Krivoborodov Y. R., Kuznetsova T. V., Samchenko S. V. Structural Changes in Refractory Calcium Aluminate Cement Concrete. Refractories and Industrial Ceramics. – 2018. № 59, Pp. 151-155. Krivoborodov Y. R., Kuznetsova T. V., Samchenko S. V. Structural Changes in Refractory Calcium Aluminate Cement Concrete. Refractories and Industrial Ceramics. – 2018. № 59, Pp. 151-155.