Использование углекислого газа в качестве добавки-ускорителя

РЕФЕРАТ. Экологические проблемы стимулировали исследования возможности применять в производстве бетона углекислый газ (СО₂) в целях его связывания. Использование CO₂ при производстве товарной бетонной смеси прошло промышленную апробацию. Системой нагнетания CO₂ подавался в автобетоносмеситель во время загрузки и смешивания компонентов бетонной смеси (вяжущее содержало 20 % шлака). Изучено влияние дозировки СО₂, способа и времени подачи. Измерены осадка конуса бетонной смеси и температура. Прочность при сжатии и удельное сопротивление бетона измеряли за период от 24 ч до 91 сут. Наблюдался рост прочности до 14 % в возрасте 24 ч и до 26 % в возрасте 28 сут. Карбонизация не повлияла на удельное сопротивление бетона. Повышение его прочности объясняется влиянием СО₂ на раннюю гидратацию цемента. На основании результатов изотермической калориметрии и микроструктурного анализа можно предположить, что наноразмерные продукты карбонизации активируют гидратацию и способствуют развитию более прочной микроструктуры. Рост прочности бетона позволяет считать карбонизацию потенциальным способом ускорения гидратации, который даст возможность шире использовать цементозамещающие материалы в бетонных смесях. СО₂ техногенного происхождения предлагается применять в качестве полезной добавки для бетона.

Ключевые слова: углекислый газ, бетонная смесь, экологическая устойчивость, переработка.

Keywords: carbon dioxide, ready mixed concrete, sustainability, upcycling.

1. Введение

Выбросы СО₂ — серьезная проблема, сопровождающая производство и применение цемента. Подсчитано, что 5 % всех его выбросов в мире обусловлены производ­ством этого материала [1]. В данной отрасли наметился ряд подходов к сокращению выбросов при его производстве и использовании [2]. Наиболее эффективные подходы, основанные на частичном замещении цемента, уже применяются. Дальнейшее продвижение в этом направлении, скорее всего, будет постепенным. Идет поиск новаторских подходов, которые найдут применение в буду­щем.

Один из потенциальных способов заключается в том, чтобы перерабатывать улавливаемый углекислый газ в бетонные изделия. Механизм карбонизации в ходе ранней гид­ратации цемента систематически изучался в 1970-х годах в Университете Иллинойса (США). Было показано, что основные цемент­ные фазы, трехкальциевый силикат и двухкальциевый силикат, реагируют с диоксидом углерода в присутствии воды с образованием карбоната кальция и кальциево-силикатного гидрогеля [3]:

3CaO ∙ SiO₂ + (3 – x)CO₂ + yH₂O → xCaO ∙ SiO₃ ∙ yH₂O + (3 – x)CaCO₃,                 (1)

2CaO ∙ SiO₂ + (2–x)CO₂ + yH₂O → xCaO ∙ SiO₃ ∙ yH₂O + (2 – x)CaCO₃.                   (2)

Далее свободный гидроксид кальция, присутствующий в цементном тесте, быстро взаимо­действует с диоксидом углерода во влажной среде:

                           Ca(OH)₂ + CO₂ + H₂O → CaCO₃ + 2H₂O.                                        (3)

Карбонизация относится к экзотермическимм реакциям, она протекает при учас­тии водной среды, в которой ионы Ca²⁺ из вяжущего вещества взаимодействуют с иона­ми CO₃^2–, образующимися при растворении углекислого газа. Теплота карбонизации для основных кальциево-силикатных фаз (C₃S и β-C₂S) равна соответственно 347 и 184 кДж/ моль [4], а для Ca(OH)₂ — 74 кДж/ моль [5].

В результате карбонизации силикатов кальция образуется гидрат силиката кальция (C—S—H), смешанный с CaCO₃ [3]. Гель C— S—H образуется даже в том идеальном для карбонизации случае, когда на β-C₂S и C₃S воздействует 100 %-й CO₂ при давлении 1 атм [4].

Карбонизацию зрелого бетона обычно считают одной из проблем, влияющих на долговечность, поскольку она приводит к усадке, снижению рН порового раствора, коррозии арматуры. Однако при производстве бетона происходит карбонизация свежегидратированного цемента, а не продуктов гидратации, присутствующих в зрелом бетоне, и поэтому она не вызывает перечисленных выше эффектов. По всей видимости, при введении газообразного CO₂ в свежеприготовленную бетонную смесь продукты карбонизации получаются наноразмерными и однородно распределенными.

В более ранних работах исследовалось взаимодействие диоксида углерода с товарной бетонной смесью с целью максимизировать абсорбцию углекислого газа [6]. Ограниченное время реакции и влияние на удобоукладываемость были определены как проблемы, которые необходимо преодолеть. Последующее лабораторное исследование с применением изотермической калори­метрии выявило, что при введении СО₂ в низкой дозировке стимулируется образование мелкодисперсных продуктов карбонизации. Был сделан вывод о том, что углекислый газ в небольших дозировках можно было бы реаль­но использовать для улучшения эксплуа­тационных характеристик товарной бетонной смеси. Настало время апробировать эту концепцию в промышленных условиях.

2. Экспериментальная часть

Промышленные эксперименты, в которых СО₂ подавался в товарную бетонную смесь во время ее производства, были проведены в компании Metrix Ready Mix (Северный Йорк, Онтарио). Цистерна с жидким CO₂ была присоединена к системе управления и распределения. Жидкий диоксид углерода с заданным расходом и временем нагнетания подавался в автобетоносмеситель, где взаимодействовал с гидратирующимся цементом в течение времени приготовления бетонной смеси. Затем бетонная смесь подвергалась испытаниям.

2.1. Производственные методы и испытания

Испытания проводилились в июле—сентябре 2014 года с использованием автобетоно­смесителей, заполненных 4 м³ бетонной смеси (наполовину). Состав смеси (табл. 1) обеспечивал бетону прочность при сжатии, равную 25 МПа.

Сначала требуемые количества компонентов бетонной смеси загружались в автобетоносмеситель, который затем перемещался на моечный стенд, где оператор автобетоносмесителя осуществлял корректировку смеси по воде. После этого отбирался образец некарбонизированной (контрольной) бетонной смеси, проводился тест на осадку конуса, и были отформованы образцы для испытаний. Затем в автобетоносмеситель вводили диоксид углерода последовательно порциями, определяя осадку конуса и закладывая образцы из бетонной смеси после каждой введенной порции. Было зафиксировано время между началом смешивания и подачей диоксида углерода.

2.2. Подача газа

СО₂ подавался с помощью системы нагнетания газа в течение 30—90 с, после чего перемешивание продолжалось еще 90—180 с при высокой скорости. Дозировка СО₂ составляла 0,1; 0,3 и 0,6 % массы цемента.

2.3. Аналитические методы

Измерялись осадка конуса и температура свежеприготовленной бетонной смеси. Далее смеси закладывались в формы-цилиндры размерами ∅ 4 × 8 дюймов для последующих испытаний прочности при сжатии. Образец свежеприготовленной смеси массой приблизительно 220 г был также отобран для определения тепловыделения на изометрическом калориметре (Calmetrix iCal 8000) при 22 °C. Его масса составила приблизительно 220 г.

Все образцы бетона были подготовлены и испытаны в соответствии с CSA A23.2. Проч­ность при сжатии определялась для образцов в возрасте 1, 3, 7 и 28 сут, а также в возрасте 58 сут — для первой серии испытаний и 56 и 91 сут — для второй. Испытания, проводимые в возрасте 1 и 28 сут, выполнялись на трех образцах, остальные — на двух. Основания образцов перед проведением испытаний шлифовались. Образцы, испытанные в возрасте более 1 сут, хранились согласно стандарт­ным условиям, во влажной среде. Объемное удельное сопротивление оценивалось при помощи устройства Merlin Mark III (Germann Instruments).

2.4. Лабораторное исследование кислотности порового раствора

Вопрос о влиянии диоксида углерода на рН порового раствора микроструктуры бетона зрелого возраста побудил авторов данной статьи провести соответствующее лабораторное исследование. Показатель рН порового раствора определялся с использованием образцов цементного теста, специально изготовленных для этой цели в блендере при В/Ц, равном 0,5. После этого был отобран контроль­ный образец. Затем тесто подвергалось воздей­ствию потока (20 л/мин) углекис­лого газа, подаваемого в блендер во время перемешивания. При этом были отобраны образцы через 30, 60, 90 и 120 с воздействия газа.

Тесто укладывали в цилиндрические формы, которые подвергали вращению в течение 24 ч для предотвращения сегрегации. Затем формы загерметизировали и хранили под водой при комнатной температуре 28 сут. Образцы измельчали и извлекали из них поровый раствор, показатель рН которого непосредственно измеряли.

3. Результаты

3.1. Описание испытаний

Первая серия испытаний должна была подтвердить идею, что подача углекислого газа в малых дозировках может быть интегри­рована в обычную процедуру производства товарной бетонной смеси. Параметры испытаний первой серии представлены в табл. 2. Их проводили при солнечной погоде, температура воздуха была равна 19 °C.

Контрольный образец (КО) бетонной смеси отобрали через 23 мин после начала смешивания. Обнаружено, что при увеличении дозировки диоксида углерода температура смеси росла, а осадка конуса уменьшалась. Хотя карбонизация является экзотермичес­кой реакцией и должна приводить к повышению температуры, нельзя однозначно сказать, являются ли наблюдаемые эффекты следствием только карбонизации, или же они представляют собой обычные явления, обусловленные перемешиванием, развитием гидратации, повышением температуры окружающей среды и др.

Вторая серия испытаний имела целью подтвердить результаты первой серии. КО был отобран через 21 мин после начала смешивания. В эту серию был включен также экс­перимент, в котором СО₂ нагнетался сразу, уже в ходе загрузки (замес № 805). Парамет­ры испытаний для второй серии приведены в табл. 3.

Как и в первой серии, отмечены рост температуры смеси и сокращение осадки конуса с увеличением дозировки СО₂. В случае замеса № 805 осадка конуса была такой же, как у КО, но температура была несколько выше по сравнению с ним. По всей видимости, небольшой подъем температуры связан с экзотермической реакцией карбонизации, но также нужно учитывать и влияние изменившихся погодных условий.

3.2. Изотермическая калориметрия

Тепловыделение образцов бетонной смеси измеряли в период от 0 до 20 ч после смешивания. Количество тепла, выделяемого бетоном за это время, может использоваться для оценки развития механических свойств (таких как усадка или прочность при сжатии) на очень ранних стадиях [7]. Интенсивность тепловыделения для четырех составов представлена на рис. 1, а, суммарное тепловыделение — на рис. 1, б. На этих рисунках показано тепловыделение в диапазоне времени 4—20 ч.

Рис. 1. Результаты изотермической калориметрии для бетонных смесей первой серии

Нагнетание СО₂, по-видимому, не оказывает никакого влияния на индукционный период. К возрасту 4 ч все образцы находились на стадии ускорения гидратации. Еще через 7 ч тепловыделение в карбонизированных образцах стало более интенсивным (об этом свидетельствует сдвиг кривых тепловыделения влево); чем выше дозировка углекислого газа, тем сильнее выражен эффект. Кроме того, с ее увеличением возросла и интенсивность максимума на кривых тепловыделения.

Сопоставление интегральных кривых теп­ловыделения показывает, что к возрасту 6 ч карбонизированные смеси высвободили примерно на 10 % меньше тепла по сравнению с КО. Начиная с возраста 11 ч смесь с наименьшей дозировкой углекислоты и КО имеют идентичные кривые интегрального тепловыделения. В случае дозировки 0,3 % CО₂ интегральное тепловыделение превысило контрольный показатель на 12 % в возрасте 12 ч и на 6 % — в возрасте 20 ч. Для дозировки 0,6 % CО₂ интегральное тепловыделение превысило контрольный показатель на 13 % в возрасте 12 ч и на 4 % — в возрасте 20 ч. Согласно наблюдениям, диоксид углерода слегка замедлил гидратацию в первые 8 ч, но в диапазоне 10—14 ч ускоряющий эффект очевиден в случае высоких доз углекислого газа. Это может косвенно указывать на более высокую прочность бетона начиная с этого периода.

Данные по интенсивности тепловыделения для испытаний второй серии приведены на рис. 2, а, по интегральному выделению тепла — на рис. 2, б.

Рис. 2. Результаты изотермической калориметрии для бетонных смесей второй серии (партии 801—804)

Кривые тепловыделения при повторном испытании совпали с предыдущими. Было установлено, что диоксид углерода оказывал ускоряющее действие. При его минимальной дозировке для образца в возрасте 2 ч высво­бождалось на 20 % больше тепла по сравнению с КО. К возрасту 7 ч эффект уменьшился до 7 %, а к возрасту 10 ч возрос до 13 %; затем кривые совпали. При дозировке 0,3 % CO₂ для образца в возрасте 2 ч тепла выделилось на 41 % больше по сравнению с КО; к возрасту 8 ч эффект уменьшился до 9 %. К возрасту 10 ч тепла выделилось уже на 16 % больше по сравнению с КО; затем кривые совпали. В случае дозировки углекис­лого газа 0,6 % в течение первых 9 ч тепловой эффект составлял 92—99 % контроль­ного, затем превысил значение для КО на 9 % и после этого уменьшился до контрольного уровня.

Очевидно, низкие дозировки CO₂ воздействуют на бетон в ранней стадии гидратации, и при всех дозировках проявляется заметный эффект к возрасту 10 ч. Этот период времени примерно соответствует концу периода ускорения [8], когда начальная гидратация начинает замедляться.

В случае образца № 805, для которого CO₂ подавался в ходе загрузки компонентов, тепловыделение происходило менее интенсивно по сравнению с КО (рис. 3).

Рис. 3. Результаты изотермической калориметрии для бетонной смеси № 805; а — Интенсивность тепловыделения; б — Суммарное количество тепла

Тепловыделение снижалось в период 7—13 ч. Для образцов в возрасте 11 ч оно достигало 83 % контрольного значения, затем росло и к возрасту 15 и 20 ч стало соответ­ственно на 5 и 7 % выше значения для КО.

3.3. Свойства затвердевшего бетона

3.3.1. Прочность при сжатии

Результаты определения средней проч­ности при сжатии образцов первой серии приведены на рис. 4.

Рис. 4. Средние значения прочности при сжатии карбонизированных образцов первой серии и их отношение к значению для КО, %

Согласно полученным результатам, в случае двух наиболее высоких дозировок СО₂ прочность образцов возросла. Это согласуется с калориметрическими данными. Наиболее низкая доза CO₂ оказала малое влияние на прочность (она была выше контроль­ной на 0—5 % на всех этапах гидратации, кроме 28-суточного возраста, когда она оказалась выше контрольной на 9 %. Наибольший эффект наблюдался в наиболее карбонизированной партии: прочность повысилась на 19 % через 1 сут, на 16 % — через 28 сут и на 26 % — через 58 сут.

Повторный эксперимент привел к аналогичным результатам (рис. 5). Данные для испытаний образцов № 805 (CO₂ вводился во время загрузки компонентов смеси) приведены на рис. 6.

Рис. 5. Средние значения прочности при сжатии карбонизированных образцов второй серии и их отношение к значению для КО, %

Рис. 6 Средние значения прочности при сжатии карбонизированных образцов из партии № 805 и их отношение к значению для КО, %

Результаты подтвердили, что в результате карбонизации бетонной смеси прочность при сжатии возрастает. При этом наименьшая дозировка СО₂ обеспечивает наименьший эффект. Вероятно, доза 0,10 % не приводит к образованию достаточного количества продукта реакции, чтобы он мог повлиять на свойства бетона. В течение периода испытаний значения прочности колебались между 99 и 107 % ее значения для КО, за исключением аномального показателя в 56-суточном возрасте (снижение прочности до 85 % контрольного значения). Дозировка 0,3 % CO₂ обеспечивает повышение прочности на 6 % по сравнению с контрольной в возрасте 1 сут и на 12 и 16 % в возрасте 3 и 56 сут соответственно. Дозировка 0,6 % CO₂ обеспечивает повышение прочности от 7 до 15 %. Результаты не позволяют выявить различия в результатах от двух наиболее высоких дозировок СО₂. В трех точках прочность возрастала с увеличением дозы CO₂; в трех других прочность при средней дозировке углекислоты оказалась выше, чем при максимальной.

Последняя партия оказалась наиболее перспективной, учитывая, что прочность была более чем на 14 % выше, чем у КО, на всех этапах гидратации, в том числе на 26 % — в 3-суточном возрасте и на 15 % — в 91-суточном возрасте. Эта партия представляет особый интерес, поскольку промышленная реализация будет, несомненно, наиболее простой в исполнении.

3.3.2. Объемное удельное сопротивление

Данные по объемному удельному сопротивлению для первой серии испытаний представлены в табл. 5, а для второй — в табл. 6. Более высокие значения удельного сопротивления указывают на более низкую проницаемость. Видно, что карбонизированные образцы по этим показателям соответствуют контрольным на всех стадиях.

Диапазоны значений удельного сопротивления, которые характеризуют уровни проницаемости хлорид-ионов в соответ­ствии с ASTM C1202, были использованы для оценки риска проницаемости хлорид-ионов. Было установлено, что риск был умеренным в возрасте 28 сут и низким — в возрасте 58 сут. Данные по удельному сопротивлению подтверждают, что бетон, обработанный углекислотой, в этом отношении эквивалентен КО.

Результаты измерений объемного удельного сопротивления согласуются с результатами измерений для образцов первой серии. Риск проницаемости хлорид-ионов для всех образцов был оценен как умеренный в возрасте 28 сут и низкий — в возрасте 91 сут.

3.4. Измерения рН порового раствора

Установлено, что на показатель рН порового раствора карбонизация не повлияла. Результаты для контрольного образца (0 % CO₂) и для четырех карбонизированных образцов приведены на рис. 7. Цементные пасты, обработанные углекислым газом в лабораторных условиях, поглотили его в количестве, превышающим дозы CO₂ в промышленном испытании, поэтому при промышленной реализации эффект, если он и имеется, будет, вероятно, еще меньшим.

Рис. 7. Показатель pH порового раствора для пяти цементных паст, обработанных диоксидом углерода

Результаты подтверждают, что подача диоксида углерода не повышает риск депассивации стальной арматуры и, следовательно, риск коррозии. Это обусловлено тем, что взаимодействие диоксида углерода с гидратирующимся цементом на ранней стадии не препятствует последующему образованию Са(ОН)₂ и развитию обычной щелочности тес­та.

4. Обсуждение

Улучшение эксплуатационных свойств, наблюдаемое в результате образования продуктов карбонизации, аналогично действию наночастиц CaCO₃, вводимых in-situ. Последние действуют как центры зародышеобразования, влияя на последующее образование продуктов гидратации. Калориметрические данные аналогичны тому, что можно наблюдать при добавлении наночастиц CaCO₃ (10 масс. %) к C₃S [9]. Моделирование позволяет предположить, что нано-карбонаты действуют на поверхности или в непосредственной близости от частиц силиката кальция. При этом карбонаты могут либо влиять на стабильность продукта реакции, обогащенного кремнеземом и покрывающего поверхность гидратирующихся силикатов кальция во время индукционного периода, либо действовать как гетерогенные зародыши для роста C—S—H после индукционного периода.

Испытание образцов № 805 показало, что добавление диоксида углерода во время загрузки приводит к замедлению ранней гид­ратации в промежутке от 7 до 13 ч. В этом случае углекислота была введена на стадии самого раннего взаимодействия цемента с водой, и карбонат-ионы, вероятно, «не нашли» ионов Ca²⁺ в водной фазе. Продукты реакции карбонизации, по-видимому, образовались на частицах цемента и повлияли на первичное образование C—S—H на стадии ускорения гидратации, которая в целом свидетельствует о том, что первоначально на частицах цемента могут присутствовать активные центры, подпитывающие рост продуктов гидратации, но присутствие зародышей карбонатной фазы, возможно, ускоряет этот процесс с течением времени.

Во всех остальных случаях углекислый газ был введен через 45—70 мин после начала смешивания. Через 45 мин после начала гидратации водная фаза бетонной смеси, вероятно, насыщалась ионами Ca²⁺, и продукты карбонизации могли образоваться в поровом растворе в результате взаимодействия карбонат-анионов с катионами. Возможно, ускорение обусловлено дей­ствием частиц этих продуктов на некотором расстоянии от поверхностей цементных зерен. При исследовании влияния добавок C—S—H (1—4 масс. %) на гидратацию цементных составов установлено увеличение скорости ранней гидратации, обусловленное созданием новых центров реакции в поровом пространстве на расстоянии от поверхности частиц [10]. С учетом уравнений (1) и (2) кажется очевидным, что образование геля C—S—H должно происходить одновременно с образованием карбоната кальция.

Количество используемого диоксида углерода составило 0,6 % массы цемента или меньше. Оно соответствует образованию 1,4 масс. % CaCO₃ (фактическое количество поглощенного диоксида углерода, вероятно, будет меньше, поскольку не весь дозируемый газ поглотится). Небольшое количество CO₂ свидетельствует об эффективности воздействия. Кроме того, образование CaCO₃ in situ дает решение одной из проблем применения наночастиц CaCO₃ в цементных системах, позволяя достичь высокой дисперсности и тонкого распределения [11]. Традиционные подходы к применению нано-кальцита в бетонах для создания нано-суспензии требуют применения ультразвука [12].

Используемые два подхода к дозированию представляют три различных потен­циаль­ных промышленных метода. Во-первых, дозирование диоксида углерода во время загрузки представляет собой промышленно реализуемый подход, который обеспечивает минимальное вмешательство в традиционные процессы загрузки и смешивания компонентов. Оборудование для подачи газа можно интегрировать в стандартное производство бетонной смеси. Во-вторых, в тех случаях, когда автобетоносмесители сначала загружают, а затем возникает пауза, например на моющем стенде, появляется временной интервал, в течение которого наряду с другими обычными производственными операциями может подаваться диоксид углерода. В этом случае гидратация будет происходить в течение 5—10 мин, прежде чем начнется карбонизация. Наконец, в третьих, если увеличенное время гидратации является преимуществом, то CO₂ можно подавать на объекте непосредственно перед укладкой бетонной смеси. Возможно, небольшую переносную установку для нагнетания углекислого газа можно установить на автобетоносмесителях или на местах возведения крупных объектов.

Одним из преимуществ этого способа, обеспечивающего стабильное повышение прочности, может быть продажа данной бетонной смеси по более высокой цене (например, становится возможным из бетонной смеси, обеспечивающей прочность 35 МПа, получить бетон с прочностью 40 МПа). Другой вариант — сократить расход цемента в бетонной смеси, чтобы обеспечить ту же самую прочность 35 МПа. Количество используемого диоксида углерода (и соответственно поглощенного) в этих испытаниях небольшое и, возможно, дает незначительный вклад в сохранение окружающей среды, но если углекислый газ можно использовать, чтобы сократить расход цемента, то за этим последует ощутимое сокращение «углеродного следа» от бетона, получаемого таким способом.

Промышленные эксперименты показали, что диоксид углерода можно вводить в автобетоносмеситель с бетонной смесью во время загрузки и смешивания. Продукты реакции карбонизации в этом случае влияют на раннюю гидратацию и обеспечивают улучшенные показатели прочности при сжатии.

Промышленные испытания послужили обоснованием для дальнейших исследований. Работа продолжается и преследует несколько целей.

1. Изучить чувствительность вяжущих материалов и состава смеси к процессу карбонизации. Действие диоксида углерода аналогично действию добавки. Ожидается, что конечные свойства будут зависеть от природы используемой вяжущей системы.

2. Исследовать долговечность бетона. Планируется серия экспериментов, включающая в себя определение прочности при сжатии и изгибе, усадки высыхания, истираемости, удельного сопротивления, карбонизации в ходе эксплуа­тации, воздействия солей на поверхность бетона, химического состава порового раствора, объемной диффузии и коррозионной устойчивости по ASTM G109.

3. Охарактеризовать механизм и морфологию продуктов карбонизации. Более глубокое понимание физико-химических вопросов, связанных с карбонизацией, поможет наилучшим образом применить эту технологию. Уже понятно, что дозировки углекислоты менее 0,5 % являются вполне достаточными для значительного воздействия на свойства бетона.

4. Исследовать различные времена дозирования. Любые различия в способах введения углекислоты будут влиять на промышленный результат. Результат испытания, при котором бетонная смесь подвергалась воздействию нескольких доз диоксида углерода, одновременно зависел и от времени, прошедшего с момента начала гидратации до подачи углекислого газа, и от его общей дозы. Таким образом, путем этих испытаний нельзя установить, что важнее: время, когда осуществляется подача углекислого газа, или его дозировка.

5. Оценить воспроизводимость характеристик. Учитывая, что на прочность при сжатии бетона могут влиять многие факторы (воздух, водовяжущее отношение, параметры смешивания), необходимо выполнить более обширную промышленную программу испытаний, чтобы проверить влияние случайных факторов на стабильность свойств продукции.

6. Изучить возможность более активного применения шлака в холодную погоду. Медленное раннее развитие прочности шлакосодержащего бетона ограничивает использование шлака в холодную погоду или в условиях холодного климата. Если диоксид углерода оказывает стимулирующее действие на развитие прочности бетона, содержащего шлак, то он в принципе позволит использовать шлак в холодное время года. Промышленное испытание, позволяющее прояснить этот вопрос, было бы очень полезным.

5. Выводы

Эксперименты, выполненные в промышленном масштабе, должны были установить целесообразность введения СО₂ в малых дозах в бетонную смесь в ходе ее приготовления и значение образования продуктов карбонизации in situ для улучшения свойств. Результаты исследования методом изотермической калориметрии показали, что гидратацию при этом можно ускорить.

Согласно результатам определения проч­ности при сжатии бетона, при оптимальной дозировке СО₂ прочность в возрасте 3, 28 и 58 сут повысилась соответственно на 20, 16 и 26 %. Подача углекислоты в ходе загрузки компонентов приводила к замедлению гид­ратации в период от 7 до 13 ч и некоторому ускорению за пределами 14 ч. Прочность была на 26 % выше по сравнению с контроль­ной в возрасте 3 сут, на 15 и 18 % выше в возрасте соответственно 28 и 56 сут. Ни объемное удельное сопротивление (индикатор проницаемости), ни рН порового раствора не изменялись при карбонизации. Различие в тепловыделении при двух подходах к дозированию указывает на возможные различия в образовании продукта реакции.

Рассматриваемый способ в принципе может позволить повысить прочность и снизить количество цемента. В настоящее время проводится несколько исследований для дальнейшего изучения механизма реакции, понимания различий между подходами к дозированию и завершения обширной программы оценки долговечности.

Благодарность

Авторы выражают благодарность Metrix Ready Mix за поддержку работы, высоко оценивают помощь, оказанную студентами Университета Торонто Гитой Чармчи и Соли Эйнарсдоттир и студентом Университета Нью-Брунсвика Тедом Моффатом. Финансирование исследований было получено от Канадского общества по проблемам устойчивого развития энергетики (SDTC) и Программы поддержки промышленных исследований Национального исследовательского совета (IRAP).

ЛИТЕРАТУРА

1. Damtoft J.S., Lukasik J., Herfort D., Sorrentino D., et al. Sustainable development and climate change initiatives // Cement and Concrete Res. 2008. Vol. 38. P. 115—127.

2. IEA, 2009. Cement Technology Roadmap: Carbon Emissions Reductions up to 2050 // OECD Publishing, October 12, 2009.

3. Berger R.L., Young J.F., Leung K. Acceleration of hydration of calcium silicates by carbon-dioxide treatment // Nature: Physical Sci., 1972. Vol. 240. P. 16—18.

4. Goodbrake C.J., Young J.F., Berger R.L. Reaction of beta-dicalcium silicate and tricalcium silicate with carbon dioxide and water vapor // J. Amer. Ceram. Soc. 1979. Vol. 62. P. 168—171.

5. Moorehead D.R. Cementation by the carbonation of hydrated lime // Cement and Concrete Res. 1986. Vol. 16. P. 700—708.

6. Monkman S. Carbon dioxide utilization in fresh industrially produced ready mixed concrete // 2014 Intern. Concrete Sustainability Conf., National Ready Mixed Concrete Association, Boston, USA, May 12, 2014.

7. Ge Z.K., Wang P.J., Sandberg J., Ruiz M. Characterization and performance prediction of cement-based materials using a simple isothermal calorimeter // J. Advanced Concrete Technology. 2009. Vol. 7. P. 355—366.

8. Gartner E.M., Young J.F., Damidot D.A., Jawed I. Hydration of Portland cement // Structure and Performance of Cements. Eds: J. Bensted, P. Barnes. New York: CRC Press, 2002. 584 p.

9. Sato, T., Diallo F. Seeding effect of nano-CaCO₃ on the hydration of tricalcium silicate // J. Transportation Research Board. 2010. Vol. 2141. P. 61—67.

10. Thomas J.J., Jennings H.M., Chen J.J. Influence of nucleation seeding on the hydration mechanisms of tricalcium silicate and cement // J. Phys. Chem. C. 2009. Vol. 113. P. 4327—4334.

11. Kawashima S., Seo J.W.T., Corr D., Hersam M.C., et al. Dispersion of CaCO₃ nanoparticles by sonication and surfactant treatment for application in fly ash–cement systems // Materials and Structures. 2014. Vol. 47. P. 1011—1023.

12. Wang X., Wang K., Tanesi J., Ardani A. Effects of nanomaterials on the hydration kinetics and rheology of portland cement pastes // Advances in Civil Engineering Materials. 2014. Vol. 3, N 142—159.