Елена Эдуардовна Смирнова, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии
197376, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 14, литер А
Elena E. Smirnova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Industrial Ecology
14, Professora Popova St., lit. A, St. Petersburg, 197376
Введение. Цементная промышленность, обеспечивая строительный сектор, генерирует значительные выбросы CO2 (5–8 % от глобальных). В условиях устойчивого развития и зеленого строительства актуальна разработка многокомпонентных цементов (МКЦ) с заменой клинкера активными добавками (шлаки, фосфогипс) для снижения экологической нагрузки и улучшения свойств (сульфатостойкость, прочность, контроль деформаций). Проблема заключается в отсутствии систематических статистических подходов к оптимизации составов МКЦ, что затрудняет определение баланса между экологичностью и эксплуатационными характеристиками. Многие исследования МКЦ фокусируются на прочности и сульфатостойкости, но редко используются статистические методы для комплексной оптимизации состава. В некоторых исследованиях подчеркиваются экологические преимущества МКЦ, но не предлагаются системные подходы к прогнозированию их свойств. Таким образом, можно говорить о недостатке корреляционного анализа взаимосвязей между химическим составом и свойствами МКЦ, а также о недостаточно изученном влиянии примесей (MgO, щелочи) на сульфатостойкость, что ограничивает составление универсальных рецептур. Целью данного исследования является разработка статистических подходов к оптимизации состава МКЦ для повышения их сульфатостойкости, контроля самонапряжения и линейного расширения, а также снижения углеродного следа, что позволит заполнить выявленный пробел в научном знании. Для достижения поставленной цели необходимо провести корреляционный анализ взаимосвязей между химическим составом МКЦ (содержание SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3, SO3 и др.) и их эксплуатационными характеристиками (сульфатостойкость, самонапряжение, линейное расширение) на основе экспериментальных данных, оценить экологическую эффективность замены клинкера активными минеральными добавками (доменные шлаки, фосфогипс, гидрогранаты кальция) с использованием расчетов углеродного следа, выявить ключевые химические компоненты, оказывающие наибольшее влияние на сульфатостойкость и деформационные свойства и разработать рекомендации по их оптимизации, исследовать влияние примесей в активных добавках (например, MgO, щелочные оксиды) на сульфатостойкость и предложить пути их минимизации, разработать адаптированную матрицу компонентов МКЦ, позволяющую прогнозировать свойства цементов и обеспечивать их соответствие требованиям устойчивого строительства. Достижение цели исследования позволит заполнить пробел в научном знании путем интеграции статистических методов в процесс разработки МКЦ, что даст возможность создавать экологически безопасные и высокопроизводительные строительные материалы, отвечающие современным требованиям.
Материалы и методы. Исследование основано на статистическом анализе экспериментальных данных, представленных в патенте RU 2079458 C1 (авторы — Андреев В.В., Смирнова Е.Э.). Анализировались данные по восьми составам МКЦ, включающим портландцементный клинкер (Пикалево), доменные шлаки (Череповец, Магнитогорск), электротермосульфатный шлак (СПТИ), гидрогранаты кальция (ГГК-1, ГГК-2) и фосфогипс (Кингисепп). Рассматривались взаимосвязи между химическим составом компонентов (SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3, SO3 и др.) и эксплуатационными характеристиками (самонапряжение, линейное расширение, сульфатостойкость), определенными согласно стандартным методикам (ГОСТ 310.1–76, ГОСТ 310.4–81, ТУ 21–26–13–90). В качестве основного метода использовался корреляционный анализ. Визуализация корреляционных матриц осуществлялась с помощью тепловых карт (библиотека Seaborn в Python). Дополнительно проведены расчеты экономической и экологической эффективности замены части клинкера указанными активными добавками.
Результаты исследования. Результаты статистического анализа подтвердили значительное влияние содержания SiO2, Al2O3 и других компонентов на эксплуатационные характеристики цементов. Установлено, что расчетная замена клинкера на 30 % активными добавками позволяет снизить углеродный след на 25–40 %. Установлено, что оптимизация содержания SiO2 в составе цемента увеличивает сульфатостойкость цементного камня, а данные уже имеющихся научных изысканий указывают на то, что термоактивация шлаков усиливает их прочность на 12–15 %, повышая степень гидратации компонентов и формируя более плотную цементную матрицу. Экономический анализ показал, что замена клинкера позволяет снизить стоимость производства цементов на 10–15 %.
Обсуждение и заключение. Корреляционный анализ подтвердил ключевую роль SiO2 в обеспечении сульфатостойкости цемента. Обнаружено, что использованная силикатная доменная добавка (шлак А) может снижать сульфатостойкость, что предположительно объясняется наличием примесей, таких как MgO и щелочные оксиды. Анализ коэффициента основности (B = (CaO + MgO + Al2O3) / SiO2) показал, что при B < 1 происходит ухудшение гидратации и образование слабых гелевых структур, требующих компенсации пуццолановыми добавками. Статистические расчеты продемонстрировали высокую положительную корреляцию между сульфатостойкостью и линейным расширением (r = 0,89), подтверждая возможность регулирования этих свойств через состав цементных смесей. Расчеты также показали, что снижение содержания C3A в клинкере ниже 8 % способствует повышению долговечности цементов в агрессивных средах. Разработанные статистические подходы могут быть использованы для оптимизации рецептур с целью создания экологически устойчивых цементов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Признается необходимость дальнейших исследований для верификации моделей на более широком спектре материалов и в промышленных условиях.
Introduction. The cement industry, a cornerstone of the construction sector, generates significant CO2 emissions (5–8% of global totals). Amid growing demands for sustainable development and green construction, the development of multi-component cements (MCCs) with clinker partially replaced by active mineral additives (slag, phosphogypsum) is critical for reducing environmental impact while enhancing properties such as sulfate resistance, strength, and deformation control. The core problem lies in the lack of systematic statistical approaches to optimize MCC compositions, which hinders achieving a balance between environmental sustainability and performance characteristics. Many studies on MCCs focus on strength and sulfate resistance, but rarely employ statistical methods for comprehensive composition optimization. Other works highlight the environmental benefits of MCCs, yet fail to propose systematic approaches for property prediction. The research gap stems from insufficient correlation analyses of the relationships between chemical composition and MCCs properties, as well as limited investigation into the impact of impurities (e.g., MgO, alkali oxides) on sulfate resistance, which restricts the development of versatile formulations. This study aims to develop statistical approaches for optimizing MCC compositions to enhance sulfate resistance, control self-stress and linear expansion, and reduce carbon footprint, thereby addressing the identified research gap. To achieve this, the following tasks are defined: conduct correlation analysis of the relationships between MCC chemical composition (SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3, SO3, etc.) and performance characteristics (sulfate resistance, self-stress, linear expansion) based on experimental data; evaluate the environmental efficiency of replacing clinker with active mineral additives (blast-furnace slag, phosphogypsum, calcium hydrogarnets) through carbon footprint calculations; identify key chemical components with the greatest influence on sulfate resistance and deformation properties, and provide optimization recommendations; investigate the impact of impurities in active additives (e.g., MgO, alkali oxides) on sulfate resistance and propose mitigation strategies; develop an adapted MCC component matrix to predict cement properties and ensure compliance with sustainable construction requirements. These objectives and tasks aim to bridge the scientific knowledge gap by integrating statistical methods into MCC development, enabling the creation of environmentally safe, high-performance building materials that meet modern standards.
Materials and Methods. The research is derived from the statistical assessment of experimental data presented in patent RU 2079458 C1 (authors Andreev V.V., Smirnova E.E.). Data on 8 formulations of multi-component cements were analyzed, including Portland cement clinker (Pikalevo), blast-furnace slags (Cherepovets, Magnitogorsk), electrothermosulfate slag (SPTI), calcium hydrogarnets (GGK-1, GGK-2), and phosphogypsum (Kingisepp). Relationships between the chemical makeup of constituents (SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3, SO3, etc.) and their performance characteristics (self-stress, linear expansion, and sulfate resistance), determined according to standard methods (GOST 310.1–76, GOST 310.4–81, TU 21–26–13–90), were examined. Correlation evaluation was used as the main method. Visualization of correlation matrices was carried out using heatmaps (Seaborn library in Python). Additionally, calculations of the economic and environmental efficiency of partially replacing clinker with the specified active admixtures were performed.
Results. The findings of the statistical review confirmed the significant impact of SiO2, Al2O3, and other elements on the performance attributes of cements. It was determined that the calculated replacement of 30% of clinker with SCMs allows for a mitigation of the carbon footprint by 25–40%. It was revealed that enhancing the SiO2 content in the cement formulation improves the sulfate resistance of the cement paste, and literature data suggest that thermal activation of slags boosts compressive strength by 12–15%, improving the degree of hydration of constituents and forming a denser cement matrix. Economic assessment demonstrated that clinker substitution with active supplements can decrease cement production costs by 10–15%.
Discussion and Conclusion. Correlation assessment substantiated the pivotal role of SiO₂ in bolstering the sulfate resistance of the cementitious material. It was found that the silicate blast-furnace admixture used (slag A) can diminish sulfate resistance, which is presumably explained by the presence of impurities such as MgO and alkali oxides. Evaluation of the basicity coefficient (B = (CaO + MgO + Al2O3) / SiO2) revealed that when B < 1, hydration processes deteriorate, resulting in the formation of weak gel structures necessitating compensation with pozzolanic supplements. Statistical calculations highlighted a strong positive correlation (r = 0.89) between sulfate resistance and linear expansion, validating the potential for regulating these features through the precise makeup of cement mixtures. Furthermore, calculations indicated that lowering the C3A content in clinker below 8% significantly enhances cement durability in aggressive environments. The developed statistical techniques can be used for refining formulations to create environmentally sustainable binders with improved performance characteristics. The need for further investigation to verify the models on a wider range of materials and under industrial conditions is acknowledged.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.