Cухие готовые смеси для получения газозолобетона с оптимизированной структурой связующей матрицы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.327.33

В.В. БЕЛОВ, д-р техн. наук, советник РААСН,

Ю.Ю. КУРЯТНИКОВ, канд. техн. наук, И.В. ОБРАЗЦОВ, инженер ([email protected]), Тверской государственный технический университет

Cухие готовые смеси для получения газозолобетона с оптимизированной структурой связующей матрицы

Одним из перспективных направлений получения бетонов нового поколения, отличающихся высокой технологичностью, повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, является применение активированных порошковых сырьевых смесей и сухих готовых смесей с наполнителями различной природы и дисперсности. В таких смесях содержится 50—60% порошкового (например, цемент, молотая горная порода, микрокремнезем) и 40—50% тонкозернистого (например, кварцевый песок фракции 0,1—0,6 мм) компонента. Эти сырьевые смеси легко перемещаются пневмотранспортом и не сепарируются при загрузке емкостей, а самое главное, относительно легко перемешиваются, т. е. обладают всеми известными достоинствами сухих строительных смесей [1].

В качестве тонкодисперсных наполнителей для изготовления бетонов нового поколения эффективно использовать микрокремнезем, золу-унос, метакаолин, каменную муку (кварцевую и известняковую) и др. Такие наполнители связывают гидролизную известь портландцемента в ранние сроки гидратации (через 1—2 сут твердения). Образование высокодисперсных гидросиликатов кальция, кристаллизующихся в порах и контактных зонах более крупных частиц цемента и наполнителей, улучшает структуру цементного камня, способствуя повышению ранней прочности. При добавлении микрокремнезема, кремнистого микрозаполнителя и метакаолина размеры пор бетона существенно уменьшаются. Повышение ранней прочности наблюдается у бетонов со всеми вышеперечисленными ми-

кронаполнителями. Через 90 сут максимальную прочность при сжатии демонстрировали бетоны с добавлением микрокремнезема [2].

Аналогичные принципы могут лежать в основе использования предварительно приготовленных сухих смесей для производства эффективных бетонов не только плотной, но и ячеистой структуры, т. е. газобетонов. Подобные сухие смеси разработаны на основе смешанных бесклинкерных вяжущих, содержащих в своем составе высококальциевую золу ТЭЦ и вскрышные глинистые породы, а также малоклинкерное смешанное вяжущее, содержащее добавку портландцемента. Недостатком их является низкая прочность при сжатии 0,06—0,11 МПа [3]. В работе [4] изучено влияние технологии изготовления золосодержащих сухих смесей для производства неавтоклавного газобетона на его свойства. Введение 10—20% кварцевого песка в молотую зо-лоцементную смесь позволяет получить газобетон плотностью 700 кг/м3 и прочностью при сжатии 2,76— 3,02 МПа. В работе [5] показана возможность получения сухих смесей для производства пенобетонов с применением пенообразующей добавки белковой природы.

Авторами разработаны сухие смеси на основе техногенных вторичных ресурсов для получения газобетона неавтоклавного твердения, в том числе в построечных условиях [6]. Формирование микро- и макроструктуры газобетона осуществляют за счет варьирования содержания основных компонентов состава сухих готовых смесей; модификации состава химическими и дисперсно-армирующими добавками; природы поверхно-

Таблица 1

Требования к кремнеземистому компоненту ячеистых бетонов и соответствующие характеристики золы ТЭЦ-4

Характеристики Нормативные показатели (согласно СН 277-80) Показатели золы ТЭЦ-4

Содержание в золе оксидов, % ЭЮд СаО Я2О (К2О+Ыа2О) Не менее 45 Не более 10 Не более 3 Не более 3 50,4 5,9 1,39 0,48

Содержание стекловидных и оплавленных частиц, % Не менее 50 Не определялось

Потери при прокаливании, % Для золы бурых углей не более 3 Для золы каменных углей не более 5 2,14

Удельная поверхность, м2/кг 400-500 75

Набухание в воде, % Не более 5 Нет

Равномерность изменения объема при кипячении лепешек из цементно-зольного раствора состава 1:3 Должна выдерживать испытание Испытание выдержала

94

научно-технический и производственный журнал

июль 2012

Таблица 2

З/Ц отношение Свойства золоцементных растворов и образцов затвердевшего раствора

Расплыв смеси по Суттарду, см Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут, МПа Влажность образцов в момент испытания, %

В/Т = 0,4

0,5 13 1798 21,5 21,7

0,75 13 1790 16,3 21,5

1 14 1782 12,1 22,1

1,25 14 1769 10,9 21,2

В/Т = 0,6

0,5 31 1721 9 28,4

0,75 32 1709 6,8 28,9

1 33 1694 5,8 28,5

1,25 33 1683 5,1 29,3

сти; дисперсности и однородности распределения компонентов; механоактивации поверхности твердой фазы и рациональных режимов перемешивания газобетонной смеси. В свою очередь, структура определяет основные свойства газобетона: среднюю плотность, предел прочности при сжатии и растяжении при изгибе, усадку при высыхании, теплопроводность.

Среди вторичных техногенных продуктов (отходов) энергетического комплекса в качестве тонкодисперсного компонента (наполнителя) в бетонах наиболее часто применяют золу-унос, которая способствует улучшению характеристик бетонной смеси и бетона и позволяет сделать их производство более рентабельным. В то же время с экономической и экологической точек зрения в качестве различных сырьевых компонентов строительных конгломератов эффективно использовать отвальные золы, шлаки и их смеси. Но с технической точки зрения это не так просто сделать, так как отвальная зола ТЭС имеет низкую дисперсность, загрязненность различными примесями и в итоге состав и свойства, колеблющиеся в широких пределах, что негативно отражается на свойствах материала. Поэтому проблема эффективного использования этого потенциально выгодного сырья в производстве строительных материалов, в частности ячеистых бетонов, является актуальной.

В данной работе в качестве кремнеземистого компонента в сухие готовые смеси для изготовления газобетона неавтоклавного твердения исследовалась зола гидроудаления (золошлаковая смесь) из отвала Тверской ТЭЦ-4. Данная зола — смешанного типа(примерно на 60% каменноугольной и на 40% торфяной). В литературных источниках мало сведений об использовании та-

1,1

О предел прочности при сжатии • средняя плотность

600

— 580

— 560

— 540 ч

520

0,75 1

Золоцементное отношение

1,25

Рис. 1. Зависимости предела прочности при сжатии и средней плотности газозолобетона от золоцементного отношения

кой золы в качестве кремнеземистого компонента для газобетона.

Ее свойства в сравнении с нормативными показателями представлены в табл. 1.

По химическому составу зола ТЭЦ-4 является сверхкислой, а по гранулометрическому составу — грубодис-персной. По большинству показателей она соответствует требованиям, предъявляемым СН 277-80 к золам, применяемым в качестве кремнеземистого компонента ячеистых бетонов. Однако по удельной поверхности несоответствие золы нормативным показателям требует ее помола до необходимой дисперсности.

Отвальную золу предварительно просеивали через сито с размером ячейки 2,5 мм для удаления каменистых включений и растительных остатков. Удаленные фракции составляют около 2%.

Изучение структуры частиц золы с помощью микрофотографирования показало, что значительное количество частиц немолотой золы представляют собой полые микросферы, поэтому они обладают высокой водопо-требностью. При ее измельчении после сушки при температуре 60—70оС до удельной поверхности, близкой к нормативным показателям для кремнеземистого компонента ячеистых бетонов (300—400 м2/кг), водопотреб-ность уменьшается в связи с разрушением микросфер на относительно плотные частицы. На поверхности измельченных зольных частиц возрастает число активных центров (повышается ее реакционная способность), что позволяет вовлечь золу в процесс твердения бетона.

В работе исследовали зависимости прочности сухих готовых смесей без порообразователя как матрицы газобетона от количества золы в составе смеси в интервале варьирования золоцементного отношения (З/Ц) 0,75— 1,25. Изготовленную сухую готовую смесь всыпали в воду затворения из расчета достижения в одной серии опытов водотвердого отношения (В/Т), равного 0,4, а в другой серии опытов — 0,6. Сырьевую смесь перемешивали в течение 2 мин в быстроходной мешалке. Растворную смесь заливали без уплотнения в формы-кубы размером 70x70x70 мм. Образцы выдерживали в течение 28 сут под полиэтиленовой пленкой при комнатной температуре 20±2оС, после чего испытывали при сжатии. Пластичность (текучесть) сырьевых смесей и физико-механические свойства золоцементных растворов и образцов приведены в табл. 2.

Одновременно с образцами из золоцементного раствора по той же технологии были изготовлены контрольные образцы из цементно-песчаного раствора при

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® июль 2012 95

Таблица 3

Полные проходы, %, через условные сита, мм

Наименование материала 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,0005 0,0003

Портландцемент ПЦ 500 ДО 100 99,5 97,9 94,56 88 76,76 61,05 42,62 29,06 25,05 20,31 14,49 6,62 2,56 0

Микрокремнезем 100 100 100 100 100 100 97,86 78,09 42,93 33,08 23,11 13,75 5,7 2,48 0

соотношении песка и цемента (П/Ц), равном 0,75, и В/Т, равном 0,6.

Для приготовления раствора использовали молотый кварцевый песок с такой же, как и у золы, удельной поверхностью (около 300 м2/кг). Получены следующие результаты: расплыв смеси по Суттарду 34 см; средняя плотность 1732 кг/м3; предел прочности при сжатии 5,2 МПа; влажность в момент испытания 29,7%. Сравнение этих данных с данными табл. 2 для соответствующего состава золоцементного раствора показывает, что предел прочности при сжатии золоцементного раствора на 24% выше, чем у цементно-песчаного раствора при одинаковых дисперсности и содержании кремнеземистого компонента, что свидетельствует о приобретении отвальной золой определенной реакционной способности после помола.

Влияние золоцементного отношения на среднюю плотность и предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут образцов неавтоклавного газозолобетона, изготовленного на основе указанных выше сухих готовых смесей при введении газообразователя — алюминиевой пудры (из расчета 500 г/м3), показано на рис. 1.

Увеличение золоцементного отношения приводит в целом к понижению предела прочности при сжатии и средней плотности газобетона, как и невспученного зо-лоцементного раствора. Оптимальным золоцементным отношением следует принять 0,75. При большем содержании золы резко снижается предел прочности газозо-лобетона, что не компенсируется некоторым уменьшением средней плотности материала.

Это обстоятельство потребовало улучшения структуры связующей матрицы материала, что может быть достигнуто, в частности, за счет наполнения цементного вяжущего тонкодисперсными минеральными частицами и создания своеобразного армирующего эффекта. Целесообразно использование для этой цели добавки микрокремнезема, который к тому же активно вступает в реакцию с продуктами гидратации цемента, дополнительно укрепляя межпоровые перегородки ячеистого бетона [7].

Расчет смеси тонкодисперсных компонентов (портландцемент ПЦ500 Д0 с добавкой микрокремнезема по ТУ 5743-048-02495332—96) в составе вяжущей части газозолобетона из условия получения наиболее плотной структуры связующей матрицы производили с помощью специально разработанной компьютерной программы. Достоинствами данного метода расчета являются: быстрота выполнения вычислительных операций и проверки условия оптимальности, а также возможность нахождения «наилучшего» решения путем автоматического уменьшения погрешности.

Данные о гранулометрическом составе тонкодисперсных компонентов получены с помощью лазерного анализатора. По этим данным рассчитаны полные проходы частиц тонкодисперсных компонентов через условные сита, размеры которых соответствуют размерам частиц, определенных лазерным анализатором (табл. 3).

Проведены расчеты состава бинарной системы цемент—микрокремнезем. Расчет производился на основе известной модели Функа—Дингера с учетом коэффициента формы частиц. Эта формула имеет вид:

100 90 ^ 80 Í70

О

о 60 ш

ш 50

üt 40

о

о 30 d i= 20

10 0

Размер зерен, мм

Рис. 2. Расчетный состав бинарной системы цемент - микрокремнезем, 93,2%:6,8%

—!íE = a+(l-ot):

D

0,5

-,0,5

100 " '£>°'5 -£)" 1"" ^тах ш...

где бЛр— проход частиц через сито размером Х мм, %; Втах — наибольшая крупность зерна в смеси, мм; Бтпп — наименьшая крупность зерна в смеси, мм; п — коэффициент распределения, равный по Фуллеру 0,5; по Андреасену для пространственного распределения — 0,37; а — коэффициент, учитывающий форму зерен, определяемый по формуле:

а = \-К,

ф-

Кф коэффициент формы зерна определяется как отношение площади поверхности шара Фшар к площади поверхности зерна Фз равного объема, т. е.:

Ф

гг _ шар *ф --

Коэффициент формы шара равен 1. При этом чем сильнее форма зерна отличается от идеальной сферической формы, тем большую долю в зерновом составе должна занимать меньшая фракция. Коэффициент а для реальных частиц сыпучих систем может изменяться в пределах от 0,08 до 0,14 [8].

Результаты расчетов приведены на рис. 2.

Для бинарной системы цемент—микрокремнезем расчетный оптимальный состав оказался равным: 93,2% : 6,8%, т. е. оптимальная добавка микрокремнезема сверх 100% цемента составляет 7,3%. Величина погрешности отклонения оптимального состава от идеальной кривой просеивания составила 15%.

Проведенные расчеты проверялись экспериментально. Изготавливали образцы газозолобетона (З/Ц =0,75; В/Т=0,6; А1 из расчета 500 г/м3) с добавкой микрокремнезема (интервал варьирования микрокремнезема составил от 0 до 10% от массы цемента) и определяли в качестве косвенного показателя качества структуры материала коэффициент прочности, вычисляемый как отношение предела прочности при сжатии к квадрату относительной средней плотности (безразмерная вели-чина), т. е.:

МПа.

научно-технический и производственный журнал Q'fFCJM".!^ JJbrlbJ^

июль 2012 »ГМ^ШШГ

Таблица 4

Физико-механические свойства неавтоклавного газобетона, полученного на основе готовых сухих смесей

Физико-механические показатели Единицы измерений Значения показателей Требования ГОСТ 25485-89

Средняя плотность, (марка по плотности) кг/м3 465(D500) D500

Предел прочности при сжатии в возрасте 3 сут МПа 0,67 -

Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут (класс по прочности) МПа 1,64 (В1) В1, В0,75

Предел прочности при растяжении при изгибе в возрасте 28 сут МПа 0,42 -

Водопоглощение по массе % 46 -

Водопоглощение по объему % 21 -

Усадка при высыхании мм/м 2,7 3

О 2,5 5 7,5 10

Содержание микрокремнезема, %

Рис. 3. Зависимость коэффициента прочности газозолобетона от содержания микрокремнезема

Зависимость коэффициента прочности от содержания микрокремнезема представлена на рис. 3.

Зависимость имеет нелинейный характер. Оптимальное содержание микрокремнезема составляет 7,5%, так как при этом наблюдается максимум коэффициента прочности материала, равный 4,8 МПа. Коэффициент прочности газозолобетона с оптимальным содержанием микрокремнезема увеличился на 33% по сравнению с материалом без добавки. Таким образом, результаты теоретического расчета смеси тонкодисперсных компонентов в составе вяжущей части газозолобетона из условия получения наиболее плотной структуры связующей матрицы близки к экспериментальным данным.

Физико-механические свойства разработанного газобетона на основе золы гидроудаления представлены в табл. 4.

Доказана возможность получения качественного неавтоклавного газозолобетона с использованием отвальной золы гидроудаления ТЭС при оптимизации его структурообразующей матрицы микрокремнеземом. Это позволит снизить себестоимость продукции с аналогичным материалом в пределах 30—35%, что главным

образом обусловлено использованием такого дешевого техногенного отхода, как зола гидроудаления ТЭС.

Ключевые слова: готовая сухая смесь, неавтоклавный газозолобетон, зола гидроудаления, минеральный наполнитель, расчет состава смеси.

Список литературы

1. Калашников В.И. и др. Порошково-активированные тонкозернистые сухие бетонные смеси для производства различных бетонов // Социальные стандарты качества жизни в архитектуре, градостроительстве и строительстве: Сб. науч. тр. РААСН, 2011. С. 316-320.

2. Ружо Р., Бори Б. Ультратехнологичные бетоны с мелкодисперсными частицами, отличными от микрокремнезема // CPI — Международное бетонное производство. 2007. № 6. С. 22—30.

3. Селиванов В.М., Шильцина А.Д., Гныря А.И. Сухие газобетонные смеси на основе вторичного сырья и отходов промышленности // Строительные материалы. 2000. № 9. С. 10—11.

4. Щукина Ю.В. Золосодержащие сухие строительные смеси для производства газобетона // Труды международного конгресса «Наука и инновации в строительстве». Т. 1, кн. 2. Воронеж, 2008. С. 683—688.

5. Черкасов В.Д., Бузулуков В.И., Емельянов А.И., Киселев Е.В. Исследование свойств ячеистых бетонов, полученных на основе сухих смесей // Вестник отделения строительных наук. 2008. Вып. 12. С. 292—295.

6. Белов В.В., Курятников Ю.Ю. Модифицирование сухих поробетонных смесей на основе техногенных вторичных ресурсов // Строительные материалы. 2008. № 2. С. 6—7.

7. Лотов В.А. Влияние добавок на формирование межпоровой перегородки в газобетоне неавтоклавного твердения // Строительные материалы. 2006. № 8. С. 17.

8. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. М.: Металлургия, 1996. 608 с.

научно-технический и производственный журнал

июль 2012

97