CC BY
137
ГРНТИ 73.01.77; 73.39.31; 50.05.09 Нажекенова Алия Жастлековна
магистрант. Архитектурно-строительный факультет. Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова. г. Павлодар, 140008, Респу блика Казахстан.
Искаков Кайрат Муратович
К.Т.Н., ассоц. профессор (доцент).
кафедра «Транспортная техника и логистика».
Факультет металлургии, машиностроения и транспорта.
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова.
г. Павлодар. 140008. Республика Казахстан.
e-mail: iska_k75 (7 mail.ni.
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ БЕТОН НА КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
Использование металлургических шлаков особенно актуально в условиях увеличения темпов строительства. Использование этих заполнителей не требует новых месторождений и позволяет утилизировать скопившиеся отходы, и освободить занимаемые ими территории. Золошлаковые смеси применяются в качестве мелкого заполнителя в тяжелых бетонах на природных заполнителях и в легких бетонах на керамзитовом гравии.
В качестве конного заполнителя используется шлаковый щебень завода ферросплавов. При медленном охлаждении они кристаллизуются, однако частично в них сохраняется активное вещество со стекловидной структурой. Поскольку шлаковый щебень реализуется металлургическими предприятиями в основном в виде фракций 40—120 мм, которые не пригодны для изготовления тонкостенных конструкций, на предприятиях строительной индустрии возникает необходимость их дробления до крмшости 5—40 мм и ф[хжииони[ювапия.
11а основе гранулированного доменного шлака получаются бетоны классов до В40 с высокими показателями долговечности, а также бетоны для сборного и монолитного строительства. J (оказано, что в качестве мелкого заполнителя можно использовать золы и шлаки металлургических заводов, бетон удовлетворяет требованиям, предъявляемым к несун j им ограждающим конструкциям, эксплуатируемых в условиях нашего региона и климата. Исследованиями установлено, что золошлаковые смеси могут быть использованы в качестве мелкого заполнителя для обычных тяжелых бетонов. Такие бетоны обладают достаточной прочностью, морозостойкотью и водонепроницаемостью.
Ключевые слова: шлак, бетон, щебень, металлургические отходы, наполнители.
ВВЕДЕНИЕ
Разработан проект стратегического развития строительной индустрии до 2020 года, в котором поставили цель существенного увеличения производства цемента в два и более раза. В связи с этим, повышается потребление условного топлива на обжиг портландцементного клинкера, что повлечет за собой увеличение количества выбросов пыли и газообразных компонентов в атмосферу и окружающую среду.
Поэтому для решения проблем, связанных и с экономией невоспроизводимых природных ресурсов, необходимо переходить на современные подходы получения 6
бетонов нового поколения, то есть на производство модифицированных бетонов с использованием композиционных вяжущих. Сущность такого подхода заключается в частичной замене клинкера, самой дорогой цементной составляющей, металлургическими отходами, обладающими значительной химической активностью и запасом внутренней энергии.
В связи с этим, разработка новых эффективных составов вяжущего с использованием металлургическими отходами для производства модифицированного бетона, используемого в монолитном и сборно-монолитном строительстве, является актуальной задачей современного строительного материаловедения.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Темпы развития цементной индустрии в мировом масштабе, можно сделать вывод, что в производство интенсивно внедряются гидравлические вяжущие вещества на основе портландцементного клинкера с применением активных минеральных добавок, которые в дальнейшем используются для производства современных высокопрочных бетонов на их основе. В странах Европы выпускают композиционные клинкерные вяжущие, содержащие до 35 % активных минеральных добавок, до 20 % известняка, до 80 % комплексных добавок, включающих доменный шлак, каменноугольную золу-унос и др. [1,2].
Распространение композиционных вяжущих с повышенным содержанием процента минеральных добавок обусловлено, в первую очередь, необходимостью энергосбережения при производстве дорогого портландцемента. По статистическим данным известно, что на получение портландцементного клинкера в среднем необходимо израсходовать 223 кг условного топлива, в то время как на сушку минеральных добавок лишь около 20 кг/т [3]. Во вторую очередь, увеличение содержания минеральных добавок открывает возможность более полной реализации использования их гидравлической реакционной активности, наблюдается положительное влияние их на формирование структуры цементного камня и бетонов, улучшение физико-механических и строительно-технических свойств.
Подтверждением развития новых технологий являются композиты с применением вяжущих низкой водопотребности (ВНВ). Рецептура изготовления ВНВ основана на совместном помоле компонентов: клинкера или готового портландцемента и сухой модифицирующей добавки, а также при необходимости активной минеральной добавки (пуццолана, золы-уноса, доменного гранулированного шлака и т.п.), и гипса. Механохимическая активация позволяет синергетически усилить лучшие качества ингредиентов композиционного вяжущего: прочностные характеристики цемента возрастает на 2-3 марки, а пластифицирующий эффект увеличивается примерно в два раза.
Преимуществом использования композитов на ВНВ является уменьшение температуры изотермической выдержки или возможен отказ от тепловлажностного воздействия. Например, тепловая обработка объемных блоков, для объемно-
блочного домостроения, из бетона с применением ВНВ осуществлялась в тепловых установках при температуре прогрева 35-50 °С, что свидетельствует о снижении температуры прогрева в два раза, а это экономия условного топлива. При этом в возрасте 3 суток бетон приобретал проектную прочность, а на 28 сутки фактический показатель прочности превышал проектную на 50—70 % и даже более [4, 5].
Установлено, что в продуктах дробления на щековых дробилках образуется до 50-55 % частиц лащадной и игловидной формы. Наилучшее качество щебня (кубовидная форма, содержание лащадных частиц до 20—25 %, наименьшая водопотребность) достигается при использовании машин ударно-истирающего действия- молотковых и роторных дробилок или стержневых мельниц.
Максимальная плотная упаковка крупного заполнителя обеспечивается при содержании в нем фракций 5-10 мм — 30 % и 10-20 мм - 70 % (лабораторные исследования осуществлялись на заполнителях с максимальной хрупкостью 20 мм). При таком соотношении фракций кривая гранулометрического состава шлакового щебня вписывается в область рационального состава для тяжелого бетона [6-9].
В процессе дробления отвального и коржевого шлака образуется до 30 % отсева от продуктов дробления, который исходя из технико-экономических предпосылок рационально использовать в качестве мелкого заполнителя. Однако для этого материала характерен избыток крупных фракций и относительный недостаток активных частиц менее 0,14 мм, а общий выход отсева покрывает потребности в мелком заполнителе. Исследованиями установлена возможность применения получаемого отсева, обогащения и восполнения его недостатка местным природным песком, гранулированным шлаком либо быстро охлаждённой (стекловидной) золошлаковой смесью тепловых электростанций.
В ходе опытов установлено, что максимальная прочность конструктивных шлаковых бетонов с различными видами оптимизированного мелкого заполнителя достигается при содержании в нем обогащающей добавки от 40 до 60 %. В зоне оптимума зерновой состав смеси мелкого заполнителя характеризуется содержанием в нём фракций менее 0,14 мм - 6—9 %; 0,14-0,63 мм - 30-35 %; 0,63-5 мм - 56-64 %. Как видно, он не совпадает с оптимальным зерновым составом песка из горных пород, но подчиняется закономерностям, установленным гранулометрии шлаковых песков. В частности, что касается фракций менее 0,14 мм, в том числе зольных и шлаковых, играющих роль активной тонкомолотой добавки, способствующих улучшению структуры и прочности шлакобетона. Во всех случаях прочность пропаренного шлакобетона, в состав которого введена золошлаковая смесь, выше, чем бетонов с другими обогатительными добавками, в зоне оптимума превышение достигает 11-20 %.
Выявлено, что оптимальная упаковка заполнителей шлаковых бетонов, поверхность которых характеризуется открытой пористостью и шероховатой структурой, обеспечивается при увеличении мелких фракций (0—5 мм)
в смеси заполнителей на 5-10 % против оптимальной для бетона на природных заполнителях.
Шлаковый бетон оптимальных составов на заполнителях из доменных и топливных шлаков при расходе цемента от 180 до 440 кг/м* имеет среднюю плотность 2300-2500 кг/м2 прочность на сжатие от 15 до 55 МПа, что указывает на высокое качество его структуры. При равных расходах цемента физико-механические характеристики исследуемого шлакобетона выше, чем аналогичных бетонов на прочных природных заполнителях, а его призменная прочность и прочность на растяжение при изгибе имеет совпадающий характер.
Модуль деформации шлакового бетона на оптимизированном шлаковом песке при напряжении, равном 0,3 от призменной прочности, близок к нормативным значениям начального модуля упругости тяжелых конструктивных бетонов.
Исследована долговечность бетона на шлаковом щебне и мелком заполнителе из смеси отсева доменного и топливного шлаков при воздействии на него внешней среды и сульфатной агрессии. При этом установлено, что морозостойкость шлакового бетона с добавкой поверхностно-активных веществ на смешанных мелких заполнителях на ЬП марки выше, чем у аналогичных тяжелых бетонов.
Определено, что этот бетон отличается высокой коррозионной стойкостью, через 126 суток испытаний в сульфатной среде снижение прочности образцов не превышало 8 %.
Водонепроницаемость шлаковых бетонов классов В15-В35 на заполнителях из смеси доменных и топливных шлаков колеблется от W6 до W10, это позволяет использовать их в конструкциях, подверженных действию напорных вод.
Предложенные бетоны с применением зол и шлаков имеют широкую область применения, отличаются меньшим расходом вяжущего, в то же время имеют высокие эксплуатационные характеристики. Их широкое применение способствует массовому использованию в строительстве вторичных продуктов промышленности, дает экономический и экологический эффект.
Поэтому для решения проблем, связанных и с экономией невоспроизводимых природных ресурсов, необходимо переходить на современные подходы получения бетонов нового поколения, то есть на производство модифицированных бетонов с использованием ферросплавных отходов. Сущность такого подхода заключается в использовании шлакощелочных вяжущих в качестве заполнителей для модифицированного бетона. При этом наблюдается снижение расхода естественных заполнителей.
Большую ценность для производства автоклавных материалов представляют шлаки, получаемые при выплавке коуглеродистого феррохрома. При охлаждении шлак феррохрома в результате силикатного распада превращается в дисперсный порошок. Добавка шлака (3-4 %) к силикатной массе позволяет улучшить ее формовочные свойства, повысить прочность сырца, снизить расход извести. Шлаки ферросплавного производства могут стать эффективным заполнителем огнеупорных бетонов. Огнеупорные бетонные композиции на основе заполнителей из ферросплавных шлаков могут применяться в различных тепловых агрегатах.
Бетона на заполнителе из шлаков ферросплавного производства характеризуется высокой термостойкостью и может применяться в качестве высокотемпературной футеровки с циклическим режимом нагрева и охлаждения.
Комплексные вяжущие материалы - это многокомпонентная система, в которой каждый из компонентов отвечает за определенный спектр свойств. Все компоненты этой системы взаимосвязаны между собой и работают так, чтобы созданная система была одним единым конгломератом. Любые изменения этого конгломерата, либо это замена одного из компонентов, либо другие какие-то изменения приведёт к нарушению показателей системы.
Способы и механизм воздействия химических модификаторов, присутствующих в бетонах с использованием композиционного вяжущего разнообразны. Они изменяются в зависимости от вида и расхода вяжущего, водоцементного отношения, метода введения, рецептуры смесей и других факторов. Следовательно, правильный выбор химических модификаторов и определение целесообразных и рекомендуемых областей их использования будет ответственным этапом в производстве модифицированного бетона. В технологии композиционных вяжущих материалов необходимо учитывать рекомендации по выбору и дозировкам добавки, но в тоже время надо предусматривать эффективность, не токсичность, доступность и стоимость выбранной добавки.
В современном строительстве бетон является одним из основных конструкционных материалов, уровень производства которого постоянно возрастает. Современные методы исследований и разработка передовых технологий, в том числе и нано технологий, позволяют направленно воздействовать на структуру и свойства цементных растворов и бетонов и получать материалы, обладающие высокими технологическими и физико- техническими параметрами.
Проектирование рецептуры бетонных композитов необходимо производить для того, чтобы получить конечный продукт с определенными свойствами по прочностным и другим характеристикам, устанавливаемым проектной документаций на заданный вид сырьевых материалов. Для изготовления качественных бетонных композитов необходимо соблюдение технологии производства. Технология производства - это не только точное соблюдение всех технологических переделов (тщательность перемешивания, формование), но и исследование применяемых сырьевых ресурсов, правильный подбор составляющих бетонного композита.
Проектирование рецептуры бетона состоит в подборе расхода сырьевых компонентов (минерального вяжущего, воды затворения, заполнителей мелкого и крупного) на 1 м3 бетонной смеси, находящейся в уплотненном состоянии или в относительном выражении — соотношения по массе или объёму между количествами цемента, песка и щебня (гравия) при обязательном указании водоцементного отношения.
От точности проектирования рецептуры бетона изменяются его основные физико-механические свойства, такие как плотность и прочность, которые, в последствие окажут значительное влияние на такие ответственные свойства,
как морозостойкость, водонепроницаемость, водостойкость и др., отвечающие за эксплуатационную надежность изделий и конструкций. Наиболее эффективным и рациональным можно считать ту рецептуру тяжелого бетона, которая характеризуется минимальным расходом вяжущего, но при этом не пострадает заданная по проекту прочность бетона и сохраняется принятая удобоукладываемость бетонной смеси [10-13].
ВЫВОДЫ
Применение композиционного вяжущего на основе металлургических отходов благоприятно сказывается на основных физико-механических свойствах бетона, наблюдается прирост 16 % прочности, а отношение призменной прочности к кубиковой, модуль упругости, коэффициент Пуассона значительно превышают показатели с использованием ненаполненных вяжущих веществ.
Бетон 21 века - это, в первую очередь, многокомпонентный композиционный материал, состав которого, в отличие от традиционного бетона, представлен не только цементом, песком, щебнем и водой, но также химическими модификаторами полифункционального назначения и микронаполнителями различного минерального состава и дисперсности.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Саламанова, М. Ш., Исмаилова, 3. X. Формирование структуры и свойств эффективных модифицированных бетонов // Международная заочная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности». - Тамбов, 2014. - С. 141-145.
2 Агибаева, А. Ж., Аманжолов, А., Ларичкин, В. В. Разработка оптимального состава бетонных смесей на основе шлама глиноземного производства // Наука и техника Казахстана. - 2018. - № 3 - С. 64-70.
3 Гельманова, 3. С., Жаксыбаев, Д. М. Особенности образования и использования вторичных ресурсов в металлургическом производстве // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2016. -№ 7 (Ч. 5). - С. 749-753.
4 Баженов, Ю. М. Бетон: технологии будущего // Строительство : новые технологии - новое оборудование. - М. : ИД «Панорама». - 2009. - № 8. -С. 29-32.
5 Арынгазин, К. Ш., Ларичкин, В. В., Алдунгарова, А. К., Свидерский, А. К., Быков, П. О., Богомолов, А. В., Тлеулесов, А. К., Маусымбаева, Д. К. Инновационное использование твердых техногенных отходов предприятий теплоэнергетики и металлургии Павлодарской области в производстве строительных материалов // Наука и техника Казахстана, 2016 -№3-4.-С. 34-39.
6 Панфилов, М. И., Школьник, Я. Ш., Орининский, Н. В., Коломиец, В. А.
Переработка шлаков и безотходная технология в металлургии. —М.: Металлургия.
- 1987.-238 с.
7 Арынгазин, К. Ш., Станевич, В. Т., Тлеулесов, А. К., Куандыков, А. Б., Шапихова, Н. Е. Исследование процессов производства бетонных изделий на основе сталеплавильных шлаков // Наука и техника Казахстана. - 2018. - № 4. - С. 43-49.
8 Каблуковский, А. Ф. Производство стали и ферросплавов в электропечах : Учебник для техникумов. - М. : Металлургия. - 1991. - 335 с.
9 Касенов, А. Ж., Тлеулесов, А. К., Ахметбек, А. Н. Производство бетона из отходов АО «Алюминий Казахстана» // Наука и техника Казахстана - 2018.
- № 1 - С. 61-75
10 Баженов, Ю. М., Демьянова, В. С., Калашников, В. И. Модифицированные высококачественные бетоны - М. : ДСВ. - 2006 - 289 с.
11 Каприелов, С. С. и др. Модифицированные высокопрочные бетоны классов В80 и В90 в монолитных конструкциях. Ч. II // Строительные материалы.
- 2008. - № 3. - С. 9-13.
12 Бисултанов, Р. Г. Модифицированные бетоны на композиционном вяжущем с использованием тонкодисперсных наполнителей : Дисс. канд.тех. наук. // Грозненский государственный нефтяной технический университет имени акад. М. Д. Миллионщикова. - Грозный, 2016.
13 Тур, Г. А., Гилязидинова, Н. В. Бетоны повышенной стойкости для шахтного строительства // Искусствоведение, архитектура и строительство
- Современные строительные технологии и материалы : Материалы международной научно-практической Интернет-конференции Modem directions oftheoretical and applied researches-2014. - Издательство «Научный мир», 2014.
Материал поступил в редакцию 27.02.19.
Нажекенова Алия Жастлещызы
магистрант, Сэулет-к^рылыс факультет^ С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекеттш университет^ Павлодар к., 140008, Кдза^стан Республикасы. Искаков Щайрат Муртщлы т.г.к., ^ауымд. профессор (доцент),
«Келштш техника жэне логистика» кафедрасы, Металлургия, машина жасау жэне келш факультет^ С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекеттш университет^ Павлодар rç, 140008, ^азакстан Республикасы, e-mail.ru: iska_k75@jmail.ru. Материал баспага 27.02.19 тусть
Металлургиялык цалдыцтарды пайдалана отырып ком позиция.!ы к т^тцырлардын косындысынан жасалатын модефикацияла^ан бетон
Металлургиялык; щощыста/х)ы па ж) а лапу курылыс жъшдамдыгып арттыру жагдайында эте тиiмдi. БYл толъщтыргыштарды пайдалану жаца кец орындарын талст етпейдi жопе жшшлып щалгап щалдыщта/х)ы пандалаиумеи ола/Адыц тсрриториядагы ориын босатуга мYMкhiдiк 6efKdi. Кул-щощыс тспалары табиги толыцзпыргышпицхт Yсащ толыщтыруиш жэне де жецш бетондарда кералгзиттi щиыришщтас ретшде цолдапытады.
р толъщтъцу.ыш /хчтпде фер{юцорытпа пауытыпыц цоцыс циыршык тастары пайдаланышады. Ащырын MYздатылеан жагдайда олар кристалданады. бiрак оларда шыи/ы торhдсс щурымыт^дагы белсеидi заттар сащталады. Цощыс щиыршыщ таг тары кобтесе металлургиялык косторыидармеи ку^рылыс иидустриясыпдагы коа?юрында/х)а жYЩа щабыргалы конструкцияларды жасау уиин жарамсыз 40-12 мм-лi фракция туршде жYiеге асатыпдыщтап. оларбы 5—40млi iрiлiкпеи Yсащтау жопе болшектеу цажетттт туыпдайды.
ТYйiршектелген домна щощысыныц негiзiнде жогаргы кэрсеткiиппегi тэзiмдiлiкпен В40 дейiнгi тасстагы бетопдар, сонымеп щатар щу/ыстырмалы жоис my mac щYiшалы курышысща арпалгап бетондар ж-асалады. Yсак толыцтыр-ыш рсттде мапаллургияпьщ зауыттардыц кул лiен щощыстарым пайдалануга болатындыгы дэлелдендi. бетон бiздiц аймащпеп ктматтыщ жагдайда пайдалатшатыт щоршау щурышмаларыш щойышатып таланта(х)ы орыидайды. Зерттеу потиж-есшде кул-коцыс цоспалары кодiмгi ауыр бетондар Yшiн усащ толыщтыргыи реттде щолданышуы MYмкiн екендт айкындалды. Мупдай бетопдар айтарлыщтай берж, ая^а тоiiмдi жопе сот^бейтт щасиетте{)ге tie.
Кiлттi свздер: щощыс, бетон, щиыршыщ mac, металлургиялык щощыстар, толыщтырушылар.
Nazhekenova Aliya Zhastlekovna
undergraduate student, Faculty of Architecture and Construction, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan. lskakov Kairat Muratovich
Candidate of Technical Sciences, associate professor, Department of «Transport Equipment and Logistics», Faculty of Metallurgy, Engineering and Transport, S. Toraigyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail.ru: iska_k75@mail.ru. Material received on 27.02.19.
Modified concrete on composite binder using metallurgy waste
The use of metallurgical slags is as facially imfx>rtant in (he conditions of increasing construction rates. The use of these aggregates does not require new deposits and allows you To utilize the accumulated waste and free the territories they occupy. Ash and slag mixtures are used as fine aggregate in heavy concretes on natural aggregates and in light concretes on ceramsite gravel.
;a3A;CTAH FbmbiMbi MEH TEXHMKACN. ISSN 1680-9165. № 1, 2019
Slag crushed stone of a ferroalloy plant is used as a coarse aggregate. During stow rooting, they crystallize, hut fxirtially they contain the active substance with a vitreous structure. Since slag crushed stone is sold by metallurgical enterprises mainly in the form of40—120 mm fractions, which are not suitable for the manufacture of thin-walled structures, the enterprises of the construction industry need to crush them to a \xirticle size of 5-40 mm andfractionation.
On the basis of granulated blast furnace slag, concrete of classes up to B40 with high durability and concrete for precast and monolithic construction are obtained. It is proved that ashes and slags of metallurgical plants can be used as fine aggregate, concrete meets the requirements for supporting walling structures operated in the conditions of our region and climate. Studies have established that ash and slag mixtures can be used as fine aggregate for ordinary heavy concrete. Such concretes have sufficient strength, frost resistance and water resistance.
Keywords: slag, concrete, crushed stone, metallurgical waste, fitters.
