CC BY
29
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
ПРИМЕНЕНИЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ
В. Т. ЕРОФЕЕВ, доктор технических наук, Е.' А. МИТИНА, инженер, А. Д. БОГАТОВ, аспирант, Е. Г. БАРГОВ, аспирант, Ю. А. СТАНЧЕНКОВ, инженер
ч
Одной из важнейших задач в производстве бетона и железобетона является экономия цемента при обеспечении высоких физико-механических и эксплуатационных свойств изделий и конструкций. На сегодняшний день существует ширркий выбор приемов, позволяющих в конкретных ситуациях снижать расход вяжущего при .сохранении высоких физико-механических, эксплуатационных и технологических свойств бетона. Одним из способов сни-жения расхода цемента является вве-. дёние наполнителей. Данная проблема получила развитие в трудах академика В. И. Соломатова и его учеников. В последние годы для наполнения цементных композитов все шире используют местные сырьевые материалы, а также отходы промышленных производств, что позволяет решить проблему утилизации отходов различной природы и значительно снизить себестоимость
режимом прогрева 1,5 + 6,0 + 1,5 ч. Ре-
на—
строительных изделии и конструкции.
Нами проведены комплексные ис-следования физико-механических свойств наполненных цементных композитов. В качестве вяжущего применяли портландцемент М 400 Алексе-
евского цементного завода. Наполни-
р
телями служили местные материалы и отходы промышленности: диатомит, известняк, кварцевый песок и стеклобой. Степень наполнения композитов
♦ ■
варьировалась в пределах от 0 до 50 % от массы связующего. Изготавливались обрззцы-призмочки размером 1x1x3 см, которые отверждались сначала в течение суток в нормальных температурно-влажностных условиях, а затем в условиях термовлажностной обработки при температуре 86 °С с
зультаты испытания композитов, полненных диатомитом, известняком и стеклобоем, приведены на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость изменения прочности при сжатии цементных композитов от вида* наполнителя: 1 — диатомит; 2 — известняк; 3 — стеклобой фракции менее 0,08 мм; 4 — то же фракции 0,14 — 0,08 мм; 5 — то же фракции 0,315 — 0,140 мм. По оси абсцисс — отношение наполнитель : наполнитель + цемент; по оси ординат — прочность при сжатии, МПа
Полученные данные свидетельствуют о том, чтб диатомитом возможно заменить до 10 % цемента без ущерба для' прочности композиций. Увеличение прочности цементных композитов с добавкой диатомита связано прежде всего с тем, что гидравлически активный кремнезем, взаимодействуя с гид-роксидами, способствует образованию
низкоосноввых гидросиликатов каль-
*
ция и тем самым уплотняет цементный камень.
л
Применение молотого известняка в качестве наполнителя для цементных композитов показало, что он принадлежит к типу наполнителей, обладаю-
щих пластифицирующими свойствами по отношению к бетонной смеси. В результате взаимодействия известнякового наполнителя с минералами цементного клинкера образуются гидрокарбонаты и гидрокарбоалюминаты кальция. Такие соединения способствуют повышению адгезии наполненных цементных связующих с карбонатсо-держащими крупными заполнителями. Введение известняка в объеме до 50 % от массы вяжущего не снижает подвижности композиций, однако по мере замены им части цемента уменьшается их прочность. Оптимизационные исследования свидетельствуют, что известняк эффективно использовать в качестве одного из составляющих бинарных наполнителей.
Ежегодно предприятия светотехнической промышленности сбрасывают в отвалы тысячи тонн различных отходов. В наших исследованиях применялся бой стекла различных фракций следующего химического , состава:
5Ю2 — 68,5 — 72,9 %; Ка20 — 11,9 — 16,7 %; К20 - 1,2 - 3,8 %; СаО -5,0 — 6,0 %; ВаО — 2,2 — 5,5 %; MgO — 3,2 — 3,8 %; Ре203 — 0,1 — 0,12 %; А1203 — 1,0 — 1,5 %. Анализ
полученных результатов свидетельст-вует о том, что в цементных композитах с добавкой стеклобоя возможна замена до 40 % вяжущего без значительного снижения прочности материалов. Предпочтительным является применение стеклобоя фракции 0,315 — 0,140 мм.
Стеклобой принадлежит к типам наполнителей, чья поверхностная активность меньше поверхностной активности вяжущего. В системах с подобным типом наполнителей частицы крупных фракций более ч эффективно снижают внутренние напряжения, возникающие в композите при твердении,
соответственно повышая его трещино-
« * .
стойкость и прочность.
На территории Мордовии залегают большие запасы песков, мелкие фракции которых можно использовать в качестве наполнителей. В этой связи важным является подбор оптимального гранулометрического состава песчаного
наполнителя. Оптимизационные исследования выполнялись с помощью математических методов планирования эксперимента. Гранулометрический состав наполнителя варьировался на трех
уровнях: 0,630 — 0,315 мм — Х^ 0,315 — 0,140 мм — Х2; менее 0,140 —
Х3. Для решения этой задачи был выбран симплекс-решетчатый план Шеф-фе. Исследованию подвергалась диаграмма „состав — свойство4' со следующими вершинами: Ъ\ — 100 %,
х2-0%), г2 (х2 — юо %, х3-
0 %), Ъъ (Х3 - 100 %, X! - О %).
Матрица планирования для трехком-понентной системы и результаты эксперимента приведены в таблице.
Таблица
Матрица планирования и результаты
эксперимента
Ин- Ч Состав смеси наполнителя, % Прочность 4 при
| деке *2 *3 сжатии, МПа %
>71 I 0 0 100 * 0 0 53,0
>72 0 1 ш 0 0 100 0 42,0
I >73 0 0 • 1 0 0 100 у 60,7.
>7122 0,33 0,67 0 3,3 67 0 47,5
>7133 0,33 0 0,67 33 0 67 55,6
>7233 0 0,33 0,67 0 33 67 61,7
| чмг 0,67 0,33 0 67 33 0 54,7
>7113 '0,67 0 .0,33 67 0 33 43,7
>7223 0 0,67 0,33 0 67 33 57,5
>7123 0,33 0,33 0,33 ♦ 33 33 33 50,4
В результате статистической обработки результатов эксперимента было получено уравнение регрессии, выражающее зависимость прочности наполненных композитов от фракционного состава наполнителя, по которому по-строен график (рис. 2).
Анализ результатов исследований свидетельствует о том, что оптимальным является наполнение цементных композитов кварцевым наполнителем,
#
/
фиф.
Рис. 2. Зависимость изменения прочности при сжатии цементных композитов от гранулометрического состава наполнителя
содержащим зерна крупностью 0,315 — 0,140 мм в количестве 33 % и менее 0,140 мм — 67 %. Применение наполнителя такого вида позволяет по-
4 ♦
вксить прочность композитов на 10 — 30 % по сравнению с материалами на однофракционном наполнителе.
На основе отходов стеклобоя получено бесцементное связующее. Теоретическими предпосылками создания вяжущего служило то, что бой стекла по химическому составу приближается к осадочным и метаморфическим по-
г
родам типа натролита, модернита и т. д. Образование данных пород в минералогии объясняется гидратацией безводных щелочных минералов, уменьшением содержания гидратных новообразований щелочей и замещением их водородными ионами, или гид-роксониями, переходом алюминия из четверной* координации в шестерную, т. е. явлениями, происходящими при гидратации и твердении строительных цементов.
, Учитывая это, мы провели оптимизационные исследования по корректировке химического состава стеклобоя с целью обеспечения процессов струк-турообразования. Выявлено, что в качестве корректирующих добавок пригодны местные гдины и другие материалы с повышенным содержанием
алюмосиликатов. Технология ления вяжущего на основе стеклобоя включает совместное измельчение стеклобоя, алюмосиликатного компонента, модифицирующих добавок и за-творение полученного порошка раство-
соединений щелочных метал-
рами лов
натрйя или калия, дающих в
водных растворах щелочную реакцию. При затворении образуется гель кремниевой кислоты, происходят кристаллизация и связывание в монолит частично растворенных компонентов дисперсной фазы и инертных заполнителей. При проведении отверждения в условиях термовлажностной обработки и в автоклаве процессы структурЬоб-разования усиливаются. При таких условиях получаются композиты с высокими показателями прочности при пониженном расходе щелочного компонента.
л
Отличительная особенность данных связующих состоит в том, что для их н&долнения (при получении растворов и бетонов) могут быть использованы пески с глинистыми примесями. При твердении растворов и бетонов на таких песках в условиях повышенной щёлочности жидкой фазы происходит гидратация глинистых минералов, в результате чего образуются щелочные гидроалюмосиликаты, способствующие уплотнению структуры бетонов. Это позволяет использовать для получения бетонов на вяжущем из стеклобоя пески с высоким содержанием глинистых и лессовых включений, которые при получении цементных бетонов не применяются.
Стеклобой использован также в качестве порошкообразного компонента при получении асфальтового вяжущего. Установлены зависимости проч-
водостойкости асфальтовя-жущего вещества от соотношения битум — порошок и дисперсности последнего.
ности и
На основе, цементов, наполненных местными материалами, и вяжущего из стеклобоя получены бетонные смеси, пригодные для изготовления тяжелых, легких и ячеистых бетонов, а также асфальтобетонов.
