CC BY
105
УДК 666.972.125 - 666.973
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ НА БЕЗОБЖИГОВЫХ ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ
1 2 Л.А. Урханова , А.С. Ефременко
1Восточно-Сибирский государственный технологический университет, 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40а.
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены вопросы получения легкого бетона на основе безобжигового зольного гравия с использованием высококальциевой золы-уноса и силикат-глыбы. При производстве легких бетонов был использован органомине-ральный модификатор, содержащий микрокремнезем и суперпластификатор. Получен легкий бетон с прочностью 25-30 МПа, плотностью 1400-1500 кг/м3. Ил. 2. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: легкий бетон; органоминеральный модификатор; микрокремнезем; зола-унос; силикат-глыба; прочность.
STRUCTURAL LIGHT-WEIGHT CONCRETES ON ROASTING-FREE POROUS AGGREGATES L.A. Urhanova, A.S. Efremenko
East-Siberian State Technological University, 40a, Klyuchevskaya St., Ulan-Ude, Buryat Republic, 670013. National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article deals with the issues of obtaining light-weight concrete based on roasting-free ash gravel with the use of high-calcic fly ash and silicate lumps. When producing light-weight concretes the organic mineral modifier containing microsili-ca and superplasticizer was used. A lightweight concrete with the strength of 25-30 MPa, density of 1400-1500 kg/m3 was obtained.
2 figures. 2 tables. 4 sources.
Key words: light-weight concrete; organic mineral modifier; microsilica; fly-ash; lump of silicate; strength.
Строительство в районах с суровыми климатическими условиями, к которым относится Восточная Сибирь, требует снижения материалоемкости и теплопроводности строительных конструкций без потери их несущей способности и других эксплуатационных свойств. Одним из практических путей развития строительного комплекса в этом направлении является разработка и применение легких и прочных бетонов с пониженной теплопроводностью и водопроницаемостью.
Кроме того, проблема повышения эффективности строительных материалов, как известно, предусматривает наряду с ростом качества снижение ресурсных и энергетических затрат на их производство. В Республике Бурятия и в Иркутской области ежегодно образуется более 1500 тыс. т золошлаковых отходов, которые не находят применения и в огромных количе-
ствах скапливаются в золоотвалах, являющихся стационарными очагами загрязнения окружающей среды. Сложная экологическая обстановка в совокупности с ростом цен на энергоносители стимулирует интерес к использованию отходов теплоэнергетики при производстве строительных материалов.
Для получения легкого бетона использовали портландцемент марки ЦЕМ I 52,5 Н ООО «Ангарский цемент», керамзитовый гравий фракцией 0 - 20 мм, кварцевый песок ЗАО «Завод нерудных материалов», микрокремнезем (МК) ООО «Братский завод ферросплавов», суперпластификатор С-3. Ранее МК был использован авторами для производства эффективного пенобетона [1].
На Братском заводе ферросплавов МК выпускается в соответствии с ТУ 5743-048-02495332-96 в неуплотненном состоянии и отгружается потребителям
Таблица 1
Химический состав микрокремнезема__
Поле Содержание оксидов, масс. % ППП, %
SiO2 Fe2O3 MgO Na2O K2O AI2O3 CaO
1 70,6 0,48 1,0 0,43 0,4 0,98 0,78 25,28
2 84,3 0,28 0,98 0,42 0,36 0,86 0,48 12,24
3 90,7 0,19 1,02 0,41 0,36 0,76 0,34 6,14
4 93 0,14 1,03 0,41 0,36 0,7 0,26 3,96
1Урханова Лариса Алексеевна, профессор, доктор технических наук. Urhanova Larisa, Professor, Doctor of technical sciences.
2Ефременко Антон Сергеевич, ассистент кафедры строительного производства, тел.: (3952) 405138. Efremenko Anton, Assistant of the chair of Building Production, tel.: (3952) 405138.
затаренным в биг-бэги. В процессе основного производства осаждение МК происходит на четырех полях системы гозоочистки плавильных печей, при этом место отбора определяет химический состав МК (табл. 1) и дисперсность, которая уменьшается от 1-го поля к 4-му [2].
Для получения легкого бетона в качестве минеральной составляющей органоминерального модификатора бетона использовали микрокремнезем 3-го и 4-го полей, характеризующийся показателями: истинная плотность - 2,25 г/см3; насыпная плотность -220 кг/м3; удельная поверхность - <2500 м2/кг; размер частиц - 0,1-3 мкм; ППП - 5,0-5,10%; водородный показатель (рН) - 6.
Керамзит, используемый в качестве пористого заполнителя для производства легкого бетона, имел следующие основные характеристики: насыпная плотность - 630 кг/м3; пустотность - 50 %; прочность при сжатии в цилиндре - 4,3 МПа.
С целью изучения влияния МК Братского завода ферросплавов и суперпластификатора С-3 на основные свойства легкого бетона была проведена серия лабораторных исследований. Расходы материалов на 1 м3 бетонной смеси, а также основные свойства легкобетонных смесей и бетонов представлены в табл. 2. Исследования проводили на легкобетонных смесях при условии получения равноподвижных смесей с разным количеством воды. Дозировка МК варьировалась в интервале от 0 до 20 % от массы цемента, дозировка С-3 - от 0 до 2% от массы цемента.
Использование суперпластификатора позволяет увеличить текучесть цементного теста, снизить расход воды и повысить прочность бетона на высокоподвижных бетонных смесях с 13 МПа до 20 МПа. Анализ полученных данных позволяет отметить, что равнопо-движные смеси с МК имеют более высокие показатели плотности, что можно объяснить увеличением плотности цементной матрицы. Добавление МК с высокой пуццоланической активностью в количестве 10-20% позволяет несколько увеличить объем реологической
матрицы, с равнообъемным уменьшением объема пористых заполнителей, что улучшает перемещение их при течении. Прочность при этом повышается не столько за счет увеличения водоредуцирующего эффекта, сколько вследствие образования дополнительного количества цементирующих гидросиликатов, в основном кальция. Прочность бетона при сжатии в возрасте 28 суток нормально-влажностного твердения с добавкой органоминерального модификатора бетона, содержащего микрокремнезем и суперпластификатор, увеличивается по сравнению с бездобавочным в среднем в 2,0-2,5 раза
Следует отметить, что при увеличении содержания микрокремнезема от 10% до 20% изменение прочности составляет 18%, а использование крупного заполнителя фракцией более 5мм ведет к уменьшению прочности на 18-20%. Мелкая фракция исходного пористого заполнителя - керамзита имеет большую прочность, по мере увеличения размера фракции заполнителя прочность его снижается, что, соответственно, сказывается на прочности легкого бетона.
Комбинация суперпластификатора и МК позволила получить высокопрочный легкий бетон с прочностью 20-33 МПа при расходах цемента 500-550 кг и микрокремнезема - 53,3-106,3 кг.
В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что применение комбинации суперпластификатор и МК ведет к получению высокопрочного легкого бетона, либо к получению традиционных марок для легкого бетона, но с более низким расходом цемента.
Для производства высокопрочного легкого бетона предъявляются особые требования к пористому заполнителю по прочности - не менее 5,5 МПа. В работе была исследована возможность получения активного гранулированного заполнителя на основе кремне-земсодержащих отходов теплоэнергетики - золы-уноса ТЭЦ и щелочесодержащей добавки, удовлетворяющего требованиям к заполнителям для производства высокопрочного бетона по прочности, водостойкости, теплопроводности.
Таблица 2
Составы и физико-механические свойства легкого бетона
3 Расход материалов на 1 м легкобетонной смеси В/Ц Средняя плотность бетона рсух в сухом состоянии, кг/м3 Предел прочности при сжатии после нормального твердения, МПа
ПЦ, кг Кварцевый песок, дм3 Керамзита фракции, дм3 МК, кг СП С-3, кг вода, дм3 7 сут 28 сут
0-5 мм 5-10 мм
533 98,5 1052 - 325 0,61 1410 9 13
533 98,5 955 - 10,6 222 0,416 1370 14 20
533 98,5 955 - 53,3 5,3 272 0,51 1490 16 20
533 98,5 955 - 53,3 7,95 272 0,51 1420 14 18
533 98,5 955 - 53,3 10,6 224 0,42 1470 19 28
533 98,5 - 990 53,3 10,6 261 0,49 1410 16 23
533 98,5 955 - 106,6 10,6 267 0,5 1520 24 33
Примечания: удобоукладываемость, осадка конуса - 12 см; твердение бетона происходило при температуре 22+-2°С, влажности - 90 %.
Известно, что зола активно вступает во взаимодействие в условиях тепловой обработки со щелочными и щелочноземельными компонентами, образуя при этом цеолитоподобные, гидросиликатные и алю-мосиликатные устойчивые соединения. В этом направлении наиболее активна система зола - жидкое стекло. Однако анализ практического применения свидетельствует о технологических неудобствах использования жидкого стекла вследствие схватывания бетонной смеси на рабочих частях транспортного, смесительного и формовочного оборудования. Для устранения вышеперечисленных недостатков перспективен переход на твердые силикаты натрия (силикат-глыба) как носителя щелочного активизатора и отвердевающего связующего - кремнегеля. Кроме того, применение промышленной силикат-глыбы позволяет снизить себестоимость продукции по сравнению с дорогостоящими жидкомодульными стеклами [3].
В связи с этим была рассмотрена возможность создания эффективных композиционных золосили-катных вяжущих, полученных путем совместного помола золы-уноса и силикат-глыбы в условиях гидро-механохимической активации в лабораторной шаровой мельнице и получения активных гранулированных заполнителей размерами 0-10 мм. Учитывалось следующее:
- совместное активирование золы и силикат-глыбы в присутствии воды в эффективных измельчителях позволит повысить растворимость силикат-глыбы и, соответственно, ускорить процессы гидратации и твердения вяжущих композиций в условиях про-паривания;
- безводный силикат натрия при взаимодействии с водой гидролизуется с образованием едкой щелочи и геля поликремниевой кислоты;
- золы в присутствии щелочного активатора в водной среде частично подвергаются гидролитической деструкции;
- гидромеханоактивация композиционного зольного вяжущего позволит получить активные гранулированные заполнители, твердеющие в неавтоклавных условиях.
Для получения золосиликатных композиций и пористого заполнителя были использованы следующие сырьевые материалы: зола-унос ОАО «Иркутскэнерго», Ново-Иркутской ТЭЦ; безводная натриевая силикат-глыба ОАО «Салаватстекло» с кремнеземистым модулем 2,7-2,9. На Ново-Иркутской ТЭЦ образуется зола-унос, удельная поверхность которой более 350 м2/кг (остаток на сите №008 - 2,8%); общее содержание оксида кальция СаО - 6,1-13%; СаОсв отсутствует; по химическому составу она представляет собой кислое алюмосиликатное сырье.
Результаты исследований по получению золосиликатных композиций, твердевших в условиях пропа-ривания по режиму t = 90 °С, т = 1,5+6+ 1,5 ч представлены на рис. 1 - 2.
На начальной стадии совместного измельчения силикат-глыбы и золы в присутствии воды происходит растворение силиката натрия с образованием гидрных соединений
Ма20-38Ю2+тН20^Ма20-38Ю2-тН20.
Далее в раствор переходят полученные гидратные соединения с последующим гидролизом с образованием едкой щелочи
Ма20-38102-тН20^2Ма0Н+38102-(т-1)Н20, что в свою очередь должно способствовать протеканию гидратации и дальнейшему растворению активированных частиц кремнезема и алюмосиликатов золы-уноса с образованием гидросиликатных и гидро-алюмосиликатных гелей. В условиях тепловлажност-ной обработки происходит дальнейшее растворение силиката натрия и его выщелачивание с образованием едкой щелочи. В присутствии щелочи дальнейшее повышение температуры способствует более глубокому растворению с поверхности частиц золы аморфизированного кремнезема и алюмосиликатов. По мере их растворения и повышения концентрации в растворе понижается рН раствора, и происходит реакция поликонденсации с образованием геля поликремневой кислоты и алюмосиликатного геля, которые скрепляют в монолит не полностью растворившиеся частицы золы. Это способствует при тепловлажност-ной обработке появлению стойких новообразований -низкоосновных гидроалюмосиликатов натрия и кальция, а также соответствующих гидросиликатов. В связи с этим, результаты исследований показывают зна-
35
го
^ 30
и о
X У
о о.
25 20 15 10 5 0
10
Время измельчения,час
Рис. 1. Влияние времени активации на прочность золосиликатных композиций: 1- гидромеханоактивация; 2-сухая активация
пз с
пз ^
ср с л н
о
0
1
т о ср с
30 25 20 15 10 5 0
0 5 10 15 20 25 Содержание силикат глыбы, %
Рис. 2. Влияние содержания силикат-глыбы на
прочность золосиликатных композиций: 1- гидромеханоактивация; 2-сухая активация
чительную водостойкость образцов золосиликатного камня - 0,85 - 0,95 в зависимости от содержания силикат-глыбы.
С использованием высококальциевой золы-уноса и силикат-глыбы получен безобжиговый зольный гравий с насыпной плотностью 700-750 кг/м3, прочностью до 10-15 МПа, пустотностью 60%. Разработанный гранулированный заполнитель позволит исключить энергоемкую стадию обжига, что характерно для большинства искусственных заполнителей. Полученный безобжиговый зольный гравий вводили в бетонную смесь вместо керамзитового гравия. Получен легкий бетон на основе гранулированного заполнителя с прочностью 25-35 МПа, плотностью 1500-1600 кг/м3, общей пористостью до 40%, теплопроводностью 0,33 Вт/м-°С. Следует отметить, что легкий бетон с использованием безобжигового зольного гравия и органоми-неральной добавки имеет теплопроводность в 1,5 - 2
раза меньше, чем керамзитобетон при одинаковых прочностных показателях, что подтверждается в [4]: на месте золосодержащего гранулированного заполнителя формируются поры с уплотненными стенками и полифактурной поверхностью, которые снижают интенсивность тепловых потоков.
Таким образом, в результате выполненных исследований были разработаны ресурсосберегающие технологии производства эффективных легких бетонов с использованием отходов промышленности. В современных условиях рыночной экономики, к сожалению, расширение использования техногенных продуктов лимитируется их высокой стоимостью, диктуемой монополистами-поставщиками, поэтому необходима государственная политика, которая бы сделала захоронение техногенных продуктов невыгодным для поставщика.
Библиографический список
1. Урханова Л.А, Щерби С.А., Савенков А.И. Использование вторичного сырья для производства пенобетона // Строительные материалы. 2008. №1. С.34-35.
2. Зиновьев А.А., Дворянинова Н.В. Местное техногенное сырье как добавка для цементных растворов // Строительные материалы. 2006. №10. С.49-51.
3. Урханова Л.А., Заяханов М.Е. Вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков // Строительные материалы. 2006. №7. С.63-65.
4. Строкова В.В., Соловьева Л.Н., Мосьпан В.И., Ходыкин Е.И. Конструкционные легкие бетоны на основе активных гранулированных заполнителей // Строительные материалы. 2006. №10. С.23-25.
