CC BY
39УДК 666.972.125 - 666.973
Л.А. УРХАНОВА, д-р техн. наук, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (Улан-Удэ, Республика Бурятия); А.С. ЕФРЕМЕНКО, инженер (ooosgs@mail.ru), Иркутский государственный технический университет
Применение золы террикоников в качестве активной минеральной добавки в легком высокопрочном бетоне
С увеличением высоты зданий все более актуальной становится задача снижения массы и сечений конструкций. Использование легких высокопрочных бетонов обеспечивает снижение массы конструкций, уровня шума, энерго- и теплозатрат при эксплуатации высотного здания. Наиболее широкое применение в высотных зданиях легкий высокопрочный бетон нашел в междуэтажных перекрытиях и ограждающих конструкциях.
Обязательными компонентами высокопрочного бетона являются высокоактивные тонкодисперсные минеральные наполнители (микрокремнезем, метакао-лин, зола-унос и др.) и высокоэффективный суперпластификатор. Оптимальное сочетание указанных добавок-модификаторов, а при необходимости других органических и минеральных материалов позволяет управлять реологическими свойствами бетонных смесей и модифицировать структуру цементного камня на микроуровне, так чтобы придать бетону свойства, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность конструкций. Полученные свойства бетона — это результат сложных коллоидно-химических и физических процессов, влияющих на фазовый состав, пористость и прочность цементного камня [1, 2].
Таблица 1
Свойство Среднее значение
Естественная влажность, мас. % 8,8
Истинная плотность, кг/м3 2580
Средняя плотность зерен, кг/м3 1815
Насыпная плотность, кг/м3 1085
Содержание зерен фракции 0-5 мм, мас. % 58,6
Содержание зерен фракции 5-70 мм, мас. % 41,4
Насыпная плотность зерен >5 мм, кг/м3 815
Насыпная плотность зерен <5 мм, кг/м3 800
Прочность при сжатии в цилиндре, МПа 1,77
Водопоглощение, мас. % 15,3
Коэффициент размягчения 0,69
В работе определяли возможность применения золы террикоников в качестве минерального наполнителя для высокопрочного легкого бетона, а также активной минеральной добавки в тонкомолотом цементе.
В Черемховском районе Иркутской области имеется большое количество материала, представляющего интерес как активная минеральная добавка. К нему следует отнести обожженные пустые породы, выброшенные в отвалы (терриконики) при добыче угля. В пустых породах содержится обычно некоторое количество угля, которое в террикониках горит. При этом развивается достаточно высокая температура, обусловливающая обжиг сопутствующих углю глинистых каолинитовых пород с образованием золы, богатой активными продуктами. Физико-механические свойства данного материала (табл. 1) и его химический состав (табл. 2) дают основание полагать, что он является подобием природной горелой породы. По генезису исследуемый материал относится к продукту обжига при температуре 600—800оС угленосной пустой породы. Такой продукт назван золой терриконовой (ЗТ), так как образуется при самовозгорании террикоников и относится к техногенным отходам.
Зерна рыхлого материала имеют среднюю водостойкость. Это означает, что в зернах присутствуют фрагменты частиц, которые легко смачиваются водой, создавая некую пластичность. Такое явление присуще обожженным глинам.
Согласно петрографическим исследованиям зола представлена метакаолинитом и другими дегидратированными глинистыми веществами. Возможно также присутствие в ней аморфных кремнезема и глинозема, обладающих хорошими адсорбционными свойствами.
Изучали влияние ЗТ на прочность тонкомолотого вяжущего, которое получали совместным помолом портландцемента ПЦ500Д0 и ЗТ (ПЦ:ЗТ=80:20) в шаровой мельнице до удельной поверхности 450—480 м2/кг. Для сравнения в качестве активной минеральной добавки в составе тонкомолотого вяжущего использовали золу-унос Ново-Иркутской ТЭЦ в том же соотношении. Анализ результатов показал, что применение ЗТ в составе тонкомолотого цемента приводит к повышению прочности на 30% по сравнению с исходным портландцементом.
Предварительные исследования позволили предположить, что метакаолинит, содержащий в своем составе
Таблица 2
Содержание, % SiO2 А12О3 Fe2Oз СаО МдО К2О Na2O МпО ТЮ2 SOз
Максимальное 74,4 20,3 11,3 4,8 2,9 2,5 0,41 0,034 0,61 0,36
Минимальное 63,2 16,8 4,5 1,2 2,1 1 0,27 0,016 0,18 0,14
Среднее 65,6 18,7 6,03 2,2 2,6 1,9 0,35 0,027 0,3 0,29
Примечание. Химический состав золы террикоников приведен по результатам анализа, выполненного в аналитическом отделе Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН.
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
январь 2012
31
Таблица 4
Таблица 3
Состав смешанного вяжущего, мас. % Свойства мелкозернистого бетона составом 1:1 после 28 сут твердения
ПЦ500 ЗТ Гипс Известь Напрягающий цемент НЦ20 Линейное расширение, % Прочность при сжатии, МПа
80 13,3 6,7 - - ±0 52,5
80 15 5 - - ±0 79,5
80 16 4 - - ±0 89,5
80 15,2 3,8 1 - ±0 96
- - - - 100 0,02 64,7
Вид вяжущего / расход, кг/м3 Состав минеральной добавки, % вяжущего В/В ОК, см Плотность бетона, кг/м3 Rсж, через 28 сут, МПа
МК ЗУ ЗТ С-3 ГП-9
ПЦ500 Д0 / 600 - - - 1,5 - 0,42 15 1380 14,2
ПЦ500 Д0 / 600 20 - - 1,5 - 0,5 16 1450 24,5
ПЦ500 Д0/ 600 10 10 - 1,5 - 0,45 15 1453 22,5
ПЦ500 Д0 / 600 10 - 10 1,5 - 0,42 15 1457 25,5
ПЦ500 Д20 ЗУ / 600 10 - 10 1,5 - 0,45 16 1513 26,4
ПЦ500 Д20 ЗТ / 600 10 - 10 1,5 - 0,42 16 1600 34,4
ПЦ500 Д20 ЗТ / 600 10 - 10 - 1 0,36 17 1650 52,5
Примечание. ПЦ - портландцемент; МК - микрокремнезем; ЗУ - зола уноса; ЗТ - зола террикоников; С-3 - суперпластификатор; ГП-9 - комплексная добавка на основе поликарбоксилатов «Хидетал-ГП-9».
реакционноспособные SiO2 и А1203, может быть использован в качестве компонента расширяющейся композиции сульфатоалюминатного типа, которая в дальнейшем может быть применена в качестве органомине-рального модификатора для получения высокопрочного бетона с регулируемой деформацией усадки.
Для минеральной части модификатора были рассчитаны составы расширяющихся композиций, состоящих из ЗТ, гипса и извести, применительно к используемому ПЦ. Были приготовлены композиции четырех разных составов, отличающихся соотношением между ЗТ, гипсом и известью, которые затем совмещены в одинаковой пропорции с портландцементом. Полученные при этом образцы смешанного вяжущего были испытаны по ТУ 5743-157-46854090 «Цемент напрягающий. Технические условия». Для сравнения результатов полученных исследований были взяты результаты испытаний образцов на основе напрягающего цемента НЦ20 ОАО «Подольск-цемент» [3].
Для указанных вяжущих определяли предел прочности при сжатии и показатели линейного расширения. Показатели определяли по стандартным методикам на мелкозернистых бетонах состава 1:1 (вяжущее:песок) по массе и имевшим водовяжущее отношение, полученное при достижении расплыва конуса 120—145 мм (табл. 3).
Все вяжущие имели высокие показатели прочности при сжатии в возрасте 28 сут. Образцы с золой террико-ников не дали эффекта расширения, но и усадки также не показали.
Дальнейшие исследования касались возможности применения золы террикоников в качестве минеральной добавки для получения легкого высокопрочного бетона. Проведенные ранее исследования [4] показали, что применение микрокремнезема в качестве минеральной добавки в бетоне в количестве 20% массы вяжущего увеличивает его прочность в среднем в 2,5 раза. Было принято решение заменить половину микрокремнезема на ЗТ. Для сравнения опробовали органоминеральную добавку с золой уноса, которая напоминает модифика-
тор МБ-50С [2]. Исследования проводили на легкобетонных смесях при условии получения равноподвиж-ных смесей с разным количеством воды (табл. 4).
Керамзит, используемый в качестве пористого заполнителя для производства легкого бетона, имел характеристики: насыпная плотность 630 кг/м3; пористость 50%; прочность при сжатии в цилиндре 5,5 МПа.
Результаты эксперимента показали, что применение в составе минеральной добавки ЗТ повышает прочность бетона на 8%, а золы-уноса понижают его прочность на 7%. Применение тонкомолотого цемента с ЗТ увеличивает прочность бетона на 20%.
Таким образом, зола террикоников Черемховского района Иркутской области может быть использована в качестве минеральной добавки в высокопрочных легких бетонах, а также в качестве активной минеральной добавки в составе тонкомолотых многокомпонентных вяжущих.
Ключевые слова: легкий бетон, органоминеральный модификатор, зола террикоников, микрокремнезем.
Список литературы
1. Каприелов С.С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетонов с добавкой ультрадисперсных материалов // Бетон и железобетон. 1995. № 4. С. 16-20.
2. Каприелов С.С., Карпенко Н.И., Шейнфельд А.В., Кузнецов Е.Н. Влияние оргоминерального модификатора МБ-50С на структуру и деформативность цементного камня и высокопрочного бетона // Бетон и железобетон. 2003. № 3. С. 2-7.
3. Кардумян Г.С., Каприелов С.С. Новый органоминеральный модификатор серии МБ-Эмбэлит для производства высококачественных бетонов // Строительные материалы. 2005. № 8. С. 12-15.
4. Урханова Л.А., Ефременко А.С. Конструктивные легкие бетоны на безобжиговых зольных заполнителях // Вестник ИрГТУ. 2011. № 1. С. 100-104.
32
научно-технический и производственный журнал
январь 2012
jVJ ®
