Безобжиговый зольный гравий - эффективный заполнитель для конструкционных бетонов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.972.125

Ф.Л. КАПУСТИН, д-р техн. наук, И.В. РЫЖКОВА, инженер,

Уральский федеральный университет им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина (Екатеринбург)

Безобжиговый зольный гравий - эффективный заполнитель для конструкционных бетонов

Обеспечение строительства наиболее экономичными и прочными материалами — один из актуальных вопросов современности. Если в предшествующие годы искусственные пористые заполнители использовали главным образом для производства ограждающих конструкций (стеновых), то в последнее время доказана особая их эффективность для применения в комплексном строительстве — жилищном, промышленном, в том числе сельскохозяйственном. Это предопределило необходимость разработки искусственных пористых заполнителей, пригодных для приготовления конструкционных бетонов.

Наиболее перспективным материалом для массового заводского производства крупных блоков и панелей, а также объемных элементов является конструкционный бетон на природных и искусственных пористых заполнителях. Уменьшение массы бетона значительно снижает стоимость изделий и строительства. При уменьшении массы бетона на каждые 10% стоимость изделий в конструкции снижается на 3%.

Строительство современных зданий и сооружений требует применения новых высокопрочных и легких строительных конструкций. Однако предприятия по производству бетонных и железобетонных изделий испытывают дефицит качественного щебня и гравия,

особенно в регионах, на территории которых нет месторождений высокопрочных горных пород, а перевозка заполнителей к месту использования требует значительных затрат. Альтернативным предложением могут быть искусственные заполнители: керамдор, шлаковый щебень, безобжиговый зольный гравий и др., характеризующиеся достаточно высокой прочностью и морозостойкостью. Безобжиговые заполнители в отличие от обжиговых не требуют дополнительных расходов электроэнергии и топлива на производство, а также сложных печных установок.

Безобжиговый зольный гравий (БЗГ) — искусственный пористый заполнитель, получаемый в виде гранул из предварительно увлажненной смеси золы-уноса и портландцемента с последующим твердением. Технология производства БЗГ в общем случае состоит из следующих операций: дозирование, смешивание (золы-уноса с цементом), увлажнение смеси и формирование гранул требуемой крупности, их тепловлажностная обработка (ТВО). Для изготовления БЗГ могут использоваться золы или отвальные золошлаковые смеси, образующиеся на ТЭС от сжигания бурых и каменных углей или антрацита [1].

В работе исследовали возможность получения высокопрочного БЗГ на основе золы-уноса Рефтинской

Таблица 1

№ Массовая доля компонентов, % Водопотребность, мас. % Плотность зольного камня, кг/м3

ЗУ Смешанное вяжущее

ПЦ ГП ДГШ Известь

1 80 20 - - - 56,6 1580

2 70 20 10 - - 50 1620

3 55 20 25 - - 44,2 1640

4 30 20 50 - - 36 1670

5 70 20 - 10 - 50 1660

6 55 20 - 25 - 45,8 1740

7 30 20 - 50 - 35,6 1930

8 82 15 - - 3 44 1630

9 80 15 - - 5 44 1650

10 78 15 - - 7 44 1740

11 75 15 - - 10 44 1630

Таблица 2

№ Состав смеси, мас. % Полный остаток, мас. %, на сите, мм В/Т Насыпная плотность, кг/м3 Точечная прочность, Н/гранула

ПЦ ЗУ ГП ДГШ Известь 5 20

1 20 55 25 - - 93,6 6,4 26,8 995 1,6

2 20 65 15 - - 94,6 5,4 24,2 965 4

3 20 65 - 15 - 83,8 11,3 25,6 1045 3,2

4 15 78 - - 7 80 7,8 25,8 965 1,3

5 20 80 - - - 97,4 10,3 27,1 990 2,1

научно-технический и производственный журнал

14

12

10

0 10 25 50

Содержание минеральной добавки, мас. %

Рис. 1. Влияние минеральной добавки в составе смешанных вяжущих на нулированный шлак; 3 - известь

Таблица 3

Номер состава по табл. 2

1 2 3 4 5

Насыпная плотность, кг/м3 901 869 1014 748 1000

Средняя плотность, кг/м3 1638 1624 1633 1175 1635

Предел прочности при сжатии в цилиндре, МПа 5,6 7,5 5,2 0,8 4,5

Водопоглощение, мас. % 4,6 4,2 2,81 21,59 13,75

Таблица 4

Физико-механические свойства Значения

БЗГ Керамзитовый щебень по ГОСТ 9757-90 Щебень гранитный

Прочность заполнителя при сжатии в цилиндре, МПа 7,5 3-4 -

Марка по прочности П300 П200 Д400

Насыпная плотность, кг/м3 869 800 1390

Марка по насыпной плотности 900 800 -

Средняя плотность, кг/м3 1624 - 2550

Водопоглощение, мас. % 4,2 8-20 1,2

Рис. 2. Безобжиговый зольный гравий

0

0 3 5 7 10

Содержание минеральной добавки, мас. % прочность золоцементного камня: 1 - горная порода; 2 - доменный гра-

ГРЭС (Свердловская обл.) и использования его в составе конструкционных бетонов. Использовали следующие материалы: золу-уноса от сжигания каменного угля Экибастузского бассейна (ЗУ); портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ОАО «Сухоложскцемент» (ПЦ); песок из отсевов дробления горной породы (ГП); доменный гранулированный шлак (ДГШ); известь строительную второго сорта; сульфат натрия (№^04,) для ускорения твердения цемента.

Зола-уноса от сжигания каменного угля Экибастузского бассейна по химическому составу является кислой (содержит до 93% 8Ю2+А1203+Ре203) и тонкодисперсной (удельная поверхность 298 м2/кг). По основным свойствам зола-уноса удовлетворяет требованиям ГОСТ 25818—91 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетона. Технические условия», относится к третьему виду, т. е. может применяться в производстве ячеистых и обычных строительных бетонов. Рефтинская ГРЭС отгружает потребителям золу по техническим условиям ТУ 5717-004-79935691-2009. Суммарная удельная эффективная активность естественных радионуклидов золы составляет 95,1 Бк/кг, что практически не превышает естественный фон и в несколько раз ниже нормативного значения [2].

Проведенными ранее исследованиями и производственными испытаниями установлено, что для получения высокопрочного БЗГ в качестве вяжущих материалов необходимо использовать смешанное вяжущее в составе шлакопортландцемента и извести или портландцемента и строительного гипса. Однако их применение сопровождалось длительной предварительной выдержкой зольных гранул и тепловой обработкой БЗГ.

Для изучения влияния вида и количества минеральной добавки в составе смешанного вяжущего на свойства БЗГ на основе ЗУ Рефтинской ГРЭС отдельные компоненты размалывали, смешивали с цементом и золой, формовали и определяли прочность золоцементного камня после ТВО (табл. 1). Установлено, что добавка к ПЦ горной породы, ДГШ или гашеной извести снижает водопотребность смеси и увеличивает плотность золоцементного камня. Наибольшую плотность имели образцы, полученные на ПЦ с добавкой ДГШ, низкую плотность — золоцементный камень с добавлением алю-мосиликатной ГП. Увеличение количества исследуемых минеральных добавок до 50% повышает прочность золоцементного камня (рис. 1). При этом наибольшую прочность имел золоцементный камень с добавкой до 30% ГП, 50% ДГШ, 10% гашеной извести.

На основании полученных результатов подобраны оптимальные составы смеси, которые увлажняли вод-

8

6

4

2

научно-технический и производственный журнал ^'/РО^Г/^/]^})^^ 58 август 2012 Ы *

Таблица 5

Расход материалов, кг/м3 Свойства бетонной смеси Физико-механические свойства бетонов

Состав Прочность при сжатии, МПа Класс прочности бетона

Ц П БЗГ Щ Вода С-3 Подвижность, см Плотность, кг/м3 Плотность, кг/м3 после ТВО через 28 сут воздушно-влажного хранения

1 334 932 837 - 191 1,8 5 2131 1904 23 38,2 В30

2 511 550 819 - 210 3,1 10,5 2055 2038 39,4 53,8 В40

3 293 814 - 1202 173 1,8 5 2458 2307 29,3 41,1 В30

ным раствором сульфата натрия и окатывали в гранулы размером 5—20 мм с последующей ТВО с выдержкой при температуре 85оС в течение 6 ч (рис. 2). Установлено, что наибольшую насыпную плотность имеют сырцовые гранулы, полученные из смеси состава № 3 с добавкой 15% ДГШ, повышенную прочность — гранулы из смеси состава № 2 с добавкой 15% ГП (табл. 2). Фракционный состав зольных гранул удовлетворяет требованиям ГОСТ 9757—90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия».

Физико-механические характеристики заполнителя определялись по ГОСТ 9758—90 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний». Установлено, что прочность БЗГ состава № 2 в 1,3 раза выше прочности БЗГ составов № 1, 3—5 (табл. 3). По ГОСТ 9757—90 безобжиговый зольный гравий, полученный на смешанном вяжущем с добавкой ГП, должен иметь марку по прочности П300, марку по насыпной плотности 900 и марку по морозостойкости свыше Б50.

В табл. 4 представлены сравнительные характеристики физико-механических свойств БЗГ после ТВО (состав № 2), керамзитового щебня и гранитного щебня.

По данным таблицы, прочность БЗГ превышает прочность керамзитового гравия в два раза, насыпная плотность БЗГ ниже насыпной плотности гранитного щебня, что позволяет уменьшить массу бетона и снизить стоимость изделий и строительства.

Подбор составов конструкционных бетонов класса прочности В25 и В40 проводили с использованием безобжигового зольного гравия, полученного из смеси состава № 2 (20% ПЦ + 65% ЗУ + 15% ГП + 2% №2804) (табл. 5). Насыпная плотность и пустотность щебня гранитного и БЗГ разные. При подборе составов бетонов учитывали, что в бетонной смеси при равном объеме расход щебня существенно превышает содержание более легкого БЗГ. Прочностные характеристики оптимальных составов бетонов на БЗГ соответствуют классам В25 и В40, что позволяет использовать его вместо гранитного щебня.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что безобжиговый зольный гравий является эффективным заполнителем с высокими физико-механическими характеристиками, величина которых может регулироваться по мере необходимости изменением технологических параметров в зависимости от требований, предъявляемых к готовому продукту.

Таким образом, показана принципиальная возможность получения высокопрочного БЗГ на основе золы-уноса Рефтинской ГРЭС. Подобран оптимальный состав вяжущего и сырьевой смеси, а также условия твердения БЗГ, пригодного для использования в качестве крупного заполнителя в составе конструкционного бетона. Полученный БЗГ обладает достаточной прочностью для получения бетонов класса В25 и В40 (марки 300 и 500) вместо гранитного щебня.

Прочностные характеристики бетонов на БЗГ подобранных оптимальных составов принципиально соответствуют прочностным характеристикам бетонов на

щебне гранитном. Установлено, что гранитный щебень в бетонной смеси занимает определенный объем при большем расходе, а БЗГ при таком же объеме, который занимает щебень, имеет меньший расход, так как пу-стотности щебня и БЗГ разные. Поэтому при меньшем расходе БЗГ можно получить бетоны класса В25 и В40 и сэкономить природный заполнитель.

Ключевые слова: безобжиговый зольный гравий, зола-уноса, грануляция, прочность, заполнитель, конструкционный бетон.

Список литературы

Вишня Б.Л., Уфимцев В.М., Капустин Ф.Л. Перспективные технологии удаления, складирования и использования золошлаков ТЭС. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ—УПИ, 2006. 156 с.

Капустин Ф.Л., Уфимцев В.М. Российские стандарты по использованию золошлаков теплоэнергетики в производстве строительных материалов // Энергетическое строительство, 2008. № 2. С. 36—38.

2.

шшшшшжш

ВЫСТАВКА

ЛЫ^РВ ЯШШ птоитепьиые тиимвпи Иматериалы

СТИМэкспо

10-13 октября > >1

¿г чй

л А--

ВЫБИРАЙ ПАРТНЕРОВ СРЕДИ ЛИДЕРОВ

стмитепьно-мишжны« и рем ангин-отделочный набиты: ойорцдонэние для строительства и ремонта материалы ИНСТРУМЕНТЫ; ариитантурныв проекты и ландшафтный дизайн: ь системы воде- н тер по сна иже ни я. нонднционеры.

сантехника.

вьин» Ц^ВЛ

Г^ научно-технический и производственный журнал