CC BY
14УДК 691.115
Н.В. КУЗНЕЦОВА, канд. техн. наук (nata-kus@mail.ru), О.С. БАРИНОВА, магистрант
Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106)
Физико-механические свойства цементных композиционных строительных материалов с применением отходов производства ЦСП
Анализируется возможность введения отходов производства цементно-стружечных плит (ЦСП) в качестве компонентов цементных смесей при производстве новых композиционных строительных материалов. С целью максимальной утилизации данных отходов подобран оптимальный состав компонентов смесей. Экспериментально исследованы физико-механические характеристики цементных композиционных материалов с использованием отходов ЦСП - плотность, центральное сжатие и прочность на изгиб в зависимости от вида и количества добавок (суперпластификатора, полипропиленовой микрофибры). Построены зависимости прочности при сжатии и плотности в зависимости от количества вводимого в смесь суперпластификатора. Выявлено, что расчет количества добавки следует производить от суммарной массы вяжущего и отходов ЦСП. Доказано, что при введении в древесно-цементную композицию добавок есть возможность получить экологичный материал, не уступающий по своим физико-механическим свойствам традиционному бетону.
Ключевые слова: ресурсосбережение, отходы производства цементно-стружечных плит, цементные композиционные материалы, физико-механические характеристики.
Для цитирования: Кузнецова Н.В., Баринова О.С. Физико-механические свойства цементных композиционных строительных материалов с применением отходов производства ЦСП // Строительные материалы. 2017. № 6. С. 7-9.
N.V. KUZNETSOVA, Candidate of Sciences (Engineering), Docent, (nata-kus@mail.ru), O.S. BARINOVA, Magistrand Tambov State Technical University (106, Sovetskaya Street, 392000, Tambov, Russian Federation)
Physical-Mechanical Properties of Cement Composite Building Materials with the Use of Waste of CWB Production
A possibility to use the waste of production of cement-woodchip boards (CWB) as components of cement mixes when producing new composite building materials is analyzed. To achieve the maximum utilization of these wastes, the optimal composition of components of mixes has been chosen. Physical-mechanical characteristics of cement composite materials with the use of CWB waste, density, central compression, bending strength depending on the type and quantity of additives (superplasicizer of polypropylene microfiber) have been experimentally studied. Dependences of compression strength and density depending on the amount of a superplasticizer introduced in the mix were constructed. It is revealed that the calculation of the amount of additive is to be made from the summary mass of a binder and CWB waste. It is proved that the introduction of additives into the wood-cement composition makes it possible to obtain an eco-friendly material not inferior in its physical-mechanical properties to the traditional concrete.
Keywords: resource saving, waste of cement-woodchip board production, cement composite materials, physical-mechanical properties.
For citation: Kuznetsova N.V., Barinova O.S. Physical-mechanical properties of cement composite building materials with the use of waste of CWB production. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 6, pp. 7-9. (In Russian).
В настоящее время на предприятиях различных отраслей промышленности в технологических процессах образуется большое количество отходов. Эти отходы могут быть в твердом, жидком или газообразном состояниях [1].
Твердые промышленные отходы вывозятся и хранятся на специально оборудованных полигонах. Жидкие отходы после предварительной очистки выбрасываются в сточные воды, а отходы в виде газов и аэрозолей — в атмосферу. Для очистки воды и воздуха от промышленных выбросов существует большое количество методов, например методы химического осаждения, газоабсорбционные методы и др. Твердые промышленные отходы требуют других методов переработки [2].
На территории Центрального Черноземья существуют несколько заводов, производящих цементно-стру-жечные плиты (ЦСП). Объем производства ЦСП только одного предприятия «Тамак» (г. Тамбов) составляет 50 тыс. м3 год, при этом в сутки образуется порядка 15 м3 отходов. Доля мелких отходов (средний размер частиц 0,03 мм) составляет в 10 раз меньше, чем крупных (средний размер частиц 0,32 мм).
Смесь для производства ЦСП состоит из портландцемента (65%), древесной стружки (24%), воды (8,5%) и гидратационных добавок (2,5%) (http://www.tamak.ru/
about/. Дата обращения 10.03.2017 г.). Химический состав отходов ЦСП аналогичен составу самих плит, так как отходы образуются при резке кромок листов ЦСП. По размеру их можно отнести к мелкодисперсным — средний размер частиц составляет 0,32 мм.
Опыт производства ЗАО «Тамак» показывает, что отходы ЦСП не используются вторично, а складируются на полигонах. В связи с этим рассматривается возможность применения отходов производства ЦСП при производстве новых цементных композиционных строительных материалов в качестве заполнителя [3]. По степени опасности плиты относятся к IV классу, т. е. к малоопасным веществам. Это дает возможность производить материалы не представляющие опасности для здоровья и жизнедеятельности человека, а также не наносящие вред окружающей среде [4].
Очевидно, что предполагаемая смесь должна быть многокомпонентной и состоять из заполнителя, связующего, воды и различных добавок.
В работе [5], целью которой являлось нахождение состава с применением максимального количества утилизируемых отходов, было проведено исследование основных свойств композиционных материалов с применением отходов ЦСП. Результаты прочности при сжатии приведены на рис. 1.
j t. ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2017
7
Доклады VIII Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
2з
5
0,5
21
0,1
0,2
0,3 0,4
0,5
0,6 0,7
0,8
0,9
95
§ 8 и
35 30 25 20 15 I-
29,6
19,5
20 - 17
0,8/0,33
1,95/0,8
2
Рис. 1. Прочность при центральном сжатии образцов цементного композиционного материала в зависимости от содержания составляющих в координатах: z1 (цемент - 0,333; песок - 0,333; отходы ЦСП - 0,333); z2 (цемент - 0,25; песок - 0,75; отходы ЦСП - 0); Zз (цемент - 0,143; песок - 0; отходы ЦСП - 0,857)
В результате эксперимента было выявлено, что полная замена песка отходами ЦСП дает наименьшую прочность образов — 7,5 МПа, а при замене 50% песка отходами ЦСП снижение прочности при сжатии составило 30%. Это говорит о том, что данная добавка негативно сказывается на прочностных характеристиках материалов.
Исходя из возможности максимальной утилизации отходов был подобран оптимальный состав смеси (цемент : песок : отходы ЦСП = 0,237:0,422:0,341). Так как отношение вяжущего к заполнителю в выбранном составе смеси с учетом разброса размеров их частиц составляет 3,2, предполагается формирование контактной структуры композиционного материала [6]. Для компенсации потери прочности материала с добавкой из отходов ЦСП необходимо введение добавок, модифицирующих структуру цементного материала для улучшения ее свойств.
С этой целью проводилось экспериментальное исследование влияния добавок на свойства композиционных строительных материалов [7]. В качестве добавок были выбраны суперпластификатор и полипропиленовая микрофибра.
Наличие в цементной смеси частиц заполнителя с большой удельной поверхностью приводит к значительному росту водопотребности и повышенному водопо-глощению. Выбор суперпластификатора в качестве добавки объясняется способностью снижать водопотреб-ность, сохраняя при этом заданную подвижность смеси. Микрофибра применяется с целью улучшения рабочих качеств бетонного раствора, армирования и защиты материала от внешних факторов.
Экспериментально исследовались прочность на центральное сжатие и изгиб (ГОСТ 10180—2012), а также плотность образцов (ГОСТ 12730.1—78).
В данной работе в качестве связующего использовался портландцемент марки М500 насыпной плотностью 1100 кг/м3 (ГОСТ 10178-85). В качестве заполнителя применялся кварцевый песок с модулем крупности 1,8 и насыпной плотностью 1530 кг/м3 (ГОСТ 8736-2014), а также тонкодисперсный порошок отходов ЦСП ОАО «ТАМАК» насыпной плотностью 650 кг/м3.
Количество пластификатора Кратасол ПФМ, % от массы цемента/сухого вещества
Рис. 2. Прочность образцов при сжатии при соотношении компонентов П:Ц:О = 1:0,56:0,8 в зависимости от количества пластификатора
Были выбраны следующие добавки: суперпластификатор Кратосол ПФМ и полипропиленовая микрофибра. Кратосол ПФМ вводился в дозировке 0,33 и 0,8% в перерасчете на сухое вещество по отношению к массе вяжущего, что составляет соответственно 0,8 и 1,95% от массы цемента [8]. Расход полипропиленовой микрофибры составлял 1 кг на 1 м3 раствора.
Количество воды принималось для получения одинаковых показателей подвижности смесей. Водоце-ментное отношение (В/Ц) находилось в пределах 0,350,6. Затворенная смесь уплотнялась штыкованием стальным стержнем диаметром 16 мм с закругленным концом. Спустя 72 ч образцы освобождались из форм, дальнейшее твердение осуществлялось в нормальных условиях в течение 28 сут.
Для проведения эксперимента были изготовлены образцы в форме балочек 40x40x160 мм.
Компонентные составы смесей представлены в таблице. Прочность образцов мелкозернистого бетона состава 1 (без отходов ЦСП) составила 27 МПа, плотность — 1600 кг/м3.
Прочность композиционного материала при сжатии (рис. 2) при введении суперпластификатора в количестве 0,8% от массы вяжущего (0,33% от массы сухого вещества) увеличилась до 19,5 МПа, что составило 13%; при увеличении количества добавки до 1,95% от массы вяжущего (0,8% от массы сухого вещества) прочность увеличилась до 29,6 МПа, что составило 43% по сравнению с материалом без добавок и отходов ЦСП. Прочность цементного композиционного материала с добавкой ЦСП выше по сравнению с материалом без отходов на 9%, что позволяет говорить об эффективности предложенного способа утилизации отходов ЦСП.
Увеличение прочности цементного композиционного материала при увеличении дозировки пластифика-
Компонентный состав смеси
№ смеси Песок Цемент Отходы ЦСП Пластификатор Кратосол ПФМ, % от массы цемента/ сухого вещества Полипропиленовая микрофибра
1 0,422 0,237 - - -
2 0,422 0,237 0,341 - -
3 0,422 0,237 0,341 0,8/0,33 -
4 0,422 0,237 0,341 1,95/0,8 -
5 0,422 0,237 0,341 - 1 кг на 1 м3 раствора
0
1
научно-технический и производственный журнал С±^
июнь 2017 Ы- ■
1620
1610
1600
1590
5 1580
с
IZ
1570
1560
0
0,8/0,33
1,95/0,8
Рис. 3.
1:0,56:0
Количество пластификатора Кратасол ПФМ, % от массы цемента/сухого вещества
Плотность образцов при соотношении компонентов П:Ц:О : ,8 в зависимости от количества пластификатора
тора объясняется тем, что отходы ЦСП представляют собой мелкодисперсные частицы, основой которых является цементное вяжущее. Пластификатор с цементом представляет собой вариант сложного вяжущего. В этом случае для достижения водоредуцирующего эффекта требуется увеличение количества пластификатора [9].
При введении добавки в количестве 0,33% от массы сухого вещества наблюдается незначительный прирост плотности (рис. 3), в то время как при введении добавки в количестве 0,8% от массы сухого вещества наблюдается более существенное увеличение плотности. Значения плотности существенно не изменяются и находятся в пределах 1580—1610 кг/м3.
Зависимость прочности образцов при изгибе аналогична прочности при сжатии. Так, прочность при изгибе
образца с отходами ЦСП без применения добавок составила 3,05 МПа; при введении пластификатора в количестве 0,8% от массы цемента прочность составила 3,28 МПа, а при количестве пластификатора 0,8% от массы сухого вещества (цемент и отходы ЦСП) — 4,44 МПа.
Для образцов с добавлением микрофибры было выявлено ухудшение физико-механических характеристик по сравнению с остальными образцами. Прочность при сжатии составила 14,1 МПа, плотность — 1498 кг/м3, прочность при изгибе — 2,34 МПа. По-видимому, это связано с завышенной дозировкой полипропиленовой микрофибры, в связи с чем были утрачены оптимальные физико-механические свойства материала.
Таким образом, исследования доказали положительное влияние пластификатора на физико-механические свойства образцов цементного композиционного материала с использованием отходов ЦСП: при введении пластифицирующей добавки прочность при сжатии увеличилась на 69%, прочность на изгиб — на 45% по сравнению с образцами без добавок.
Также результаты эксперимента показали, что дозировка вводимого пластификатора должна рассчитываться на сухое вещество (в данном случае по сумме цемента и отходов ЦСП), так как это дает возможность получить образцы с более высокими прочностными показателями.
Полученные данные о физико-механических характеристиках цементных композиционных строительных материалов с добавлением отходов ЦСП показывают, что проектируемый материал является не только экологичным, но и при применении модифицирующих добавок может стать заменой традиционному бетону.
Список литературы
1. Дворкин Л.И. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д: Феникс, 2007. 368 с.
2. Наназашвили И.Х., Наназашвили В.И. Ресурсосбережение в строительстве. М.: АСВ, 2012. 488 с.
3. Горностаева Е.Ю., Ласман И.А., Федоренко Е.А., Камоза Е.В. Древесно-цементные композиции с модифицированной структурой на макро-, микро- и наноуровнях // Строительные материалы. 2015. № 11. С. 13-17.
4. Цховребов Э.С., Величко Е.Г. Вопросы охраны окружающей среды и здоровья человека в процессе обращения строительных материалов // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 99-103.
5. Езерский В.А., Кузнецова Н.В., Баринова О.С. Модификация цементных смесей с использованием отходов производства цементно-стружечных плит // Строительные материалы. 2016. № 6. С. 47-49.
6. Белов В.В., Образцов И.В., Куляев П.В. Методология проектирования оптимальных структур цементных бетонов // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 17—21.
7. Орешкин Д.В., Горностаева Е.Ю., Капцов П.В., Хаев Т.Э. Древесно-цементные композиции с улучшенными физико-техническими показателями // Вестник ВолгГАСУ. 2015. № 40. С. 174-182.
8. Дмитриев А.А. Добавки к бетонам «Кратасол» от ОАО «Пигмент» — ассортимент для решения любых задач // Технология бетонов. 2012. № 9—10. С. 12-14.
9. Калашников В.И., Мороз М.Н., Тараканов О.В., Калашников Д.В., Суздальцев О.В. Новые представления о механизме действия суперпластификаторов, совместно размолотых с цементом или минеральными породами // Строительные материалы. 2014. № 9. С. 70-75.
References
1. Dvorkin L.I. Straitel'nye materialy iz otkhodov pro-myshlennosti [Structural materials from an industry wastage]. Rostov-na-Donu: Feniks. 2007. 368 p.
2. Nanazashvili I.Kh., Nanazashvili V.I. Resursosberezhenie v stroitel'stve [Resource-saving in construction]. Moscow: ASV. 2012. 488 p.
3. Gornostaeva E.Yu., Lasman I.A., Fedorenko E.A., Kamoza E.V. Wood and cement compositions with the modified structure on macro-, micro and nanolevels. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2015. No. 11, pp. 13-17. (In Russian).
4. Tskhovrebov E.S., Velichko E.G. Environmental protection and health of the person in the process of the circulation of building materials. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2014. No. 5, pp. 99-103. (In Russian).
5. Ezerskiy V.A., Kuznetsova N.V., Barinova O.S. Modification of œment mixtures using waste cement-bonded par-ticleboards. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2016. No. 6, pp. 47-49. (In Russian).
6. Belov V.V., Obraztsov I.V., Kulyaev P.V. Methodology for designing optimal structures of cement concrete. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013. No. 3, pp. 17-21. (In Russian).
7. Oreshkin D.V., Gornostaeva E.Yu., Kaptsov P.V., Khaev T.E. Wood and cement compositions with the improved physics and technology indexes. Vestnik VolgGASU. 2015. No. 40, pp. 174-182. (In Russian).
8. Dmitriev A.A. Additives to Kratasol concrete from JSC Pigment - the range for the solution of any tasks. Tekhnologiya betonov. 2012. No. 9-10, pp. 12-14. (In Russian).
9. Kalashnikov V.I., Moroz M.N., Tarakanov O.V., Kalash-nikov D.V., Suzdal'tsev O.V. New ideas about action mechanism of superplasticizers grinded jointly with cement or mineral rocks. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2014. No. 9, pp. 70-75. (In Russian).
научно-технический и производственный журнал
июнь 2017
9
