CC BY
9УДК 669:69
Н.В. КУЗНЕЦОВА, канд. техн. наук, И.И. СТЕРХОВ, инженер, Тамбовский государственный технический университет
Использование отходов литейного производства для получения мелкозернистых бетонов
Одним из негативных явлений роста промышленного производства является увеличение отходов при производстве продукции. В связи с этим для каждого предприятия встает вопрос о вывозе или утилизации отходов. Средний уровень полезного использования промышленных отходов в России составляет примерно 36%. Но остальная часть отходов вывозится и складируется на полигонах, которые занимают большие площади и загрязняют окружающую среду [1]. К примеру, на предприятиях литейного производства образуется большое количество отходов, в том числе 30 % в виде отработанной формовочной смеси (ОФС). Большинство предприятий литейного производства решают этот вопрос, складируя ОФС на полигонах. Такие действия ведут к увеличению площадей полигонов и, как следствие, к нерациональному использованию земельных ресурсов и ухудшению экологической обстановки вокруг полигонов, эрозии почвы. Это невыгодно самим предприятиям из-за необходимости платы за пользование полигонами [1—3].
В данной работе предлагается использовать ОФС сталеплавильного производства Тамбова в качестве заполнителя для изготовления мелкозернистых бетонов (МБ).
ОФС представляет смесь вяжущего и заполнителя. Роль вяжущего выполняет Этилсиликат-40. Заполнитель представлен кварцевым песком с фракциями 0,063— 1 мм. Поставляется ОФС с предприятия в виде изогнутых пластин длиной до 20 см и толщиной от 5 до 15 мм.
Для изготовления МБ с использованием ОФС требуются следующие технологические операции: измельчение ОФС в лабораторной щековой дробилке, разделение измельченной ОФС по фракциям, смешивание компонентов МБ, формование.
Исходя из того что неотъемлемой частью технологии изготовления мелкозернистых бетонов являются измельчение и рассев ОФС, с целью получения строительных материалов с меньшим содержанием вяжущего необходимо исследовать влияние гранулометрического состава заполнителя из техногенных отходов на физико-механические характеристики. В качестве вяжущего использовали цемент М400.
№ опыта Х1 х2 х3 Графическое изображение точек эксперимента
1 0,12 0,12 0,76 1 0 • 3 Х1 Х2 • 6 »4 0- -1 -5 *2 1
2 0,127 0,748 0,125
3 0,748 0,127 0,125
4 0,447 0,447 0,106
5 0,106 0,447 0,447
6 0,447 0,106 0,447
1 Х3 0
Наиболее эффективным является применение заполнителя с прерывистым зерновым составом [4]. Такие составы при исключении фракций средних размеров обеспечивают меньшую пустотность смеси; увеличение плотности упаковки частиц приводит к повышению прочности, снижению водопоглощения и, как следствие, увеличению морозостойкости.
Цель проведенной работы — исследование влияния фракционного состава заполнителя на физико-механические характеристики МБ. Подбор оптимальных соотношений фракций заполнителя из ОФС осуществлялся методом планирования эксперимента с применением симплекс-решетчатого метода [5].
Для уменьшения количества рассматриваемых фракций наиболее рационально разделить непрерывный фракционный состав на три группы:
— крупная фракция (х1) 2,5 мм;
— средняя фракция (х2) от 2,5 до 0,63 мм;
— мелкая фракция (х3) от 0,63 до 0,14 мм.
Причем при расчете соотношений фракций должно
соблюдаться условие: х1+ х2+ х3 = 1. Так как использование заполнителя только одной фракции нецелесообразно вследствие снижения плотности упаковки, из рассмотрения исключались следующие точки: х1=1; х2=0; х3=0; х1=0; х2=1; х3=0; х1=0; х2=0; х3=1.
Важным моментом при разделении измельченной ОФС на фракции является исключение фракции меньше 0,14 мм, так как наличие мелких частиц значительно увеличивает водопотребность бетонной смеси и отрицательно влияет на физико-механические свойства получаемых МБ.
В качестве функций отклика были выбраны следующие физико-механические характеристики: прочность на центральное сжатие, водопоглощение, средняя плотность.
Экспериментальное определение этих показателей проводилось в шести точках симплекс-решетчатого плана эксперимента (таблица).
В результате получены следующие математические зависимости.
Для прочности на центральное сжатие
^=66,81-7,52 Х!+15,96 -х2- 8,44 ■ х3-15,72 ■ хгх2 --52,18-Х1-х3+88,82-Х2Х3+33,95-Х1-36,55-Х2-18,32-ХЗ.
Для средней плотности у2=1,491-0,052-х1+0,042-х2-0,01-х3-0,325-х1-х2+
+0,074 • X! • х3+ 0,474 • х2- х3+ 0,125 • х* - 0,075 • х2 - 0,274 ■ х3.
Для водопоглощения у3= 13,745-3,401 • х^ 1,769 • х2+5,171 • х3+2,215 • хгх2-
-5,689 •Х1х3-6,642 Х2Х3+1,719-Х1+2Д14-Х2+6,166Х3.
Для наглядности оценки результатов построены изолинии функций отклика, которые представлены на рис. 1—3.
научно-технический и производственный журнал
июнь 2012
15
Мелкая фракция 0,315-0,14 мм
Рис. 1. Изолинии прочности на центральное сжатие, МПа, мелкозернистого бетона в зависимости от соотношения фракций заполнителя из ОФС
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Х3 Мелкая фракция 0,315-0,14 мм
Рис. 3. Изолинии водопоглощения, %, мелкозернистого бетона в зависимости от соотношения фракций заполнителя из ОФС
Как видно из построенных изолиний, максимальная прочность, равная 8,5 МПа, достигается при следующем составе фракций: крупная — 87—92%, средняя — 0—13%, мелкая — 0—7%. Следует отметить, что при этом же фракционном составе заполнителя средняя плотность МБ имеет максимальное значение 1550 кг/м3, а водопоглощение — минимальное значение 12,1%, что можно объяснить достижением максимальной плотности упаковки частиц заполнителя.
Наименьшее значение прочности на сжатие (5 МПа) имеют образцы со следующими соотношениями фракций: крупная — 25—30%, средняя— 5—10%, мелкая — 62—67%; крупная — 5—10%, средняя— 89—93%, мелкая — 0—3%.
Причем при сравнимых прочностных показателях в обеих рассмотренных областях наибольшее значение водопоглощения (19%) наблюдается в первом случае, что связано с меньшей плотностью упаковки частиц заполнителя. При приблизительно одинаковой средней
Мелкая фракция 0,315-0,14 мм
Рис. 2. Изолинии средней плотности, x103 кг/м3, мелкозернистого бетона в зависимости от соотношения фракций заполнителя из ОФС
плотности материалов наблюдается уменьшение значение водопоглощения образцов с фракционным составом заполнителя в пределах второй области.
Также наблюдается зависимость увеличения плотности МБ от размеров частиц, это можно объяснить неоднородностью плотности по толщине пластин ОФС, что связано с особенностями технологического процесса литья. При измельчении ОФС наиболее мелкая фракция образуется из менее плотных частей пластин, а более прочные частицы имеют крупный размер, из-за чего при увеличении размера фракций увеличивается и плотность измельченной ОФС.
Таким образом, при обязательном наличии в технологии изготовления МБ таких технологических стадий, как измельчение и рассев, целесообразным является подбор прерывистого гранулометрического состава (крупная фракция 77%, средняя фракция 5%, мелкая фракция 18%) для изготовления высококачественных МБ. Только за счет оптимизации фракционного состава заполнителя из ОФС можно добиться повышения прочности мелкозернистых бетонов до 70%, увеличения средней плотности на 19% и снижения водопоглощения на 57%.
Ключевые слова: ресурсосбережение, мелкозернистый бетон, отработанная формовочная смесь, физико-механические характеристики, фракционный состав.
Список литературы
1. Муртазаев С.-А.Ю., Исмаилова З.Х. Использование местных техногенных отходов в мелкозернистых бетонах // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 57.
2. Каптюшина А.Г., Бондаренко Г.В. Использование отходов в производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2008. № 2. С. 38—40.
3. Бондаренко Г.В., Грызлов В.С., Каптюшина А.Г. Методика получения многокомпонентного минерального вяжущего на основе техногенных отходов промышленности // Строительные материалы. 2012. № 3. С. 26-29.
4. Павленко С.В. Мелкозернистые бетоны из отходов промышленности. М.: Изд. АСВ, 1997. 176 с.
5. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Мн.: Изд-во БГУ, 1982. 302 с.
16
научно-технический и производственный журнал
июнь 2012
^ ®
