CC BY
16Список литературы
1. Глуховський В.Д. Грунтосшкатш вироби i конструкцп / Глуховський В.Д. - К.: Будiвельник, 1967. - 154 с.
2. Глуховский В.Д. Грунтоцементы / Глуховский В.Д. // Доклад на XXI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава КИСИ. - К.: КИСИ. - 1960. - С. 3 - 10.
3. Кривенко П.В. Долговечность шлакощелочного бетона / П.В. Кривенко, Е.К. Пушкарева. - К.: Будiвельник, 1993. - 224 с.
4. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976. -280 с.
5. Большев Л.Н. Таблицы математической статистики / Л.Н. Большев, Н.В. Смирнов.-М.: Наука, 1983. - 416 с.
6. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов / А. А. Спиридонов - М.: Машиностроение, 1981.- 184 с.
7. Носатова Е. Материалосберегающие факторы в технологии производства стеновых изделий из шлакощелочного бетона на отходах камнепиления известняков ракушечников и жидких стеклах с силикатным модулем Мс = 1,5-1,7 после ТВО / Е.В. Носатова // Motrol. Motoryzacja i energetyka rolnictwa. - Lublin. - 2013. -Vol. 17. - Р. 23 - 26.
УДК. 666.9.015.42
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАРБОНАТНЫХ ОТХОДОВ И ЦЕОЛИТОВ НА СРОКИ СХВАТЫВАНИЯ, ПРОЧНОСТЬ И КАЧЕСТВО ШЩВ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА С СИЛИКАТНЫМ МОДУЛЕМ МС=1,5-1,7
Свищ И.С., Носатова Е.В.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
В статье рассматриваются исследование влияния карбонатных отходов и цеолитов на сроки схватывания, прочность и качество ШЩВ на основе жидкого стекла с силикатным модулем Мс=1,5-1,7.
Жидкое стекло, доменный гранулированный шлак, шлакощелочное вяжущее, вещество, начало схватывания, конец схватывания, тонкость помола, плотность раствора, растворошлаковое отношение, прочность
Введение
Шлакощелочной цемент (ШЩЦ) является конкурентом на рынке вяжущих материалов обычному портландцементу и его разновидностям. Наряду с конкуренцией, ШЩЦ одновременно дополняет, и расширяет возможности этого рынка, области его использования, дает возможность расширить базу выпуска самых разнообразных по назначению строительных материалов, изделий и конструкций. Тем самым усиливается строительный потенциал регионов и государства в целом. Если рассмотреть вопрос использования ШЩЦ и бетонов на их основе в плоскости экологической безопасности и охраны окружающей среды, то также видны значительные положительные факторы применения этого материала в строительной индустрии. Использование отходов промышленных производств актуальная проблема для любого государства.
Анализ публикаций
Известно, что для производства шлакощелочных вяжущих веществ, используют разнообразные виды шлаков металлургических производств и щелочесодержащих компонентов, таких как сода, содощелочной плав, жидкое стекло. Свойства шлакощелочных вяжущих веществ, а именно набор прочности, скорость гидратации, твердение композиций зависят от химико-минералогического и фазового состава шлака, а так же от природы щелочного компонента [1]. Рассматривая химико-минералогический состав портландцемента и шлакощелочного вяжущего вещества, в качестве аналога силикатной составляющей портландцемента C2S и C3S, содержание которой в нем превышает 70%, может быть принят (с определенной степенью приближения) силикат натрия - растворимое стекло [2]. Важной зависимостью для шлакощелочного вяжущего вещества является связь технологических (Р/Ш, сроки схватывания) и механических свойств (предел прочности при сжатии и изгибе) [4]. На данный момент существует широкая база экспериментальных данных о свойствах разнообразных шлакощелочных бетонов на основе мета и дисиликатов натрия [3]. Наиболее перспективной областью исследования является шлакощелочной бетон на жидком стекле с Мс = 1,5 - 1,7 с использованием отходов камнепиления известняка-ракушечника. При этом 70 % всего объема материала занимают отходы производств. Вяжущее вещество -тонкомолотый доменный гранулированный шлак, отход металлургического производства; отход белых известняков Крымского региона как добавка при совместном помоле при изготовлении вяжущего. Отход камнепиления известняка ракушечника в виде песка и щебня как заполнители для бетона.
Цель и постановка задач
Целью данной работы является получение ШЩВ и бетонов на его основе для производства стеновых строительных изделий.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) использование цеолита и шлака как добавки при совместном помоле с доменными гранулированными шлаками.
2) влияние ШЩВ на основе совместного помола доменного гранулированного шлака и цеолита на сроки схватывания, прочность, атмосфероустойчивость.
3) использование карбонатных отходов камнепиления нумулитового известняка как добавки при совместном помоле с доменными гранулированными шлаками.
4) влияние ШЩВ на основе совместного помола доменного гранулированного шлака и карбонатных отходов камнепиления нумулитового известняка на сроки схватывания, прочность, атмосфероустойчивость.
5) использование карбонатных отходов камнепиления нуммулитового известняка и цеолита как добавки при совместном помоле с доменными гранулированными шлаками.
6) влияние ШЩВ на основе совместного помола доменного гранулированного шлака, цеолита и карбонатных отходов камнепиления нуммулитового известняка на сроки схватывания, прочность, атмосфероустойчивость.
7) Влияние режимов твердения на набор прочности, атмосфероустойчивость и водостойкость ШЩБ с использованием отходов камнепиления известняков.
Материалы и методы исследований
В качестве исходные материалов для экспериментальных исследований использовали:
— жидкое стекло Днепродзержинское с Мс=1,65 и Мс=1,59 и плотностью р= 1,18 г/см3.
— шлак доменный металлургический гранулированный Запорожский.
— цеолит Закарпатский природный дробленный Сокирницкого месторождения.
— известняк белый мшанковый и нумулитовый (Скалистое) - отход камнепиления.
— известняк-ракушечник желтый Первомайского района - отход камнепиления.
— песок кварцевый с Мк=2,5
Данный шлак является основным Мо = 1,12. Производился его помол в лабораторной мельнице в чистом виде и с добавками с различными удельными поверхностями. Вяжущее на основном шлаке характеризуется высокой активностью в начальные сроки твердения. При
взаимодействии шлака с жидким стеклом (Ка2БЮ3) образуются низкоосновные гидросиликаты кальция.
Цеолиты - это минералы из группы водных алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных элементов с тетраэдрическим структурным каркасом, включающим полости (пустоты), занятые катионами и молекулами воды. В отличие от кристаллогидратов, также выделяющих значительные количества воды при нагреве, цеолиты поглощают и выделяют не только воду, но и другие различные молекулы и без изменения кристаллической структуры. К тому же поглощение цеолитами в отличие от координационного связывания в кристаллогидратах связано с явлением адсорбции -концентрированием вещества из газовой фазы на поверхности твердого тела (адсорбента) или в объеме, образуемых его структурой пор.
Химический состав Запорожского доменного шлака и Закарпатского цеолита представлен в табл.1.
Свойства известняка ракушечника: насыпная плотность щебня фракции 5 - 10
составляет 0,9 г/см3; насыпная плотность песка фракции < 5 мм составляет 1,2 г/см3;
з
истинная плотность - 2,71 г/см .
Таблица 1
Химический ^ состав металлургического шлака и природного цеолита
Материал Содержание оксидов %
8Ю2 АЬОз Ре2О3 СаО МяО 8О3 Р2О5
Запорожский шлак 41,66 3,52 1,015 47,78 3,03 0,34 0,008
Закарпатский цеолит 77,75 12,57 1,42 2,26 0,93 2,68 0,088
Определение активности ШЩВ проводились в соответствии с ДСТУ Б В. 2.7-187. Определение прочности ШЩБ проводились в соответствии с ДСТУ Б В. 2.7-214.
Обработка экспериментальных данных выполнялась с помощью множественного регрессионного анализа, в результате которого получены уравнения поверхности в 3-х мерном пространстве с минимальным отклонением от результатов наблюдений [5]. При определении регрессионных уравнений, брали в расчет все половинки балочек.
Регрессионный анализ выполнялся с помощью методов линейной алгебры, реализованных в пакете прикладных математических программ БсПаЬ [6]. Пакет прикладных математических программ, предоставляющий мощное открытое окружение для инженерных (технических) и научных расчётов, с большим количеством функций и встроенным языком программирования. Коэффициенты уравнения находят из системы нормальных уравнений вида:
(Хт- X) • Б=ХТ- У, (1)
т
где X - матрица условий эксперимента; X - транспонированная матрица; X, У - вектор результатов эксперимента; Б - искомый вектор коэффициентов аппроксимирующего полинома.
В виду того, что фактор «Добавки в шлак» является категорийным, для возможности применения математических методов значения фактора необходимо преобразовать в числовую форму и в дальнейшем в полученные уравнения подставлять только соответствующие значения. Для оценки влияния факторов на результат желательно нормировать значения факторов. В нашем случае матрица условий эксперимента представлена в табл. 2.
Для решения системы нормальных уравнений в матричной форме следует умножить ее слева на матрицу, обратную матрице системы нормальных уравнений, если таковая существует:
(XT•X)-1 (XT•X) • Б = X)-1 • У), (2)
• X)-1 X) = Е, (3)
где Е - единичная матрица.
Таким образом, решение системы нормальных уравнений в матричной форме запишется в следующем виде:
Б = • X)-1(XT •У). (4)
Таблица 2
Натуральные значения факторов и матрица условий опытов
№ п/п Значения факторов Матрица с натуральными значениями опытов Х Нормированная матрица условий опытов Хп
удельная поверхность шлака. Буд., см2/г добавки в шлак, Д Буд. Д Х1 Х2
1 3200 Без добавок (Б) 3200 1 -1 -1
2 3270 15% цеолит (Ц) 3270 2 -0,946 -0,333
3 4200 10% цеолит, 30% известняк (ЦИ) 4200 3 -0,231 0,333
4 5800 30% известняк (И) 5800 4 1 1
Результаты и их анализ Результаты испытаний опытных образцов ШЩВ и ШЩБ представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Результаты испытаний образцов ШЩВ размером 4x4x16 см после тепло-влажностной
№ Условия получения образцов Результаты испытаний
Буд., см2/г добавки в шлак прочность на сжатие (ЯсяД МПа время схватывания, мин
образцов среднее значение
начало конец
1 3200 без добавок 53,5 62 38 39,5 42 69,5 49 43 102
2 3270 15% цеолит 50,5 49 50,5 53,4 54 55 52 39 92
3 4200 10% цеолит, 30% известняк белый 27 29 26,1 29,7 29,5 27,4 28 27 64
4 5800 30% известняк белый 53,5 53 56 54,5 55 53 54 12 32
Примечание: 1. Режим ТВО: 2 + 10 + 2,5 ч; температура 80°С;
2. Силикатный модуль жидкого стекла Мс = 1,59, плотность жидкого стекла р = 1,18 г/см3, р/ш = 0,4.
Таблица 4
Результаты испытаний образцов-цилиндров ШЩБ диаметром 7 см после ТВО
№
Буд., см2/?
Условия получения образцов
добавки в шлак
образцов
Ср. значение
3200
без добавок
10,2
14,65
11,0
11,95
3270
15% цеолит
12,7
9,0
6,8
9,5
4200
10% цеолит, 30% известняк белый
10,3
11,7
9,4
10,5
5800
30% известняк белый
24,9
24,08
24,3
24,7
Примечание: 1. Силикатный модуль жидкого стекла Мс = 1,65, плотность жидкого стекла р = 1,18 г/см3, р/ш = 0,36.
2. Состав бетона на 1 м : щебень - 1000 кг, песок - 682 кг, шлак - 550 кг, раствор жидкого стекла - 200 л. В результате вычислений получены уравнения зависимости прочности образцов балочек ШЩВ размером 4x4x16 см (5) и образцов-цилиндров ШЩБ диаметром 7 см (6) после ТВО от условий испытаний:
Ятво = 51,97 + 19,37 • Х1 - 21,56 • Х2, (5)
Ятво= 18,12 + 13,7 • Х1 - 8,039 • Х2. (6)
Графически уравнения (5) и (6) представлены на рис. 1, из которого видно, что зависимости прочности для вяжущих и бетонов подобны. В обоих случаях увеличение удельной поверхности способствует увеличению прочности, а введение добавок - снижению
Ясж. ,МПа
1
2
3
4
прочности. Основным отличием является большая прочность образцов вяжущего по сравнению с образцами бетона из этого вяжущего при прочих равных условиях.
Уравнения регрессии начала и конца схватывания шлакощелочного теста имеют вид:
Нсх = 24,9 - 13,24 • X! - 2,26 ^2 + 2,60 ^^ (7)
Ксх = 8,93 - 30,78 • Xl- 4,22 •X2 + 8,073 • Xl •X2. (8)
а) б)
Рис. 1. Поверхность отклика зависимости влияния вида добавки и удельной поверхности на прочность вяжущего и бетона, МПа, построенные по уравнениям:
а) - (5); б) - (6)
На рис. 2 показаны графики, построенные по уравнениям (7) и (8) соответственно.
а) б)
Рис. 2. Зависимость начала и конца схватывания (мин) от удельной поверхности и добавки в шлак, построенные по уравнениям: а) - (7); б) - (8)
Характер поверхностей отклика свидетельствует о преобладающем влиянии удельной поверхности на сроки схватывания. В то же время при увеличении удельной поверхности возрастает влияние добавки в вяжущее и схватывание замедляется.
Исследования влияния режимов твердения на образование излишков щелочи на поверхности шлакощелочного бетона показали, что на поверхности образцов, твердевших без ТВО, возникают излишки щелочного мха, а на поверхности образцов, подвергавшихся ТВО, излишки щелочи не образуются. Таким образом, режим ТВО оказал положительное влияние на атмосфероустойчивость и водостойкость всех составов бетонов
Выводы
1. В результате исследования составы ШЩВ 1, 2, 3 показали стандартные сроки схватывания (начало - 27 мин., конец - 100 мин.).
2. Активность всех составов вяжущих находится в пределах от 28 МПа до 54 МПа, что является удовлетворительным показателем для производства стеновых изделий.
3. Лучший результат прочности бетона на сжатие показали 1, 3 и 4 составы.
4. На получение высоких прочностных показателей ШЩБ на отходах известняка ракушечника влияет добавка 30 % белого известняка и совместный их помол.
5. Выявлено, что режим ТВО оказал положительное влияние на атмосфероустойчивость и водостойкость всех составов бетонов.
6. На основе анализа полученных результатов целесообразно провести многофакторный эксперимент со следующими варьируемыми факторами и их пределами:
- Sya. шлака в пределах 3000 - 3600 см /г;
- использование ШЩВ на основе совместного помола доменных шлаков и отходов белых известняков от 0 до 30%.
- режим ТВО, а именно влияние температуры прогрева.
- плотность жидкого стекла с силикатным модулем М = 1,5...1,7 в пределах 1,12.. .1,16 г/см3.
Список литературы
1. Глуховський В.Д. Грунтосшкатш вироби i конструкцп / Глуховський В.Д. - К.: Бyдiвельник, 1967. - 154 с.
2. Глуховский В.Д. Грунтоцементы / Глуховский В.Д. // Доклад на XXI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава КИСИ. - К.: КИСИ. - 1960. - С. 3 - 10.
3. Кривенко П.В. Долговечность шлакощелочного бетона / П.В. Кривенко, Е.К. Пушкарева. - К.: Бyдiвельник, 1993. - 224 с.
4. Состав, структура и свойства цементных бетонов / Под редакцией Г.И. Горчакова. -М.: Стройиздат, 1976. - 144 с.
5. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. Пособие для втузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988.-239 с.: ил.
6. Алексеев Е.Р. Scilab: Решение инженерных и математических задач / Е.Р. Алексеев, О.В.Чеснокова, Е. А.Рудченко. - М.: ALT Linux; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. -260 с.
