Композиционные гипсовые вяжущие с использованием керамзитовой пыли и доменных шлаков Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.914

Р.З. РАХИМОВ, д-р техн. наук, член-корр. РААСН, М.И. ХАЛИУЛЛИН, канд. техн. наук, А.Р. ГАЙФУЛЛИН, инженер (gaifi@list.ru), Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Композиционные гипсовые вяжущие с использованием керамзитовой пыли и доменных шлаков

Расширение объемов использования отходов различных отраслей промышленности в производстве строительных материалов является одним из актуальных направлений решения проблем устойчивого развития мировой экономики в части ресурсо-, энергосбережения и экологии [1]. Введение техногенных минеральных добавок в состав минеральных вяжущих и материалов на их основе позволяет обеспечивать управление их структурой и свойствами с повышением экономической, экологической и технической эффективности [2, 3].

Керамзитовая пыль является одним из многотоннажных отходов предприятий по производству керамзитового гравия [4]. В известных работах по исследованию эффективности применения керамзитовой пыли в качестве минеральной добавки в цементных и гипсовых композиционных материалах [4—6] проводились исследования эффективности керамзитовой пыли только отдельных предприятий. В некоторых работах не указывается вещественный состав керамзитовой пыли. Таким образом, отсутствуют систематические исследования влияния вещественного состава, дисперсности, содержания добавок керамзитовой пыли на свойства композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) и материалов на их основе.

В большей степени исследовано влияние на свойства гипсовых материалов добавок молотых гранулированных доменных шлаков [7]. Однако, влияние комплексной добавки, включающей молотые гранулированные доменные шлаки и керамзитовую пыль на свойства гипсоизвестковых композиций не исследовалось.

В настоящей работе приведены результаты исследований влияния количества и дисперсности добавок керамзитовой пыли различного вещественного состава на свойства теста и искусственного камня на основе строительного гипса, в том числе добавки керамзитовой пыли в комплексе с добавкой извести; добавки керамзитовой пыли в комплексе с добавками извести и суперпластификатора; бинарной добавки, включающей керамзитовую пыль и гранулированные доменные шлаки различной основности, в комплексе с добавками извести и суперпластификатора.

Для проведения испытаний использовали:

— строительный гипс Г-6Б11 ООО «Аракчинский гипс»;

— строительную известь второго сорта ООО «Казанский завод силикатных стеновых материалов»;

— керамзитовую пыль цехов керамзитового гравия Нижнекамского ООО «Камэнергостройпром» с циклонов пылеочистки (КП-1) и с фильтров пылео-чистки (КП-2); Казанского завода керамзитового гравия ООО «Строительное управление-4» ОАО «Татстрой» с циклонов пылеочистки (КП-3); ООО «Уфимская гипсовая компания» с циклонов пылеочистки (КП-4);

— доменные гранулированные шлаки следующих металлургических комбинатов: Челябинского с модулем основности 0,9 (ГДШ - 1) ; Орско-Халиловского с модулем основности 1 (ГДШ - 2), и Череповецкого с модулем основности 1,2 (ГДШ - 3);

— суперпластификаторы: С-3, Полипласт СП-1ВП, Полипласт СП-3, МЕЬМЕЭТ® Б150.

Количество керамзитовой пыли, % Рис. 1. Влияние вида и содержания добавок молотой керамзитовой пыли при удельной поверхности 500 м2/кг на предел прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-1. Вид керамзитовой пыли: 1 - КП-1; 2 - КП-2; 3 - КП-3; 4 - КП-4

19

18

16

15

14

13

-

—■— __ •___ 1 ш^^Г 2

л

1 1 1 I \а\\ 4/\ \ 1 1 Л \

0

5

10

15

20 25 30 35

40

Количество керамзитовой пыли, % Рис. 2. Влияние вида и содержания добавок молотой керамзитовой пыли при удельной поверхности 500 м2/кг на предел прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-2. Вид керамзитовой пыли: 1 - КП-1; 2 - КП-2; 3 - КП-3; 4 - КП-4

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® июль 2012 13~

31

5 10 15 20 25

Количество керамзитовой пыли, %

30

30

29

28

27

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Количество доменного гранулированного шлака, %

Рис. 3. Влияние вида и содержания добавки молотой керамзитовой пыли при удельной поверхности 500 м2/кг на коэффициент размягчения искусственного камня на основе КГВ-2. Вид керамзитовой пыли: 1 - КП-1; 2 - КП-2; 3 - КП-3; 4 - КП-4

Рис. 4. Влияние вида и содержания добавок доменных гранулированных шлаков различной основности при удельной поверхности 500 м2/кг на предел прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-4. Вид доменных гранулированных шлаков: 1 - ЧРМК; 2 - ОХМК; 3 - ЧМК

0

Проведенные исследования показали, что все вышеперечисленные разновидности керамзитовой пыли имеют различные гранулометрический, химический, минеральный, фазовый составы и гидравлическую активность.

Содержание оксидов в пробах керамзитовой пыли изменяется в следующих пределах (мас. %): 8Ю2 58,38-62,74; А1203 15,28-17,85; Ре203 7,04-9,7; СаО

I,74-3,66; М§0 2,35-3,01; остальных от 3,66 до 5,81. Потери при прокаливании составляют от 3,05 до 5,5%.

Рентгенофазовый анализ показал, что в исследуемых пробах керамзитовой пыли минералогический состав изменяется в следующих пределах (мас. %): глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит) 45-54; кварц 14-24; полевые шпаты 5-8; ангидрит 0-3; кальцит 0-3; рентгеноаморфная фаза 14-30.

Исследования методом набухания, выполненные по ГОСТ 8735, выявили, что содержание недегидратиро-ванной глины в пробах керамзитовой пыли КП-1, КП-2, КП-3 и КП-4 составляет, соответственно (мас. %): 9,5;

II,3; 12,5 и 14,1.

В исходном состоянии пробы керамзитовой пыли КП-1, КП-2, КП-3 и КП-4 имеют гидравлическую активность по поглощению СаО в мг/г, соответственно: 130; 121; 118 и 115.

Таким образом, на основании приведенных выше и известных [4-6] результатов исследований керамзитовую пыль следует рассматривать как гидравлически активную минеральную добавку, представляющую собой термически активированную глину, содержащую в своем составе недегидратированную глину и дегидратированные глинистые минералы с кристаллическими решетками различного уровня дефектности.

При проведении исследований пробы керамзитовой пыли предварительно размалывались до удельной поверхности 250 м2/кг, 500 м2/кг и 800 м2/кг, при которых их гидравлическая активность по поглощению СаО в мг/г составляла, соответственно: для КП-1 - 336, 462 и 477; КП-2 - 316, 424 и 447; КП-3 - 303, 379 и 385; КП-4 - 292, 377 и 383.

Исследования влияния введения отдельных проб керамзитовой пыли и в комплексе с перечисленными выше добавками на предел прочности при сжатии и коэффициент размягчения камня композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) на основе строительного гипса, проводились на образцах, твердевших 28 сут в нормальных условиях с последующей сушкой до достижения постоянной массы.

Влияние добавок керамзитовой пыли на свойства строительного гипса (КГВ-1).

На рис. 1 приведены зависимости, характеризующие изменения предела прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-1 от вида и содержания керамзитовой пыли с удельной поверхностью 500 м2/кг. Закономерности аналогичного характера наблюдаются и при введении в строительный гипс керамзитовой пыли различного вида дисперсностью 250 м2/кг и 800 м2/кг.

По отношению к строительному гипсу керамзитовая пыль является инертным наполнителем. Полученные закономерности характерны при описании изменения прочности минеральных вяжущих веществ с добавками инертных наполнителей [8]. Введение до 20-30% добавок керамзитовой пыли различного вида с дисперсностью в пределах 250-800 м2/кг приводит к некоторому снижению предела прочности при сжатии искусственного камня с 16,2 МПа до 14,3-11,8 МПа, а коэффициента размягчения с 0,33 до 0,31-0,23. Строительный гипс стандартных марок характеризуются показателями предела прочности при сжатии камня в высушенном состоянии от 10 до 17 МПа [3]. Приведенные результаты исследования влияния добавок керамзитовой пыли в состав строительного гипса показывают, что КГВ-1 с введением 20-30% добавки керамзитовой пыли могут применяться наравне с бездобавочным гипсом в материалах для внутренней отделки помещений с относительной влажностью до 60%.

Влияние добавок керамзитовой пыли на свойства строительного гипса с добавкой извести (КГВ-2).

На рис. 2 приведены зависимости, характеризующие изменение предела прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-2 с добавкой 5% извести от содержания добавки керамзитовой пыли дисперсностью 500 м2/кг. Закономерности аналогичного характера наблюдаются и при введении в КГВ-2 добавок керамзитовой пыли различного вида дисперсностью 250 м2/кг и 800 м2/кг.

Анализ полученных закономерностей показал, что совместное введение добавок извести в количестве 5 мас. % и керамзитовой пыли различного вида с дисперсностью от 250 до 800 м2/кг в количестве 20-25 мас. % обеспечивает в одних случаях повышение прочности вяжущего с 16,2 до 17,3 МПа, в других - прочность на уровне бездобавочного вяжущего, в третьих снижение прочности до 14-15 МПа. Наибольшее повышение прочности достигается при введении добавки КП-1 дисперсностью 500 м2/кг.

Проведены исследования влияния вида и содержания керамзитовой пыли с удельной поверхностью 250,

научно-технический и производственный журнал Ш^ИгИЗ

74 июль 2012

500 и 800 м2/кг, вводимой совместно с добавкой 5% извести на изменение коэффициента размягчения КГВ-2 (рис. 3). Анализ полученных зависимостей показывает, что совместное введение добавок извести в количестве 5 мас. % и керамзитовой пыли в количестве от 5 до 20 мас. %, в зависимости от вида и дисперсности керамзитовой пыли приводит к повышению коэффициента размягчения камня вяжущего от 0,37 до 0,68.

Повышение прочности и водостойкости искусственного камня на основе композиционного гипсового вяжущего при совместном введении оптимального количества добавок извести и керамзитовой пыли связано с образованием при гидратации композиционного вяжущего водостойких и прочных продуктов взаимодействия извести с оксидами кремния, алюминия и железа. При этом повышение средней плотности искусственного камня составляет до 12,3%, а снижение общей пористости до 37%.

Результаты исследований показывают, что совместное введение в состав строительного гипса керамзитовой пыли различного вида и тонкости помола в количестве до 20—25% и извести в количестве до 5% позволяет получать композиционное гипсовое вяжущее — КГВ-2 с прочностью при сжатии от 14 до 17 МПа и более, относящееся к группе композиционных гипсовых вяжущих средней и повышенной водостойкости, которые могут применяться для производства штукатурных, кладочных и напольных растворов и низкомарочных бетонов для зданий с нормальным влажностным режимом помещений.

Влияние добавок керамзитовой пыли на свойства строительного гипса с добавкой извести и суперпластификатора (КГВ-3).

Влияние пластифицирующих добавок исследовалось на образцах искусственного камня, полученного на основе КГВ-3, с содержанием (мас. %): КП-1 с удельной поверхностью 500 м2/кг — 20, извести — 5.

Введение исследуемых суперпластификаторов при их содержании 0,75—1,5 мас. % снижало водовяжущее отношение с 0,56 до 0,33—0,37.

Результаты исследования показывают, что введение пластифицирующих добавок в пределах 0,75—1,5% от массы вяжущего позволяют получить третью разновидность композиционного вяжущего КГВ-3. В зависимости от вида суперпластификатора предел прочности КГВ-3 возрастает по сравнению с прочностью камня КГВ-2 с 17 МПа до 22—25 МПа, а коэффициент размягчения с 0,68 до 0,73—0,78. КГВ-3 относится к вяжущим повышенной водостойкости и может быть использовано для производства строительных материалов и изделий, эксплуатируемых в помещениях с относительной влажностью более 75%.

Свойства композиционного гипсового вяжущего с бинарной добавкой, включающей керамзитовую пыль и гранулированные доменные шлаки, в комплексе с добавками извести и суперпластификатора (КГВ-4).

Исследования проводились введением молотых гранулированных доменных шлаков в КГВ-3 ,содержащего (мас. %): КП-1 с удельной поверхностью 500 м2/кг — 20, известь — 5, суперпластификатор СП-1ВП — 1. При этом получили четвертую разновидность композиционного гипсового вяжущего — КГВ-4.

В состав вяжущего вводились гранулированные доменные шлаки размолотые до удельной поверхности 250 м2/кг, 500 м2/кг, 800 м2/кг и имеющие при этом гидравлическую активность по поглощению СаО в мг/г, соответственно: ГДШ-1 - 360, 485 и 496; ГДШ-2 - 325, 423 и 427; ГДШ-3 - 306, 389 и 398.

На рис. 4 приведены зависимости, характеризующие изменение предела прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-4 от содержания различных

видов гранулированных доменных шлаков с удельной поверхностью 500 м2/кг.

Зависимостями, подобными приведенным на рис. 4, описывается влияние добавок гранулированных доменных шлаков при удельной поверхности 250 м2/кг и 800 м2/кг на предел прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-4.

Общий анализ установленных закономерностей показал, что КГВ-4 состава (мас. %): строительный гипс — 44; керамзитовая пыль — 20, гранулированные доменные шлаки — 30, известь — 5, суперпластификатор СП-1ВП — 1 в зависимости от вида и тонкости помола керамзитовой пыли и гранулированных доменных шлаков имеют прочность предел прочности при сжатии 28—30,2 МПа и коэффициент размягчения —

0.8.0,96.

КГВ-4 является водостойким вяжущим и может применяться для производства строительных растворов, бетонов и изделий на их основе, эксплуатируемых во влажных условиях. Выводы.

1. Керамзитовая пыль различных предприятий и способов очистки отличается по гранулометрическому, химическому, минеральному и фазовому составам и гидравлической активности, что необходимо учитывать при ее применении в качестве минеральной добавки к вяжущим и бетонам.

2. Введение в строительный гипс 20-30% молотой керамзитовой пыли или бинарной добавки, включающей до 20% молотой керамзитовой пыли и до 30% молотого гранулированного доменного шлака, в комплексе с добавками извести и суперпластификатора позволяет получать композиционные гипсовые вяжущие средней и повышенной водостойкости, а также водостойкие композиционные гипсовые вяжущие с общим содержанием в их составе техногенного сырья от 20 до 50 мас. %.

Ключевые слова: керамзитовая пыль, доменные шлаки, активные минеральные добавки, композиционные гипсовые вяжущие, искусственный гипсовый камень

Список литературы

1. Будущее мировой экономики. Доклады группы экспертов ООН во главе с В. Леонтьевым / Под общ. ред. В. Леонтьева. М.: Международные отношения, 1979. 216 с.

2. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. Научные, экспериментальные, технико-экономические и технологические предпосылки управления структурой и свойствами наполненных искусственных строительных композиционных материалов // Градостроительство. 2011. № 3 (13). С. 73-79.

3. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение) / Под общ. ред. А.В. Ферронской. М.: АСВ, 2004. 488 с.

4. Горин В.М., Токарева С.А., СуховВ.Ю., и др. Расширение областей применения керамзитового гравия // Строительные материалы. 2003. № 11. С. 19-21.

5. Баженов Ю.М., Коровяков В.Д., Денисов Г.А. Технология сухих строительных смесей. М.: АСВ, 2003. 96 с.

6. ЛесовикВ.С., Погорелов С.А., Строкова В.В. Гипсовые вяжущие материалы и изделия. Белгород: БелгТАСМ, 2000. 224 с.

7. Волженский А.В., Стамбулко В.И., Ферронская А.В. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, бетоны и изделия. М.: Стройиздат, 1960. 318 с.

8. Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н., Чудновский С.М. Цементные бетоны с минеральными наполнителями. К.: Будивельник, 1996. 136 с.

rj научно-технический и производственный журнал

М ® июль 2012 15