CC BY
31Шакарна М. Х, аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВУЛКАНИЧЕСКИХ
ТУФОВ ИОРДАНИИ*
Ьи8ш19_86@уаЬоо. сот
Исследовано влияние тонкости помола и различного содержания минерального наполнителя -туфа на физико-механические и технологические свойства смешанных вяжущих.
Установлено, что на основе вулканических туфов возможно получать смешанные вяжущие с различными физико-механическими показателями.
Ключевые слова: смешанное вяжущее, вулканические туфы, минеральная добавка, химический и минеральный состав, рентгенофазовый анализ, физико-механические и технологические показатели, сроки схватывания, состав смешанного вяжущего._
В условиях интенсивного развития строительной индустрии в Арабских странах, в особенности в странах Персидского залива, с каждым годом всё больше возрастает потребность в новых экологически чистых строительных материалах с высокими физико-механическими и технико-экономическими показателями. Наиболее широко распространённым для этого региона материалом является бетон. Изделия и конструкции из него обладают высокой прочностью и долговечностью. Применение различных видов добавок позволяет получать композиты со специальными свойствами, необходимыми в тех или иных условиях - высокая коррозионная стойкость, водопроницаемость, жаростойкость и др. Основным компонентом, входящим в состав большинства видов бетонов является портландцемент. Спрос на цементно-бетонные изделия и конструкции высокого качества в Арабских странах непрерывно увеличивается, а значит и стремительно растёт спрос на портландцемент [1-2].
Годовой выпуск цемента в Арабских странах колеблется около 100 млн. т в год. Ведущими среди них можно выделить страны Саудовской Аравии и Королевства Иордании, а так же Объединённые Арабские Эмираты. В связи с непрерывным ростом спроса на портландцемент, страны-производители стремятся выпускать продукцию высокого качества, экологически безопасную для здоровья человека и окружающей среды с минимальными затратами на производство [1-3].
Важное значение в Арабских странах придают экологической безопасности жилых и промышленных зданий и сооружений, которая напрямую зависит от качества используемых в строительстве материалов [4-5]. Неблагоприятное их воздействие на здоровье человека и окружающую среду должно быть минимальным. В связи с этим в арабских государствах проводятся многочисленные исследования, направ-
ленные на выпуск экологически чистых строительных материалов и внедряются все новые технологии в строительной индустрии.
По данным международной организации «Зелёных зданий» (И80В80), для возведения экологически чистых зданий необходимо соблюдение следующих условий:
1. Максимальное использование вторичного сырья при производстве строительных материалов и для возведения зданий. Замена природного сырья отходами различных отраслей народного хозяйства позволяет сохранить запасы природных ресурсов Земли.
2. Применение экологически безопасного сырья, не содержащего вредных веществ для здоровья человека, в производстве строительных материалов, используемых при возведении зданий и строительства в целом.
3. Замена в строительном комплексе дефицитных природных ресурсов на их аналоги, имеющих широкое распространение. Это позволяет достичь максимальной экономии природных ресурсов, достаточно редко встречающихся в том или ином регионе нашей планеты.
4. Достижение минимальных энергетических затрат на производство строительных материалов для возведения зданий, их строительство и обслуживание.
По данным и80В80 «Зелёные здания» потребляют около 30 - 40 % мировой энергии, на их строительство затрачивается около 3 млрд. т природных ресурсов Земли. Например, в США такие здания потребляют около 40% энергии, 12 % запасов питьевой воды, а выброс углекислого газа составляет 38% [2].
Согласно источникам [2, 3] более 7 % двуокиси углерода и других вредных веществ в Арабских странах поступает в атмосферу в результате работы цементных заводов, Поэтому сегодня технологии производства цемента на этих заводах непрерывно совершенствуются, накоплен значительный опыт в области обеспе-
чения выпуска экологически безопасной и экономически эффективной продукции.
Эти цифры заставили правительство Арабских стран задуматься о выпуске новых строительных материалов, позволяющих обеспечить экономию природных и энергетических ресурсов и комфортность системы «Человек - материал - среда обитания».
Экологически чистым сырьём для производства строительных материалов являются туфы. В строительстве Арабских стран их применяют с древних времён. Сегодня туфы используются для кладки стен в виде пиленых камней правильной формы и бута, в дробленом виде - в качестве заполнителей для легких бетонов. Архитектурные постройки, мечети и дома из туфа получаются необыкновенно теплыми и прочными. Он достаточно легко обрабатывается (разрезается и шлифуется), что упрощает процесс монтажных работ.
Строительные материалы, содержащие в своем составе туф, обладают высокими прочностными характеристиками, водонепроницаемостью, морозостойкостью, коррозионной стойкостью. Здания, построенные с использованием материалов на основе туфового сырья, обладают высокой долговечностью и надёжностью.
Вулканические туфы образуются путем цементации и уплотнения вулканических пеплов и
другого твердого материала, цементирующим веществом служат вулканический пепел, кремнезем и продукты разложения пепла. Собственно вулканические туфы — мелко- и тонкообломочные породы, состоящие из сцементированных частиц вулканического песка (0,1...0,2 мм) и пепла (менее 0,1 мм). Форма обломков в грубообломочных туфах может быть округлой (вулканические бомбы), остроугольной или фигурной (следствие выброса в пластическом состоянии). Туфы с остроугольными обломками называют щебенчатыми. Поверхность обломков чаще шероховатая, порода многих обломков имеет шлаковую структуру. По преобладающему размеру обломков среди туфов выделяются разновидности: глыбовые агломератовые туфы (крупнее 20 см), собственно агломератовые (520 см), лапиллиевые (1-5 см), гравийные (0,2-1 см), мелкообломочные, пепловые и др. туфы.
Вулканические поля месторождения «Нагга1 Ashaam» Королевства Иордании являются одним из нескольких кайнозойских вулканических месторождений, расположенных в западной части Аравийского полуострова (рис. 1). Эти вулканические поля охватывают около 11000 км2 Королевства Иордании со средней глубиной до 100 м. Около 200 извержений с вулканическими центрами были зафиксированы на северо-востоке Королевства Иордании [4- 5].
Таблица 1
Химический состав вулканическых туфов различных месторождений
Месторождение Содержание оксидов, %
SiO2 Al2Oз Fe2Oз MgO CaO Na2O
Эксплуатируемые
«Те11 Rmah» 42.0 12.8 12.1 10.1 8.5 0.8 4.0
«Mkawer» 42.7 13.9 12.7 9.2 9.8 1.9 2.1
«Аап1уап» 38.6 12.8 12.1 9.6 9.3 1.5 2.1
Не эксплуатируемые
«SЫhan» 44.0 13.2 8.3 8.6 11.3 1.2 2.0
«Те11 Jheera» 35.0 10.2 11.3 7.6 20.2 0.7 2.4
«Jabal Atatah» 48.0 10.8 8.1 7.7 10.1 0.5 1.5
«Т1и1 Al-Shahba» 41.7 11.8 12.0 10.3 9.4 1.7 2.8
«Jabal Onaizah» 40.0 7.9 8.8 8.6 15.8 0.9 5.7
Наиболее важными физическими свойствами цеолитового туфа Королевства Иордании считаются: размер зерен, их распределение по объёму материала, процентное содержание цеолита в материале, устойчивость к истиранию, его кислотостойкость и насыпная плотность. Наиболее важным физическим свойством для строительных материалов, в т.ч. и туфа является водостойкость. Чем выше водостойкость, тем более водостойким и долговечным является материал. Исследования, проведенные учеными на заводе «Цемент Иордании» в 1985 году, доказали что присутствие цеолитов в туфе значительно повышает коэффициент водостойкости.
В настоящее время широкое распространение получили композиционные вяжущие, которые целесообразно использовать для повышения эффективности использования цемента и получения высококачественных бетонов [6-21], в этих материалах к основному вяжущему компоненту добавляют специальные добавки и активные минеральные компоненты, в том числе обладающие вяжущими свойствами.
С целью получения смешанных вяжущих был проведен целый ряд испытаний: сначала разрабатывали составы вяжущих композиций, определяли оптимальное соотношение компонентов цемента и минерального компонента, в
качестве минерального компонента использования туф месторождения Королевства Иордании. Изучение физико-механических и технологических свойств смешанных вяжущих, полученных путём механического смешения сырьевых компонентов, проводилось в несколько этапов:
1. Исследование влияния тонкости помола и содержания туфа в цементных композициях на физико-механические и технологические свойства
2. Исследование влияния тонкости помола туфа на физико-механические и технологические свойства вяжущих композиций.
3. Исследование влияния способа помола сырьевых компонентов на физико-механические и технологические свойства вяжущих композиций.
На первом этапе работы были выполнены исследования по изучению влияния процентного соотношения сырьевых компонентов на физико-механические и технологические свойства вяжущих композиций с различной тонкостью помола минерального компонента - вулканического туфа. С целью изучения влияния различных дозировок туфа в вяжущие композиции вводили от 5 до 50% туфа с разной удельной поверхно-
стью S=350 м2/кг и S=700 м2/кг, составы приве-
дены в табл. 2.
Рис. 1. Карта расположения месторождений цеолитового туфа Королевства Иордании
Составы смешанных вяжущих на основе цемента и туфа
Таблица 2
№ п/п Составы смешанных вяжущих
Цемент Туф
Доля в составе Удельная поверх- Доля в составе Удельная поверх-
% ность м2/кг % ность м2/кг
1а 100 320 - 350
2а 95 320 5 350
3а 90 320 10 350
4а 80 320 20 350
5а 70 320 30 350
6а 50 320 50 350
1б 100 700 - -
2б 95 320 5 700
3б 90 320 10 700
4б 80 320 20 700
5б 70 320 30 700
6б 50 320 50 700
Композиции готовили следующим образом: цемент домалывали в вибрационной мельнице до удельной поверхности 320 м2/кг, а предварительно раздробленный туф в щековой дробилке размалывали до удельной поверхности, соизмеримой с удельной поверхностью цемента — 350 м2/кг и превышающей ее в два раза - 700 м2/кг.
Смешение всех составов (1а-6а, 1б-6б) предварительно раздельно размолотых компонентов вяжущей композиции проводили в одинаковых условиях в цилиндрическом смесителе в течение 15 мин. Из приготовленных составов формовали образцы-кубики при обеспечении
одинаковой подвижности цементного теста: расплыв малого конуса - 80мм.
Динамика изменения В/Ц отношения в вяжущих композициях различного состава приведена на рис. 2.
Анализ кривых водоцементного отношения вяжущих композиций с различными удельными поверхностями сырьевых компонентов показывает, что в составах с увеличением содержания минерального компонента - туфа, водопотреб-ность увеличивается пропорционально увеличению содержания высокодисперсного туфа.
Кроме того, следует отметить увеличенную водопотребность в составах с высокой удельной
поверхностью 700 м2/кг, что согласуется с теоретическими положениями и накопленными экспериментальными результатами. Результаты физико-механических и технологических пока-
зателей полученных вяжущих композиций с различными удельными поверхностями приведены в табл. 3 и 4 и на рис. 3 — 6.
иТ
0,3 0,29 0,28 0,27 0,26 0,25 0,24 0,23 0,22
■тонкость помола туфа 350 м2/кг
тонкость помола туфа 700 м2/кг
Составы
Рис. 2. Динамика изменения водоцементного отношения в вяжущих композициях различного состава
Таблица 3
Физико-механические и технологические показатели вяжущих композиций при использовании ___туфа с _ 350 м2/кг__
№ сост В/Ц Предел прочности при сжатии, в возрасте, сут. Нормальная пустота, НГ Сроки схватывания
начало конец
3 7 28
1а 0,250 23,00 41.00 50.20 25.6% 2ч:01 мин 2ч:46 мин
2а 0,254 24,20 42.30 51.50 25.7% 2ч:04 мин 2ч:48 мин
3а 0,260 28.50 45.10 55,30 26.0% 2ч:10 мин 2ч:57 мин
4а 0,270 19. 10 38.30 45.20 27.0% 2ч:13 мин 3ч:03 мин
5а 0,280 17.20 33.53 39.10 28.5% 2ч:16 мин 3ч:12 мин
6а 0,290 16.10 28.30 35.46 29.1% 2ч:19 мин 3ч:25 мин
Таблица 4
Физико-механические и технологические показатели вяжущих композиций при использовании
2
№ сост В/Ц Предел прочности при сжатии, в возрасте, сут. Нормальная пустота, НГ Сроки схватывания
начало конец
3 7 28
1б 0,250 23,00 41.00 50.20 25.6% 2ч:01 мин 2ч:46 мин
2б 0,260 27,30 43.50 53.50 26.5% 2ч:04 мин 2ч:48 мин
3б 0,268 29.50 49.10 59,20 26.7% 2ч:10 мин 2ч:57 мин
4б 0,280 25.10 42.50 48.40 27.2% 2ч:13 мин 3ч:03 мин
5б 0,290 20.30 38.53 42.00 29.0% 2ч:16 мин 3ч:12 мин
6б 0,292 19.70 30.100 37.46 29.6% 2ч:19 мин 3ч:25 мин
Рис. 3. Сроки схватывания вяжущих прочности вяжущей композициикомпозиций с удельной поверхностью с удельной поверхностью туфа 350 м2/кг туфа 350 м2/кг
Рис.4. Динамическое нарастание
Рис.3. Сроки схватывания вяжущих прочности вяжущей композиций с удельной поверхностью с удельной поверхностью туфа 700 м2/кг туфа 700 м2/кг
Рис.4. Динамическое нарастание
Анализируя полученные результаты, следует отметить, что наилучшими показателями обладают вяжущие композиции с удельной поверхностью цемент 350 м2/кг и туф 700 м2/кг следующего состава: содержание цемента - 90% и содержание туфа - 10% (состав 3б).
Показатели предела прочности этих вяжущих композиций превосходят показатели предела прочности чистого цемента. Нормальная густота этих составов незначительно увеличивается за счёт высокой дисперсности туфового порошка.
Сроки сдвигаются в сторону увеличения -до 11 минут, а промежуток сроков схватывания сохраняется в пределах 50 минут.
Таким образом, полученные композиционные вяжущие с содержанием туфа 10 % и удельной поверхности 700 м2/кг можно рекомендовать для дальнейших исследований при получении композиционных вяжущих.
*Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. http : //www .yamamacement.com/ ^i^l )*Jl ЯШЛАИ Я^иЛ
2. http: //www .usgbc.org/Default.aspx The U.S. Green Building Council is committee.
3. çliill J|JA AJUAH ^Vjjjll -lv^". "l AIAAI
42)-2011-81
4. Hashmite kingdom of Jordan natural resources authority Geological survey administration Mineral Status and Future Opportunity
5. Russian Academy of Architecture and building Sciences BELGOROD state Technological Universty named after V.G Shukhov Lesovik V.S GEONICS SUPJECT AND OBJECTIVES Belgorod 2012.
6. Лесовик Р.В., Ковтун М.Н., Алфимова Н.И. Комплексное использование отходов обогащения ЮАР // Промышленное и гражданское строительство. 2007. № 8. С. 30-31.
7. Перспективы использования вулканического песка Эквадора для производства мелкозернистых бетонов / В.В. Строкова, Н.И. Алфимова, Ф.А. Наваретте Велос, М.С. Шейченко // Строительные материалы. 2009. № 2. С. 32-33.
8. Алфимова Н.И., Черкасов В.С. Перспективы использования отходов производства керамзита в строительном материаловедении // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. №3. С. 21-24.
9. Шейченко М.С., Лесовик В.С., Алфимова Н.И. Композиционные вяжущие с использованием высокомагнезиальных отходов Ковдорско-го месторождения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №1. С. 10-14.
10. К проблеме повышения эффективности композиционных вяжущих / В.С. Лесовик, Н.И. Алфимова, Е.А. Яковлев, М.С. Шейченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. №1. 2009. С. 30-33.
11. Алфимова Н.И., Вишневская Я.Ю., Трунов П.В. Влияние сырья вулканического происхождения и режимов твердения на активность композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №1. С. 5255.
12. Влияние способа помола на энергоемкость изготовления и качественные характеристики композиционных вяжущих / Н.И. Алфимова П.В. Трунов, Я.Ю. Вишневская, Е.И. Евтушенко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. №4. С. 37-39.
13. Применение отходов КМА при производства сухих строительных смесей / Г.Г. Ильинская, В.С Лесовик, Л.Х. Загороднок, A.C Ко-ломацкий // Вестник Белгородского государ-
ственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 4. С. 15-19.
14. Получение композиционных вяжущих в различных помольных агрегатах / А.В. Шкарин, Л.Х. Загороднюк, А.Ю. Щекина, И.Г Лугинина// Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 4. С. 53-57.
15. Композиционное вяжущее с использованием кремнистых пород / В.С Лесовик, В.В. Строкова, А.Н. Кривенкова, Е.И. Ходыкин // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -2009. — №1. С.25-27.
16. Лесовик В.С., Жерновой Ф.Е., Глаголев Е.С. Использование природного перлита в составе смешанных цементов // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 84-87.
17. Сулейманов А.Г., Лесовик В.С. Эффективное композиционное вяжущее для мелких стеновых блоков // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 1. С. 95-96.
18. Лесовик В.С., Агеева М.С., Иванов А.В. Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 29-32.
19. Использование композиционных вяжущих для повышение долговечности брусчатки бетонной / В.С. Лесовик, М.С. Агеева, Ю.В. Денисова, А.В. Иванов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 4. С. 52-54.
20. Шкарин А.В., Загороднюк Л.Х., Ильченко В.С. К вопросу оценки качества смешения сухих строительных смесей // Материалы и тех-нолгии XXI века. Теория и практика: сб. ст. X Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2012. - С. 51-53.
21. Шкарин А.В., Загороднюк Л.Х., Ильченко В.С. Пневматические смесители для приготовления сухих строительных смесей // Материалы и технолгии XXI века. Теория и практика: сб. ст. X Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 20
