CC BY
73
УДК: 666.973.2(043) © П.К. Хардаев, Д.Р. Дамдинова, Н.Н. Смирнягина,
В.Е. Павлов, Б.С. Цыренов
ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ НА ОСНОВЕ МАЛОЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВИРОВАННЫХ ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ ПЕРЛИТОВ
Исследована возможность использования активированных закристаллизованных перлитов в качестве легких бетонов на основе малоцементных вяжущих. Показано, что керамзитовый гравий обеспечивает более высокую прочность бетона, чем вулканический шлаковый щебень, при одинаковой объемной концентрации цементного камня в бетоне.
Ключевые слова: перлиты, бетоны
P.K. Khardaev, D.R. Damdinova, N.N. Smimyagina, V.E. Pavlov, B.S. Tsyrenov
LIGHT CONCRETES ON THE BASIS OF SMALL-QUANTITY CEMENT BINDERS WITH THE USE OF ACTIVATED CRYSTALLISED PERLITES
In the article the possibility to use ofprocessing by electron beam of crystallised perlites for the purpose of synthesis of clinkerless binder and binder with the low content of cement for obtaining of the light concrete has been studied. It is shown that on the basis of the activated crystallised perlites Gaydite-concrete on material and energy saving technology can be received.
Keywords: perlites, binders
Проблема повышения эффективности строительных материалов тесно связана с ростом их качества при снижении ресурсных и энергетических затрат на производство. В работе решение вопроса о повышении эффективности востребованных в строительстве легких бетонов связано с использованием в качестве сырья закристаллизованных перлитов. Данная разновидность перлитовых пород составляет до 70% в общем объеме добываемого перлитового сырья Забайкалья и отнесена к некондиционному сырью при добыче стекловидных перлитов. Проведенные исследования базируются на теоретических предпосылках о возможности снижения материальных и топливно-энергетических затрат при производстве легких бетонов за счет применения в составах вяжущих закристаллизованных перлитов, подвергнутых электронно-лучевой активации.
Основной целью являлось получение создание легких бетонов на основе малоцементных вяжущих с использованием активированных закристаллизованных перлитов. Наличие огромных запасов закристаллизованных перлитов и применение нового способа их активации создают на наш взгляд реальную основу для экономии цемента и повышения эксплуатационных свойств бетонов. Интерес к повышению активности закристаллизованного перлита также связан с тем, что перлитовые породы Забайкалья, обладая постоянным химическим составом, характеризуются широким разнообразием энергетического (термодинамического) состояния [1]. Это обстоятельство позволило выдвинуть предположение о возможности повышении активности закристаллизованных перлитов путем воздействия электронного пучка на структуру перлитовой породы.
Известно, что электронными пучками, которые относятся к чистым безынерционным источникам нагрева с высокой удельной мощностью, технически, экономически и экологически выгодно плавить и рафинировать тугоплавкие, жаропрочные и химически активные металлы, сплавы и специальные конструкционные стали. Электронная плавка значительно превосходит другие виды вакуумной плавки (индукционные и дуговые) благодаря точной дозировке и высокой концентрации энергии. Кроме того, она обеспечивает особую чистоту получаемого расплава, недоступную при рафинировании тугоплавких металлов в традиционных не электронных печах [2].
К главному преимуществу электронной плавки перлитового сырья относится то, что электроннолучевая активация обладает наименьшим энергопотреблением по сравнению с другими способами активации. Удельные энергозатраты убывают в ряду технологий: механическая (0,7 кВт-ч/кг) ^ ультразвуковая активация (0,1 кВт-ч/кг) ^ кавитационно-импульсная (0,025 кВт-ч/кг) ^ электроннолучевая (0,006 кВт-ч/кг).
В монографии Аввакумова [3] указано, что при механической активации предельные значения такого параметра, как энергия механоактивации выходят на некоторое постоянное значение и не
увеличиваются с ростом механическом энергии, расходуемой на единицу массы активируемого вещества, достигая величин удельных энергозатрат до 0,75-0,8 кВтч/кг порошка породы с удельной поверхностью Sуд = 610 м2/кг. Поэтому механоактивация в энергонапряженных агрегатах часто сопряжена со значительными энергетическими затратами и удорожанием продукции.
В наших исследованиях при активации закристаллизованного перлита электронная пушка работала при извлекающем напряжении до и = 10 кВ с током электронного пучка до I = 10-1 А. Общая потребляемая мощность электронно-лучевой установки составляла от 5,5 до 6,0 кВт. Продолжительность активации - в пределах 4 с при толщине слоя активируемого за это время вещества (закристаллизованного перлита) 5 мм. На рис. показано изменение степени аморфизации Cа закристаллизованного перлита при электронно-лучевой активации.
масса пробы 500 г
масса пробы 1000 г
I, А
масса пробы 2000 г
Рис. Изменение степени аморфизации (Са) закристаллизованного перлита в зависимости от величины тока электронно-лучевого потока I
Аморфизация структуры закристаллизованного перлита происходит, благодаря интенсивной бомбардировке направленным потоком электронов частиц закристаллизованных пород вследствие снижения энергии активации процесса перехода кристаллических фаз в аморфизированные. В исследованиях при получении малоцементного вяжущего и легких бетонов на его основе предварительно было получено бесцементное вяжущее с использованием активированного вышеуказанным способом закристаллизованного перлита Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия (табл. 1). В составах бесцементного вяжущего использованы известь негашеная (ГОСТ 9179-74) и щелочной компонент (№ОН, КОН).
Таблица 1
Химико-минералогический состав закристаллизованного перлита
Содержание стеклофазы, масс. % Содержание оксидов, масс. %
SiO2 АЪОэ Fe2Oз FeO СаО MgO R2O П.П.П.
20-40 73,13 11,7 1,08 1,71 0,55 0,30 6,40 7,65
Установлено, что гидравлическая активность активированного закристаллизованного перлита на 20-25% ниже, чем у контрольного образца неактивированного закристаллизованного перлита. Оптические наблюдения за процессом гидратации перлитов показали интенсивный рост микроскопических хлопьевидных образований и новых фаз на активированных закристаллизованных перлитах. Рентгеноструктурным и термографическим анализами выявлено наличие в бескликерных вяжущих низкоосновных гидросиликатов кальция, количество которых растет с увеличением содержания СаО до 30%. Аморфизированный закристаллизованный перлит при пропаривании твердеет с образованием преимущественно микрокристаллического низкоосновного гидросиликата кальция CSH(B) и двухосновного С^Н(А), тогда как исходный закристаллизованный перлит твердеет с образованием в основном С^Н(А).
Получение малокликерных вяжущих осуществлялось на основе активированного закристаллизованного перлита и портландцемента Тимлюйского завода в присутствии суперпластификатора С-3. Помол 50% АЗП с 50% портландцемента и 0,8-1,25% С-3 от массы цемента позволяет получить малоклинкерного вяжущего (СВ-50) с активностью 40 МПа, как и у исходного цемента. При этом на основе бездобавочного цемента ПЦ-Д0 вяжущее СВ-50 имеет следующие показатели: удельная поверхность - 479 м2/кг, нормальная густота - 20,5%, сроки схватывания: начало - 1 ч 26 мин, конец - 3
ч 23 мин, прочность при сжатии после пропаривания - 28,2 МПа; а на основе цемента ПЦ-Д20: удельная поверхность - 509 м2/кг, нормальная густота - 23,4%, сроки схватывания: начало - 2 ч 44 мин, конец - 4 ч 10 мин, прочность при сжатии после пропаривания - 31 МПа.
Далее с применением центрального композиционного ротатабельного планирования при числе факторов k = 2, были получены зависимостей физико-механических свойств малоклинкерных вяжущих от содержания портландцемента и суперпластификатора С-3: а) нормальной густоты цементного теста, %:
НГ = 22,24 - 4,39X1 - 2,08X2 + 0,55X12 + 1,05 X22 + 0,625 X1X2;
б) средней плотности цементного камня, кг/м3:
р = 1810 + 175 X1 + 44 X 2 + 28 X12 - 9 Х1X 2;
в) прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток нормального твердения, МПа:
R = 46,62 +11,74X1 + 3,9X2 - 4,63X12 - 2,85 X2 2 + 3,73 X1X2.
Исследование процесса структурообразования по результатам тепловыделения показало, что в малокликерных вяжущих твердение происходит более интенсивно по сравнению с исходным цементом. Фазовый состав новообразований, по данным рентгенофазового и дифференциальнотермического анализов отличается значительным содержанием гидросиликатов кальция типа CSN(B). По данным электронной микроскопии в цементном камне преобладает аморфная субмик-рокристаллическая масса с прорастающими в ней и скрепленными между собой игловидными кристаллами тоберморита, эттрингита, C2SH(A) и др. Имеются вкрапления непрореагировавших зерен клинкера и аморфных перлитовых частиц, а также поры различного диаметра.
Особенности микроструктуры и фазового состава новообразований цементного камня позволили использовать разработанное вяжущее для получения легких бетонов. Малоклинкерное вяжущее СВ-50 получали на основе портландцемента бездобавочного и с активной минеральной добавкой до 20%. В качестве крупного заполнителя использовался керамзитовый гравий Ангарского завода ЖБИ фракции 5-20 мм. Основные свойства легкобетонных смесей и бетонов на основе малоклинкерного вяжущего с использованием активированных закристаллизованных перлитов в табл. 2.
Таблица 2
Составы и физико-механические свойства легкобетонных смесей и керамзитошлакобетона
Вид вяжу- щего Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси В/Ц Удобо- уклады- вае- мость, с Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа
вяжу- щего круп. запол- нителя, дм3 шлако- вого песка, дм3 воды, дм3 * рс.ул ** рест. рсух. По- сле ТВО, Через 28 сут. нормального твердения образцов
R28пп R28нт
ПЦ-Д0 140 1010 410 230 1,7 12 1220 1160 1000 5,6 8,2 7,1
-«- 205 1040 440 250 1,2 15 1320 1300 1100 11,7 13,1 13,0
-«- 260 990 420 250 1,0 15 1320 1320 1120 13,0 16,8 16,0
-«- 330 1010 400 300 0,9 15 1420 1400 1150 14,6 20,3 19,3
СВ-50 140 1050 430 240 1,7 10 1270 1250 1060 7,2 8,4 6,4
-«- 210 1050 420 245 1,2 15 1320 1280 1100 8,0 12,4 10,0
-«- 260 990 400 234 0,9 20 1300 1300 1120 10,2 15,0 14,0
-«- 330 1010 400 265 0,8 12 1380 1320 1150 11,3 18,2 17,1
1-*— 1----------1----------1--------1------1------1-------***-------------------------------------------------------1-1--1-1-1
рс.ул средняя плотность свежеуложенной смеси, рест. - средняя плотность бетона после пропаривания и
***
Рсух. - средняя плотность бетона в сухом состоянии.
Установлено, что замена в исходном вяжущем до 50% клинкера закристаллизованным перлитом, подвергнутым электронно-лучевой активации в комплексе с пластификатором С-3 практически не приводит к увеличению водопотребности равноподвижных легкобетонных смесей и к значительному снижению полученных бетонов.
Было выявлено, что керамзитовый гравий обеспечивает более высокую прочность бетона, чем вулканический шлаковый щебень при одинаковой объемной концентрации цементного камня в бетоне. В результате исследований основных строительно-технических свойств полученных бетонов было установлено, что:
- значение коэффициента призменной прочности разработанного керамзитошлакобетона отличается от аналогичного показателя для легких бетонов равной прочности по СНиП 2.03.01-84 и составляет 0,75;
- начальный модуль упругости при сжатии и растяжении керамзитобетона ниже нормируемых по СНиП 2.03.01-84 для бетонов равной прочности и средней плотности в среднем на 5-10%;
- относительная предельная сжимаемость керамзитошлакобетона находится в пределах 0,14-0,16 мм/м;
- величина усадки легких бетонов на малоклинкерных вяжущих в 1,3-1,5 раза выше, чем у бетонов аналогичных составов на портландцементе и достигает 0,4^0,57 мм/м;
- сцепление арматуры с легкими бетонами на СВ-50 на 5-15% ниже по сравнению с обычными бетонами, что обусловливает повышенные требования к анкеровке арматуры в разработанных бетонах.
Технико-экономические расчеты показали, что использование в технологии легкого бетона более дешевого малоклинкерного вяжущего за счет применения в составах вяжущего активированного закристаллизованного перлита позволит в целом снизить стоимость материалов бетонной смеси на 2527% без потерь в качественных показателях готового легкого бетона.
Литература
1. Цыремпилов А.Д., Хардаев П.К., Заяханов М.Е. Эффективные вяжущие и бетоны на основе эффузивных пород. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1999. - 348 с.
2. Семенов А.П., Смирнягина Н.Н. Синтез карбидов кремния и вольфрама под воздействием мощного электронного пучка // Неорганич. материалы. - 1998. - Т.34, №8. - С. 982-985.
3. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. - Новосибирск, Наука, 1986. - 137 с.
4. Хардаев П.К., Цыремпилов А.Д., Семенов А.П. и др. Способ получения композиционного вяжущего (варианты). Патент №2000118975. - 2003.
Хардаев Петр Казакович, советник РААСН, доктор технических наук, профессор, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 670013, Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в, тел.: (3012)431415
Дамдинова Дарима Ракшаевна, доктор технических наук, профессор, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 670013, Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в, тел.: (3012) 21-19-60, [email protected],
Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, главный научный сотрудник, Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, тел.: (3012)433845, [email protected],
Павлов Виктор Евгеньевич, кандидат технических наук, инженер, ООО "Востокпромпроект", тел.: 8(9021)608079, 670009, Улан-Удэ, ул. Светлогорская д. 1, кв. 2, [email protected]
Цыренов Булат Сергеевич, инженер, ООО "Строители Забайкалья", 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 81
Khardaev Petr Kazakovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, East-Siberian State University of Technologies and Management, 670013, Ulan-Ude, Kluchevskaya St., 40-a
Damdinova Darima Rakshaevna, Doctor of Technical Sciences, Professor, East-Siberian State University of Technologies and Management, 670013, Ulan-Ude, Kluchevskaya St., 40-a
Smirnyagina Natalia Nazarovna, Doctor of Technical Sciences, senior lecturer, Institute of Physical Material Science of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 6.
Pavlov Viktor Evgenievich, candidate of technical sciences, engineer, Vostokpromproekt Ltd, 670009, Ulan-Ude, Svetlogorskay St., 1, apt., 2
Tsyrenov Bulat Sergeevich, engineer, “Stroitel Zabaikalia” Ltd, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 81
