CC BY
60Малоусадочный газобетон с базальтовой фиброй из промышленных отходов
Али Рушди Ахмед Али
аспирант, кафедра производство строительных изделий и конструкций, Тверской государственный технический университет, [email protected]
Белов Владимир Владимирович
доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе, заведующий кафедрой ПСК, Тверской государственный технический университет, [email protected]
Целью работы является исследование влияния волокнистых отходов на уменьшение деформации усадки неавтоклавного газобетона. Приведены результаты исследований, направленных на улучшение физико-механических характеристик газобетона неавтоклавного твердения. Исследования микроструктуры и технических характеристик образцов неавтоклавного газобетона в возрасте 28 суток проведены на установке JEOLJSM 6490 (Япония). В работе представлена матрица планирования эксперимента типа В4, по результатам которого получены математические модели зависимостей В/Т отношения и содержания алюминиевой пудры. Исследовалась микроструктура образцов газобетона неавтоклавного твердения в возрасте 28 суток на основе портландцемента, ПБО и ВБО. При использовании промышленных отходов улучшаются физико-механических характеристики газобетона неавтоклавного твердения и снижаются деформации усадки. Исследование полученных образцов с помощью электронно-микроскопического анализа подтвердило возможность использования волокнистых отходов в качестве регуляторов усадки. Установлено, что при введении в состав газобетона волокнистых отходов усадка в возрасте 180 суток снижается на 31 % для материала плотностью 600 кг/м3.
Ключевые слова: волокнистые отходы, пылевидные базальтовые отходы, неавтоклавный газобетон, усадка, коэффициент прочности, микроструктура, усадка.
о см о см
со
О!
^
н
О Ш
т
X
<
т О X X
Введение
В настоящее время в связи с увеличением стоимости энергоресурсов возник устойчивый интерес к минеральным строительным материалам с высокими теплоизоляционными свойствами [1, 2]. Плотность и пористость ячеистого бетона являются важнейшими характеристиками, определяющими многие его физико-механические свойства [3]. В работе [4, 5] разработан экспериментальный состав неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных и волокнистых отходов. Получены данные о прочностных характеристиках композиционных материалов с добавкой отходов производства [6].
Новый легкий пенобетон включает в себя внутреннее армирование при помощи коротких полимерных волокон [7]. Основными недостатками неавтоклавного газобетона являются его низкие прочность и трещино-стойкость [8]. Модификация сырьевой смеси дисперсным армированием в количестве 1-3 % от массы цемента приводит к изменению морфологии новообразований [9]. Наиболее эффективный способ дисперсного армирования газобетона для повышения его трещино-стойстойкости связан с использованием базальтового волокна [10, 11]. В результате испытаний было установлено, что химическая связь между волокном и щелочно-активированной матрицей раствора с прочностью на сжатие на 87,6 % выше, чем у гидрофильного волокна ПВА с 1.2%-м масляным покрытием [12]. Показано, что при добавлении базальтового волокна улучшаются механические свойства и уменьшаются усадочные деформации [13]. Усадка неавтоклавного газобетона в процессе высыхания может достигать величины 2-3,5 мм/м. На показатели усадки значительное влияние оказывает состояние межпоровой перегородки [14]. Дисперсное армирование (например, введение полипропиленовой фибры) снижает усадку в возрасте 28 суток на 16-20.2 % [15]. По результатам исследования микроструктуры базальтофибробетона установлено, что оптимальное содержание базальтового волокна составляет 0.5 % от массы цемента по критерию прироста прочности [16].
Целью работы являлось изучение влияния ВБО на уменьшение деформации усадки неавтоклавного газобетона. В этой связи представляется актуальным проведение исследований, направленных на улучшение физико-механических характеристик бетона неавтоклавного твердения. В качестве основных компонентов для изготовления неавтоклавного бетона использовали портландцемент марки ПЦ500Д0, пылевидные базальтовые отходы (ПБО) и ВБО (насыпная плотность 190 кг/м3), алюминиевую пудру марки ПАП-2 и суперпластификатор СП-1.
Методика
Пылевидные базальтовые отходы применяли в качестве минерального микронаполнителя, который представляет собой порошок с удельной поверхностью 346 м2/кг, истинной плотностью 2180 кг/м3 и насыпной плотностью 680 кг/м3. Определение микроструктуры образцов (рисунок 1) и химического состава производилось на
сканирующем микроскопе Quanta 200 с приставкой для количестве 11.14 %; MgO в количестве 9.06 %; Fe2O3 в элементного анализа Apollo 40 методом энергодиспер- количестве 7.87 %. сионной спектроскопии по ФР.
А
Оксид CO2 Na2O MgO AI2O3 SÍO2 SO3 CI2O K2O CaO Fe2O3
Со-
дер-
жание по 4.62 3.83 8.83 2.87 68.33 1.08 1.38 1.65 3.81 3.59
массе
, %
Таблица 2
Химический состав ВБО
Оксид CO2 Na2O MgO AI2O3 SÍO2 SO3 K2O CaO TÍO2 Fe2O3
Со-
дер-
жание по 1.45 1.58 9.06 11.14 53.67 0.65 0.57 12.91 1.10 7.87
массе
, %
Рисунок 1 - Микроструктура пылевидных базальтовых отходов (А); волокнистых базальтовых отходов (Б)
Гранулометрический состав цемент и пылевидных базальтовых отходов определяли с помощью лазерного анализатора частиц MicroSizer 201.
Физико-механические характеристики композиций в соответствии с RUF ГОСТ 18105-2010 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности» исследовались на образцах размерами 70х70х70, 40х40х160 и 100х100х100 мм. Для определения деформации усадки бетона неавтоклавного твердения допускается применять призмы размерами 40х40х160 мм. Размеры образцов для определения деформаций усадки и ползучести выбирают в зависимости от наибольшей крупности заполнителя в пробе бетонной смеси в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78.
Химический состав ПБО, представленный в таблице 1, показывает, что основным оксидом является SiO2 в количестве 68.33 % по массе.
Таблица 1
Химический состав пылевидных базальтовых отходов
Гранулометрический состав ПБО представлен частицами от 0,4 до 75 мкм. ВБО, полученные при обработке минераловатных плит, применялись в качестве дисперсно-армирующего компонента газобетона. Базальтовые отходы представляет собой волокна толщиной 40-705 мкм, длиной 2-8 мм.
Для изготовления газобетонной смеси все компоненты дозировались в соответствии с программой исследования. Если диаметр расплыва теста менее 28 см, в раствор добавляют воды и испытание повторяют. Если расплыв в пределах 28-30 см, то формуют образцы. Результат заносят в таблицу 4 (РС, см). Перемешивание осуществлялось в течение 5 мин, после чего сухую готовую смесь всыпали в подогретую до 50°С воду и перемешивали с помощью пропеллерной мешалки при 150-180 об./мин в течение 2 мин. Приготовленную газобетонную смесь заливали в формы-тройчатки 10x10x10 см, предварительно разогретые до температуры 40-45°С. Газобетонная смесь в формах вспучивалась в течение 20 мин. Горбушка срезалась металлической струной через 3 часа после заливки смеси в формы.
Результаты
Для оптимизации состава газобетона был проведен четырехфакторный планированный эксперимент на трех уровнях варьирования типа В4. В качестве факторов варьирования были приняты В/Т отношение и содержание алюминиевой пудры. В таблице 3 представлена матрица планирования эксперимента типа В4, по результатам которого получены математические модели зависимостей В/Т отношения и содержания алюминиевой пудры.
Таблица 3
Факторы Уровень варьи рования Интервал варьирования
Натуральные Кодирование -1 0 +1
ПБО/Ц Х1 0.50 0.75 1.00 0.25
NaOH Х2 0 0.5 1.00 0.50
Al Х3 550 600 650 50
В/Т Х4 0.62 0.64 0.66 0.02
В таблице 2 представлен химический состав волокнистых отходов. Основными оксидами являются SiO2 в количестве 53,67 %; СаО в количестве 12.91 %, АЮз в
Математическая модель образцов из газобетонной смеси в возрасте 7 суток может быть представлена в виде системы уравнений:
предел прочности на сжатие
Пйсж) =^(х1х2х3х4) = 1.47557 -- 0.4309 *х1 + 0.10842 * х2 --0.0332 * х3 - 0.06116 * * х4 + +0.11204 * X!2 - 0.018 * х22 --0.072963 * х32 - 0.012963 * х42; влажность
Г(Ж,%) =^,(х1х2х3х4) = 43.0514 -
X X
о го А с.
X
го m
о
ю 00
2 О
м о
Б
-0.45592 * х1 - 0.1446 * х2 -
о см о см
со
О!
о ш т
X
<
т О X X
- 1.0654 * х^ - 0.2655 * х22 --1.41545 * х32 - 0.61545 * х42; средняя плотность
У(Рср)=Р(х1х2х3х4) = 562.272 --26.744 * х1 - 8.5624 * х2 --19.238 * х3 - 14.1224 * х4 + + 16.8034 * X!2 - 5.6966 * х22 -
-2.6966 * х32 + 2.3034 * х.
42 +
+4.437 * х1 *х2 + 4.0625 * х2 * *х4 + 2.9375 * х3 *х4.
Так как Гр < Г-абл, полученные уравнения регрессии являются адекватными, и их можно считать математической моделью для данной области изменения исследуемых факторов.
Коэффициент прочности равен отношению предела прочности на сжатие к квадрату средней плотности материала:
Кпр — —.
(2)
Цемент, кг ПБО, кг А1 пудра,г СП-1, кг NaOH, кг Вода, л
250 250 550 1.92 2.50 298
№ ВБ О, % Врем я вспуч и-ва-ния, мин Горбушка мм Влаж ност ь W, % Прочность на сжатие Ясж, МПа, 7 суток Прочность на сжатие Ксж, МПа, 28 суток Средняя плотность, кг/м3 Коэффициент проч-но-сти Кп.
1 0 10 +15 38 1.31 1.71 490 7,064
2 2 12 +8 38 1,58 1,80 504 6,53
3 4 14 +8 39 1,68 1,86 515 6,54
4 6 16 -2 42 1,80 1,85 526 5,79
Исходя из этого, наиболее эффективно регулировать среднюю плотность газобетона, варьируя содержание алюминиевой пудры. Оптимальным можно считать состав № 4, при использовании которого достигается наибольший коэффициент прочности, равный 5,74. Оптимальный состав (максимальный предел прочности на сжатие, минимальный расход цемента и минимальная усадка бетона) получен при соотношении ПБО/Ц = 1 (таблица 4).
Таблица 4
Для определения оптимального содержания ВБО выполняли однофакторный эксперимент с варьированием содержания отходов в интервале от 0 до 6 %. В таблице 5 показана зависимость прочности на сжатие от содержания ВБО.
Таблица 5
Физико-механические характеристики газобетона с использованием ВБО
Рисунок 2 - Микроструктура образца газобетона третьего состава: 500Х (А); 3000Х (Б)
Усадка неавтоклавного газобетона происходит из-за потери не связанной в процессе гидратации воды, при этом ВБО играют роль связующего компонента.
Деформация усадки газобетона изучалась в соответствии с требованиями ГОСТ РФ 24544-81 на образцах неавтоклавного газобетона размерами 40х40х1б0 мм. До начала испытаний образцы погружались в воду на трое суток и хранились в горизонтальном положении. Контроль линейных деформаций осуществлялся с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0.002 мм. Испытание и хранение образцов производили в воздушно-влажных условиях при t = (20±2)оС и относительной влажности воздуха (60±5) %. Установлено, что при введении в состав газобетона волокнистых отходов усадка в возрасте 180 суток снижается на 31 % для материала плотностью 600 кг/м3 Результаты измерений усадки газобетона приведены на рисунке 3.
Оптимальным является состав № 3, так как при использовании 4 % ВБО достигается наибольший коэффициент прочности, равный 6.54 МПа.
Исследовалась микроструктура образцов газобетона неавтоклавного твердения в возрасте 28 суток на основе портландцемента, ПБО и ВБО.
Установлено, что неавтоклавный газобетон третьего состава имеет более плотную структуру по сравнению с первым составом и не показывает образования трещин (рисунок 2).
А 060-**
Рисунок 3 - Зависимость деформации усадки газобетона от «суток»
Установлено, что усадка неавтоклавного газобетона, содержащего 4 % волокнистых базальтовых отходов, на 30 % меньше по сравнению с составом № 1 без содержания данного дисперсно-армирующего компонента.
А
Б
3
При использовании состава № 2, содержащего 2 % волокнистых отходов от массы цемента, усадка газобетона снижается на 21.73 %.
Таким образом, при выполнении научно-исследовательской работы «Газобетон неавтоклавного твердения на основе использования портландцемента марки ПЦ500Д0, пылевидных базальтовых отходов (ПБО) и волокнистых отходов (ВБО)» установлены оптимальные составы неавтоклавного газобетона на основе разработанной смеси, Как показывают исследование микроструктуры полученных образцов, использование волокнистых отходов позволяет значительно уменьшить тре-щинообразование.
Выводы
Разработаны составы малоусадочного неавтоклавного газобетона с улучшенными физико-механических характеристиками. Замена цемента на пылевидные базальтовые отходы и введение в состав смеси волокнистых отходов в количестве 4 % от массы цемента способствует повышению эксплуатационных свойств газобетона. При использовании промышленных отходов улучшаются физико-механических характеристики газобетона неавтоклавного твердения и снижаются деформации усадки.
Исследование полученных образцов с помощью электронно-микроскопического анализа подтвердило возможность использования волокнистых отходов в качестве регуляторов усадки.
Литература
1. Леонович С.Н., Свиридов Д.В., Щукин Г.Л. Компенсация усадки пенобетона // Строительные материалы. 2015. № 3. С. 3-6.
2. Свинарев А.В., Глушков А.М., Куприна А.А. Технологический модель ТМ-25 для производства неавтоклавных фибропенобетонных изделий // Строительные материалы. 2014. № 6. С. 4-6.
3. Белов В.В., Али Р.А. Влияния волокнистых базальтовых отходов на характеристики неавтоклавного газобетона // Научное обозрение. 2016. № 15. С. 48-54.
4. Али Р.А., Белов В.В. Дисперсно-армированный газобетон с использованием базальтовых отходов // Цемент и его применение. 2016. № 3. С. 78-81.
5. Yuanming S., Baoling L., En-Hua Y., Yiquan L. Feasibility study on utilization of municipal solid waste incineration bottom ash as aerating agent for the production of autoclavedaerated concrete. Cement and Concrete Composites. Volume 56 2015. P. 51-58.
6. Степанова В.Ф. Перспективы применения композитов в производстве бетон и железобетона // Технологии бетонов. 2016. № 9-10 (110-111). С. 8-9.
7. Bonakdar A., Babbitt F., Mobasher B. Physical and mechanical characterization of Fiber-Reinforced Aerated Concrete (FRAC). Cement and Concrete Composites. Volume 38, April 2013. P. 82-91.
8. Езерский В.А. Улучшение свойств мелкозернистого бетона с помощью комплексных минеральных добавок // Строительные материалы. 2015. № 6. С. 4-6.
9. Кудяков А.И., Плевков В.С. Совершенствование технологии изготовления базальтофибробетона с повышенной однородностью // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 76-79.
10. Сарайкина К.А., Голубев В.А. Повышение коррозионной стойкости базальтового волокна в цементных бетонах // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 2730.
11. Сумин А.В., Строкова В.В. Пеногазобетон с нано-структрированным модификатром // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 27-30.
12. Jeong-Il Choi and Bang Yeon Lee Bonding Properties of Basalt Fiber and Strength Reduction According to Fiber Orientation. Received: 23 July 2015; Accepted: 23 September 2015; Published: 30 September 2015 Academic Editor: Jérôme Chevalier.
13. Jeongsoo Nam , Gyuyong Kim , Jaechul Yoo , Gyeongcheol Choe , Hongseop Kim ,Hyeonggil Choi and Youngduck Kim. Effectiveness of Fiber Reinforcement on the Mechanical Properties and Shrinkage Cracking of Recycled Fine Aggregate Concrete. Materials. Received: 10 October 2015; Accepted: 18 February 2016; Published: 26 February 2016.
14. Никольский С.Г., Перцева О.Н., Иванова В.И. Обоснование экспресс-метода определения морозостойкости пористых материалов // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 8(60). С. 7-19.
15. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Гиперпластификаторы «Melflux» для сухих строительных смесей и бетонов // Строительные материалы. 2010 № 6. С. 38-39.
16. Бердов Г.И., Елесин М.А., Умнова Е.В. Ячеистый шлакопортландцементный бетон на известково-серном затворителе // Строительные материалы. 2015. № 5. С. 76-78.
Low-shrink aerated concrete with basalt fiber from industrial
waste Ali R.A., Belov V.V.
Tver State Technical University
The aim of the work was to study fibrous basalt wastes to reduce the deformation shrinkage of non-autoclaved aerated concrete. The results of research aimed at improving the physico-mechanical characteristics of non-autoclaved hardening of aerated concrete are presented. Studies of the microstructure and technical characteristics of non-autoclaved aerated concrete samples at the age of 28 days were carried out on a JEOLJSM 6490 installation (Japan). The paper presents a matrix for planning an experiment of type B4, based on the results of which mathematical models of the W / T ratio and the content of aluminum powder were obtained. The microstructure of non-autoclave hardened aerated concrete samples at the age of 28 days based on Portland cement, PBO and VBO was investigated. When using industrial waste, the physical and mechanical characteristics of non-autoclaved aerated concrete are improved and shrinkage deformations are reduced. The study of the samples obtained using electron microscopic analysis confirmed the possibility of using fibrous waste as shrinkage regulators. It was found that when fibrous waste is introduced into the composition of aerated concrete, shrinkage at the age of 180 days is reduced by 31 % for a material with a density of 600 kg / m3. Keywords: fibrous basaltic waste, pulverized basalt waste, non-autoclaved aerated concrete, microstructure, shrinkage.
References
1. Leonovich S.N., Sviridov D.V., Shchukin G.L. Compensation of foam concrete shrinkage // Building materials. 2015. No. 3. S. 3-6.
2. Svinarev A.V., Glushkov A.M., Kuprina A.A. Technological model TM-25 for the production of non-autoclave fiber-reinforced concrete products // Building materials. 2014. No. 6. P. 4-6.
3. Belov V.V., Ali R.A. Influence of fibrous basalt waste on the characteristics of non-autoclave aerated concrete // Scientific review. 2016. No. 15. S. 48-54.
4. Ali R.A., Belov V.V. Dispersed-reinforced aerated concrete using basalt waste // Cement and its application. 2016. No. 3. S. 78-81.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О M
о
5. Yuanming S., Baoling L., En-Hua Y., Yiquan L. Feasibility study on utilization of municipal solid waste incineration bottom ash as aerating agent for the production of autoclavedaerated concrete. Cement and Concrete Composites. Volume 56 2015. P. 51-58.
6. Stepanova V.F. Prospects for the use of composites in the production of concrete and reinforced concrete. Concrete technology. 2016. No. 9-10 (110-111). S. 8-9.
7. Bonakdar A., Babbitt F., Mobasher B. Physical and mechanical characterization of Fiber-Reinforced Aerated Concrete (FRAC). Cement and Concrete Composites. Volume 38, April 2013. P. 82-91.
8. Yezersky V.A. Improving the properties of fine-grained concrete using complex mineral additives. Stroitelnye materialy. 2015. No. 6. P. 4-6.
9. Kudyakov A.I., Plevkov V.S. Improvement of the technology of manufacturing basalt-fiber-reinforced concrete with increased homogeneity. Construction materials. 2016. No. 1-2. S. 76-79.
10. Saraikina K.A., Golubev V.A. Increasing the corrosion resistance of basalt fiber in cement concretes. Stroitel'nye materialy. 2016. No. 1-2. S. 27-30.
11. Sumin A.V., Strokova V.V. Foam gas concrete with nanostructured modifier // Building materials. 2016. No. 1-2. S. 27-30.
12. Jeong-Il Choi and Bang Yeon Lee Bonding Properties of Basalt Fiber and Strength Reduction According to Fiber Orientation. Received: 23 July 2015; Accepted: 23 September 2015; Published: 30 September 2015 Academic Editor: Jérôme Chevalier.
13. Jeongsoo Nam , Gyuyong Kim , Jaechul Yoo , Gyeongcheol Choe , Hongseop Kim ,Hyeonggil Choi and Youngduck Kim. Effectiveness of Fiber Reinforcement on the Mechanical Properties and Shrinkage Cracking of Recycled Fine Aggregate Concrete. Materials. Received: 10 October 2015; Accepted: 18 February 2016; Published: 26 February 2016.
14. Nikolsky S.G., Pertseva O.N., Ivanova V.I. Substantiation of the express method for determining the frost resistance of porous materials // Engineering and construction journal. 2015. No. 8 (60). S. 7-19.
15. Nesvetaev G.V., Davidyuk A.N. Melflux hyperplasticizers for dry building mixtures and concretes // Construction materials. 2010 No. 6. P. 38-39.
16. Berdov G.I., Elesin M.A., Umnova E.V. Cellular slag portland cement concrete on a lime-sulfur grout // Construction materials. 2015. No. 5. S. 76-78.
o
CN O CN
CO
O m m x
<
m o x
X
