Механические и Физико-технические свойства бетонов на основе отходов энергетических комлексов и природных минералов цеолитов Амурской области Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.972.16:691.327.536 Рыженко В.Х., к.т.н., доцент, ДальГАУ

Костюков Н.С., д.т.н., профессор; Рыженко А.В., к.т.н., доцент, АмГУ МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМЛЕКСОВ И ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛОВ ЦЕОЛИТОВ АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ

В настоящей работе рассматривается возможность использования золошлаковых отходов, золы уноса топливно-энергетических комплексов Амурской области и природных минералов — цеолитов в качестве добавок в бетоны.

Бетоны, получаемые на основе композиционного вещества (КВ) и имеющие в своем составе вяжущее, заполнитель и наполнитель - минеральные сырьевые добавки (ЗШО, зола-уноса, цеолитовый порошок) в зависимости от назначения и требований, предъявляемых к готовым бетонным изделиям, представляют собой затвердевшие смеси m из q различных веществ.

Рассматриваемая система - бетоны различных видов и составов, свойства которой зависят от соотношения компонентов V=( Vi, V2 ,.., Vq), представляет собой систему «состав - свойства» MQ, имеет вид

O < Vi < 1, £ Vi = i . (i)

i = 1

Определение оптимального состава, свойств и технологических параметров приготовления бетонов на основе композиционного вяжущего с добавками минеральных наполнителей - золошлаковых отходов (ЗШО), золы-уноса и природных цеолитов, осуществлялось методами математического планирования эксперимента [1].

Объекты и методы исследований

Серии опытных образцов-призм размером 100х100х400мм изготовляли на портландцементе М400 завода Теплого озера из тяжелого мелкозернистого бетона на гранитном щебне фракции 10.20мм, с введением в состав композиционного вяжущего (КВ) золошлаковых отходов (ЗШО), золы-уноса и цеолита в количестве 10.20% от массы цемента, а также из легкого бетона на керамзитовом гравии фракции 10.20 мм с введением в состав КВ минеральной добавки цеолита с удельной поверхностью 8УД=260м2/кг в количестве 20% от массы цемента.

Призменная прочность контрольных образцов из тяжелого мелкозернистого и лег-

кого бетона соответственно составляла Rв1=26,7МПа и Яв2=13,4МПа в возрасте 28 суток после тепловлажностной обработки (в пропарочной камере). При испытании контрольных образцов без добавок и с минеральными добавками (ЗШО, золы-уноса, цеолита) на деформативность образцы-призмы загружали в возрасте 28 суток после ТВО по стандартной методике НИИЖБ.

Результаты исследований по матрице плана экспериментов обрабатывались с помощью программы «MathCAD».

В качестве переменных факторов были выбраны:

- удельная поверхность портландцемента- X1, м2/кг;

- содержание минеральных добавок (ЗШО, золы-уноса, цеолита), вводимых в композиционное вяжущее (КВ) путем механического смешения смеси -Х2, % от массы цемента;

- содержание заполнителя ( мелкозернистый щебень, фракция 5.10мм; песок речной с МКР=1,21; керамзитовый гравий, фракция 5.15мм -Х3, кг/м3.

Переменные факторы варьировались на трех уровнях: основном(О), верхнем (+1) и нижнем (-1).

В качестве параметров оптимизации были выбраны следующие характеристики материала - бетона:

Y1 - нормальная густота композиционного вяжущего (КВ), %;

Y2 - предел прочности при сжатии бетонных образцов на композиционном вяжущем (КВ) после тепловлажностной обработки по мягкому режиму, МПа;

Y3 - предел прочности при сжатии бетонных образцов на КВ после твердения в

93

естественных условиях в течение 28 суток, МПа;

Y4 - деформативность бетонных образцов на композиционном вяжущем (КВ) после тепловлажностной обработки по принятому режиму, МПа;

Y5 - теплопроводность бетонных образцов (легкого бетона) на композиционном вяжущем (КВ) после тепловлажностной обработки по принятому режиму, Вт/(м ' 0с);

Y6 - удельная электрическая прочность бетонных образцов (тяжелого и легкого бетонов) на композиционном вяжущем (КВ) после тепловлажностной обработки , Ом ' м.

В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие уравнения регрессии:

- для нормальной густоты вяжущего Yi,

%:

Yi=20,7+4,3Xi+1,65X2+2,4XiX2+1,85XiX3+1,14X

2 2,1X2 +0,85X2X3+7,3X3+1,86X2 . (2)

- предел прочности при сжатии Y2 бетонных образцов на композиционном вяжущем (КВ) после тепловлажностной обработки по мягкому режиму, МПа:

Y2=24,7-3,95Xi-15,74X2+4,67X5-4,86X2+1,74X2-2,55XiX2 (3)

- предел прочности при сжатии Y3 бетонных образцов на композиционном вяжущем (КВ) после твердения в естественных условиях в течение 28суток, МПа:

Y3=23,8-3,7Xi-14,8X2+4,85X3-4,73X2 +7,24X2 -1,97X2 -2,43XiX2. (4)

- деформативность Y4 бетонных образцов на композиционном вяжущем (КВ) после тепловлажностной обработки по принятому режиму, МПа:

Y4=1,75+0,74Xi+0,96X2+0,92XiX2+0,29XiX3+ 0,57X20,87X2 + 0,38X2X3+1,15X3+0,93X2' (5)

- теплопроводность Y5 бетонных образцов (легкого бетона) на композиционном вяжущем (КВ) после тепловлажностной обработки по принятому режиму, Вт/(м'0с):

Y5=20,7-4,7Xi-13,8X2+5,3X3-4,3X2 +6,85X2 -1,35X2 -1,94XiX (6)

- удельная электрическая проводимость Y6 бетонных образцов (тяжелого и легкого бе-

тона) на композиционном вяжущем (КВ) после тепловлажностной обработки, Ом'м: Y6=0,094+0,071X2+0,018X3-0,044X2 +0,077X2 -0,09X2 +0,056X1X3 (7) Описываемые уравнения регрессии (1-

7) позволяют выявить степень влияния изменений X; на конечные результаты Y; . Отклонение расчетных данных от действительных значений этих параметров находится в пределах 7... 10% , что допустимо. Результаты исследований На основании полученных уравнений были построены графические зависимости оптимизируемых параметров от наиболее значимых переменных факторов (рис. 1 - 4).

Анализ уравнения регрессии показал, что наибольшее влияние на нормальную густоту композиционного вяжущего (КВ) с добавлением минеральных сырьевых добавок (ЗШО, золы-уноса, цеолитов) оказывают введенные минеральные добавки в состав КВ.

Так, увеличение содержания в составе КВ золошлаковых отходов, золы-уноса с 20 до 40% от массы цемента снижает нормальную густоту композиционного вяжущего на

10. 15% (рис. 1) и приводит к снижению прочности на сжатие бетонных образцов на 15. 20% в сравнении с контрольными (рис.2). Снижение прочности происходит за счет увеличения основности гидросиликатов кальция и повышения доли гидроксида кальция.

Из графической зависимости на (рис.3) видно, что тепловлажностная обработка (ТВО) образцов при температуре 900С является более эффективной для увеличения прочностных характеристик по сравнению с нормальными условиями твердения.

Нами установлено, что повышение удельной поверхности минерального порошка цеолита с 190.210 до 260.270м2/кг при постоянном соотношении всех компонентов в композиционном вяжущем приводит к увеличению пластичности цементного теста, то есть к снижению нормальной густоты КВ на 12.15%, что способствует контракции цементного камня твердеющего бетона и формированию более высокой плотности структуры.

94

Так как золошлаковые отходы (ЗШО) выраженными вяжущими свойствами не обладают, поэтому для увеличения их степени пуц-цоланизации в КВ вводили водный раствор суперпластификатора С-3 в количестве 0,35% от массы цемента.

Введение в состав КВ минеральных сырьевых добавок (ЗШО, золы-уноса, цеолитов природного происхождения) является целенаправленным формированием структуры цементного камня бетона и его капиллярно-порового пространства и получения бетонов более плотной структуры. На рисунке 4 показано влияние минеральных добавок (ЗШО, золы-уноса, цеолита) в составах КВ на деформа-тивность различных видов бетонов.

Для измерения продольных и поперечных деформаций образцов, на боковых гранях по осям устанавливались тензорезисторы, показания с приборов снимались в течение 3 часов через каждые 20минут, до полного разрушения образцов. Для получения зависимости ох - вх бетонные образцы загружали ступенями нагрузки (долями). Величина нагрузки на первых двух ступенях составляла @ 0,05РРАЗР. с выдержкой на каждой ступени 3 мин., на последующих ступенях - нагрузка составляла 0,1РРАЗР.. Результаты испытаний образцов на

деформативность приведены в таблице 1 и рисунке 2. В каждой серии было изготовлено по три образца.

ВЫВОДЫ

Таким образом установлено, что интенсификация процесса поглощения других компонентов в КВ протекает по типу поверхностной диффузии; тяжелые и легкие бетоны с добавками ЗШО, золы-уноса по морозостойкости проявляют достаточно высокие показатели марок в пределах 105.. .125 циклов, не уступая контрольным образцам без добавок на портландцементе Тепло-озерского завода М400; для более полного использования гидравлических свойств золошлаковых отходов (ЗШО), золы-уноса и природной минеральной добавки цеолита, тепловлажностная обработка бетонных изделий производится в течение 15.. 16 часов при температуре изотермического прогрева 85...90°С; тепловлажностная обработка бетонов с минеральными добавками (ЗШО, зола-уноса, цеолиты) положительно влияет на формирование структуры цементного камня, при этом уменьшается количество дефектов (уменьшаются размеры пор и их количество), тем самым увеличивается морозостойкость бетонов.

Таблица

Влияние минеральных сырьевых добавок (ЗШО, золы-уноса, цеолита) на деформативность и прочность бетона

Номер серии образцов и вид добавки в КВ Средняя скорость деформирования, v = — •106, мин1 t Напряжения в момент разрушения, сх, МПа Время испытания, мин. Относительные продольные деформации, ех*105, при сх.

1-контрольные без добавок. Кл. В30 тяж. мелкозернистый 11,3 29,43 180 185

2-тяжелый мелкозернистый. Кл. В20 с добавкой 10% ЗШО от массы цемента. 10,5 18,7 185 193

3-тяжелый мелкозернистый Кл.20 с добавкой золы-уноса 20% от массы цемента 10,5 17,3 168 227

4-тяжелый бетон Кл.В20 с добавкой цеолита S4y=260м2/кг -20% от массы цемента 10,5 18,3 174 190

5-легкий бетон Кл. В15 с добавкой цео лита 20% от массы цемента 10,5 13,8 157 249

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Вознесенский, В.А. Численные методы решения строительно-технологических задач

на ЭВМ / В.А. Вознесенский [и др.] - Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1989. -328 с.

95

Предел прочности при сжатии, Rc, МПа

Рн

и

о

К

со

О

е

§

Yi

Рис. 1 Влияние удельной поверхности золошлаковых отходов (ЗШО), золы-уноса на нормальную густоту композиционного вяжущего (КВ),

где 1,2,3,4- соответственно, удельная поверхность портландцемента (500м2/кг);

КВ с добавкой золы-уноса 300м2/кг и С-3 - 0,35%; Кв с добавкой зШо 210м2/кг и С-3 - 0,35%; КВ с добавкой ЗШО 170м2/кг и С-3 - 0,35%.

Количество ЗШО в КВ, % от массы цемента

Рис. 2. Влияние количества золошлаковых отходов в составе КВ на прочность бетонных образцов из мелкозерни -стого бетона при содержании ЗШО от 0 до 40% от массы цемента, твердеющих в нормальных условиях при температуре 20 ± 2оС

96

£

x

к

H

ей

*

О

К

X

К

H

О

о

X

X

о

л

Е

Ч

К

ч

к

л

С

Y2

10 20 30 40 50

Количество ЗШО в КВ, % от массы цемента.

Рис. 3. Влияние количества золошлаковых отходов в составе КВ на прочность бетонных образцов из мелкозернистого бетона при содержании золошлаковых отходов от 0 до 40% от массы цемента, подвергнутых тепловлажностной обработке

Y4 о, МПа

ОЗ

ОЗ

2 J

* Рч

СО Гч

W §

н

ей

*

О

ей

X

ей

X

О

н

к

ю

ей X О

н к ю

Л

н о о X ю

Е „ Н х ей Н а о о, О о К

-Я ^

о

JB- &Н

30

20

15

10

О О о О О о о о О О о О о о О Х5 ° / ОХ ^ X О 9—До о с ° о О о 0 о 0 чЛ О о ° о о\Х но\\ 0 о

2

4 5 3\ ч

1 0 Мелкозер! 20 истый бетон 30 40

Х2

6 8х, %

0

0

Крупнопористый (легкий) бетон.

Рис. 4 Влияние вида и количества минеральных сырьевых добавок (ЗШО, золы-уноса) в составе композиционного вяжущего на деформативность бетона, где 1- контрольные образцы бетонных призм из тяжелого мелкозернистого бетона класса В30 в возрасте 28суток после ТВО; 2-бетонные образцы из мелкозернистого бетона класса В20 с минеральной добавкой ЗШО-10% от массы цемента; 3 - тоже, с добавкой золы - уноса 20% от массы цемента; 4 -тоже, с добавкой цеолита с 8Уд=260м7кг 20% от массы цемента; 5 - тоже, из легкого бетона класса В15 на керамзитового гравии фракции 10.. ,20мм, с добавкой цеолита 20% от массы цемент

97