CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2022_2_71
Н.П. Лукутцова1, д-р техн. наук, проф., e-mail: natluk58@mail.ru А.А. Пыкин1, канд. техн. наук, доц., e-mail: alexem87@yandex.ru Е.Ю. Горностаева1, канд. техн. наук, доц., e-mail: egornostay@mail.ru С.Н. Головин1, аспирант, e-mail: s.n.golovin@mail.ru Н.В. Золотухина2, аспирант, e-mail: nvm-proekt@mail.ru
1 Брянский государственный инженерно-технологический университет, г. Брянск 2 Бендерский политехнический филиал государственного образовательного учреждения
«Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко», г. Бендеры
УДК 691.32
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА С ЗОЛОШЛАКОВОЙ СМЕСЬЮ И СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОМ
Предложен рациональный состав мелкозернистого бетона (МЗБ) с использованием золошла-ковой смеси (ЗШС) Молдавской государственной районной электростанции и поликарбоксилатного суперпластификатора. Исследованы микроструктура и физико-химические свойства ЗШС (распределение частиц по размерам, удельная поверхность, элементный и оксидный химический состав, гидросиликатный и кремнеземистый модули, коэффициент качества). Методом ортогонального центрального композиционного планирования построены математические модели зависимости прочности на изгиб и сжатие МЗБ от расхода портландцемента, процентного содержания ЗШС и суперпластификатора. Представлен анализ статистической значимости и адекватности математических моделей по критериям Стьюдента и Фишера. Выполнена оценка эффективности золошлаковой смеси оптимального количества по критерию повышения прочности МЗБ при введении ее как отдельно, так и в комплексе с суперпластификатором.
Ключевые слова: мелкозернистый бетон, золошлаковая смесь, поликарбоксилатный суперпластификатор, математическая модель, прочность, эффективность.
N.P. Lukuttsova, Dr. Sc. Engeneering, Professor A.A. Pykin, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof E.Yu. Gornostaeva, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof S.N. Golovin, PG student N.V. Zolotukhina, PG student
MODELING OF THE COMPOSITION OF FINE-GRAINED CONCRETE WITH ASH AND SLAG MIXTURE AND SUPERPLASTICIZER
The article reveals upon rational composition offine-grained concrete (FGM) with the use of ash and slag mixture (ASM) from the Moldavian State District Power Plant and a polycarboxylate superplasticizer. It studies microstructure and physicochemical properties of ASM (particle size distribution, specific surface area, elemental and oxide chemical composition, hydrosilicate and siliceous modules, quality factor). Mathematical models of the dependence of the bending strength and compression of the FGM on the consumption of Portland cement, the percentage of ASM and superplasticizer are constructed using the method of orthogonal central compositional planning. It analyses of the statistical significance and adequacy of mathematical models according to Student's and Fisher's criteria. The effectiveness of the ash and slag mixture of the optimal amount is evaluated according to the criterion of increasing the strength of the FGM when it is introduced both separately and in combination with a superplasticizer.
Key words: fine-grained concrete, ash and slag mixture, polycarboxylate superplasticizer, mathematical model, strength, efficiency.
Введение
Одним из определяющих факторов развития современного бетоноведения является разработка новых ресурсосберегающих технологий производства цементных бетонов и изделий из них с использованием различных промышленных отходов, в частности золошлаковых смесей (ЗШС), образующихся на тепловых электростанциях при совместном гидро- или пневмо-удалении золы и шлака в отвал в процессе сжигания углей в пылевидном состоянии [1].
Известно, что по химическому составу ЗШС подразделяются на основные, кислые и нейтральные. Основные ЗШС содержат гидравлически активные компоненты и являются самостоятельным вяжущим. Кислые ЗШС обладают свойствами типичных пуццоланов и могут применяться как активные минеральные добавки.
Пуццолановой активностью в составе ЗШС, т. е. способностью связывать при обычных температурах гидроксид кальция, образуя нерастворимые соединения, обладают аморфизиро-ванное глинистое вещество типа метакаолинита, аморфные SiO2 и ЛЬОз и алюмосиликатное стекло. Обладающий большой удельной поверхностью метакаолинит активно реагирует с Са(ОН)2 при обычных температурах с образованием гидросиликатов кальция и гидрогеленита. При этом высокотемпературное спекание и плавление глинистых минералов резко снижают их удельную поверхность и соответственно активность. Вследствие этого стеклофаза золы и шлака малоактивна при обычных температурах.
Введение оптимального количества ЗШС в цементные бетоны снижает усадку и водопроницаемость, обеспечивает требуемые прочностные характеристики, а также морозо- и коррозионную стойкость. Для ускорения твердения изделий из данного бетона рекомендуется его пропаривание [2, 3]. Кроме того, потенциал ЗШС как полифункционального компонента бетонных смесей реализуется значительно полнее при использовании суперпластифицирующих добавок [4].
Проблема утилизации ЗШС особенно актуальна для территорий с ограниченными свободными земельными площадями, высокой плотностью населения и отсутствия минеральных ресурсов. К таким регионам относится Приднестровская Молдавская Республика, в которой функционирует одна из крупных в Восточной Европе Молдавская государственная районная электростанция (МГРЭС), обеспечивающая электроэнергией Приднестровье и соседние страны (Молдову, Румынию, Болгарию) [5].
За время работы МГРЭС на каменном угле образовалась зона из золошлаковых смесей объемом более 10 млн. т, применение которых в технологии цементных бетонов может основываться на нормативно-технической документации Российской Федерации.
Цель данной работы заключается в моделировании состава мелкозернистого бетона (МЗБ) с золошлаковой смесью МГРЭС и суперпластификатором.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
- исследование микроструктуры и физико-химических свойств ЗШС (распределения частиц по размерам, удельной поверхности, элементного и оксидного химического состава, гидросиликатного и кремнеземистого модулей, коэффициента качества);
- построение математических моделей зависимости прочности на изгиб и сжатие МЗБ от расхода портландцемента, процентного содержания ЗШС и суперпластификатора, анализ их статистической значимости и адекватности по критериям Стьюдента и Фишера;
- оценка эффективности ЗШС.
Материалы и методы исследования
Для изготовления образцов МЗБ применялись:
- нормально твердеющий портландцемент (ПЦ) типа ЦЕМ I, класса прочности 42,5, I группы эффективности при пропаривании, прочностью на сжатие после тепловой обработки более 27 МПа по ГОСТ 31108-2020 (ОАО «Белорусский цементный завод», г. Костюковичи, Республика Беларусь);
- природный кварцевый мелкий песок (П) с модулем крупности 1,47 по ГОСТ 87362014 (Брянская область);
- золошлаковая смесь (ЗШС) от сжигания антрацита и тощего каменного угля при совместном гидроудалении золы-уноса и шлака с содержанием зольной составляющей свыше 85 % по ГОСТ 25592-2019 (МГРЭС, г. Днестровск, Приднестровье);
- суперпластификатор Master Glenium 115 (СП MG) на основе эфира поликарбоксилата в виде однородной жидкости плотностью при 20 °C 1050-1090 кг/м3, с водородным показателем рН (6 ± 2) (АО «Международные строительные системы», Московская область);
- питьевая вода по ГОСТ 23732-2011 (Брянская область).
Микроструктура ЗШС исследовалась методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU со встроенным энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) X-MAX 50 Oxford Instruments NanoAnalysis для электронно-зондового элементного микроанализа.
Распределение по размерам и удельная поверхность частиц ЗШС определялись методом лазерной гранулометрии на анализаторе Analysette 22 NanoTec Plus, а химический состав - с помощью рентгенофлуоресцентной спектроскопии (РФС) на приборе ARL OPTIM'X.
Бетонные смеси (марка по расплыву конуса Р1) приготавливались следующим образом: загрузка в бетоносмеситель принудительного действия песка, взятого в массовом соотношении с ПЦ (3:1), и 1/3 части воды; добавление портландцемента, ЗШС и 2/3 части воды без и с суперпластификатором; тщательное перемешивание компонентов до однородной смеси. Испытание на прочность МЗБ проводилось на образцах-балочках размером 4*4*16 см после их тепловлажностной обработки по режиму (3 + 3 + 6 + 2 ч) при температуре изотермической выдержки 80 °C.
Моделирование составов МЗБ выполнялось методом ортогонального центрального композиционного планирования с помощью компьютерных программ PlanExp B-D13, Excel, Sigma Plot и заключалось в построении математических зависимостей (уравнений регрессии) прочности на изгиб (y1 - Яизг.) и сжатие (y2 - Ясж.) бетона от расхода ПЦ (х1 - 300-500 кг), процентного содержания ЗШС (х2 - 0-40 %) и СП MG (хз - 0-2 %).
Значимость коэффициентов уравнений регрессии оценивалась по критерию Стью-
дента:
где Ь - 1-й коэффициент (Ьо, Ы, Ь2, Ьз, Ьп, Ь22, Ьзз, Ь12, Ыз, Ь2з); 8 ь) - среднеквадратическое отклонение в определении Ь1.
Для выбранного уровня значимости (5 %) и данного числа степеней свободы расчетное значение 11 сравнивалось с табличным 1табл.. Коэффициент Ь считался незначимым, если 11 менее 1габл..
Адекватность уравнений регрессии оценивалась по критерию Фишера:
(1)
F = S2ad / S2e,
(2)
где - дисперсия адекватности; SB - дисперсия опытах.
Значения Б2ад и Б2в рассчитывались по формулам:
N
в
дисперсия воспроизводимости в параллельных
(3)
N m
(4)
где N - количество опытов в плане эксперимента (N=10); m - число параллельных измерений в каждом опыте ^=3); П3 - количество значимых коэффициентов; Уи - среднее значение
прочности МЗБ в ^м опыте; Уи - прочность МЗБ, предсказанная по функции отклика; уш -прочность МЗБ в ^м опыте, _]-м параллельном измерении.
Расчетное значение F сравнивалось с табличным Fтабл. для выбранного уровня значимости (5 %) и числа степеней свободы при значимых коэффициентах. При F менее Fтабл. уравнение регрессии признавалось адекватным.
Эффективность ЗШС по критерию повышения прочности МЗБ как отдельно, так и в комплексе с суперпластификатором оценивалась согласно требованиям ГОСТ Р 56593-2015 по формуле:
* (5)
Rо
K = ^100,
где К - эффективность, %; Rо - прочность на изгиб (сжатие) МЗБ основного состава (с ЗШС отдельно и с СП MG); Rк - прочность на изгиб (сжатие) МЗБ контрольного состава (без ЗШС).
Результаты и обсуждение
Методом СЭМ установлено, что основная масса золошлаковой смеси МГРЭС представлена полидисперсными сферическими частицами золы-уноса с гладкой остеклованной поверхностью, а также шлаковыми частицами губчатой структуры (рис. 1).
б
а
Рисунок 1 - Микроструктура частиц золошлаковой смеси МГРЭС: a - (*1000); б - (*3000)
Гранулометрический состав ЗШС характеризуется одномодальным распределением частиц по размерам в диапазоне 0,13-196 мкм со средним диаметром 72 мкм. На долю частиц размерами 0,13-1 мкм приходится 1,8 %; 1-10 мкм - 11,5 %; 10-100 мкм - 79,1 %; 100-196 мкм - 7,6 % (рис. 2). Удельная поверхность частиц по объему составляет 5430 см2/см3.
Электронно-зондовый элементный микроанализ показал наличие в составе ЗШС более 23 % кремния и 47 % кислорода, около 13 % алюминия, 9 % железа и 3 % калия, менее 1 % кальция, магния, натрия и серы (рис. 3).
По данным РФС, химический состав усредненной пробы ЗШС представлен содержанием, проценты по массе: SiO2 - 49,3; Al2Oз - 23,7; Fe2Oз - 10,6; CaO - 2,4; K2O - 3,3; MgO -1,3; ^2 - 0,9; SOз - 0,3; прочие - 7,4.
(МП 0,1 I 10 100 1000
Диаметр частиц, мкм
Рисунок 2 - Гистограмма распределения по размерам частиц золошлаковой смеси МГРЭС
По результатам оксидного состава рассчитано, что гидросиликатный и кремнеземистый модули ЗШС составляют 0,1 и 1,4 соответственно, а коэффициент качества - 0,5. При этом по содержанию оксида кальция (2,4 %) и гидросиликатному модулю (менее 1) ЗШС относится к кислой (по ГОСТ 25592-2019), способной проявлять пуццолановые свойства.
Энергия, кэВ
Рисунок 3 - Суммарный спектр ЭДС золошлаковой смеси МГРЭС
Методом ортогонального центрального композиционного планирования определено, что зависимость прочности на изгиб и сжатие МЗБ от расхода портландцемента, процентного содержания ЗШС и СП MG описывается следующими математическими моделями (функциями):
у (Яизг.) = з,89 + 0,75x1 + 0,збх2 + 0,54хз - 0,57х22 - 0,51хз2 + 0,47х1хз - 0,ззх2хз, (6)
У2 (Ксж.) = з4,14 + 10,1х1 + 1,64х2 + 8,з1хз - 2,98х12 - 2,42хз2 + 2,1х1х2 + 7,89х1хз - 1,7зхгхз. (7) Представленные уравнения регрессии содержат значимые (отличающиеся от нуля) коэффициенты по критерию Стьюдента (табл. 1 ) и являются адекватными по критерию Фишера с доверительной вероятностью 95 % (табл. 2).
Таблица 1 - Анализ значимости коэффициентов уравнений регрессии (6, 7)
по критерию Стьюдента
Наименование статистического показателя У1 - Яизг. У2 - Исж.
Дисперсия воспроизводимости в параллельных опытах (82в) 0,07 0,36
Число степеней свободы 20 20
Табличное значение критерия Стьюдента (1табл.) 2,09 2,09
Расчетное значение критерия Стьюдента (11) Ь0 (3,89) - 15,79 Ь1 (0,75) - 7,09 Ь2 (0,36) - 3,4 Ьз (0,54) - 5,17 Ьи (0,08) - 0,37 Ь22 (-0,57) - 2,78 Ь33 (-0,51) - 2,51 Ь12 (0,05) - 0,43 Ь13 (0,47) - 3,78 Ь23 (-0,33) - 2,65 Ь0 (34,14) - 61,27 Ь1 (10,1) - 42,24 Ь2 (1,64) - 6,89 Ь3 (8,31) - 34,85 Ьц (-2,98) - 6,47 Ь22 (-0,22) - 0,48 Ь33 (-2,42) - 5,26 Ь12 (2,1) - 7,39 Ь13 (7,89) - 27,74 Ь23 (-1,73) - 6,08
Незначимость коэффициента (11 менее 1табл.) Ьп (0,08), Ь12 (0,05) Ь22 (-0,22)
Таблица 2 - Анализ адекватности уравнений регрессии (6, 7) по критерию Фишера
Наименование статистического показателя У1 - Яизг. У2 - Ясж.
Дисперсия адекватности (82ад) 0,1 0,94
Число степеней свободы при значимых коэффициентах 2 1
Табличное значение критерия Фишера (Бтабл.) 3,49 4,35
Расчетное значение критерия Фишера (Б) 1,46 2,61
Адекватность уравнения (Б менее Бтабл.) адекватное адекватное
Рисунок 4 - Номограммы зависимости прочности на изгиб (а) и сжатие (б) мелкозернистого бетона от расхода портландцемента, процентного содержания ЗШС и суперпластификатора
Из уравнений (6, 7) и номограмм (рис. 4) следует, что максимумы прочности на изгиб и сжатие МЗБ достигаются в точках, соответствующих составу с содержанием 40 % ЗШС и 2 % СП МО при расходе портландцемента, равном 500 кг.
Таблица 3 - Оценка эффективности золошлаковой смеси МГРЭС по критерию повышения прочности мелкозернистого бетона
Состав МЗБ Средняя плотность Прочность после ТВО, МПа Эффективность ЗШС, %
ПЦ, кг П, кг СП MG, % ЗШС, % кг/м3 на изгиб на сжатие Кизг. Ксж.
500 1500 0 0 2050 2 17 - -
0 40 2082 3 28 168 165
2 40 2121 5 57 242 335
Эффективность золошлаковой смеси по критерию повышения Яизг. (Кж.) составляет 168 (165) %, а в комплексе с суперпластификатором Master Glenium - 115-242 (335) % (табл. 3).
Выводы
Построены математические модели зависимости прочности пропариваемого мелкозернистого бетона от расхода портландцемента, процентного содержания кислой золошлаковой смеси Молдавской государственной районной электростанции и суперпластификатора. Представленные модели в виде адекватных уравнений регрессии со значимыми коэффициентами позволяют выполнять рецептурно-технологические задачи по ресурсосберегающему получению бетонов плотной структуры на цементном вяжущем и мелком заполнителе с прочностью на изгиб 3-5 МПа, на сжатие - 28-57 МПа.
Библиография
1. LukuttsovaN.P., KarpikovE.G., LugininaI.G. etal. High-performance fine concrete modified with nano-dispersion additive // International Journal of Applied Engineering Research. - 2014. - Vol. 22. -P.16725-16731.
2. КорнеевВ.И., БрыковА.С. Перспективы развития общестроительных вяжущих веществ. Геополимеры и их отличительные особенности // Цемент и его применение. - 2010. - № 2. - С. 51-55.
3. Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Фомина Е.В. Фазообразование в геополимерных системах на основе золы-уноса Апатитской ТЭЦ // Строительные материалы. - 2015. - № 12. - С. 85-88.
4. Херрманн Е., Рикерт Й. Свойства теста из цементов с золой-уносом и влияние золы-уноса на взаимодействие цемента с суперпластификаторами // Цемент и его применение. - 2017. - № 5. - С. 66-70.
5. Бурменко Ф.Ю., Бурменко Ю.Ф., Чирвина С.Л. и др. Перспективы и возможности использования золошлакового сырья Молдавской ГРЭС // Вестник Приднестровского университета. Серия: Физико-математические и технические науки. Экономика и управление. - 2019. - № 3 (63). - С. 165-168.
Bibliography
1. Lukuttsova N.P., Karpikov E.G., Luginina I.G. et al. High-performance fine concrete modified with nano-dispersion additive // International Journal of Applied Engineering Research. - 2014. - Vol. 22. -P.16725-16731.
2. Korneyev V.I., Brykov A.S. Development prospects for general construction binders. Geopolymers and their distinctive features // Cement and its Applications. - 2010. - N 2. - P. 51-55.
3. Kozhukhova N.I., Zhernovsky I.V., Fomina E.V. Phase formation in geo-polymer systems on the basis of fly ash of apatity TPS // Construction Materials. - 2015. - N 12. - P. 85-88.
4. Herrmann J., Rickert J. Influences of fly ash cement on properties of fresh cement paste and on cement's interactions with superplasticizer // Cement and its Applications. - 2017. - N 5. - P. 66-70.
5. Burmenko F.Yu., Burmenko Yu.F., Chirvina S.L. et al. Prospects and possibilities of using of ash and slag raw materials of the Moldavian State District Power Plant // Bulletin of the Pridnestrovian University. Series: Physical-mathematical and technical sciences. Economics and Management. - 2019. - N 3 (63). -P.165-168.
