CC BY
11УДК 691.115
В.А. ЕЗЕРСКИЙ1, д-р техн. наук, профессор (wiz75micz@rambler.ru); Н.В. КУЗНЕЦОВА2, канд. техн. наук,
О.С. БАРИНОВА2, магистрант (barinova.olia2015@yandex.ru)
1 Белостокский технический университет (15-351, Польша, г. Белосток, ул. Вейская, 45a),
2 Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106)
Модификация цементных смесей с использованием отходов производства цементно-стружечных плит
Анализируется возможность использования отходов производства цементно-стружечных плит (ЦСП) в качестве добавки в композиционных материалах. Для различных составов смесей, приготовленных в соответствии с планом эксперимента, исследованы прочность при сжатии и на изгиб, расход воды на затворение смеси и плотность образцов в зависимости от массовой доли компонентов в смеси. Построена математическая модель прочности при сжатии в зависимости от этих факторов. Определено соотношение компонентов смеси для базовой точки, выбранной с учетом максимальной возможности утилизации отходов и компенсации потери прочности материала с добавкой отходов ЦСП. Для практических целей, связанных с утилизацией отходов ЦСП и повышением свойств получаемых цементных композитов, получены оптимальные до-зировки пластифицирующих добавок и водосмесевого отношения.
Ключевые слова: ресурсосбережение, отходы производства, цементно-стружечные плиты, цементные композиты, физико-механические характеристики, модификация цементных смесей.
V.A. EZERSKIY1, Doctor of Sciences (Engineering), professor (wiz75micz@rambler.ru); N.V. KUZNETSOVA2, Сandidate of Sciences (Engineering), O.S. BARINOVA2, master student (barinova.olia2015@yandex.ru)
1 Bialystok University of Technology (45A, Wiejska Street,15-351, Biaystok, Poland)
2 Tambov State Technical University (106, Sovetskya Street, Tam-bov, 392000, Russian Federation)
Modification of Oement Mixtures Using Waste Cement-Bonded Particleboards
The possibility of using the waste production of cement-bonded wood parcel board wastes (CBPB wastes) as an additive in composite materials. For mixtures of various compositions prepared in accordance with the experimental plan investigated compressive strength and flexural strength, water consumption, and mixing the mixture density of the samples according to the factors of composite solid phase. A mathematical model of the compressive strength as a function of these factors are representant. Mixing ratio for the reference point selected with the maximum possible recycling of waste and com-pensate for the loss of material strength with the addition of CBPB wastes are defined. The optimal dosage and plasticizers water-mix relationship for practical purposes associated with the disposal of waste and an increase in CBPB wastes properties obtained cement composites are identified. Keywords: resource conservation, waste production, cement-bonded wood parcel board wastes, cement composites, physical and mechanical properties, modification of cement mixtures.
Цементно-стружечные плиты (ЦСП) являются в настоящее время одним из востребованных строительных материалов. ЦСП нашли свое применение в каркасно-щитовом домостроении, для изготовления опалубки, как элементы перегородок, полов и перекрытий. В Тамбовской области годовой объем производства ЦСП превышает 50 тыс. м3/г [1].
В процессе изготовления ЦСП при резке кромок листов образуется большое количество отходов (до 15% от объема готовых изделий). Около 15% образующихся отходов подлежит вторичной переработке, но большая часть накапливается в значительных количествах, создавая проблемы хранения, складирования, перемещения и утилизации, что приводит к весомым материальным затратам.
Отходы производства ЦСП характеризуются различной дисперсностью: до 80% от общего количества отходов представляют собой древесно-цементный порошок с преобладающими размерами частиц 0,32 мм. Смесь для производства ЦСП включает в себя портландцемент (65%), древесную стружку (24%), воду (8,5%) и гидрата-ционные добавки (2,5%) [2]. Исходя из того, что минеральный компонент (портландцемент) является преобладающим, а отходы ЦСП относятся к IV классу опасности (т. е. малоопасные вещества, не несущие вреда окружающей среде), можно предложить использование отходов ЦСП в качестве заполнителя к цементным композитам [3].
Экспериментально исследовались основные свойства цементных композиционных материалов с использованием отходов ЦСП: прочность на центральное сжатие и изгиб, расход воды для затворения сухой смеси всех компонентов до состояния равной подвижности и
плотность в зависимости от массовой доли в смеси цемента, песка и добавки отходов ЦСП.
Для изготовления образцов в качестве добавки отходов ЦСП использовался тонкодисперсный порошок отходов ЦСП ОАО «ТАМАК» [4]. Заполнитель — кварцевый песок с модулем крупности 1,8 согласно ГОСТ 8736—93 из местного месторождения (п. Красненьское Тамбовской области). Количество песка принималось от 0 до 75%. В качестве вяжущего использовался портландцемент М500 ОАО «Себря-ковцемент» (г. Михайловка). Количество воды принималось необходимым для обеспечения равноподвиж-ности смеси. Затворенная смесь после формования уплотнялась на вибростоле в течение 30 с. Спустя сутки образцы вынимались из форм и твердение продолжалось в камере при температуре 20±2оС и влажности воздуха 90±5% в течение 27 сут.
Для определения прочности были изготовлены образцы в форме балочек 40x40x160 мм по шесть образцов в каждой партии. Экспериментальное определение характеристик образцов выполнялось согласно методикам ГОСТ 10180-2012.
Эксперимент выполнялся в соответствии с планом типа «состав-свойство» для трех переменных, включающим N=7 опытов. В соответствии с этим планом массовые доли цемента z1, песка ^ и отходов ЦСП z3 изменяются в пределах 0; 0,333; 0,5; 1 [5]. Также должно выполняться условие:
Zl+Z2+Zз=1.
Так как при этом условии невозможно изготовление образцов с указанным соотношением, рассматривались лишь такие пределы изменения факторов, которые отвечали реальным составам смесей на базе цемента [6].
fj научно-технический и производственный журнал
июнь 2016
Доклады VII Академических чтений «Техническое регулирование в строительстве. Актуальные вопросы строительной физики»_
Рис. 1. Прочность на центральное сжатие бетонных образцов в зависимости от содержания составляющих в координатах псевдофакторов: цемент песок ^2), добавка отходов ЦСП
Поэтому при реализации эксперимента была выбрана подобласть факторного пространства, охватывающая предпочтительные составы сложного вяжущего, которая характеризовалась следующими координатами вершин: А1(х1=0,333; х2=0,333; х3=0,333); А2(х^0,25; х2=0,75; х3=0); А3(х;=0,143; х2=0; х3=0,857).
Уровни изменения факторов ц, 13 и соответствующих им натуральных факторов х1, х2, х2 представлены в табл. 1.
По результатам исследования была построена математическая модель для прочности на центральное сжатие: у1=-458,09х1+33,95х2—15,10х3+592,68х1х2 +701,99х1х3 -— 272,56х2х3 + 1151,47х1х2х3.
Данная модель позволила исследуемую зависимость изобразить графически в виде изолиний на симплексном треугольнике (рис. 1).
В вершине Z2 при приготовлении смеси с соотношением компонентов цемент:песок = 1:3 без введения отходов ЦСП наблюдается наибольшая прочность бетонных образцов, которая составляет около 22 МПа. При введении добавки ЦСП во всех остальных точках показатели прочности оказались ниже, свидетельствуя о том, что данная добавка негативно сказывается на прочностных характеристиках бетонных образцов.
При увеличении содержания цемента и добавки ЦСП при одновременном снижении содержания песка наблюдается практически равномерное снижение прочности при сжатии с 22 до 10 МПа.
Также было замечено, что в результате замены части цемента и песка на отходы ЦСП прочность при центральном сжатии бетонных образцов колеблется на уровне 10—11МПа, достигая наивысших значений около 11 МПа в середине отрезка Полная же замена песка отходами ЦСП дает наименьшую среди выявленных значений прочность образцов — около 7,5 МПа.
Для прямой, проходящей через точки 2, 7, 5, характерна наименьшая скорость снижения прочности при сжатии, особенно в окрестности точки 7, в которой примерно 50% песка заменено на отходы ЦСП (положительный эффект с учетом возможности утилизации отходов). Однако при этом выявлено снижение прочности при центральном сжатии образцов на 30% (отрицательный эффект с учетом снижения качеств материала).
При использовании отходов ЦСП путем замены ими песка, прочностные характеристики материала будут значительно ниже, чем у материала без отходов. Вследствие этого для компенсации потери прочности
Рис. 2. Изменение прочности при сжатии в зависимости от количества добавок Кратосол ПК и Кратосол УТ. Водоцементное отношении (вода/ сухая смесь) зафиксировано на уровне 0,3
материала с добавкой из отходов ЦСП следует модифицировать структуру цементной смеси с целью улучшения ее свойств и упрочнения структуры. В качестве базовой точки для дальнейших исследований по модификации цементного композита была выбрана точка А (рис. 1), которой соответствует следующий состав смеси: цемент — 0,237; песок — 0,422; отходы ЦСП — 0,341.
Содержащиеся в составе смеси частицы отходов ЦСП имеют большую удельную поверхность, что приводит к увеличению ее водопотребности [7]. Для снижения водосмесевого отношения при сохранении заданной подвижности смеси требуется использование пластифицирующих добавок. В качестве таких добавок были приняты пластификатор Кратосол ПК и ускоритель твердения Кратосол УТ производства Тамбовского завода ОАО «Пигмент». Дозировка добавок принималась согласно рекомендациям производителя (0,08—0,3% в перерасчете на сухое вещество от массы вяжущего).
Для базовой точки А было выполнено исследование влияния добавок на основные свойства. Содержание добавки пластификатора Кратосол ПК принималось от 0 до 0,8% от массы вяжущего, ускорителя твердения (Кратосол УТ) — от 0 до 1%. Водосмесевое отношение (вода/сухая смесь) составляло от 0,18 до 0,3. Прочностные характеристики материалов с использованием модификаторов определялись по методике, приведенной выше.
Из рис. 2 видно, что прочность возрастает при увеличении содержания пластификатора и ускорителя твердения в составе смеси. Характер изменения прочности от этих двух факторов близок к линейному. Начальная прочность при сжатии (без применения добавок) со-
Таблица 1
План эксперимента и уровни изменения рассматриваемых факторов
№ точки 21 22 23 Х1 Х2 Х3
1 1 0 0 0,333 0,333 0,333
2 0 1 0 0,25 0,75 0
3 0 0 1 0,143 0 0,857
4 0,5 0,5 0 0,2915 0,5415 0,167
5 0,5 0 0,5 0,2385 0,1665 0,595
6 0 0,5 0,5 0,1965 0,375 0,4285
7 0,333 0,333 0,333 0,242 0,361 0,397
8* 0,2 0,35 0,45 0,219 0,329 0,452
научно-технический и производственный журнал
48 июнь 2016 № '
ставляет 19,2 МПа, при введении только добавки Кратосол УТ (1% от массы вяжущего) прочность достигает 22,8 МПа, т. е. происходит ее возрастание примерно на 16%. Введение добавки Кратосол ПК (0,8% от массы вяжущего) повышает прочность материала до 21,5 МПа, что выше, чем у образцов без добавок, на 8%. Совместное же действие этих добавок (на максимальном уровне) приводит к значительному повышению прочности - до 28% по сравнению с образцами без добавок (26,18 МПа).
Список литературы
1. О компании ЗАО «ТАМАК» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tamak.ru/about/ (Дата обращения 19.03.2016 г.)
2. Дворкин Л.И. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д: Феникс. 2007. 368 с.
3. Степанова В.Ф. Перспективы применения композитов в производстве бетона и железобетона // Технологии бетонов. 2015. № 9-10 (110-111). С. 8-9.
4. Горностаева Е.Ю., Ласман И.А., Федоренко Е.А., Камоза Е.В. Древесно-цементные композиции с модифицированной структурой на макро-, микро- и наноуровнях // Строительные материалы. 2015. № 11. С. 13 -17.
5. Баранов И.М. Проблемы подбора составов многокомпонентных специальных бетонов // Строительные материалы. 2013. № 12. С. 20-24.
6. Ефремова О.В., Грызлов В.С., Свиридов Б.Д. Особенности фазообразования древошлакового композиционного материала // Строительные материалы. 2013. № 1. С. 66 - 67.
7. Наназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции. Л.: Стройиздат. 1990. 415 с.
Кроме того, результаты эксперимента подтвердили наши предположения, что при уменьшении водосмесе-вого отношения с 0,3 до 0,18 прочность образцов с добавками повышается от 21 до 26,3 МПа, т. е. на 20%.
Полученные данные о прочностных характеристиках композиционных материалов с добавкой отходов производства ЦСП показывают, что наиболее эффективным способом управления свойствами является проектирование многокомпонентных составов смесей с использованием модифицирующих добавок.
References
1. About company ZAO "TAMAK" [electronic resourse]. http://www.tamak.ru/about/ (date of access 19.03.2016 )
2. Dvorkin L.I. Construction materials from waste of the industry. Rostov n/D: Feniks. 2007, 368 p.
3. Stepanova V.F. Prospects of application of composites in production of concrete and reinforced concrete. Tekhnologii betonov. 2015. No. 9-10 (110-111), pp. 8-9.
4. Gornostaeva E.Yu., Lasman I.A., Fedorenko E.A., Ka-moza E.V. Wood and cement compositions with the modified structure on macro-, micro and nanolevels. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 11, pp. 13-17. (In Russian).
5. Baranov I.M. Problems of selection of compositions of multicomponent special concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 12, pp. 20-24. (In Russian).
6. Efremova O.V., Gryzlov V.S., Sviridov B.D. Features tree slag phase formation of the composite material. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 1, pp. 66-67. (In Russian).
7. Nanazashvili I.Kh. Stroitel'nye materialy iz drevesno-tsementnoi kompozitsii [Building materials made of wood-cement composition]. L.: Stroiizdat. 1990. 415 p.
24-27 января 20171 Красноярск
ПРИГЛАШАЕМ ПРИНЯТЬ УЧАСТИЕ Б XXV СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ВЫСТАВКЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
АРХИТЕКТУРА
ВЕДУЩАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ \Л ИНТЕРЬЕРНАЯ ВЫСТАВКА СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
' П V
Одновременно пройдет выставка строительной и складской техник и оборудования «Тех Строй Экс по. Дороги»
В ПРОГРАММЕ:
VI Архитектурно-строительный форум Сибири
Сибирский фестиваль архитектура
ruAijph «q
МВДЦ «Сибирь», ул. Авиаторов. 19 тел.: (391) 22-88-<105, 22-88-611 buildßikfasfair.ru, www.krasfair.ru
fj научно-технический и производственный журнал
июнь 2016
