CC BY
21УДК 666.9: 691.511: 666.973.6:691.33 Н.В. Любомирский, д.т.н., доц.,
В.Т. Шаленный, д.т.н., проф., Е.Ю. Шуляк, аспирант
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ ДИСПЕРСНЫХ ИЗВЕСТНЯКОВЫХ ОТХОДОВ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ГАЗОКАРБОНАТА
Национальная академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь
email: niklub.ua@gmail.com
Аннотация. Исследована возможность получения газобетона на основе вторичного карбонатного сырья. Определено, что введение в состав газобетонной смеси на основе смешанного известково-цементного вяжущего мелкодисперсных отходов камнедобычи известняков оказывают положительное влияние на структурообразующие процессы растворной части газобетона. Установлено, что мраморовидный известняковый наполнитель и увеличение количества извести в составе известково-цементного вяжущего улучшают показатели вязкости газобетонной смеси, повышают ее газоудерживающую способность и способствуют улучшению пористой структуры материала. В комплексе полученные экспериментальные результаты дают основание предполагать, что на основе вторичных дисперсных известняковых отходов и извести можно будет получать прочный ячеистый материал, твердеющий за счет принудительной карбонизации, - газокарбонат.
Ключевые слова: известняковые отходы, известь, известково-цементное вяжущее, газобетонная смесь, газобетон, газокарбонат.
Abstract. Have been learned the possibility of obtaining aerated concrete based on the secondary carbonate materials. Have been determined that the introduction of finely dispersed waste of stone quarrying into the gas concrete mixture based on the mixed lime-cement binder have a positive impact on the structure-forming processes that are occur in the aerated concrete mortar. Have been found that the marbled limestone filler and increase the amount of lime in the composition of lime-cement binder are improve viscosity parameters of aerated concrete mixture, increase its gas-retaining capacity and contribute to the improvement of the porous structure of the material. In the complex, the experimental results suggest that on the basis of secondary particulate limestone and lime waste will be getting a solid cellular material hardening due to forced carbonation - aerated carbonate.
Key Words: Waste limestone, lime, lime-cement binder, aerated concrete mix, aerated concrete, aerated carbonate.
Введение. В современном индустриальном строительстве ощущается огромная потребность в легких строительных теплоизоляционных материалах. Изделия из ячеистого бетона применяются во многих странах с различными климатическими условиями. В последнее время и в Украине наблюдается значительный рост популярности ячеистого бетона. Объемы его производства
-5
уже приближаются к 2 млн. м в год.
В качестве наполнителя для получения ячеистых бетонов обычно используются кварцевый песок, золы ТЭС и шлаки. Ограниченное применение в производстве ячеистого бетона зол ТЭС и шлаков обусловлено неоднородностью их химического состава.
На данный момент весьма актуальным является вопрос расширения сырьевой базы для получения пено- и газобетонов, повышение экономичности и экологичности их производства.
При разработке горных пород в карьерах и добыче природного камня в отвалах скапливается значительное количество мелких известняковых отходов. За год в отвалы поступают десятки миллионов тон отсевов дробления и камнепиления известняков.
Применение дисперсных отходов камнедробления при производстве ячеистого бетона позволит снизить себестоимость материала за счет использования попутно получаемого, не находящего в настоящее время достаточного применения, сырья и решить некоторые экологические проблемы в регионе.
Анализ публикаций. В практике производства ячеистых бетонов имеет место применение местных отходов различных производств, дисперсных отходов камнедобычи [1, 5]. Но под каждый конкретный вид вторичного сырья и технологию его обработки необходимо создавать новую структурно-фазовую теорию, с помощью которой можно решать задачи получения строительных материалов и изделий с заданным конечным комплексом свойств.
Газокарбонат представляет собой композиционный ячеистый материал на основе извести, твердение которого осуществляется за счет искусственной карбонизации системы, без применения сложного автоклавного оборудования. Новые данные о возможности организации безавтоклавного производства прочных изделий на основе известковых систем представляют большой интерес для строительства и промышленности строительных материалов.
Анализ литературных источников позволяет судить о химической активности известнякового заполнителя в системах на основе минеральных вяжущих, что в свою очередь способствует формированию прочных кристаллизационных контактов, обуславливающих повышенные технические характеристики получаемого искусственного камня [6]. Возможность использования вторичных известняковых отходов как «подложки» для ориентированной кристаллизации новообразований на поверхности известняковых частиц доказана в работе [4]. Авторами был проведен ряд экспериментов, подтверждающих тот факт, что новообразующийся карбонат кальция в некоторой степени «дублирует» свойства известнякового заполнителя, вводимого в сырьевую смесь. Группы микрометрических кристаллов кальцита образуют пространственный карбонизированный каркас, скрепляющий зерна известнякового наполнителя в единый кристаллический сросток. Было доказано, что прочность и водостойкость карбонизированных образцов на основе метаморфизированных известняков (мраморовидный известняк) выше тех же свойств образцов, полученных на основе частично перекристаллизованных осадочного происхождения (нуммулитовый известняк, известняк-ракушечник).
Цель и постановка задач. Целью настоящей статьи является обоснование применения вторичного известнякового сырья в качестве заполнителя для получения газобетона карбонизационного типа твердения путем установления
влияния вида известнякового заполнителя на пластичность газобетонной массы и процесс формирования макроструктуры ячеистого материала.
Методика исследований. Результаты и их анализ. Для определения влияния вида известняковых заполнителей на пластично-вязкие свойства газобетонной смеси и на прочностные характеристики межпорового вещества газобетона использовались наиболее распространенные для юга Украины мелкодисперсные известняковые отходы, образующиеся при камнепиленни известняков-ракушечников и дроблении мраморовидных известняков. В табл. 1 представлен химический состав исследуемых известняков.
Таблица 1
Химический состав отходов известняков, % мас._
Название наполнителя SiO2 Fe2Oз CaO MgO SOз п.п.п.
Известняк-ракушечник 7,88 1,2 1,83 49,17 0,15 0,14 39,5
Мраморовидный известняк 1,9 0,68 1,57 48,08 2,54 0,67 43,8
Содержание СаСО3 в известняках приблизительно одинаково и находится в пределах 85,8 - 87,8 %. В качестве сравнительного материала заполнителя использовали мелкий кварцевый песок херсонского месторождения. Для достижения высокой удельной поверхности, необходимой для получения правильной макроструктуры газобетона, известняковые отходы домалывали в
Л
шаровой мельнице до удельной поверхности 2500 - 4000 см /г. Песок не
Л
измельчали, удельная поверхность его составила 500 - 600 см /г.
Для полного представления физико-механических процессов формирования пористой структуры газобетона необходимо иметь представление о структурообразовании растворной фазы под воздействием свойств различных наполнителей. Одним из важнейших условий получения высококачественного газобетона является достижение максимально возможных значений прочности межпорового материала.
Для изучения физико-механических свойств материала межпоровых перегородок изготавливали образцы-балочки размером 40*40*160 мм из растворов на основе смешанного цементно-известкового вяжущего и исследуемых заполнителей, которые после твердения при нормальной температуре и 100 % влажности в течение 28 сут испытывали на прочность и водопоглощение. Сравнение водопотребности плотных растворов проводилось по методике определения нормальной консистенции цементно-песчаного раствора ГОСТ 310.4-81. Физико-механические свойства растворов представлены в табл. 2.
Опытные данные табл. 2 свидетельствуют, что для получения раствора необходимой консистенции на смешанном вяжущем необходимо использовать большее количество воды затворения, что вполне объяснимо в связи с высокой дисперсностью используемой извести-пушонки. При применении более высокодисперсных наполнителей водоцементное отношение также увеличивается.
Таблица 2
Физико-механические характеристики плотных растворов_
Раствор В/Ц при расплыве конуса 106 -115 мм Средняя плотность, Р О , кг/м3 Прочность на растяжение при изгибе, Я изг., кг/см2 Прочность на сжатие, Я сж. , кг/см2 ККК, Я сж/ /Р О Водо-поглощение по массе, %
Кварцевый песок - цемент 0,50 1950,0 7,01 87 4,46 9
Кварцевый песок -цемент/известь 0,625 1746,1 6,46 62 3,55 17,95
Известняк-ракушечник -цемент/известь 1,0 1590,9 5,58 40 2,52 21,88
Мраморовидный известняк -цемент/известь 0,8 1718,0 6,60 72 4,19 14,5
Самая высокая водопотребность смеси была при использовании известняка-ракушечника. Это обусловило и низкую среднюю плотность, что, в свою очередь, оказало негативное влияние на прочностные характеристики и показатели водопоглащения материала. Прочность образцов с кварцевым песком на смешанном вяжущем на 28 % ниже, чем у образцов на основе цемента, главным образом, из-за увеличения расхода воды и уменьшения показателей средней плотности материала. Наибольшую прочность (72 кг/см2) на смешанном цементно-известковом вяжущем показали образцы-балочки на основе мраморовидного известняка.
Низкий коэффициент конструктивного качества образцов с применением известняка-ракушечника объясняется высокой водопотребностью смеси, значительно снижающей прочностные показатели материала.
Полученные опытные данные свидетельствуют, что применение мелкодисперсных отходов камнедробления мраморовидного известняка крымского месторождения является весьма целесообразным и перспективным для получения достаточно прочного теплоизоляционного материала карбонизационного типа твердения. Растворы с применением данного наполнителя не уступают по физико-механическим характеристикам растворам на кварцевом песке, традиционно используемом в технологии производства газобетона.
Помимо структурообразования растворной фазы, прочностные характеристики готового теплоизоляционного материала в значительной степени зависят от средней плотности газобетона и «правильности» его пористой структуры.
Одними из определяющих факторов, от которых зависят средняя плотность ячеистого бетона, являются содержание порообразователя и водотвердое отношение (В/Т). Путем регулирования расхода порообразователя и воды затворения можно получать ячеистые бетоны одинаковой средней плотности, но разной пористой структуры, с различными показателями усадки, водопоглащения и морозостойкости.
Свежеприготовленный ячеистый бетон представляет собой сложную физико-химическую систему, состоящую из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Существенно важным является установленное положение о том, что при одном и том же расходе порообразователя объем газообразной фазы в ячеистых бетонах зависит от содержания жидкой фазы [2, 3]. При слишком большом и слишком малом количестве воды затворения коэффициент использования порообразователя невелик. Для газобетона с низким показателем В/Т, как правило, характерна неравномерная структура. При этом вязкое сопротивление суспензии препятствует увеличению пузырька до объема, который может занять содержащийся в нем газ при данном давлении и температуре, в результате чего материалы получаются с неравномерной пористостью и пониженной прочностью. Увеличение водотвердого отношения до определенного предела ведет к улучшению пористой структуры и повышению прочности газобетона. Но при слишком высокой влажности наблюдается явление расслаивания газобетонной массы и значительные усадки.
По приведенным данным в инструкции по изготовлению изделий из ячеистого бетона СН 277-80 В/Т должно назначаться для каждого состава исходя из требований к текучести и температуре смеси. Согласно инструкции СН 277-80, при производстве ячеистых бетонов марки D400 - D600 на цементном и цементно-известковом вяжущем литьевым способом формования рекомендуется применение смесей с диаметром расплыва по Суттарду в пределах 26 - 40 см. Подвижность газобетонной смеси зависит, как от количества воды затворения, так и от состава смешанного цементно-известкового вяжущего. В связи с этим, были проведены экспериментальные исследования, задачей которых являлось выведения зависимости расплыва бетонной смеси на основе смешанного цементно-известкового вяжущего и мелкодисперсного мраморовидного известняка от водовяжущего отношения и состава вяжущего.
Реализация поставленной задачи осуществлялась методами математического планирования эксперимента с использованием 2-х факторного ортогонального композиционного плана второго порядка. Варьируемыми факторами были приняты водовяжущее отношение (В/В), Х1, и содержание извести в смешанном цементно-известковом вяжущем, Х2, %. Варьируемым параметром являлся показатель текучести, Y, см, который оценивали по диаметру расплыва рабочего раствора на вискозиметре Суттарда. Содержание вяжущего в составе раствора было постоянным и составляло 60 % от массы сухих компонентов. Условия планирования эксперимента представлены в табл. 3. Для сравнения влияния мраморовидного известняка на текучесть растворных смесей был реализован аналогичный план для составов на основе кварцевого песка. Матрица планирования и экспериментальные данные расплыва цилиндра Суттарда представлены в табл. 4.
Таблица 3
Условия планирования эксперимента_
Наименование фактора Ед. изм. Уровни варьирования Интервал
Код -1,141 -1 0 1 1,141 варьирования
Водовяжущее отношение Х1 1,1859 1,2 1,3 1,4 1,4141 0,1
Содержание извести в
цементно-известковом % Х2 28,59 30 40 50 51,41 10
вяжущем
Таблица 4
Матрица планирования эксперимента и опытные данные диаметра расплыва водных растворов на основе цементно-известкового вяжущего и заполнителя из мраморовидного
известняка и кварцевого песка
Группы точек № точки Матрица планирования Натуральные значения Расплыв, см
Х1 Х2 В/Т Содержание извести, %
1 1 1 1,400 50,0 38
2 -1 1 1,200 50,0 31
3 1 -1 1,400 30,0 46
4 -1 -1 1,200 30,0 41
Ш 5 1,141 0 1,414 40,0 43
6 -1,141 0 1,186 40,0 35
7 0 1,141 1,300 51,4 37
8 0 -1,141 1,300 28,6 45
№ 9 0 0 1,300 40,0 40
10 0 0 1,300 40,0 40
11 0 0 1,300 40,0 39
12 0 0 1,300 40,0 39
13 0 0 1,300 40,0 40
В результате статистической обработки полученных опытных данных (см. табл. 4) были получены уравнения регрессии зависимости консистенции смеси от исследуемых факторов:
- на мраморовидном известняке
Yм■и■ = 39,77 + 3,13X1 - 4,09X2- 0,40Х12 +0,07Х22 + 0,64X1X2; (1)
- на кварцевом песке
Yк■п■ = 42,06 + 2,70Х1 - 3,96Х2- 0,84Х12 - 0,20Х22 + 0,83Х1Х2. (2)
Согласно уравнениям (1) и (2), увеличение содержания извести в смешанном вяжущем (Х2) снижает текучесть рабочего водного раствора, что, соответственно, для достижения необходимой пластичности газобетонной смеси требует вводить в смесь большее количество воды.
С применением в качестве наполнителя кварцевого песка водопотребность смеси снижается и для достижения необходимого значения текучести газобетонной суспензии необходимо меньшее количество воды затворения. Это связано с меньшей удельной поверхностью песка по сравнению с мраморовидным известняковым наполнителем. Так удельная поверхность песка
равна 500 - 600 см2/г, в то время как для мраморовидного известняка это
л
значение равно 2500 - 3500 см /г.
На основании полученных данных о свойствах растворной части газобетонной смеси были получены пробные образцы газобетона плотностью
"5
600 кг/м на мраморовидном известняке и кварцевом песке с цементом. В качестве газообразователя использовали алюминиевую пудру ПАП-1, кроющая способность на воде которой составляет не менее 7000 см /г. В качестве ускорителя схватывания при применении цементного вяжущего в смесь вводилась кальцинированная сода (№2СО3), для повышения щелочности системы использовали каустическую соду (№ОИ). Твердение образцов протекало при одинаковых нормальных условиях. Температура и текучесть смеси была подобрана в соответствии с инструкцией СН 277-80. На рис. 1 и 2 приведена макроструктура полученных образцов.
а) б)
Рис. 1. Структура газобетона плотностью 600 кг/м на основе цемента и песка,
увеличение: а - * 8; б - * 28
а) б)
Рис. 2. Структура газобетона плотностью 600 кг/м на основе цементно-известкового вяжущего и мелкодисперсного мраморовидного известняка, увеличение:
а - х 8; б - х 28
Структура газобетона, полученного на традиционных сырьевых компонентах (см. рис. 1), свидетельствует о малой газоудерживающей способности смеси. Это может быть вызвано низкими показателями вязко-пластичных характеристик растворной части и неодновременным протеканием газовыделения и нарастания пластической прочности смеси. Лучшими условиями формирования газобетона следует считать совпадение максимального газовыделения с оптимальным значением пластично-вязких характеристик. Однако, эти характеристики являются индивидуальными и при прочих равных условиях зависят от адсорбционной и сольватной природы наполнителя газобетона. Рваная структура пор газобетона с применением
кварцевого песка свидетельствует о недостаточно высоких значениях его удельной поверхности для получения ячеистого бетона низкой плотности. На рис. 1 видны крупные включения, нарушающие целостность межпоровых перегородок. Подобные дефекты макроструктуры газобетона значительно снижают его физико-механические характеристики.
Мелкодисперсный известняк, как и кварцевый песок, относится к материалам с низкой адсорбционной активностью. Однако высокая удельная поверхность наполнителя и введение в систему извести улучшили показатели вязкости смеси, тем самым повысили ее газоудерживающую способность. Чем больше удерживается газа, тем лучше формируется пористая структура газобетона с равномерными, средней величины сферическими ячейками и прочными тонкими пленками-перегородками. На рис. 2 изображен газокарбонат, в газобетонной массе которого отсутствуют такие нежелательные явления для макроструктуры, как объединение пор, сообщающихся между собой и резкое их отклонение от сферической формы.
Выводы.
1. Проведенные исследования свидетельствуют о возможности получения газобетона на основе вторичного карбонатного сырья.
2. Определено, что введение в состав газобетонной смеси мелкодисперсных отходов камнедобычи мраморовидного известняка взамен кварцевого песка не оказывает негативного влияния на структурообразующие процессы растворной части газобетона. Коэффициент конструктивного качества образцов на основе смешанного вяжущего и мраморовидного известняка на 18 % выше, чем у образцов на кварцевом песке.
3. Установлено, что мраморовидный известняковый наполнитель и введение в систему извести улучшают показатели вязкости смеси, повышают ее газоудерживающую способность и в результате способствует улучшению пористой структуры материала.
Список литературы
1. Качалина Н.А. Легкий автоклавный материал из местного сырья/ Качалина Н.А., Кропчева Е.Н., Легашева В.П. //Строительные материалы. - 1960. - №7. - С. 22 - 24.
2. Книгина Г.И. Значение пластичности газобетонной массы при формовании макроструктуры / Г.И. Книгина, В.Д. Загоренко //Строительные материалы. - 1966. - №1. -С. 86 - 92.
3. Курносов Э.А. Механизм образования газовых пор в растворной смеси/ Курносов Э.А., Кисилева Е.М. // Строительные материалы. - 1982. - №11. - С. 28 - 29.
4. Любомирский Н.В. Структурообразование композиционных систем на основе извести карбонизационного твердения и вторичного известнякового сырья/ [Любомирский Н.В., Бахтина Т.А., Бахтин А.С., и др.] // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов.- Дн-вск., ПГАСА. - 2012. - Вып. №65. - С. 351 - 358.
5. Трескина Г.Е. Пылевидные отходы - эффективные наполнители для неавтоклавного газобетона / Г.Е. Трескина, Ю.Д. Чистов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2002. - №5. - С 10 - 11.
6. Чернышев Е.М. Портландитовые и портландито-карбонатные бесцементные системы твердения. Ч.2 / Чернышев Е.М., Потамошнева Н.Д., Кукина О.Б. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2002. - №5. - С. 8 - 9.
