CC BY
21УДК 666.972.125
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-764-10-36-39
В.В. РУСИНА1, канд. техн. наук (rusina07@bk.ru); Е.И. ЧЕРНОВ2, инженер (ev7080@yandex.ru)
1 Костромская государственная сельскохозяйственная академия (156530, п. Караваево, Учебный городок, Караваевская с/а, 34)
2 «Мостоотряд-6» Ярославская территориальная фирма, филиал ПАО «МОСТОТРЕСТ» (150033, г. Ярославль, Тутаевское ш., 93)
Особенности подбора состава органоминеральных бетонов на основе техногенного сырья
Рассмотрена возможность использования методов математического моделирования для оптимизации компонентного состава сырьевой смеси органоминерального бетона, более подверженного влиянию не только технологических факторов производства, но и компонентного состава. В качестве основных составляющих сырьевой смеси использованы техногенные материалы: древесные опилки, молотый ваграночный шлак, зола, образующаяся при сжигании торфа на ТЭЦ, жидкое стекло, получаемое из микрокремнезема. Особенность исследований заключается в использовании метода математического планирования посредством трехфакторного трехуровневого математического плана В-3, в котором способ задания состава бетона в натуральных единицах заменен соотношением компонентов по массе. Применяя математические модели, выражающие зависимость свойств легкого бетона от различных факторов, представляется возможным получить оптимальные сочетания составляющих и свойств легкого бетона. Получены сочетания составляющих органоминеральных бетонов, которые могут быть рекомендованы для практического использования, в том числе указана зависимость прочности бетона от влажности древесного заполнителя, объяснен механизм взаимодействия. Представлена возможность расширения сырьевой базы органоминеральных бетонов путем замены металлургических шлаков и топливных зол от сжигания угля на золы, образующиеся при сжигании торфа.
Ключевые слова: органоминеральный бетон, оптимизация состава, древесные заполнители, опилки, шлак, зола, жидкое стекло.
Для цитирования: Русина В.В., Чернов Е.И. Особенности подбора состава органоминеральных бетонов на основе техногенного сырья // Строительные материалы. 2018. № 10. С. 36-39. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-764-10-36-39
V.V. RUSINA1, Candidate of Sciences (Engineering) (rusina07@bk.ru); E.I. CHERNOV2, Engineer (ev7080@yandex.ru)
1 Kostroma State Agricultural Academy (34, Karavaevskaya Village, Campus, Kostroma District, Kostroma Region, 156530, Russian Federation)
2 «Mostootryad-6» Yaroslavl territorial firm, branch of PJSC "Mostotrest" (93, Tutaevskoye Highway, Yaroslavl, 150033, Russian Federation)
Peculiarities of Selection of the Compositon of Organic-Mineral Concretes on the Basis of Anthropogenic Raw Material
The possibility of using methods of mathematical modeling to optimize the component composition of the raw mixture of organic-mineral concrete, which is more susceptible to the influence of not only technological factors of production, but also the component composition is considered. Man-made materials as sawdust, ground cupola slag, ash from the combustion of peat in CHP plants, liquid glass obtained from the micro-silica are used as the main components of the raw mix. The peculiarity of the research is to use the method of mathematical planning by means of a three-factor three-level mathematical plan B-3, in which the method of specifying the composition of concrete in natural units is replaced by the ratio of components by weight. Applying mathematical models that express the dependence of the properties of lightweight concrete on a variety of conditions, it is possible to obtain the optimum combination of components and properties of light concrete. The combinations of components of organic-mineral concretes, which can be recommended for practical use have been obtained; the dependence of the strength of concrete on the moisture content of wood filler was specified and the mechanism of interaction was explained. The possibility of expanding the raw material base of organic-mineral concretes by replacement of the smelter slag and ashes from coal combustion with ash from the combustion of peat is presented.
Keywords: organic-mineral concrete, optimization of composition, wood fillers, sawdust, slag, ash, liquid glass.
For citation: Rusina V.V., Chernov E.I. Peculiarities of selection of the compositon of organic-mineral concretes on the basis of anthropogenic raw material. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 10, pp. 36-39. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-764-10-39-39 (In Russian).
Как показывают современные исследования экологов и эргономов, наиболее комфортно человек ощущает себя в малоэтажных зданиях. В связи с этим становится понятным увеличение объемов малоэтажного строительства. Однако при осуществлении строительства малоэтажных сооружений в каждом отдельном климатическом районе прежде всего встает вопрос о рациональном использовании местных строительных материалов, дающих возможность создания надежных и долговечных конструкций наиболее доступным способом с наименьшими финансовыми и временными затратами.
В условиях Сибири, Костромской и многих других областей Российской Федерации реальные возможности крупномасштабного производства экологически эффективных стеновых материалов открываются при получении их на основе наиболее распространенных отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки в виде опилок, коры, щепы и т. п. [1—3].
Органоминеральные бетоны, полученные на основе древесных заполнителей и шлако- или золощелочных вяжущих (ШЩВ и ЗЩВ), удачно совмещают прочностные свойства вяжущего с небольшой плотностью и
хорошей теплоизолирующей способностью древесины [4—7]. Отечественные и зарубежные исследователи неоднократно подтверждали рациональность использования органических добавок в качестве компонентов не только легких, но и высокопрочных бетонов. Благодаря своему химическому составу такие добавки способны значительно увеличивать прочностные характеристики бетонов, образуя прочные системы в составе вяжущего [8].
Между тем проектирование состава любого легкого бетона представляет сложную задачу, поскольку необходимо, чтобы состав удовлетворял ряду важнейших требований, предъявляемых к ограждающим конструкциям зданий. Существующие традиционные методы подбора состава легкого бетона позволяют определить состав, но являются трудоемкими и не всегда дают возможность получить составы, обладающие оптимальными свойствами.
Современные способы проектирования составов теплоизоляционно-конструкционного бетона требуют применения математических методов оптимизации. Применяя математические модели, выражающие зави-
36
октябрь 2018
ы ®
750
700
650
600
550
1 3
~" 1 1 1
1,5
1,55 1,6 1,65
Соотношение жидкого стекла и шлака
1,7
800
750
700
650
600
i 2 1 I
0,4
0,425 0,45 0,475
Соотношение опилок и шлака
0,5
800
750
700
650
600
30
Влажность опилок, %
Рис. 1. Зависимость плотности бетона на ШЩВ от факторов: а - соотношение жидкого стекла и шлака (по массе); б - соотношение опилок и шлака (по массе); в - влажность опилок
5
1,5
5
4
1,55 1,6 1,65
Соотношение жидкого стекла и шлака
1,7
5 1
30
Влажность опилок, %
Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии бетона на ШЩВ от факторов: а - соотношение жидкого стекла и шлака (по массе); б - соотношение опилок и шлака (по массе); в - влажность опилок
1000
900
800
700
3 ....................^................
1
__.— " i i i
1,6
1,65 1,7 1,75
Соотношение жидкого стекла и золы
1,8
1050
950
850
750
0,4
0,425 0,45 0,475
Соотношение опилок и золы
0,5
1000
900
800
700
7,5 15 22,5
Влажность опилок, %
30
Рис. 3. Зависимость плотности бетона на ЗЩВ от факторов: а - соотношение жидкого стекла и золы (по массе); б - соотношение опилок и золы (по массе); в - влажность опилок
3
1,65 1,7 1,75
Соотношение жидкого стекла и золы
1,8
0,4
0,425 0,45 0,475
Соотношение опилок и золы
0,5
'" " i 1 1 1
7,5
15
Влажность опилок, %
22,5
30
Рис. 4. Зависимость прочности при сжатии бетона на ЗЩВ от факторов: а - соотношение жидкого стекла и золы (по массе); б - соотношение опилок и золы (по массе); в - влажность опилок
а
а
6
4
3
2
б
б
6
3
в
в
6
4
3
а
а
4
2
б
б
5
4
3
в
в
5
4
3
2
¡TPfJ>ITE/]brlblE научно-технический и производственный журнал J ® октябрь 2018
Рис. 5. Микрофотография поверхности частиц торфяной золы
симость свойств легкого бетона от различных факторов, представляется возможным получить оптимальные сочетания составляющих и свойств легкого бетона. Однако предприятиям, выпускающим изделия из легкого бетона на основе древесного заполнителя, например стеновые блоки, недостаточно иметь только оптимальные составы, так как свойства отходов древесины могут изменяться в широких пределах. В связи с этим возникает необходимость в постоянной корректировке составов бетона. Чаще всего необходимо изменить расход одной из составляющих органоминеральной бетонной смеси. Это, естественно, не может не сказаться на конечных свойствах бетона. Чтобы избежать брака, необходимо иметь данные, позволяющие оперативно корректировать составы материала в производственных условиях.
Поскольку соотношение компонентов по массе является единственно постоянными величинами, которые не изменяются, предлагается использовать метод математического планирования, в котором способом задания состава бетона в натуральных единицах (кг/м3) заменяется соотношением компонентов по массе.
В исследованиях использованы ШЩВ и ЗЩВ, состоящие соответственно из молотого гранулированного ваграночного шлака ПО «Сибтепломаш» (г. Братск) или золы-уноса ТЭЦ-7 «Иркутскэнерго» (г. Братск) и жидкого стекла, получаемого из микрокремнезема Братского ферросплавного завода. Заполнителем служили древесные опилки с насыпной плотностью 200 кг/м3 и размерами частиц до 2,5 мм [4].
Эксперименты проводились в соответствии с трех-факторным трехуровневым математическим планом В-3. В качестве независимых переменных выбраны следующие факторы: X! — отношение жидкого стекла к шлаку или золе (по массе); Х2 — отношение древесных опилок к шлаку или золе (по массе); Х3 — влажность опилок (%). В качестве функций отклика рассматривались средняя плотность бетона кг/м3, и прочность при сжатии бетона ^2), МПа.
Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием статистического пакета «Стадия».
Проверка значимости коэффициентов проводилась по критерию Стьюдента с доверительной вероятностью 0,95.
Полученные зависимости использовались для построения соответствующих графиков (рис. 1—4), которые позволяют оперативно корректировать составы бетона при изменении свойств исходных материалов с целью получения требуемых физико-механических характеристик.
Анализ графического материала свидетельствует, что в рассматриваемых интервалах существенное влияние на свойства органоминерального бетона оказывает соотношение между щелочным и алюмосиликатным компонентами вяжущих. Так, при максимальных значениях Х2 и Х3 с увеличением доли жидкого стекла наблюдается рост плотности и прочности материала. По-видимому, в системе с высоким содержанием опилок жидкое стекло выполняет не только роль одного из компонентов вяжущего, но и выступает в качестве самостоятельного вяжущего вещества. Что касается минимальных значений Х2 и Х3, то здесь отмечается обратная зависимость, т. е. в системе, где преобладает золо-шла-ковая составляющая, жидкое стекло — это только щелочной компонент вяжущего. Вполне очевидно, что увеличение содержания жидкой фазы (жидкого стекла) приводит к росту пористости искусственных шлако- и золощелочных камней, что влечет за собой снижение плотности и прочности бетона.
Полученные данные позволяют заключить, что плотность исследуемого органоминерального бетона снижается с увеличением расхода опилок — наиболее легкого компонента бетона. При этом минимальная плотность материала достигается при максимальных значениях Х1 и Х2. Естественно, что со снижением плотности, вызванным увеличением доли опилок, снижается прочность бетона.
Характер установленных зависимостей показывает значительное влияние влажности опилок на свойства исследуемых бетонов. Так, максимальные значения плотности и прочности имеют композиции при влажности опилок 15%. Вероятно, при влажности менее 15%, т. е. ниже точки насыщения волокна, опилки интенсивно впитывают в себя жидкое стекло. Вследствие этого алюмосиликатным компонентам вяжущих для их полной гидратации не хватает щелочного компонента. Результат — невысокие плотность и прочность бетона. При влажности опилок 15% насыщения опилок жидким стеклом не происходит и щелочной компонент полностью взаимодействует с золой или шлаком с образованием плотного и прочного цементного камня. Дальнейшее увеличение влажности опилок до 30% приводит к тому, что лишняя влага уменьшает плотность жидкого стекла, изменяя тем самым концентрацию щелочи в системе. Кроме того, повышенная влажность опилок способствует росту пористости искусственных камней, что влечет за собой уменьшение плотности и прочности бетона.
Выводы.
С помощью математического планирования и статистической обработки данных получены сочетания составляющих органоминеральных бетонов, которые могут быть рекомендованы для практического использования. Однако при этом следует отметить, что в регионах, богатых лесными ресурсами, но в которых отсутствуют металлургические шлаки и топливные золы от сжигания угля, органоминеральные бетоны могут быть получены на другом алюмосиликатном сырье [9—15]. Так, в Костромской области актуальным является использование золы, образующейся при сжигании на ТЭЦ торфа. Щелочным компонентом ЗЩВ служит жидкое стекло из силикат-глыбы или из микрокремнезема Новолипецкого металлургического комбината [4]. Между тем
38
октябрь 2018
] ®
исследованиями, проводимыми в Костромской государственной сельскохозяйственной академии, установлено, что торфяная зола характеризуется повышенной водопотребностью, обусловленной высокоразвитой поверхностью частиц (рис. 5).
Поэтому из-за особенностей структуры торфяной золы ЗЩВ бетоны на его основе отличаются повышенным расходом жидкого стекла, что приводит к заметному ухудшению их прочностных показателей.
Список литературы
1. Лукаш А.А., Лукутцова Н.П. Новые строительные материалы и изделия из древесины. М.: ACB, 2015. 288 с.
2. Лукаш А.А., Лукутцова Н.П. Эффективные строительные материалы и изделия из техногенных отходов для жилищного строительства // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2017. № 2. С. 26-37.
3. Барахтенко В.В., Бурдонов А.Е., Зелинская Е.В., Толмачева Н.А., Головнина А.В., Самороков В.Э. Исследование свойств современных строительных материалов на основе промышленных отходов // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-12. С. 2599-2603.
4. Русина В.В., Дубровина Ю.Ю., Чернов Е.И. Бетоны для ограждающих конструкций на основе отходов механической переработки древесины // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 32-35.
5. Рахимбаев Ш.И., Толыпина Н.М. Обоснование выбора типа вяжущего для агрессивных сред органического происхождения на основе теории гетерогенных физико-химических процессов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 9. С. 159-163.
6. Килюшева Н.В., Данилов В.Е., Айзенштадт А.М. Теплоизоляционный материал из коры сосны и ее экстракта // Строительные материалы. 2016. № 11. С. 48-51.
7. Шешуков А.П., Лычагин Д.В., Макаров Е.Я. Исследование процессов формирования структуры арболита при химической активации древесины // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 3 (44). С. 145-152.
8. Khuram Rashid, Madiha Ahmadm Muhammad Akram Tahir. Influence of organic agents to compressive strength of cement mortar // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 175, pp. 434-438.
9. Мингалеева Г.Р., Шамсутдинов Э.В., Афанасьева О.В., Федотов А.И., Ермолаев Д.В. Современные тенденции переработки и использования золошла-ковых отходов ТЭС и котельных // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/ view?id=16475 (дата обращения: 17.02.2018).
10. Яценко Е.А., Грушко И.С., Гольцман Б.М. Опыт создания строительных материалов на основе зол и шлаков тепловых электростанций // Научное обозрение. 2014. № 9-2. С. 443-448.
11. Панибратов Ю.П., Староверов В.Д. К вопросу применения зол ТЭС в бетонах // Технологии бетонов. 2012. № 1-2 С. 43-47.
12. Пашков И.А. Использование шлакощелочных бетонов в строительстве и промышленности // Цемент. 1985. № 11. С. 35-37.
13. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов // Цемент и его применение. 2002. № 5. С. 21-22.
14. Саталкин А.В. Технология изделий из силикатных бетонов. М.: Стройиздат, 1972. 344 с.
15. Румшицкий Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. 171 с.
Частичная замена торфяной золы на молотый топливный шлак, образующийся на ТЭЦ Костромской области при сжигании каменного угля, позволяет значительно снизить расход жидкого стекла и тем самым улучшить основные физико-механические характеристики органоминерального бетона. Причем при корректировке состава такого бетона также используется способ задания состава через соотношение компонентов по массе.
References
1. Lukash A.A., Lukuttsova N.P. Novye straitel'nye mate-rialy i izdeliya iz drevesiny [New construction materials and products from wood]. Moscow: ACB. 2015. 288 p.
2. Lukash A.A., Lukutsova N.P. Effective building materials and products from industrial waste for housing construction. Bulletin of the Volga State University of Technology. Series: Materials. Constructions. Technology. 2017. No. 2, pp. 26—37. (In Russian).
3. Barakhtenko V.V., Burdonov A.E., Zelinskaya E.V., Tolmacheva N.A., Golovnina A.V., Samorokov V.E. Research of properties of modern construction materials on the basis of industrial wastes. Fundamental'nye issledo-vaniya. 2013. No. 10-12, pp. 2599-2603. (In Russian).
4. Rusina V.V., Dubrovina Yu.Yu., Chernov E.I. Concretes for enclosing structures on the basic of waste of wood machining. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 32-35. (In Russian).
5. Rakhimbaev Sh.I., Tolypina N.M. Justification of the choice of type of the organic origin knitting for hostile environment on the basis of the theory of heterogeneous physical and chemical processes. Vestnik Belgo-rodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2016. No. 9, pp. 159-163. (In Russian).
6. Kilyusheva N.V., Danilov V.E., Aizenshtadt A.M. Heat-insulating material from bark of a pine and its extract. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 11, pp. 48-51. (In Russian).
7. Sheshukov A.P., Lychagin D.V., Makarov E.Ya. Research of processes of formation of structure of wood concrete at chemical activation of wood. Vestnik Tomskogogosudarst-vennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2014. No. 3 (44), pp. 145-152. (In Russian).
8. Khuram Rashid, Madiha Ahmadm Muhammad Akram Tahir. Influence of organic agents to compressive strength of cement mortar. Construction and Building Materials. 2018. Vol. 175, pp. 434-438.
9. Mingaleeva G.R., Shamsutdinov E.V., Afanas'eva O.V., Fedotov A.I., Ermolaev D.V. Current trends of processing and use of cindery and slag waste of thermal power plant and boiler rooms. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2014. No. 6. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=16475 (Date of access 17.02.2018). (In Russian).
10. Yatsenko E.A., Grushko I.S., Gol'tsman B.M. Experience of creation of construction materials on the basis of the evils and slags of thermal power plants. Nauchnoe obozre-nie. 2014. No. 9-2, pp. 443-448. (In Russian).
11. Panibratov Yu.P., Staroverov V.D. To a question ofuse of the evils of thermal power plant in concrete. Tekhnologii betonov. 2012. No. 1-2, pp. 43-47. (In Russian).
12. Pashkov I.A. Using ash-alkaline concretes in building and production. Cement. 1985. No. 11, pp. 35-37. (In Russian).
13. Hodakov G.S. Fine grinding of building materials. Cement i egoprimenenie. 2002. No. 5, pp. 21-22. (In Russian).
14. Satalkin A.V. Tehnologiya izdelij iz silikatnyh betonov [Technology products from silicate concretes] Moscow: Stroyizdat. 1972. 344 p.
15. Rumshickiy L.Z. Matematicheskaja obrabotka rezul'taty jeksperimenta [Mathematical processing of the results of the experiment] Moscow: Nauka. 1971. 344 p.
M ®
октябрь 2018
39
