CC BY
24
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 666.973.6
ПРИМЕНЕНИЕ ОТХОДОВ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В КАЧЕСТВЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
© 2013 г. М.В. Фильченко, Л.В. Климова
Фильченко Мария Владимировна - аспирант, инженер- Felchenko Maria Vladimirovna - post-graduate student, re-
исследователь, Омский государственный университет search engineer, Omsk State University F.M. Dostoevsky
им. Ф.М. Достоевского. Тел. 64-14-40. Ph. 64-14-40.
Климова Людмила Васильевна - ст. преподаватель, кафедра Klimova Lyudmila Vasilievna - senior lecturer, department
«Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно- «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances»
Российский государственный технический университет South-Russia State Technical University (Novocherkassk Poly-
(Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) technic Institute). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail:lyudmila.clim
25-51-35. E-mail:lyudmila.clim@yandex.ru @yandex.ru
Рассмотрена возможность применения отходов добычи и переработки угля в качестве компонентов бетонной смеси ячеистого бетона. Рассчитан состав бетонной смеси. Изучены основные технико-эксплуатационные свойства изделий из полученного бетона.
Ключевые слова: отходы добычи и переработки угля; бетонная смесь; ячеистый бетон; ресурсосберегающая технология; технико-эксплуатационные свойства.
The opportunity of usage of wastes of mining and processing of coal as the concrete mixture components of the cellular concrete. Designed composition of the concrete mix. Studied the main technical and operational properties of products from the obtained concrete.
Keywords: wastes of mining and processing of coal; concrete; cellular concrete; resource-saving technology; technical and performance characteristics.
На современном этапе научно-технического прогресса исключительно важными проблемами являются выпуск высококачественных строительных материалов, снижение материало- и энергоемкости их производства, решение проблем охраны окружающей среды, переход на безотходные технологии.
Поэтому весьма актуальной научно-технической задачей является разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий по применению отходов добычи и переработки угля в качестве заполнителей бетонных смесей с высокими показателями эксплуатационно-технологических свойств [1].
В связи с этим был произведен расчет бетонной смеси и изготовлены образцы изделий, представленные на рис. 1. Основная цель расчета состава бетонной смеси - установить такое соотношение между компонентами, которое позволяет обеспечить требуемые технологические свойства бетонной смеси и нормируемые показатели назначения бетона в установленные сроки.
Состав бетона целесообразно рассчитывать, последовательно определяя [2, 3]:
- значение цементно-водного соотношения (Ц/В) по условию достижения требуемой прочности в марочном возрасте (28 сут);
- расход воды, обеспечивающий необходимую удобоукладываемость бетонной смеси;
- расход цемента;
- расход применяемых заполнителей;
- водосодержание бетонной смеси на соответствие требованию получения нерасслаиваемой бетонной смеси;
- расчетную плотность бетонной смеси.
Рис. 1. Ячеистые бетоны
Цементно-водное отношение определяется в целях получения требуемой прочности, плотности, морозостойкости бетона [2, 3]. Различают два общих случая расчета состава бетона:
- расчет состава бетона общестроительного назначения, у которого основной нормируемый показатель назначения - предел прочности при сжатии;
- расчет состава бетона специального назначения.
Рассчитанные показатели представлены в табл. 1.
Таблица 1
Нормативные показатели, необходимые для расчета бетонной смеси
Средний уровень прочности бетона 0,45
Цементно-водное отношение 0,4
Цементно-водное отношение по морозостойкости 8,3
Марка бетона по водопроницаемости 0,02
Объем пор, л 295,45
Количество порообразователя, л/м3 18,5
Расход цемента, кг 385
Расход воды, л 154
Расход углеотхода, кг 461
Производственный расход материалов на 1 м3 бетона следующий: Ц - 385 кг, В - 154 л, У - 461 кг.
На основании рассчитанных данных были приготовлены бетонные смеси, из которых отформованы образцы в виде плитки по литьевой технологии.
Она предусматривает отливку изделий, как правило, в отдельных формах из текучих смесей, содержащих до 50 - 60 % воды от массы сухих компонентов. При изготовлении изделий из бетона применяемые материалы - цемент, углеотходы и вода - дозируют и подают в самоходный растворомеситель, в котором их перемешивают 4 - 5 мин; затем в приготовленную смесь вливают порообразователь фирмы Laston и после последующего перемешивания теста с порооб-разователем смесь заливают в металлические формы на определенную высоту с таким расчетом, чтобы после вспучивания формы были доверху заполнены ячеистой массой [2, 3].
Избыток массы после схватывания смеси срезают специальными струнами. Для ускорения газообразования, а также процессов схватывания и твердения применяют «горячие» смеси на подогретой воде с температурой в момент заливки в формы около 40 оС.
Тепловую обработку ячеистого бетона производят преимущественно в автоклавах в среде насыщенного водяного пара при температуре 175 - 200 оС и давле-
нии 0,8 - 1,3 МПа. Автоклавы представляют собой герметически закрывающиеся цилиндры диаметром до 3,6 м и длиной до 32 м.
Автоклавную обработку производят по определенному режиму с учетом типа и массивности изделий. Чтобы не появились трещины в изделиях, предусматривают плавный подъем и спуск температуры и давления; время выдержки изделий при максимальной температуре составляет 5 - 8 ч.
Ячеистые бетоны успешно применяются для легких железобетонных конструкций и теплоизоляции, также широко распространены конструктивно-теплоизоляционные и теплоизоляционные ячеистые бетоны. Такие бетоны обладают сравнительно большой сорбционной влажностью, паро- и воздухопроницаемостью, поэтому наружную поверхность ограждающих конструкций защищают более плотными слоями раствора. Конструкции из ячеистых бетонов отличаются высокими технико-экономическими показателями. Применение ячеистого бетона постоянно расширяется [2 - 5].
С целью подтверждения рассчитанных данных были проведены испытания по определению следующих эксплуатационно-технологических свойств. Для определения плотности бетона в нормальных влажно-стных условиях образцы хранили 28 сут в эксикаторе при относительной влажности воздуха не менее 95 % и температуре (20 ± 2) °С [6].
Объем образцов правильной формы вычисляли по их геометрическим размерам. Размеры образцов определяли штангенциркулем с погрешностью не более 1 мм по методике ГОСТ 10180. Массу образцов находили взвешиванием на аналитических весах с погрешностью не более 0,1 %.
Для определения объема пористости бетона (рис. 2) образцы насыщают в воде в течение 24 ч, затем выдерживают 10 мин на решетке, после чего измеряют их объем, без предварительного высушивания и парафинирования [7].
Чтобы определить водонепроницаемость, высоту контрольных образцов бетона в зависимости от наи-
большей крупности зерен заполнителя допускается назначать в соответствии с табл. 2.
Таблица 2
Высота контрольных образцов в зависимости от крупности зёрен заполнителя, мм
Наибольшая крупность Наименьшая высота
зерен заполнителя образца
5 30
10 50
20 100
Торцевые поверхности образцов перед испытанием очищают от поверхностной пленки цементного камня и следов уплотняющего состава металлической щеткой или другим инструментом.
Для проведения испытаний применяют: установку любой конструкции, которая имеет не менее шести гнезд для крепления образцов и обеспечивает возможность подачи воды к нижней торцевой поверхности образцов при возрастающем ее давлении, а также возможность наблюдения за состоянием верхней торцевой поверхности образцов; цилиндрические формы для изготовления образцов бетона с внутренним диаметром 150 мм и высотой 150; 100; 50 и 30 мм; воду по ГОСТ 23732.
Изготовленные образцы хранят в камере нормального твердения при температуре (20±2) оС и относительной влажности воздуха не менее 95 %.
Перед испытанием образцы выдерживают в помещении лаборатории в течение суток. Диаметр открытых торцевых поверхностей бетонных образцов -не менее 130 мм [8].
Образцы в обойме помещают в гнезда установки для испытания и надежно закрепляют. Давление воды повышают ступенями по 0,2 МПа в течение 1 - 5 мин и выдерживают на каждой ступени в течение времени, указанного в табл. 3 Испытание проводят до тех пор, пока на верхней торцевой поверхности образца появятся признаки фильтрации воды в виде капель или мокрого пятна.
Таблица 3
Время выдерживания образцов на каждой ступени
h, мм 150 100 50 30
t, ч 16 12 6 4
Водонепроницаемость каждого образца оценивают максимальным давлением воды, при котором еще не наблюдалось ее просачивание через образец.
Марку бетона по водонепроницаемости принимают по табл. 4.
При определении прочности бетона неразрушаю-щими методами в состав партии включают бетон одной партии конструкций [9].
Таблица 4
Марка бетона по водопроницаемости
Водонепроницаемость серии образцов, МПа 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Марка бетона по водонепроницаемости В2 В4 В6 В8 В10 В12
При контроле по образцам для определения прочности бетона из произвольно выбранных замесов в соответствии с ГОСТ 10181.0 отбирают не менее двух проб бетонной смеси от каждой партии бетона.
Контрольные образцы бетона сборных конструкций должны твердеть в одинаковых с конструкциями условиях до определения отпускной или передаточной прочности. Последующее твердение образцов, предназначенных для определения прочности бетона в проектном возрасте, должно производиться в нормальных условиях при температуре (20 ± 2)°С и относительной влажности воздуха не менее 95 %.
Число измерений, выполняемых на каждом контролируемом участке, принимают по действующим стандартам на методы неразрушающего контроля.
Для определения морозостойкости образцы должны быть без внешних дефектов, средняя плотность которых не отличается от минимальной более чем на 50 кг/м3. Массу образцов определяют с погрешностью не более 0,1 %. Контрольные образцы бетона перед замораживанием насыщают водой температурой (18 ± 2) оС [10]. С этой целью образцы погружают в жидкость на 1/3 их высоты на 24 ч, затем уровень жидкости повышают до 2/3 высоты образца и выдерживают в таком положении еще 24 ч, после чего образцы полностью погружают в жидкость на 48 ч таким образом, чтобы уровень жидкости был выше верхней грани образцов не менее чем на 20 мм.
Число циклов испытания основных образцов бетона в течение одних суток должно быть не менее одного.
В промежуточный срок испытания контролируют состояние образцов: появление трещин, отколов, шелушение поверхности. При появлении указанных дефектов испытание прекращают.
Время выдерживания при одновременном замораживании в морозильной камере образцов разных размеров принимают соответствующим наибольшим образцам.
Влажность бетона определяют испытанием образцов или проб, полученных дроблением образцов после их испытания на прочность [11]. Из раздробленного материала путем квартования отбирают усредненную пробу массой не менее 100 г. Подготовленные пробы взвешивают, ставят в сушильный шкаф и высушивают до постоянной массы при температуре (105 ± 5) °С. Взвешивание производят с погрешностью до 0,01 г.
Результаты полученных эксплуатационно-технологических свойств приведены в табл. 5.
Таблица 5
Экспериментальные данные
Прочность бетона, МПа 32
Морозостойкость бетона 50
Влажность бетона, % 11
Плотность бетона, кг/м3 600
Пористость бетона, мм 191
Водонепроницаемость бетона В25
В результате анализа экспериментальных данных установлено, что применение отходов добычи и переработки угля в качестве заполнителей в ячеистых бетонах является перспективным направлением. Они обладают достаточной прочностью при относительно малой объемной массе, при их изготовлении расходуется сравнительно немного вяжущего и не требуется автоклавная обработка. Из таких бетонов можно изготавливать изделия, отличающиеся сравнительно небольшой усадкой и прочностью свежеотформованных изделий, достаточной для необходимости производить немедленную их распалубку. Из бетонов на пористых заполнителях можно изготовлять практически все элементы зданий сплошные или с пустотами любых сечений, одно- или многослойные.
Работа подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательской работы на тему «Актуальные аспекты технологий переработки отходов топливно-энергетического комплекса и синтеза на их основе новых строительных
Поступила в редакцию
материалов» по соглашению № 14.В37.21.2092 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы».
Литература
1. Ефимов Н.Н., Яценко Е.А., Смолий В.А., Косарев А.С., Копица В.В. Экологические аспекты и проблемы утилизации и рециклинга золошлаковых отходов тепловых электростанций // Экология промышленного производства. 2011. № 2. С. 40 - 44.
2. Баженов Ю.М. Технология бетона: учеб. пособие; 2-е изд., перераб. М., 1987. 415 с.
3. Скрамтаев Б.Г., Шубенкин П.Ф., Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона. М., 1966. 158 с.
4. Yatsenko Е.А., Krasnikova O.S., Zemlyanaya E.B., Grush-ko I.S. Synthesis of glass for obtaining slag sitals based on slags from heat-and-power plants. Синтез стекол для получения шлакоситаллов на основе шлаков ТЭС // Glass and Ceramics. 2009. Т. 66. № 9-10. С. 310 - 312.
5. Ефимов Н.Н., Яценко Е.А., Рытченкова В.А., Косарев А.С. Проблемы комплексной переработки золошлаковых отходов и синтеза на их основе силикатных материалов строительного назначения // Техника и технология силикатов. 2010. № 2(17) С. 17 - 21.
6. ГОСТ 12730.1-78. Бетоны. Методы определения плотности.
7. ГОСТ 12730.4-78. Бетоны. Методы показателей пористости.
8. ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости.
9. ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности.
10. ГОСТ 10060.1-95. Бетоны. Методы определения морозостойкости.
11. ГОСТ 12730.2-78. Бетоны. Метод определения влажности.
5 февраля 2013 г.
