CC BY
33УДК: 666.9: 691.511: 691.316
ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО КАРБОНАТНОГО ТВЕРДЕНИЯ
Любомирский Н.В., Федоркин С.И., Костандов Ю.А., Бахтин А.С., Коваленко С.Н.
Академия строительства и архитектуры, ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского» Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181
[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
Аннотация. Разработана методика определения модуля упругости строительных материалов на образцах малых размеров. Исследованы физико-механические свойства строительных материалов на основе известково-известняковых композиций полусухого прессования, твердеющих по принципу принудительной карбонизации в зависимости от рецептурно-технологических факторов их получения. Показано, что на основе данных материалов можно получать строительные изделия прочностью на сжатие до 30 МПа, прочностью на растяжение при изгибе - до5 МПа и выше, модулем упругости до 18 ГПа.
Ключевые слова: Строительные материалы и изделия, карбонатное твердение, прочность, деформативность.
ВВЕДЕНИЕ.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Физико-механические свойства материалов являются важнейшими их характеристиками, которые используются при расчете строительных конструкций, изготавливаемых из этих материалов и изделий. Особенностью материалов карбонатного твердения является их состав, основу которого составляет известковое связующее, и способ твердения, предполагающий выдерживание свежеотформованных изделий в искусственно созданной среде с повышенным содержанием углекислого газа.
Использование способности извести твердеть за счет поглощения и связывания СО2 в прочный кальцит позволили разработать экологически чистые биопозитивные строительные изделия нового поколения [1, 2, 3], а также способы эффективной секвестрации техногенного СО2 [4, 5, 6]. Физико-химические особенности процессов принудительной карбонизации известковых систем достаточно изучены [7, 8, 9], однако, физико -механические свойства, в частности, деформативные характеристики материалов и изделий на основе извести принудительного
карбонатного твердения практически не исследованы. Как известно [10, 11, 12], материалы на основе извести не обладают высокими физико-механическими свойствами, тем не менее, некоторые исследования, проведенные авторами настоящей статьи ранее [13], свидетельствуют, что принудительная карбонизация позволяет получать материалы полусухого прессования прочностью на сжатие до 40 МПа и даже 60 МПа.
Поэтому целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование физико -механических свойств образцов материалов на основе известково-известняковых композиций полусухого прессования принудительного карбонатного твердения в зависимости от состава и технологических параметров их получения.
Значительное место в физико-механических характеристиках материала отводится
деформативным свойствам, к которым относятся их собственные деформации и деформации при действии внешней нагрузки. Поскольку ранее проведенными исследованиями установлено [14], что искусственная карбонизация известково-известняковых образцов полусухого прессования не влияет на возникновение каких-либо собственных деформаций - усадки или разбухания, в данной группе экспериментов исследовалась показатели
деформативности образцов при действии внешней нагрузки, т.е., - призменная прочность, Rpпsm., модуль упругости, Ес и коэффициент Пуассона, д в зависимости от основных рецептурно-технологических факторов получения материалов карбонатного твердения: количества известкового вяжущего, водосодержания сырьевой смеси и удельного формовочного давления прессования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения исследования методом полусухого прессования были изготовлены образцы в форме параллелепипеда размерами в плане 240 х 120 мм и высотой 60 мм (кирпич) и 20 мм (пластина). Удельное давление прессования составляло 30, 45 и 60 МПа. Образцы изготавливали из сырьевых смесей различного состава, содержащих гашеную известь в количестве 5, 10 и 20 % мас. и молотый мраморовидный известняк. Сырьевую смесь готовили в роторном смесителе в
течение 60 с. Карбонизацию изделий проводили в лабораторной камере карбонизации при нормальной температуре и концентрации СО2 30 % в течение 10800 с.
Прочность на сжатие определяли на половинках изделий (кирпичах), образовавшиеся после испытания их на прочность при растяжении при изгибе, водопоглощение по массе определяли на целых образцах, толщину карбонизированного слоя исследовали путем нанесения спиртового раствора фенолфталеина на поверхность разлома изделий после испытания их на изгиб. Прочность на растяжение при изгибе определяли как на образцах в форме кирпича, так и в форме пластины.
Учитывая, то, что полусухим прессованием сложно изготовить массивные образцы, для определения деформативных характеристик использована специальная методика определения Ес на образцах малых размеров, которая основана на принципе определения зависимости изменения высоты 5h образца от изменения сжимающей вертикально направленной нагрузки Р (рис. 1).
Р
Рис. 1. Схема определения зависимости изменения высоты Sh образца от изменения сжимающей загрузки P
Fig. 1. The scheme for determining the dependence of the variation in theheight of the Sh sample on the variation in the
compressive load P
Образец (см. рис. 1), изготовленный в виде параллелепипеда размерами: h = 50.. .57 мм, a = 26 мм, Ь = 49.62 мм, располагают между плоскими поверхностями двух плит пресса 2 и через упругий элемент 3 с тензометрическим мостом осуществляют их одноосное сжатие силой Р до значения Рь При этом происходит деформация
датчика 4 изменения Shi высоты h образца, представляющего собой упругий элемент с тензометрическим мостом. Сигналы от тензометрических мостов упругих элементов 3 и 4 подают на аналогово-цифровой преобразователь 5 и устройство памяти компьютера. Затем сжимающую нагрузку увеличивают до значения Р2, что,
соответственно, приводит к изменению высоты образца до значения 5h2. После этого процедуру увеличения сжимающей нагрузки повторяют п раз, доводя сжимающую нагрузку до значения Рп, что приводит к изменению высоты образца до значения
5Ип. Результат регистрации изменяющихся во времени t величин Р(^) и 5Ьф отображается в реальном времени на мониторе компьютера в виде графиков, как показано на рис. 2.
öh
8Ь
Öh2 5h,
▲
p(t )/i
_/1
5h(t) j
h
U
Рис. 2. Изменение во времени t величин P(t) и 5h(t) Fig. 2. The change in time of t values P(t) and Sh(t)
Имея пары значений Р1 и 5^, строится зависимость 5h от Р и ее линия тренда. В полученном уравнении у = кх + Ь у представляет 5Ь, х - Р и к = 5Щ(Р) / 5Р. Пример зависимости 5h от Р
приведен на рис. 3, на котором показаны ее линия тренда, уравнение и величина достоверности аппроксимации Я2. В приведенном примере к = 5И(Р) / 5Р = 1.70 ткт/кРа.
120
Е
Е
5 10 15 рдра 20
Рис. 3. Пример зависимости Sh от P Fig. 3. An example of the dependence of Sh on P 59
60 + 0
Для каждого образца из каждой партии, отличающихся друг от друга составом и технологическими параметрами получения, было проведено по пять определений зависимости 5h от P и, соответственно, получено пять значений k = 5h(P) / 5P. По их среднему значению km определяли модуль упругости Ec образца материала соответствующей партии:
E„= h/(s • km) , где s - площадь поперечного сечения образца, s = a • b; a и b - ширина и толщина образца, соответственно.
Для получения более полных деформативных характеристик (Rpnsm, Ec и д) карбонизированного
материала изделий опытной партии проводили испытание призм размером 40 х 40 х 160 mm, выпиленных с помощью алмазных пил из карбонизированных кирпичей опытной партии. Испытание призм производили на универсальной электромеханической испытательной машине «INSTRON® 5989» (США).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Опытные данные основных свойств карбонизированных изделий сведены в табл. 1 и представлены графически на рис. 4 и 5.
Таблица 1. Свойства опытных образцов Table 1. Properties of test samples
№ п/п Условия получения Толщина карбонизированного слоя, мм Предел прочности при сжатии, R, МПа Предел прочности на растяжение при изгибе образцов, Rt, МПа, Водо-поглощение по массе, %
содержание извести, % мас. удельное давление прессования, Ро, МПа
кирпич пластина
1 5 30 28 25,7 2,85 3,03 8,6
2 5 45 22 20,5 2,94 3,33 8,0
3 5 60 18 30,3 3,80 4,12 6,5
4 10 30 20 29,0 3,12 4,66 8,2
5 10 45 12 16,4 3,05 4,51 7,2
6 10 60 9 19,1 2,78 4,30 6,9
7 20 30 17 26,9 3,08 4,55 8,6
8 20 45 10 19,7 2,80 4,11 7,7
9 20 60 7 25,0 3,95 6,02 7,5
Результаты табл. 1 и рис. 4 показывают, что предел прочности при сжатии с увеличением давления прессования с 30 до 45 МПа снижается, а при увеличении Ро до 60 МПа - возрастает, но все-таки несколько уступает прочности образцам, полученных при Ро = 30 МПа. Очевидно, что R образцов, полученных при Ро = 30 МПа, формируется за счет более полной карбонизации
материала, о чем свидетельствуют данные толщины карбонизированного слоя (см. рис. 5), который уменьшается с увеличением давления прессования. Образцы, полученные при Ро = 60 МПа, имеют минимальный по толщине карбонизированный слой, но прочность практически такую же, что и у образцов, изготовленных при 30 МПа. R в данном случае формируется, в первую очередь, за счет сил
контактного взаимодействия между частицами, которые возрастают с увеличением усилия прессования. Образцы, полученные при Ро = 45 МПа, имеют достаточно плотную структуру,
препятствующую проникновению СО2 в глубину изделий, однако, которого еще не достаточно для возникновения прочных контактов связей между частицами материала.
35
30
SL 25
И
20
15
10
30 35 40 45 50 55 60
Давление прессования, МПа
1
3
2
5
0
Рис. 4. Зависимость прочности на сжатие и на растяжение при изгибе (') карбонизированных изделий от удельного давления прессования и количества извести в составе смеси, % мас.: 1 - 5; 2 - 10; 3 - 20.
Fig. 4. The dependence of the compressive and tensile strength in bending ( ' ) carbonized products on the specific pressure of compression and the amount of lime in the mixture, % by weight.: 1 - 5; 2 - 10; 3 - 20
I
а б в
Рис. 5. Карбонизированный слой изделий в зависимости от содержания извести, % мас.: I - 5; II - 10; III - 20 и удельного
давления прессования изделий, МПа: а - 30; б - 45; в - 60
Fig. 5. Carbonized layer of products depending on the lime content, % by weight.: I-5; II-10; III-20 and specific pressure of
pressing products, MPa: а - 30; б - 45; в - 60
Опытные данные предела прочности на растяжение при изгибе, определенные на карбонизированных изделиях в виде кирпичей и пластин (см. табл. 1), свидетельствуют, что данный показатель зависит от геометрии изделий, от которой, в свою очередь, зависит однородность карбонизированного материала. Так Rt пластин толщиной ~ 20 мм выше, чем Rt кирпичей в среднем в 1,1 раза при содержании извести 5 % мас. и в 1,5 раза при содержании извести 10 и 20 % мас. Столь значительному изменению показателя Rt приводит наличие ядра в изделиях большого поперечного сечения из непрокарбонизированного материала известково-известняковой композиции. Таким образом, можно заключить, что прочностные свойства опытных образцов в значительной степени зависят от его размера и массивности форм, определяющим геометрическим параметром при этом будет толщина поперечного сечения. Наиболее эффективной формой изделий будет пустотелая с толщиной стенок до 30-40 мм.
Увеличение содержания извести в составах сырьевых смесей при незначительном влиянии на
изменение предела прочности при сжатии изделий более существенное влияние оказывает на предел прочности на растяжение при изгибе. С увеличением количества извести просматривается тенденция к увеличению Иса.
Результаты определения упруго-пластичных и деформативных характеристик образцов известково-известняковых композиций
принудительного карбонатного твердения в зависимости от состава и давления прессования, представлены в табл. 2 и показывают, что модуль упругости, определенный по разным методикам, несколько отличается. Причиной этому является макроструктура опытных образцов. Образцы в виде пластинок малого размера, имеют более однородную карбонатную структуру, а образцы-призмы, выпиленные из кирпичей, помимо карбонатной части содержат еще и некоторое количество непрореагировавшего с СО2 гидроксида кальция, снижающего физико-механические характеристики материала.
Таблица 2. Упруго-пластичные и деформативные свойства образцов известково-известняковых композиций
принудительного карбонатного твердения
Table 2. Elasto-plastic and deformative properties of samples of calcareous-lime compositions of forced carbonate hardening
№ п/ п Количество извести в составе сырьевой смеси, % мас. Удельное давление прессование, Ро, МПа E0 образцов в виде пластинок малого размера, МПа Характеристики образцов-призм
Rprism^ МПа E, МПа
1 5 30 16400 27,4 0,18 16660
2 5 45 13300 10,1 0,26 11600
3 5 60 16500 14,2 0,24 14380
4 10 30 17800 30,5 0,17 17000
5 10 45 13500 10,9 0,24 11460
6 10 60 16600 13,2 0,25 12850
7 20 30 16200 17,0 0,20 13500
8 20 45 13000 10,4 0,26 10700
9 20 60 15400 15,6 0,25 12000
Рассматривая опытные данные табл. 2 можно наблюдаются у образцов с содержанием извести до
отметить, что модуль упругости зависит от состава 10 % мас. С увеличением содержания извести до
известково-известняковой композиции и величины 20 % мас. Ес снижается и показывает значение
давления прессования. Максимальные значения Ес меньше, чем при 5 %-ном содержании вяжущего.
Можно утверждать, что с увеличением количества известкового вяжущего в составах формовочных смесей материалов карбонатного твердения повышается их деформативность. Характер влияния давления прессования опытных образцов на Ес карбонизированных материалов соотносится с их прочностными свойствами (см. табл. 1) и повышается с увеличением прочности на сжатие материала.
Анализируя показатели модуля упругости, полученные по разработанной методике при испытании пластинок и стандартной при испытании призм, учитывая большую однородность карбонатного материала в образцах малых размеров, можно считать, что показатели Ес, полученные по предложенной методике, в большей мере отражают упругие свойства материала карбонатного твердения.
Коэффициент Пуассона, полученный в ходе испытаний опытных образцов-призм, изменяется в зависимости от давления прессования получения
материала и, соответственно, от степени карбонизации материала. У образцов более однородной структуры, полученных при давлении прессования 30 МПа, д = 0,17-0,20, что соответствует показателям, принимаемых при расчете бетонных конструкций, а у образцов с большим содержанием непрореагированного гидроксида кальция д = 0,24-0,26.
Характер разрушения образцов-призм искусственного карбонатного камня
карбонизационного типа твердения, полученного при Ро = 30 МПа, соответствует хрупкому разрушению материала (рис. 6) и схож с характером разрушения призм из природного известняка при испытании их на деформативность (рис. 7), однако, по модулю упругости значительно его превосходят. Бс образцов природного известнякового камня, на основе которого изготовлены опытные известково-известняковые образцы принудительного карбонатного твердения, составляет 13,2 ГПа.
Рис. 6. Разрушение опытного образца известково-известняковой композиции карбонизационного твердения (содержание
извести 10 % мас., давление прессования 30 МПа)
Fig. 6. Destruction of the prototype of lime-limestone composition of carbonation hardening (lime content 10% by weight.,
pressing pressure 30 MPa)
Рис. 7. Разрушение призмы мраморовидного известняка после испытания на определение модуля упругости Fig. 7. Destruction of the prism marble-like limestone the test for determination of elastic modulus
В целом, полученные опытные данные показаывают, что известковые материалы карбонизационного твердения по прочностным и деформативным характеристикам соответствуют нормативным требованиям СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» для мелкозернистых цементных бетонов группы Б.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали, что на основе известково-известняковых композиций карбонатного твердения можно получать строительные изделия полусухого прессования с высокими прочностными и деформативными характеристиками: прочностью на сжатие до 30 МПа, прочностью на растяжение при изгибе -до5 МПа и выше, модулем упругости до 18 ГПа. Материалы на основе известково-известняковых композициях карбонизационного твердения по прочности и деформативности сопоставимы с классическим мелкозернистым цементным бетоном.
Установлено, что при давлениях прессования до 30 МПа прочностные свойства материалов карбонатного твердения формируются, главным образом, за счет карбонизационного твердения известкового вяжущего, а при увеличении удельного давления прессования, в большей степени, за счет контактного взаимодействия частиц. Увеличение содержания известковой составляющей в формовочных составах материалов карбонатного твердения увеличивает их деформативность.
Анализ физико-механических свойств карбонизированных изделий позволил установить,
что их прочностные и деформативные показатели в значительной степени зависят от геометрии изделий, в частности, от величины поперечного сечения материала. Определено, что оптимальным видом выпускаемой продукции карбонизационного типа твердения являются пустотелые изделия с толщиной стенок не более 30-40 мм.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования и науки Республики Крым в рамках научного проекта 17-47-92010.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Arandigoyen M., Álvarez J.I. Carbonation process in lime pastes with different water, Materiales de Construcción. 2006. № 56(281). рр. 5-18.
2. Xuan D.X., Zhan B.J., Poon C.S. Development of a new generation of eco-friendly concrete blocks by accelerated mineral carbonation, Cement Concrete Comp. 2016. № 133. рр. 1235-1241.
3. Monkman S., Mark M.D. Carbon dioxide upcycling into industrially produced concrete blocks, Constr. Build. Mater. 2016. № 124. Рр. 127-132.
4. Xuan D., Zhan B., Poon C.S., Zheng H.W., Kwok K.K.W. Carbon dioxide sequestration of cement slurry waste and valorisation of FRCAs in eco-construction products by carbonation, 14th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC 2015), in Beijing, China. October 13-16. 2015. рр. 1-8.
5. Kou S.C., Zhan B.J., Poon C.S., Use of a CO2 curing step to improve the properties of concrete prepared with recycled aggregates, Cement Concrete Comp. 2014. № 45. рр. 22-28.
6. Zhan B.J., Xuan D., Poon C.S., Shi C.J. Effect of curing parameters on CO2 curing of concrete blocks containing recycled aggregates, Cement Concrete Comp. 2016. № 71. рр. 122-130.
7. Savija B., Lukovic M. Carbonation of cement paste: understanding, challenges, and opportunities, Constr. Build. Mater. 2016. № 117. рр. 285-301.
8. Shi C., Wu Y., Studies on some factors affecting CO2 curing of lightweight concrete products, Resour. Conserv. Recy. 2008. № 52. Рр. 1087-1092.
9. Sormeh K.H., Subhasis G. Physico-chemical processes limiting CO2 uptake in concrete during accelerated carbonation curing, Ind. Eng. Chem. Res. 2013. № 52. рр. 5529-5537.
10. Осин Б.В. Негашеная известь как новое вяжущее вещество. М.: Промстройиздат. 1954. 384 с.
11. Сычев М.М. Систематизация вяжущих веществ, Журнал прикладной химии. 1970. № 3. С. 528-533.
12. Сычев М.М. Возникновение структур твердения как процесс самоорганизации, Тр. ВНИИхимпром. 1998. № 97. С. 15-119.
13. Любомирский Н.В., Федоркин С.И. Научно-технологические принципы утилизации углекислого газа в биопозитивные строительные изделия, Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2016. № 4 (16). С. 39-49.
14. Любомирский Н.В., Федоркин С.И., Лукьянченко М.А. Системы на основе извести карбонизационного твердения, Строительные материалы. 2008. № 11. С. 45-47.
REFERENCES
1. Arandigoyen M., Álvarez J.I. Carbonation process in lime pastes with different water, Materiales de Construcción. 2006. № 56(281). рр. 5-18.
2. Xuan D.X., ZhanB.J., Poon C.S. Development of a new generation of eco-friendly concrete blocks by accelerated mineral carbonation, Cement Concrete Comp. 2016. № 133. рр. 1235-1241.
3. Monkman S., Mark M.D. Carbon dioxide upcycling into industrially produced concrete blocks, Constr. Build. Mater. 2016. № 124. Рр. 127-132.
4. Xuan D., Zhan B., Poon C.S., Zheng H.W., Kwok K.K.W. Carbon dioxide sequestration of cement slurry waste and valorisation of FRCAs in eco-construction products by carbonation, 14th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC 2015), in Beijing, China. October 13-16. 2015. pp. 1-8.
5. Kou S.C., Zhan B.J., Poon C.S., Use of a CO2 curing step to improve the properties of concrete prepared with recycled aggregates, Cement Concrete Comp. 2014. № 45. pp. 22-28.
6. Zhan B.J., Xuan D., Poon C.S., Shi C.J. Effect of curing parameters on CO2 curing of concrete blocks containing recycled aggregates, Cement Concrete Comp. 2016. № 71. pp. 122-130.
7. Savija B., Lukovic M. Carbonation of cement paste: understanding, challenges, and opportunities, Constr. Build. Mater. 2016. № 117. pp. 285-301.
8. Shi C., Wu Y., Studies on some factors affecting CO2 curing of lightweight concrete products, Resour. Conserv. Recy. 2008. № 52. Pp. 1087-1092.
9. Sormeh K.H., Subhasis G. Physico-chemical processes limiting CO2 uptake in concrete during accelerated carbonation curing, Ind. Eng. Chem. Res. 2013. № 52. pp. 5529-5537.
10. Osin B.V. Quick lime as a new binding agent, Promstroyizdat, Moscow. 1954. 384 p. (In Russian)
11. Sychev M.M. Systematization of binders, Journal of Applied Chemistry. 1970. № 3. pp. 528-533. (In Russian)
12. Sychev M.M. The emergence of hardening structures as a process of self-organization, Works VNIIhimprom. 1998. № 97. pp. 115-119. (In Russian)
13. Lyubomirskiy N.V., Fedorkin S.I. Scientific and technological principles of disposal of carbon dioxide in food-grade, biodegradable building products, Biosphere Compatibility: Person, Region, Technology. 2016. № 4 (16). pp. 39-49. (In Russian)
14. Lyubomirskiy N.V., Fedorkin S.I., Lukianchenko M.A. System based on lime carbonizing hardening, Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. № 11. pp. 45-47. (In Russian)
INVESTIGATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF CONSTRUCTION MATERIALS OF FORCED CARBONATE HARDENING
Lyubomirskiy N.V., Fedorkin S.I.,. Kostandov Y.A , Bahtin A.S., Kovalenko S.N.
Summary A technique for determining the modulus of elasticity of construction materials on samples of small dimensions has been developed. Physical and mechanical properties of building materials based on calcareous-lime compositions of semi-dry pressing, hardening according to the principle of forced carbonization, depending on the prescription and technological factors of their production have been studied. It has been demonstrated that on the basis of these materials it is possible to obtain building products with compressive strength up to 30 MPa, tensile strength at bending up to 5 MPa and higher, and an elastic modulus up to 18 GPa.
Key words: Construction materials and products, carbonate hardening, strength, deformability.
