CC BY
1Научная статья УДК 691
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия DOI 10.51608/26867818_2023_4_120
РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ШЛАМОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ1
© Авторы, 2023 ТАРАКАНОВ Олег Вячеславович
SPIN: 5316-5749 доктор технических наук, профессор
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (Россия, Пенза, e-mail: tarov60@mail.ru)
SPIN: 1106-9075 БЕЛЯКОВА Елена Александровна
кандидат технических наук, доцент, кафедра строительного производства и конструкций
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (Россия, Пенза)
ФИШЕР Ханс-Бертрам
доктор технических наук, профессор Технический университет (Германия, Веймар)
Аннотация. Рассмотрена возможность применения карбонатных шламов химводоочистки предприятий энергетики в производстве строительных растворов. Показано, что прочность строительных растворов с добавками шлама возрастает на 30-70% по сравнению с контрольным составом. Представлены результаты влияния индивидуальных и бинарных карбонатсодержащих микронаполнителей на прочность бетонов нового поколения.
Ключевые слова: карбонатные шламы; строительные цементные растворы; отделочные материалы; прочность; формирование микроструктуры; суперпластификаторы; карбонатные минеральные микронаполнители; композиционные цементы; высокопрочные бетоны
Для цитирования: Расширение области применения минеральных шламов в производстве строительных и отделочных материалов / О.В. Тараканов, Е.А. Белякова, Х.-Б. Фишер // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 120-124. doi 10.51608/26867818_2023_4_120
1 Работа представлялась в виде устного доклада на Международной научно-практической конференции «Новые прогрессивные рецептурно-технологические решения в строительном материаловедении» (18-21 июля 2023 г., Новосибирск).
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 4 (23)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Original article
EXTENSION OF THE APPLICATION FIELD OF THE MINERAL SLUDGE IN CONSTRUCTION AND FINISHING MATERIALS
© The Author(s) 2023 TARAKANOV Oleg Vyacheslavovich
Doctor of Technical Sciences, Professor Penza State University of Architecture and Construction (Russia, Penza, e-mail: tarov60@mail.ru)
BELYAKOVA Elena Aleksandrovna
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Construction Production and Structures
Penza State University of Architecture and Construction (Russia, Penza)
FISCHER Hans-Bertram
Dr. of Technical, Prof.
Technical University (Germany, Weimar)
Abstract. The article considers the possibility of the application of carbonate slurry chemical purification by energy enterprises in the production of construction solutions. It is shown that the strength of mortar solutions with sludge additives increases by 30-70% compared to the control composition. The results of the influence of individual and binary carbonate-containing microfillers on the strength of new-generation concrete are presented.
Keywords: carbonate slurries; cement mortars; finishing materials; strength; formation of microstructure; superplasticizers; carbonate mineral microfillers; composite cements; high-strength concrete
For citation: Extension of the application field of the mineral sludge in construction and finishing materials / O.V. Tarakanov, E.A. Belyakova, H.-B. Fischer // Expert: theory and practice. 2023. № 4 (23). Рр. 120-124. (InRuss.). doi 10.51608/26867818 2023 4 120
В последние годы все большее внимание ученых привлекают минеральные шламовые отходы предприятий различных отраслей промышленности. Подобные «мокрые» отходы образуются на предприятиях химической, машиностроительной, фармацевтической, энергетической и других отраслей. Шламы образуются в виде осадков в процессе реагентной обработки или нейтрализации жидких промышленных стоков, накапливаются в шламбассейнах и затем вывозятся на поля фильтрации. После частичного обезвоживания образуется шлам в виде предельно концентрированной суспензии водосодержанием 4060%, отличающийся большой устойчивостью структуры, однородностью и постоянством химического состава. Одним из перспективных направлений утилизации шламовых отходов является использование их в производстве строительных и отделочных материалов. В данной работе рассмотрена возможность применения карбонатных шламов предприятий энергетики, образующихся в процессе химической подготовки воды для котельных установок в производстве штукатурных и кладочных растворов, а также
тонкодисперсных карбонатных микронаполнителей в технологии высокопрочных бетонов.
В г. Пенза накоплен большой опыт использования карбонатного шлама, а также гипсосодержащего шлама предприятиями по производству хрусталя в строительных и отделочных материалах. В течение 10 лет подобные шламы успешно использовались в производстве штукатурных и кладочных растворов, а также в производстве водоэмульсионных красок, шпатлевок, затирочных паст и т.д. [1]. Подобный опыт использования карбонатных шламов накоплен в Самаре [2].
Перспективным направлением применения карбонатных шламов, а также других тонкодисперсных карбонатных материалов является использование их в производстве композиционных цементов и высокопрочных бетонах [4]. Подобное направление является чрезвычайно актуальным, поскольку позволяет снижать клинкероемкость цементов, а, следовательно, снижать экологический ущерб окружающей среде, вызываемый выбросами углекислого газа при производстве цемента. Касаясь производства бетонов, в том числе и бетонов нового поколения следует отметить, что в современной
технологии интенсивно развивается направление создания многокомпонентных цементных материалов, модифицированных тонкодисперсными карбонатными материалами и комплексными органоминеральными добавками на основе супер- и гиперпластификаторов (СП и ГП), позволяющими направленно воздействовать на процессы структурообразования и твердения цементных растворов и бетонов и получать материалы с высокими физико-механическими свойствами.
В наполненных цементных системах оптимальные условия для активации процессов агломерации и срастания частиц могут быть достигнуты применением микронаполнителей различной природы и фракционного состава, уплотняющих структуру и заполняющих пустоты и полости. Для активации образования межчастичных контактов необходимыми условиями являются высокое пресыщение по фазообразующему веществу и сближение частиц для уменьшения гидрозазора между ними, в этом случае между частицами, сближенными до минимальных расстояний места контактов могут являться активными зонами, связывающими кристаллы, образующиеся на поверхности частиц и сами частицы в агломераты.
В цементных системах, наполненных тонкодиспереными минеральными добавками, кристаллизация гидратов происходит как на частицах цемента, так и на частицах микронаполнителя и структура материала формируется в системе, состоящей из зерен цемента и микронаполнителей различных размеров, покрытых гидратными оболочками.
Основными топологическими
характеристиками при исследовании гетерогенных цементных систем являются плотность упаковки элементов структуры, с учётом локальных скоплений и число элементов, находящихся в ближайшем окружении. Для наполненных цементных систем в процессе гидратации и твердения происходит непрерывное изменение состояния и топологии структуры. Эти параметры характеризуются развитием неупорядоченного структурообразования при кристаллизации в виде скоплений микро- и макрочастиц, наноструктур и флуктуаций плотности. Процесс изменения топологии цементных систем на наноуровне осложняется формированием гидратных фаз с различным кристаллическим строением (иглы, волокна, призмы, пластинки, кубические структуры и т. д.), вносящим определённую нестабильность и неупорядоченность в формирующуюся структуру. Кроме того, процессы перекристаллизации гидратов (например, метастабильных гидроалюминатов кальция) могут изменять топологию наноструктуры при изменении условий твердения (температуры, влажности и др.).
В отношении фазовых контактов между частицами следует отметить, что они определяются в зависимости от площади атомных перемычек. Однако, в этом случае характерно перераспределение атомов в ближайшей зоне, следствием чего является увеличение числа контактов. Слияние частиц возможно при
взаимодействии образований с размерами менее критического, за счёт большей подвижности сегментных участков.
В цементных материалах гидраты ЛРш, ЛИ и гелевая фаза являются основными элементами формирующейся системы, определяющими характер изменения структур на ранних этапах. В более поздний период основные физико-механические характеристики материала зависят от структуры и свойств гидросиликатной основы
При рассмотрении механизмов повышения прочности наполненных цементных композиций, особенно при использовании тонкодиспереных химически активных наполнителей, особое внимание должно уделяться процессам гидратообразования, в конечном итоге обеспечивающим прочность твердеющих систем. Структурная топология цементного композита, однородно смешанного с микронаполнителем, если его дисперсность в 3-4 раза превышает дисперсность вяжущего, обеспечивает повышение прочности контактной зоны, за счёт увеличения количества межчастичных контактов, влияния капилярных сил и уплотнения структуры.
При использовании в цементных системах тонкодисперсных минеральных добавок большее количество коагуляционных контактов и стесненные условия с равномерным распределением частиц наполнителя по объему матрицы и заполнением пустот создают предпосылки для повышения ранней прочности композита. Подобный механизм структурного упрочнения, очевидно, может быть принят для тонкодисперсных наполнителей химически неактивных или слабоактивных по отношению к цементным минералам. При использовании карбонатных, гипсосодержащих и смешанных наполнителей, в том числе минеральных шламов в цементных системах, не исключая рассмотренного выше механизма формирования контактов и упрочнения, механизм повышения прочности необходимо рассматривать с учётом возможности химического взаимодействия тонкодисперсного наполнителя с цементными минералами.
В работе представлены результаты влияния карбонатного шлама на прочность цементно-песчаного раствора. Шлам вводился в количестве 5, 10 и 20% от массы цемента индивидуально и в смеси с суперпластификатором С-3. Результаты исследований представлены в таблице 1.
Анализ полученных результатов
свидетельствует о высокой эффективности применения шлама в составе цементно-песчаного раствора. Прочность в различные сроки твердения возрастает в среднем на 30-70% по сравнению с контрольным составом.
Применение карбонатных шламов в цементно-песчаных растворах может быть эффективно использовано с целью повышения прочности материала или с целью сокращения расхода цемента в среднем на 10-20%.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 4 (23)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Таблица 1. Влияние карбонатного шлама на
Перспективным направлением в технологии высокопрочных бетонов является использование карбонатных и бинарных наполнителей. Бинарные и более сложные минеральные смеси позволяют в определенной степени нивелировать различный характер пластифицирующего действия супер- и гиперпластификаторов на разжижение цементно-минеральных систем и получать стабильно высокие прочности бетона (табл. 2).
Анализ результатов исследований показал высокую эффективность применения карбонатных и карбонатсодержащих микронаполнителей в технологии высокопрочных бетонов.
прочность цементно-песчаного раствора
Состав Кол-во добавки, % от массы Прочность, МПа
14 сут 28 сут
ЦЕМ32,511/А Ц:П=1:2 В/Ц=0,53 без добавки - 16,2 17,0
с добавкой карбонатного шлама 5 23,1 143 28,4 167
с добавкой карбонатного шлама 10 21,1 130 29,7 175
с добавкой карбонатного шлама 20 19,6 121 29,9 176
с добавкой карбонатного шлама +С-3 10 0,5 21,6 133 30,7 181
с добавкой карбонатного шлама +С-3 20 0,5 18,7 116 24,3 143
Примечание: в числителе прочность, МПа, в знаменателе - в % по сравнению с контрольным
составом.
Таблица 2. Исследование физико-механических свойств реакционно'
порошкового бетона на моно- и бинарном наполнителе
Наименование компоне1пов бетона Количество компонентов на 1 м3, кг Водо-твердое отношение Прочность бетона на изгно и при одноосном сжатии, МПа, через
1 сут. 7 сут. 14 сут. 28 сут.
Цемент ЦЕМ32.51А ГПМеШих 5581 0,8% от Ц Доломит молотый &,.д=445 м2/кг Известняковая мука =280 ьг/кг Микрокремнезем Песок тонкий фр. 0,16-0,63 мм Вода 668 5,2 250 84 66 1002 233 0,112 Rmr — 7,8 R«=74,4 Rmr =8,0 R«=101,0 Rmr=12,9 R«=108,0 Rmr = 16,0 Rc»=114,4
Цеме1гт ЦЕМ I 655 0,121 Rmr =7,0 Ru,r=8,5 IW=14,5 Rmr.= 16,0
ГПМеШих 5581 Rc*=40,8 R«=84,5 R«=98,8 R«=99,6
0,8% от Ц 5,2
Доломит
молотый
&,.д=445 м:/кг 327
Микрокремнезем 66
Песок тонкий
фр. 0,16-0,63 мм 982
Вода 246
Примечание: ГП - гиперпластификатор; микрокремнезем производства АО «Кузнецкие ферросплавы»;
2.
Библиографический список
Тараканов, О. В. Гидратация и твердение цементных материалов с добавками 3. минеральных шламов / О. В. Тараканов, Т. В. Пронина ; О. В. Тараканов, Т. В. Пронина; М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное агентство по образованию, Международная акад. наук экологии и безопасности жизнедеятельности, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Пензенский гос. ун-т архитектуры 4. и строительства". - Пенза : Изд-во ПГУАС, 2006. - 150 с. - ISBN 5-9282-0379-9. - EDN QNMNJB. Коренькова С.Ф., Шеина Т.В. Основы и концепция утилизации химических осадков
промстоков в стройиндустрии. - Самара: изд-во Самарского гос. арх.-строит. ун-та, 2004. - 208 с. Коренькова С.Ф., Шеина Т.В. Штукатурные и отделочные растворы из отходов промышленности // Сб. ВНИИЭСМ. Промышленность строительных материалов. Экспресс обзор. Сер. 2. Вып. 2. Использование отходов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. Охрана окружающей среды, М., 1991. Хозин В.Г., Хохряков О.В., Сибгатуллин И.Р. «Карбонатные» цементы низкой
водопотребности. - М.: Издательство АСВ, 2021. - 366 с.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Статья поступила в редакцию 28.09.2023; одобрена после рецензирования 09.11.2023; принята к публикации 09.11.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.
The article was submitted 28.09.2023; approved after reviewing 09.11.2023; accepted for publication 09.11.2023.
