CC BY
75Кашибадзе Н.В., инж., Загороднюк Л.Х., канд.техн.наук, доц., Стрекозова М.П., инж.
Белгородский государственный технологический университет им.В.Г.Шухова
РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СВОЙСТВ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ НАЛИВНЫХ ПОЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШЛАКОВ
LHZ47@mail.ru
Рассмотрены вопросы разработки и оптимизации составов сухих строительных смесей на основе шлаков Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК). С помощью метода математического планирования эксперимента подобраны составы для наливных полов и исследованы их свойства.
Ключевые слова: сухие строительные смеси, модифицирующие функциональные добавки, оптимизация составов, шлаки, эксплуатационные характеристики.
Актуальность. Начало 21 века в России отметилось значительным увеличением объемов строительства жилья и ремонтных работ, что связано с постепенной стабилизацией экономического положения страны. В промышленности строительных материалов возросли объемы выпуска продукции, увеличился рынок строительных материалов и отдельных его сегментов [1], в том числе и сухих строительных смесей. Сухие строительные смеси - это материалы, широко используемые в строительстве и применяемые в большинстве работ, проводимых, как организациями, так и частными лицами. Число потребителей этой продукции постоянно растет. Вслед за импортной продукцией появились отечественные материалы, успешно
конкурирующие с западными образцами сухих смесей. Рынок сухих строительных смесей постоянно развивается, представляя вниманию потребителей новые виды продукции, но потенциал его раскрыт далеко не полностью. В соответствии с «Состоянием и перспективами потребления и развития производства
строительных материалов» ежегодный прирост выпуска сухих строительных смесей с 2000 года составляет 45-48%. В настоящее время на внутреннем рынке производство отечественных сухих строительных смесей составляет около 90%.
В общем объеме потребления сухих строительных смесей наливные полы занимают 9 %. Полы представляют собой сложные строительные конструкции, состоящие максимально из восьми слоев: покрытия, прослойки, гидроизоляции, стяжки,
теплоизоляции, звукоизоляции, подстилающего слоя, подготовки и грунтового основания. Два слоя из перечисленных - стяжка и
поверхностное покрытие на основе самовыравнивающихся составов - выполняются с применением растворных строительных смесей, при этом самонивелирующиеся композиции, в виду сложности их состава, применяются только в виде сухих строительных смесей. Покрытие - верхний слой пола, непосредственно подвергающийся
эксплуатационным воздействиям. Стяжка - слой пола, служащий для выравнивания
нижележащей поверхности пола или перекрытия, придания заданного уклона покрытию пола, для укрытия различных трубопроводов, для распределения нагрузок по нежестким нижележащим слоям пола на перекрытии [2]. Стяжки для пола ( сухие смеси ) применяются взамен традиционных бетонов и цементно-песчаных растворов. Основные требования, предъявляемые к стяжкам: прочность, монолитность (отсутствие трещин), хорошее сцепление с нижележащим слоем и покрытием, ровная поверхность, соответствие санитарно-_гигиеническим и другим
требованиям.
Современные полы с использованием самонивелирующихся стяжек - это многокомпонентные системы, включающие высококачественные цементы,
фракционированный песок, минеральные наполнители и комплекс функциональных модифицирующих добавок, которые
увеличивают растекаемость и пластичность растворной смеси, снижают седиментацию, повышают прочность сцепления с основанием, износостойкость - и морозостойкость, регулируют усадку [3].
При производстве сухих строительных смесей самое серьезное внимание уделяется сырьевым материалам [4], обеспечивающим
выпуск качественного продукта с заданными свойствами.
Современная отрасль сухих строительных смесей в России является одной из самых новых отраслей в производстве строительных материалов и находится в самом начале своего развития и лишь сравнительно недавно начали появляться отечественные высококачественные смеси, способные конкурировать с зарубежными аналогами, к сожалению, отмечается
существенное отставание в наличии
отечественных функциональных добавок. Сравнительно недавно появилась первая нормативная документация [5-7], открывающая перспективы развития новой отрасли по выпуску качественной продукции широкого спектра назначения.
На ОЭМК ежегодно образуется более 400 тыс.тонн металлургического шлака. В настоящее время на комбинате осуществляется обогащение этих шлаков с извлечением оксида железа. После обогащения шлак представляет собой дисперсный порошок, который легко разносится ветром, что отрицательно сказывается на экологической обстановке в регионе.
Цель работы - обоснование, разработка и оптимизация составов сухих строительных смесей для устройства наливных полов с использованием шлаков ОЭМК и исследование их свойств.
В качестве сырьевых компонентов наливных полов использованы:
портландцемент типа ЦЕМ I 42,5 Н ОАО « Белгородский цемент», шлак ОЭМК, кварцевый песок, мраморная крошка и комплекс модифицирующих добавок
(водоудерживающие, снижающие
водопотребность, пеногасители). Значительную часть строительных растворов составляют заполнители. Обычно заполнителями служат природные кварцевые и полевошпатные пески. Введение заполнителей сокращает расход вяжущего, уменьшает деформативные явления при усадке и набухании, кроме того, придает растворам пластичность, повышает пористость, уменьшает теплопроводность (при введении легких заполнителей), улучшает декоративные характеристики и т.д. Стоимость растворов
у = Ь0 + Ъ1 х1 + Ь2 х 2 + Ъ3 х 3 + Ъ4 х2 + Ь5 х 2
На первом этапе исследований было изучено влияние содержания вяжущих и наполнителей на физико-механические свойства смесей. Была проверена
целесообразность замены кварцевого песка на шлак, рассчитаны 12 составов смесей с
значительно снижается при использовании дешевых местных заполнителей: природных и техногенного сырья.
Нами изучен зерновой состав шлака путем рассева на стандартных ситах, который показал, что преобладающими фракциями являются следующие: 0,14; 0,315; 0,63. Фракции 1,25 и 2,5 присутствуют в незначительных количествах. Это послужило предпосылкой использовать шлак в качестве мелкого заполнителя в строительных растворах с целью их утилизации. Методом микроскопического анализа изучали различные фракции шлака и местного кварцевого песка. При сравнении микрофотографии шлака и кварцевого песка различных фракции отмечается, что шлак имеет так же, как и песок, округлые зерна, но их форма более угловатая, в зернах шлака наблюдаются агрегатные скопления светло-серого цвета с многочисленными вкраплениями минералов черного цвета, текстура зерен шлака рыхловато-уплотненная, структура равномерно
мелкозернистая. Рыхловатая поверхность зерен шлака прогнозирует их повышенную водопотребность в растворной смеси.
К заполнителям, получаемым из металлургических шлаков, предъявляются требования по стойкости к силикатному и железистому распадам. Изучение силикатного распада различных фракций шлака показало, что стойкость против силикатного распада для фракции 1,25 составляет 8%, а для фракций 0,14; 0,315; 0,63 - от 28 до 31%, что позволяет использовать их в качестве заполнителей в растворы.
При подборе компонентов сухой смеси мы исходили из проведенного нами патентного поиска, из сведений об имеющихся в области сырьевых материалах, а также из возможности использования в качестве сырья отходов промышленности.
Результаты опытов обрабатывали с использованием методов математической статистики в программе БТЛТШТЮЛ, получая при этом алгебраические уравнения, отражающие связь между исследуемыми свойствами и исходными факторами.
Уравнение регрессии трехфакторного эксперимента имеет вид:
I Ъ 6 х 3 I Ъ 7 х 1 х 2 I Ъ 8 х 1 х 3 I Ъ 9 х 2 х 3 ; 1 варьированием композиций : цемент-песок и цемент-шлак. Нами установлено, что замена кварцевого песка шлаком в количестве 20 % не снижает показатели прочности образцов. Поэтому в последующих исследованиях использовали шлак в указанной дозировке._
На втором этапе проведения исследований методом трехфакторного эксперимента было разработано 17 составов сухих строительных смесей для наливных полов (табл.1), которые включали в себя следующие компоненты: цемент типа ЦЕМ I 42,5 Н, отход металлургического
производства - шлак фракции 0-0,315 мм, кварцевый песок фракции 0,5-0,9 мм, мраморную крошку фракции 2-5 мм. Во всех составах количество мраморной крошки оставалось постоянным (10%), остальные компоненты варьировались (табл. 2).
Условия планирования эксперимента
Таблица 1
Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования
Натуральный вид Кодированный вид -1 0 +1
ЦЕМ I 42,5 Н х1 27 30 33 3
Шлак фракции 0 -0,315мм х2 18 20 22 2
Кварцевый песок фракции 0,5 - 0,9 мм х3 35 39 43 4
Таблица 2
Матрица планирования и результаты эксперимента при изучении сухих смесей _для наливных полов_
№ точки плана Кодированное значение факторов Натуральное значение факторов Результаты эксперимента
х1 х2 Хз Цемент, % Шлак, % Кварцевый песок, % Предел прочности, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8
1 +1 +1 +1 33 22 43 21,67
2 +1 +1 -1 33 22 35 18,65
3 +1 -1 +1 33 18 43 16,88
4 +1 -1 -1 33 18 35 18,3
5 -1 +1 +1 27 22 43 20,16
6 -1 +1 -1 27 22 35 17,35
7 -1 -1 +1 27 18 43 22,47
8 -1 -1 -1 27 18 35 18,69
9 +1 0 0 33 20 39 25,15
10 -1 0 0 27 20 39 17,44
1 2 3 4 5 6 7 8
11 0 +1 0 30 22 39 22,5
12 0 -1 0 30 18 39 20,79
13 0 0 +1 30 20 43 23,28
14 0 0 -1 30 20 35 25,75
15 0 0 0 30 20 39 18,08
16 0 0 0 30 20 39 21,05
17 0 0 0 30 20 39 17,85
В результате статистической обработки экспериментальных данных получаем следующее уравнение регрессии для прочности раствора на сжатие:
у=21,34 + 0,454-Х1 + 0,32-х2 + 0,572-хз -1,7355-х12 - 1,3855-х22 + 1,4845-х32 + +1,0988-Х!-х2 - 0,6237-хгх3 + 0,4338-х2-х3
Используя полученное уравнение регрессии можно произвести анализ влияния исследуемых факторов на прочность раствора на сжатие: от содержания цемента (рис 1 а), кварцевого песка (рис.1 б), шлака (рис. 1 в).
¿3 21'5 2
- 21 В
£ 20,5 ~
ь
я 20 х
£ 19,5 +
У О
|Р 19-О
К 18,5
24 23,5 -23 -22,5 22 21,5 21
27
28,5
30
31,5
33
35
37
39
41
43
ЦЕМ I 42,5Н, %
а) содержание цемента
С 21,5
кварцевый песок, %
б) содержание кварцевого песка
« 21,1 -¡5
Я
£ 20,7 -и я
= 20,3
.в ' н
в 19,9 г
Л 19,5
18
19
20
шлак, %
21
22
в) содержание шлака Рисунок 1 - Зависимость прочности на сжатие раствора от содержания: а)цемента;
б) кварцевого песка; в) шлака.
Таким образом, меняя соотношение компонентов сухой смеси, можно обеспечить требуемую прочность раствора при минимальном содержании компонентов, что в свою очередь приведет к снижению себестоимости смесей.
Комплексное представление о влиянии содержания цемента, шлака и кварцевого песка на прочность раствора при сжатии можно получить, построив с помощью уравнения регрессии номограмму (рис.2). Номограмма позволяет оптимизировать технологический процесс и эффективно им управлять, при использовании номограммы можно
поддерживать на заданном уровне выходной параметр, изменяя соответствующим образом факторы, входящие в уравнение регрессии.
Выявленные закономерности изменения свойств смесей для наливных полов и
полученные математические зависимости и графические интерпретации этих зависимостей позволяют дать количественную и качественную оценку влияния каждого фактора в отдельности, а также в их совокупности на изменение системы «состав-свойства» и могут быть использованы для производственных рецептур смесей и прогнозирования их физико-механических свойств.
В результате анализа экспериментальных данных был принят состав для дальнейшей оптимизации с содержанием следующих компонентов: цемента - 27%, шлака - 18 %, кварцевого песка - 35 % и гравия - 10 %; выходные параметры данного состава: плотность - 2220 кг/м3, прочность при сжатии -18,69 МПа.
22
-2а
— 1в
ев
а
н «
и «
X
.а н и о X Т о а В
ЦЕМ I 42,5 Н, % 27
28,5 30 31,5 33
18
35
43
41
„ „г, Кварцевый песок, %
Рисунок 2 - Зависимость прочности на сжатие раствора от содержания цемента,
шлака и кварцевого песка
На третьем этапе исследований проводилась дальнейшая оптимизация составов с использованием комплекса модифицирующих добавок методом трехфакторного эксперимента. Составы сухих строительных смесей для наливных полов включили в себя 7 компонентов: цемент типа ЦЕМ I 42,5 Н, отход
металлургического фракции 0-0,315 фракции 0,5-0,9 мм фракции 2-5 мм,
производства - шлак мм, кварцевый песок мраморную крошку эфир целлюлозы,
суперпластификатор и антивспениватель Из этих компонентов варьировалось количество добавок, остальные составляющие оставались постоянными (табл.4).
Таблица 3
Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования
Натуральный вид Кодированный вид -1 0 +1
Эфир целлюлозы х1 0,01 0,02 0,03 0,01
Суперпластификатор х2 0,76 0,88 1 0,12
Антивспениватель Хз 0,07 0,10 0,13 0,03
Таблица 4
Матрица планирования и результаты эксперимента при изучении сухих смесей _для наливных полов_
Кодированное значение факторов Натуральное значение факторов Результаты эксперимента
№ точки плана х1 х2 Х3 Цемент, % Шлак, % Кварцевы й песок, % Мраморна я крошка, % Эфир целлюлоз ы, % Суперплас тификатор , % Антивспен иватель, % Предел прочности , Мпа
1 +1 + 1 +1 0,03 1 0,13 26,64
2 +1 + 1 -1 0,03 1 0,07 25,785
3 +1 -1 +1 0,03 0,76 0,13 30,395
4 +1 -1 -1 27 18 35 10 0,03 0,76 0,07 33,575
5 -1 + 1 +1 0,01 1 0,13 25,395
6 -1 + 1 -1 0,01 1 0,07 28,515
7 -1 -1 +1 0,01 0,76 0,13 29,24
8 -1 -1 -1 0,01 0,76 0,07 27,87
9 +1 0 0 0,03 0,88 0,10 26,94
10 -1 0 0 0,01 0,88 0,10 32,23
11 0 +1 0 0,02 1 0,10 32,165
12 0 -1 0 0,02 0,76 0,10 28,535
13 0 0 +1 0,02 0,88 0,13 33,01
14 0 0 -1 0,02 0,88 0,07 30,385
15 0 0 0 0,02 0,88 0,10 37,7
16 0 0 0 0,02 0,88 0,10 35,4
17 0 0 0 0,02 0,88 0,10 32,055
В результате статистической обработки экспериментальных данных получаем следующее уравнение регрессии для прочности раствора на сжатие:
у=33,569 + 0,0085-Х! - 1Д12-Х2 - 0Д45-Х3 -2,769-Х!2 - 2,004-Х22 - 0,656-Х32 - 1,043 Ьх^ -0,0719-Х1-х3 - 0,0569-х2-х3
| 34 | 33
Я
(Я 32 х
¡2
ё 31 х г о
К 30
Используя полученное уравнение регрессии можно произвести анализ влияния исследуемых факторов на прочность раствора при сжатии от содержания: эфира целлюлозы (рис. 3 а); суперпластификатора (рис. 3 б); антивспенивателя (рис. 3 в).
I 34'5
аТ 33,5
в ' н я
£ 32,5
31,5 -
в 30,5 -г
С 29,5
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,76
0,82
0,88
0,94
эфир целлюлозы, %
а) содержание эфира целлюлозы
| 33,7--
33,5 -я 33,3 -■я 33,1 -в
£ 32,9 -У О
= 32,7 -# 32,5 --
суперпластификатор, %
б) содержание суперпластификатора
0,07 0,085 0,1 0,115
антивспениватель, %
0,13
в) содержание антивспенивателя Рис. 3 Зависимость прочности на сжатие раствора от содержания: а)эфира целлюлозы; б) суперпластификатора; в)антивспенивателя
0,94
Суперпластификатор,
ев
И
н ев
8
а
я л
т с о
я т
о р
В
Эфир целлюлозы, % _ 0,1
0,15 0,2 0,25 0,3
0,085
0,13 0,115 Антивспениватель, %
Рисунок 4 - Зависимость прочности на сжатие раствора от содержания эфира целлюлозы, суперпластификатора и антивспенивателя
1
Комплексное представление о влиянии содержания эфира целлюлозы,
суперпластификатора и антивспенивателя на прочность раствора при сжатии можно получить, построив с помощью уравнения регрессии номограмму (рис.4). Номограмма позволяет оптимизировать технологический процесс и эффективно им управлять, при использовании номограммы можно
поддерживать на заданном уровне выходной
Основные показ.
параметр, изменяя соответствующим образом факторы, входящие в уравнение регрессии.
В результате проведенных исследований разработаны и предложены рациональные составы самонивелирующихся стяжек для полов с использованием местного сырья и техногенных продуктов Белгородской области. Основные эксплуатационные свойства приведены в таблице 5.
Таблица 5
и напольных смесей
Наименование показателя Значение показателя для стяжки толщиной 25 мм
нормативное ГОСТ 313582007 экспериментальное
Растекаемость (диаметр расплыва), см, не менее Рк5=22-26 25,8
Предел прочности на сжатие, МПа, не менее В3,5-В70 В25
Истираемость, г/м2 2,01 1,8
Морозостойкость, цыклы Б50-Р500 Б70
Усадка,мм/м,не более 1,0 0,8
Прочность при изгибе, МПа,не менее Б4Ь 3,2 (4 МПа) Б4Ь 5,2 (7 МПа)
Прочность сцепления с основанием, МПа, не менее 0,6 0,8
Установлено, что свойства напольных смесей не уступают нормативным показателям (ГОСТ 31358-2007), а в некоторых случаях превосходят их. При этом они являются более экономичными в связи с использование местного сырья и отходов
электрометаллургического производства, что в совокупности дает экономический и экологический эффекты.
Таким образом, в результате выполненных экспериментальных исследований разработаны и оптимизированы свойства и испытаны рациональные составы сухих строительных смесей для наливных полов, которые отвечают требованиям европейских и российских стандартов и рекомендуются для внедрения на предприятиях строительной индустрии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Окольская, Л.А. Структура предложения рынка сухих строительных смесей // Строительные материалы.2004. № 8.С.50-51.
2. Корнеев, В.И. Словарь «Что» есть «что» в сухих строительных смесях / В.И. Корнеев, П.В. Зозуля. СПб.:НП «Союз производителей сухих строительных смесей». 2004.312с.
3. Урецкая, Е.А. Сухие строительные смеси: материалы и технологии: Науч.-практ. пособие / Урецкая Е.А., Э.И.Батяновский; под общ. ред. Е.А.Урецкой.- Минск: НПООО «Стринко», 2001.-208с.
4. Кристиан Винтер, Иохан Планк. Производство сухих строительных смесей в Европе // Цемент. Известь.Гипс. 2008. №3,С.46-52.
5. ГОСТ 31356- 2007. Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний.
6. ГОСТ 31357-2007. Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Общие технические условия.
7. ГОСТ 31358-2007. Смеси сухие строительные напольные на цементном вяжущем. Технические условия.
