CC BY
21
ПРОБЛЕМЫ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
УДК 626
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ МЕЛИОРАТИВНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
© 2007 г. С.М. Васильев
Сильный износ противофильтрационных бетонных облицовок оросительных каналов требует скорейшего проведения предупредительных и капитальных ремонтов на оросительной сети. Для снижения затрат и повышения качества выполненных работ при проведении такого рода мероприятий нами предлагается ресурсосберегающая технология приготовления бетонных смесей для мелиоративного строительства.
Целью проведенных исследований являлось обоснование и разработка способов утилизации крупнотоннажных промышленных отходов предприятий Ростовской области в производстве бетона для нужд мелиоративного строительства, не уступающего по основным техническим свойствам аналогичным материалам на кондиционном сырье.
В задачи исследований входило: изучить влияние способов приготовления растворных и бетонных смесей на основе золошлаковых заполнителей на процессы структурообразования полученных материалов; оптимизировать составы и параметры способов приготовления золошлакобетонных смесей для получения материалов на основе отходов Новочеркасской ГРЭС.
В качестве объекта исследований были выбраны сульфатные отходы (СВ) производства синтетических моющих средств типа «Прогресс» и нитрат-нитритно-щелочные отходы (ННЩВ) катализаторного производства Новочеркасского завода синтетических продуктов.
Сульфатный отход СВ представляет собой водный раствор, содержащий 12...15 % сернокислого натрия, 1...2 % изопропилового спирта и 0,3...0,4 % поверхностно--активных алкилсульфатов. Поскольку при температурах ниже 20 °С при высоких концентрациях происходит выкристаллизовывание сернокислого натрия из нагретого раствора, указанный отход СВ предварительно разбавляем водой до достижения 10 %-й концентрации в нем №2804. Отход катализа-торного производства ННЩВ является водным раствором азотнокислого натрия (25...30 %), азотисто-кислого натрия (8.10 %) и едкого натра (2.5 %).
На стадии выбора добавок для предварительной обработки золошлаковых заполнителей действие указанных отходов СВ и ННЩВ сравнивали с известной добавкой ПФС и с обычным способом приготовления смесей без добавок.
В качестве исходного был принят подобранный экспериментально состав золошлакобетона на проектной марке 200 (класс прочности В15) с осадкой конуса смеси 3 см и следующим расходом материалов: портландцемент М500 - 280 кг/м3; золошлаковая смесь - 1610 кг/м3; вода водопроводная - 164 л/м3. Двухстадийное приготовление золошлакобетонных смесей осуществляли следующим образом. На первой стадии золошлаковую смесь перемешивали в течение 3 мин с 50 % воды затворения и той или иной исследуемой добавкой. После этого добавляли цемент и остальную часть воды затворения и дополнительно перемешивали смесь в течение 1 мин. По осадке конуса проверяли подвижность полученной золошлакобе-тонной смеси, корректировали расход воды для получения равноподвижной смеси и формовали из нее образцы-кубы с ребром 100 мм. Отформованные образцы помещали в камеру нормального твердения и испытывали на прочность в заданные программой эксперимента сроки.
Как показали результаты сравнительных испытаний, при использовании в качестве заполнителей зо-лошлаковых отходов более эффективными, чем добавка ПФС, оказались добавки сульфатных (СВ) и особенно нитратных (ННЩВ) отходов Новочеркасского завода синтетических продуктов. При двухста-дийном способе приготовления золошлакобетонных смесей указанные добавки увеличивают показатель удобоукладываемости на 1-2 см осадки конуса, а в случае равноподвижных смесей - повышают марочную прочность золошлакобетона на 18-22 % по сравнению с обычным способом приготовления смеси и на 10-14 % - по сравнению с добавкой отхода производства пентаэритрита ПФС. На основании изложенного для дальнейших исследований были приняты добавки СВ и ННЩВ Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице.
Поскольку отвальные золошлаковые отходы ТЭС принципиально неоднородны по своему гранулометрическому составу, в зависимости от места отбора проб на золошлакоотвалах необходимо учитывать влияние этой неоднородности на водопотребность золошлакобетонной смеси, которая, в свою очередь, предопределяет все остальные свойства золошлакобе-тона.
Влияние способа приготовления на подвижность смеси и прочность золошлакобетона
Способ приготовления Вид и количество базовой добавки, % Ц Осадка конуса, см Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, мПа %
Одностадийный без добавок 3 20,6/100
Двухстадийный » 3 22,3/108
» 3,5 ПФС 3,5 23,1/112
» 2,5 СВ 4 24,3/118
» 2,0 ННЩВ 5 25,1/122
С учетом изложенного решалась задача изучения влияния неоднородности золошлаковых отходов по гранулометрическому составу на водопотребность золошлакобетонной смеси (проектного класса бетона В15), приготавливаемой по двухстадийному способу без добавок.
В качестве отклика была принята водопотреб-ность бетонных смесей, которая определялась из условия обеспечения одинаковой подвижности, оцениваемой величиной осадки стандартного конуса ОК = 3 см, по результатам двух дублирующих опытов в каждой точке плана [1, 2].
В результате обработки данных по 6 опытным точкам получена квадратичная модель вида
У= 290^ + 23012 + 2101^ + 322{1г - 81112 - 20121ъ .
(1)
Адекватность модели проверялась в опытной точке № 8, так как именно в этой точке наблюдаются наибольшие расхождения между опытными данными и предсказаниям по модели.
Для удобства практического использования, с применением трансформирующих соотношений, выполнен переход от псевдокомпонентов к исходным компонентам смеси X, соответствующим относительным содержаниям отдельных фракций в золошлако-вой смеси:
У = 1117,8Х1 + 860Х2 + 806Х3 - 355,6Х1Х2 -
- 88,9X1X3 - 222,2X3X3. (2)
Анализ моделей (1) и (2) позволяет сделать следующие выводы: в пределах исследованной области зернового состава золошлаковой смеси наименьшую водопотребность В = 210...215 л/м3 имеют бетонные смеси при содержании в заполнителе пылевидной фракции - 20.22 %, песчаной фракции - 40.55 %, щебеночной фракции - 25.40 %; судя по величине коэффициентов, наибольшее влияние на водопотреб-ность золошлакобетонных смесей оказывает относительное содержание в заполнителе пылевидной фракции.
Для построения оптимизационной модели был использован композиционный трехфакторный план второго порядка типа ВВ3. Обработка экспериментальных данных позволила получить адекватную на
5 %-м уровне значимости квадратичную полиномиальную модель вида
Ясж = 25,7 + 0,8 X! + 1,5Х3 - 0,6Х4 - 3,8Х2! + 1,7Х23 -- 2,6X24 - 2,4X^X4 + 0,8X4X3 - 2,4X1X4 - 1,8X3X4. (3)
Анализ трехфакторной квадратичной модели (3) показал, что область оптимальных решений по технологии приготовления золошлакобетонных смесей находится в пределах: 65.80 % воды затворения, 2,5.3,5 % добавки ННЩВ (в % от массы цемента в расчете на безводное вещество добавки) для предварительной обработки золошлаковых заполнителей в течение 2.2,5 мин (патент РФ № 2158719 «Способ приготовления бетонной смеси»).
С целью выявления механизма повышения плотности и прочности золошлакобетона, получаемого предложенным способом, проведены физико-химические исследования процессов его структурооб-разования.
Влияние тонкодисперсной золы на структурооб-разование золошлакобетона может проявляться как фактор формирования более плотной структуры растворной составляющей, а также как активной минеральной добавки. Последнее зависит от фазового и химического состава зольного компонента золошла-ковой смеси. Фазовый состав золы Новочеркасской ГРЭС на 85.90 % представлен стекловидным веществом, составляющие которого в результате своей термодинамической нестабильности могут выступать в роли носителей гидравлической активности зол.
Указанные особенности способствуют формированию более плотной структуры золошлакобетона. Этот вывод хорошо согласуется с результатами петрографический исследований, выполненных в прозрачных шлифах на поляризационном микроскопе МИН-8 (рисунок).
На всех шлифах золошлакобетона, независимо от способа перемешивания смеси, около 50 % площади занимают наиболее крупные частицы шлака размером от 2 до 12 мм по длинной оси. Остальные частицы менее 2 мм в поперечнике. Подавляющее большинство частиц золошлаковой смеси, как крупных, так и мелких представлены стеклом от светло-коричневого до прозрачного цвета. Форма крупных частиц неправильная, угловато-оплавленная. Большинство частиц диаметром менее 1 мм имеют округлое сечение и тоже представлены стеклом. Около 1.2 % частиц совершенно прозрачные преимущественно сферической формы, представлены рудными минералами (пирит, окислы железа, магния и т.д.).
Проведенные исследования показали, что золош-лакобетон, приготовленный предложенным способом по двухстадийной технологии с использованием добавки отхода катализаторного производства ННЩВ, не только не уступает, но и превосходит по своим защитным свойствам обычный тяжелый бетон на традиционных заполнителях, что открывает возможность расширить область применения золошлаковых отходов ТЭС в качестве заполнителей в производстве железобетонных изделий и конструкций мелиоративного назначения.
в
Микроструктура золошлакобетона (ник. ||, увеличение 520х): а - контрольный состав (по обычной технологии); б - с добавкой СВ по двухстадийной технологии; в - с добавкой ННЩВ (по двухстадийной технологии)
Выводы
1. Доказана высокая эффективность предложенного двухстадийного способа приготовления бетонных смесей на основе золошлаковых заполнителей, обеспечивающего получение золошлакобетона классов по прочности В15...В22,5 при умеренных расходах цемента в пределах 250. 400 кг/м3.
Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, г. Новочеркасск
2. Установлено, что при замене традиционных заполнителей бетона золошлаковыми отходами Новочеркасской ГРЭС равнопрочный золошлакобетон, изготовленный по традиционной одностадийной технологии, карбонизируется и теряет защитные свойства значительно быстрее, чем обычный тяжелый бетон, что обусловлено более высокой проницаемостью золошлакобетона.
3. Доказано, что золошлакобетон рационального состава, изготовленный по предложенной технологии двухстадийным способом с использованием добавки ННЩВ, являющейся отходом катализаторного производства, по своим защитным свойствам по отношению к стальной арматуре не только не уступает, но и существенно превосходит обычный тяжелый бетон на традиционных заполнителях, что позволяет расширить область применения золошлаковых заполнителей в производстве сборных монолитных железобетонных конструкций и изделий, в том числе для мелиоративных сооружений.
Литература
1. Schejjeh. Experiments with Mixtures // J. Roy. Statist. Soc.
195S, ser. В, 20, № 2. P.344.
2. Зедгинидзе И.Г. Математическое планирование эксперимента для исследования и оптимизации свойств смесей. Тбилиси, 1971.
15 декабря 2QQ6 г.
