CC BY
58
УДК 691.33
Юдина Л.В. - кандидат технических наук, профессор
Турчин В.В. - кандидат технических наук, доцент
E-mail: gism@istu.ru
Ижевский государственный технический университет
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КОНТАКТНОГО ТВЕРДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ШЛАКОВ, ЗОЛ И ГРУНТОВ
АННОТАЦИЯ
Приводятся результаты исследований композиций строительного назначения, основанных на принципе «контактного твердения», способных образовывать прочный, водостойкий камень в момент сближения частиц при уплотнении. Рассматриваются шлакощелочные вяжущие и бетоны на сталеплавильных шлаках, шлаках и золах ТЭЦ, активированные золошлаковые смеси для дорожного строительства, а также грунты, стабилизированные органическими добавками. Результаты исследований подтверждены как лабораторными испытаниями, так и практикой строительства в Удмуртской Республике.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: «контактное твердение», шлакощелочные вяжущие (ШЩВ) и бетоны (ШЩБ), гидравлические вяжущие, шлаки, золы, прессование, оптимальная влажность, дорожная одежда, грунты, стабилизация, СОИЛ-2000, прессование.
Yudina L.V. - candidate of technical sciences, professor
Turchin V.V. - candidate of technical sciences, associate professor
Izhevsk State Technical University
CONTACT SETTING CONSTRUCTION MATERIALS BASED ON SLAGS, ASHES, AND SOILS
ABSTRACT
The investigation results of compositions of constructing purposes based on the principium «contact setting», prone for creating a solid and waterproof stone at the moment of rapprochement of particles when contracting are shown. The following components were also examined: slag-caustic bonding substance and concretes on steelmaking slags, and ashes TATS, activated ash-slag mixtures for road construction, as well as soils stabilized with organic admixtures. The investigation results are both proved by laboratory investigations and real construction works in the Udmurt Republic.
KEYWORDS: «contact setting», slag-caustic bonding substances (SSBS) and concretes (SSC), hydraulic bonding substances, slags, ashes, pressing, optimal humidity level, road coating, soils, stabilization, SOIL-2000, pressing.
Введение
Принцип «контактного твердения» основан на способности дисперсных силикатных и алюмосиликатных веществ, находящихся в аморфном состоянии, образовывать прочный водостойкий материал в момент сближения частиц при уплотнении. «Эффект упорядочения структуры минеральных веществ», открытый в 50-е годы XX столетия, обуславливает получение искусственного камня в момент уплотнения при формировании конструкций, что принципиально отличает вяжущие и бетоны контактного твердения от вяжущих и бетонов гидратационного твердения. При этом образующиеся структурные связи хорошо противостоят диспергирующему действию воды [1, 2].
Наиболее характерным представителем этой группы являются шлакощелочные вяжущие (ШЩВ) и бетоны (ШЩБ). Приоритет в создании, разработке и внедрении ШЩВ, бетонов, изделий и конструкций принадлежит научной школе профессора В.Д. Глуховского. С 1957 года в Киевском инженерно-строительном институте ведутся исследования по разработке научных основ и методов направленного твердофазового синтеза щелочных и щелочноземельных веществ, по составу и
структуре моделирующих породообразующие минералы земной коры, для получения на их основе различных строительных материалов [3].
В настоящих исследованиях II1111В представлены композиции, на которые можно распространить принцип контактного твердения - это, прежде всего, минеральные материалы, получаемые методом прессования при оптимальной влажности, а также грунты, стабилизированные минеральными вяжущими и химическими добавками. Исследования проведены в разные годы в ИжГТУ на композициях строительного назначения с использованием попутных продуктов промышленных предприятий УР [1, 6].
1. Шлакощелочные вяжущие и бетоны на сталеплавильных шлаках
Шлакощелочные вяжущие (ШЩВ) - это гидравлические вяжущие, получаемые затворением молотых металлургических шлаков растворами соединений щелочных металлов. В производстве шлакощелочных вяжущих и бетонов наибольшее применение нашли доменные шлаки. В ИжГТУ разработаны ШЩВ на сталеплавильных шлаках ПО «Ижсталь» [4]. Трудности использования сталеплавильных шлаков состоят в значительных колебаниях химического состава от ультракислых до ультраосновных. Воздушное охлаждение ведет к практически полной их кристаллизации и, как следствие, весьма незначительным вяжущим свойствам. Для повышения гидравлической активности производственная смесь шлаков, прошедшая двухстадийную переработку (магния сепарация + дробление), подвергалась помолу до удельной поверхности 8 уд = 3000...5000 см1. В качестве щелочного компонента использовалось растворимое натриевое стекло (в виде отходов промышленного производства). Вводились также корректирующие добавки: золы и шлаки ТЭЦ, шламы гальванического производства, отсевы дробления шлаков.
Образцы, отпрессованные под давлением 20.40 МПа из пресс-порошка оптимальной влажности, очень быстро набирали прочность. Прессование способствовало увеличению активности вяжущего за счет повышения степени сближения дисперсных частиц и действия поверхностных сил притяжения. Динамическое прессование под нагрузкой 230 МПа способствовало повышению прочности в 2.2,3 раза. Для сравнения наряду с методом прессования исследовались образцы, изготовленные по литьевой технологии.
Для составов: шлак 100 % + ж.с. 15 % (при плотности жидкого стекла р =1,3 г/см1) прочность при сжатии в возрасте 7 суток (Ясж) составила, МПа:
• для образцов, отпрессованных под нагрузкой 20 МПа.........................................7,2
• для образцов, отпрессованных под нагрузкой 40 МПа.........................................9,2
• для образцов, полученных динамическим прессованием под нагрузкой 230 МПа......21,1
• для образцов, полученных по литьевой технологии............................................2,3
Таким образом, исследование ШЩВ на основе сталеплавильных шлаков показало
существенное влияние на их прочность способа уплотнения композиций. Метод прессования дает более высокие показатели физико-механических свойств, чем способ литья. Это подтверждает проведенные ранее исследования. В результате прессования цементация вяжущего осуществляется мгновенно, сопровождается появлением достаточно прочных водостойких связей между его частицами, возникающих в результате действия поверхностных сил притяжения за счет повышения степени сближения дисперсных частиц. Это и обеспечивает высокое качество синтезируемого искусственного камня. Электронно-микроскопические исследования показали высокое сцепление между частицами шлака и новообразованиями в виде круглых и игольчатых кристаллов, прорастающих в поры материала, что, несомненно, способствует повышению плотности и прочности композиции.
На основе проведенных исследований разработана технология получения шлакощелочного кирпича контактно-конденсационным способом. В основу технологии ШЩ - кирпича положена традиционная технология производства силикатного кирпича с заменой в технологической линии отделения помола извести отделением помола шлака и введением емкости для жидкого стекла. Предусмотрена обработка изделий в пропарочных камерах. Выпущена опытная партия ШЩ-кирпичей. Кирпич рекомендован для строительства малоэтажных неотапливаемых зданий. Позднее в составе технологического цикла на ТЭЦ-2 г. Ижевска был построен цех для производства ШЩ -кирпича на основе золы уноса.
2. Золоминеральные смеси для оснований дорожных одежд
На основе принципа «контактного твердения» в ИжГТУ разработаны минеральные золошлаковые композиции для оснований дорожных одежд автомобильных дорог [1]. В качестве компонентов использовались следующие материалы: природная песчано-гравийная смесь, золошлаковая смесь гидроудаления ТЭЦ кислого состава, активаторы - воздушная негашеная известь и портландцемент. В соответствии с планом эксперимента в лаборатории готовились смеси оптимальной влажности, из которых прессовались образцы - цилиндры (Н = Б = 71,4 мм, Н = Б = 101 мм) под давлением 20 МПа. Оптимальную влажность устанавливали подбором с помощью прибора для стандартного уплотнения СоюздорНИИ. Образцы сразу после изготовления имели хороший внешний вид, не имели трещин, выкрашиваний и других видов деформаций. Прочность в возрасте 7 сут. в среднем составила 60-70 % от Я28. Во всех составах наблюдается неуклонный рост прочности с течением времени (рис. 1), причем форма кривых дает основание предположить, что прочность будет возрастать; в возрасте 360 сут. она достигала двух-четырехкратной прочности Я28.
К сЖ, МПа
28 56 90
Возраст образцов, сут.
Рис. 1. Изменение прочности во времени золоцементных образцов, содержащих: 20 % золы и цемента 5 (1), 3 (3), 1 (5), %; 30 % золы и цемента 5 (2), 3 (4), 1 (6), %.
Наибольший прирост прочности наблюдался после 90 сут. твердения, что подтверждает пуццолановый эффект материалов на основе золы. Получены активированные золошлаковые смеси с гравием марок 20, 40, 50, 60, рекомендуемые для оснований дорожных одежд 3, 4, 5 категорий. Микроскопический анализ показал (рис. 2), что новообразования в золоминеральных композициях носят гелевый и слабозакристаллизованный характер. Но при этом отмечается плотный контакт на границах «вяжущее - песок», «вяжущее - гравий» (рис. 3).
Рис. 2. Микроструктура золоцементного образца, Рис. 3. Микроструктура золоцементного образца:
общий вид х600 (а) - контактная зона «вяжущее - песок» х3000;
(б) - контактная зона «вяжущее - гравий» х120
Наблюдения за строительством опытных участков дорог показали важную роль уплотнения смеси при оптимальной влажности в получении качественного основания, особенно в начальные сроки твердения. Уже на следующий день формируется плотное прочное основание, а через 3 дня можно укладывать асфальтобетонное покрытие. Для определения деформативных характеристик дорожной одежды в натуральных условиях на опытных участках были проведены штамповые испытания. Модуль упругости дорожной одежды на участках с избыточным увлажнением при укладке смеси на 14 % ниже, чем на участках с укладкой смеси при оптимальной влажности, что свидетельствует о различном характере твердения укрепленных гравийно-песчаных смесей. По данной технологии в Удмуртии построено несколько участков дорог, показывающих хорошие эксплуатационные характеристики оснований из золоминеральных смесей. Модуль упругости новой конструкции дорожной одежды составил 440.510 МПа. Мониторинг состояния опытных участков в течение 20 лет показал отсутствие каких-либо деформаций, разрушений, связанных с работой основания. Проведено испытание образцов в возрасте 20 лет: наблюдается неуклонный рост прочности в возрасте 28, 56, 90, 360 суток; в последующие годы прочность стабильная, не наблюдается её снижения. По данным микроскопического анализа, образцы имеют более плотную однородную структуру, свидетельствующую об отсутствии деструктивных процессов, упорядочении структуры с течением времени, что гарантирует высокие эксплуатационные качества исследуемого материала.
3. Укрепление грунтов органическими стабилизаторами
Важной особенностью глинистых грунтов (супесей, суглинков и в особенности глин) является то, что при увлажнении они образуют систему, для которой характерны такие явления, как коагуляция, адсорбция, ионный обмен. С ростом дисперсности резко возрастает гидрофильность. В увлажненном состоянии грунт представляет собой дисперсную систему, в которой минеральные частицы являются дисперсной фазой, а растворы и вода - дисперсной средой. Всякая дисперсная система обладает поверхностной энергией. Поверхностная энергия грунтов, обусловленная, главным образом, удельной поверхностью его зерен, является источником энергии для процессов, протекающих в грунтах. Это играет большое значение в структурообразовании укрепленных грунтов. Чем больше удельная поверхность зерен (8уд), тем больше их поверхностная энергия, тем выше их поверхностная энергия, тем выше их адсорбция, т.к. молекулы, лежащие в поверхностном слое, способны притягивать из окружающей среды и удерживать молекулы коллоидных частиц и других веществ. Коллоидные частицы несут в себе электрический заряд, который возникает в результате электрической среды, образующейся в природе за счет растворения и распада некоторых веществ на ионы.
Большинство грунтовых частиц в естественном состоянии заряжены отрицательно (анионы). Анионы окружены катионами, образуя двойной электрический слой. Чем больше заряд частиц, тем устойчивее коллоидная система. Потеря заряда (нейтрализация) ведет к разрушению системы (коагуляции).
Грунты обладают ярко выраженной поглотительной способностью. Особенно важна обменная (физико-химическая) поглотительная способность, в результате которой грунт резко меняет свои химические, физические и механические свойства. Это явление наблюдается при химическом укреплении грунтов. Если в грунтах имеются катионы щелочных металлов (№+, К"), то при избытке влажности растворы приобретают щелочную реакцию, а отрицательно заряженные коллоиды стабилизируются в состоянии золя, делаются более устойчивыми. В грунтах, насыщенных двухвалентными катионами (Са , Mg ), коллоиды коагулируют, образуя прочную, водоустойчивую микроструктуру. При химическом укреплении грунтов образуется коагуляционная структура различной прочности [5].
Исследование укрепленных грунтов концентратором С0ИЛ-2000 - органической жидкостью малой концентрации - слабокислой реакции проводилось на супесчаных и суглинистых грунтах УР. Концентрат вводился в грунт вместе с водой затворения, количество которой соответствовало оптимальной влажности. Из полученных смесей методом прессования изготавливались образцы -цилиндры Б = Н = 50 мм. Повышение концентрации С0ИЛ-2000 способствовало снижению высоты капиллярного подъема воды с 5 до 3 мм. Микроскопические исследования (рис. 4 а, б) показали образование плотной, однородной структуры.
а)
Рис. 4. Микроструктура грунтов, стабилизированных концентратом С0ИЛ-2000:
(а) - суглинка, (б) - супеси
По данным ИК - спектраскограммы, наличие ионов ОН, С1 в С0ИЛ-2000 способствует ионному обмену с грунтами. И, как результат, адсорбция и глубокое проникновение концентрата в структуру грунта. Соблюдение принципа уплотнения при оптимальной влажности, обеспечивающей максимальную плотность, обуславливает повышение несущей способности грунта, его водостойкости, что особенно важно при строительстве автомобильных дорог, зданий, сооружений в сложных грунтово-гидрологических условиях.
Таким образом, исследования композиций, объединённых принципом формирования структуры «контактного твердения», способствуют созданию новых технологий в промышленном, гражданском, дорожном строительстве, обеспечивающих высокую плотность, прочность, водостойкость композиций, особенно в начальные сроки твердения. Все это способствует повышению эксплуатационных показателей материалов и конструкций.
1. Юдина Л.В., Юдин А.В. Металлургические и топливные шлаки в строительстве. - Ижевск: Удмуртия. - М.: АСВ, 1995. - 160 с.
2. Щелочные и щелочно-земельные гидравлические вяжущие и бетоны / Под ред. Глуховского В.Д. -Киев: Высшая школа, 1979. - 232 с.
3. Глуховский В.Д. и др. Шлакощелочные цементы и бетоны. - Киев: Будивельник, 1978. - 200 с.
4. Юдина Л.В., Турчин В.В. Исследование возможности применения мартеновских шлаков в шлакощелочных композициях. (Доклад) / Труды шестой Национальной конференции. - София, 1991. - С. 350-353.
5. Юдина Л.В., Орбан Е. Физико-химические основы укрепления грунтов органическими стабилизаторами / Труды международной конференции. - Ижевск, 2007. - С. 222-227.
6. Юдина Л.В. Композиционные строительные материалы контактного твердения / Труды международной научно-технической конференции «Стройкомплекс-2008». - Ижевск, 2008.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
