ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-КОНСТРУКЦИОННЫЙ ПОЛИСТИРОЛБЕТОН, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ДИСПЕРСНЫМИ ШЛАМАМИ С ОКСИДАМИ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон, модифицированный дисперсными шламами с оксидами переходных металлов

см о см

со

О!

о ш т

X

<

т О X X

Угляница Андрей Владимирович

д.т.н., профессор, профессор Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), uav@Kuzstu.ru

Дуваров Владимир Борисович

старший преподаватель Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), wowawowa@bk.ru,

На химических предприятиях Российской федерации в отвалах накоплены сотни тонн техногенных отходов в виде дисперсных шламов от отработанных катализаторов, содержащих оксиды переходных металлов - никеля, железа и марганца, которые требуют полезной утилизации. В работе выполнены исследования по определению предела прочности на сжатие теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона с добавкой к цементному вяжущему дисперсных шламов с оксидами переходных металлов и математико-статистическое проектирование оптимального состава теплоизоляционно-конструкционного по-листиролбетона с добавками шламов. Установлено, что добавка к цементному вяжущему дисперсного шлама с оксидом переходного металла никеля, железа или марганца в количестве соответственно 5,36; 5,2 и 4,8% позволяет получать прирост прочности теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона с маркой по средней плотности D300 и классом по прочности В0,75 соответственно на 26,3; 15,3 и 19,5%. Ключевые слова: модификация, теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон, цементная матрица, прочность, дисперсный шлам, оксид переходного металла.

Введение. Проблема энерго- и ресурсосбережения является одной из важнейших в Российской федерации. Эффективность использования энергоресурсов в хозяйственной жизни страны в настоящее время является недостаточной. Значительное отставание в энерго- и ресурсосбережении происходит в жилищно-коммунальном хозяйстве, которое использует до 20% всех энергоресурсов страны. Учитывая, что среднегодовая температура воздуха в РФ составляет -5,50С, требования к ограждающим конструкциям зданий и сооружений по сопротивлению теплопередаче, после ввода в действие СНИП 23-02-2003 «Теплозащита зданий», значительно увеличились. Согласно ГОСТ 33929-2016 «Полистиролбетон» эффективным способом повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций является использование при их изготовлении теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона с маркой по средней плотности D250 - D35o. При этом в строительной практике наиболее часто применяют теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон с маркой по средней плотности D300, с классом на одноосное сжатие В0,75. Теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон с такими показателями согласно ГОСТ 33929-2016 можно использовать в энергоэффективных конструктивных элементах зданий в качестве утеплителя наружных стен малоэтажных и многоэтажных зданий, а именно в колодцевой кирпичной кладке, в трехслойных стеновых панелях, в надпроемных перемычках и плитах перекрытия, а также для изготовления монолитных стен из полистиролбетона в малоэтажном строительстве.

Для улучшения физико-механических свойств бетонов с цементным вяжущим в их состав к цементу добавляют модифицирующие добавки: поверхностно-активные вещества, электролиты, полимерные добавки и другие [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Однако эти добавки имеют достаточно высокую стоимость, требуют дополнительных ресурсов для их изготовления и загрязняют окружающую среду отходами от их производства.

Ежегодно на химических предприятиях Кузбасса и других регионов страны образуются десятки тонн техногенных отходов в виде дисперсных шламов от отработанных катализаторов, содержащих оксиды переходных металлов - никеля, железа, марганца и др., которые требуют полезной утилизации. В этой связи исследование закономерности регулирования процессов гидратации, структурообразования и твердения цементной матрицы теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона модифицирующими добавками дисперсных шламов с оксидами переходных металлов никеля, железа и марганца является актуальным.

В КузГТУ ранее выполнены исследования по установлению закономерности регулирования процессов гидратации, структурообразования и твердения цементного вяжущего, модифицированного дисперсным шламом с оксидом переходных металлов никеля, железа и

марганца [12, 13]. В результате установлено, что добавка к цементному вяжущему дисперсного шлама с оксидом переходного металла никеля, железа или марганца в количестве 5%, 5% и 4% от массы цемента приводит к активации процесса гидратации цемента, при этом происходит: увеличение температуры основного эффекта тепловыделения цементного теста соответственно на 5,5°С, 4,0°С и 4,5°С, интенсивный рост кристаллических новообразований в цементном тесте с сокращением периода времени до наступления основного эффекта тепловыделения с 16 ч до 10 ч, 14 ч и 11 ч, уменьшение периода формирования структуры цементного камня на 28-30%, увеличение предела прочности цементного камня при сжатии на 24%, 10 % и 18% и возрастание предела прочности при сжатии цементно-пес-чаного раствора (класса портландцемента) на 19 %, 14% и 18%.

Цель исследования: разработка составов теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона с маркой по средней плотности D300 и классом на одноосное сжатие В0,75, модифицированного дисперсным шламом с оксидом переходного металла никеля, железа или марганца, для повышения его предела прочности при сжатии и получения за счет этого теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона с уменьшенным расходом цемента.

Материал и методы исследования. Для изготовления образцов теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона в качестве вяжущего использовали портландцемент, произведённый ООО «Топкинский цемент» марки ЦЕМ I 42,5Н, выпускаемый по ГОСТ 311082016. Для затворения портландцемента использовали воду, удовлетворяющую требованиям ГОСТ 237322011. В качестве заполнителя применяли пенополисти-рол удовлетворяющий требованиям ГОСТ 33929-2016. Гранулометрический состав пенополистирола определяли по ГОСТ 9758-2012. В качестве добавок-модификаторов использовали дисперсные шламы с оксидами переходных металлов никеля, железа или марганца, из отработанных катализаторов при производстве химических веществ на КАО «Азот» в г. Кемерово: никельсо-держащий шлам - при производстве капролактама; железосодержащий шлам - при производстве анилина и марганецсодержащий шлам - при производстве аммиака или метанола. Перед использованием в качестве добавки предварительно обезвоженный шлам досушивали до минимальной остаточной влажности при температуре 105°С и домалывали до остатка на сите №008 15%. При приготовлении теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона применяли также воздухово-влекающую добавку - смолу древесную омыленную SDO-L, отвечающую требованиям ТУ-2453-013-10644738-00.

Для исследования прочности теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона с маркой по средней плотности D300 в качестве базового состава поли-стиролбетонной смеси был принят следующий расход материалов на приготовлении 1 м3 смеси: цемент - 240 кг, вода - 120 кг (В:Ц =0,5), пенополистирол - 1 м3, воз-духововлекающая добавка SDO-L - 0,5 кг.

Прочность теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона с добавками никель, железо или марга-нецсодержащих шламов определяли на образцах кубах размерами 10*10*10 см согласно ГОСТ 10180-2012

«Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Все образцы твердели в нормальных условиях. Добавки шламов вводили в количестве 0-8% от массы цемента с шагом 1 %. Количество образцов в серии принимали равным трём с коэффициентом вариации не более 18% в соответствии с ГОСТ 18105-2010 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности». Предел прочности определяли на прессе ПСУ-10, как среднее арифметическое значение результатов испытаний серии образцов.

Результаты исследований и их обсуждение. Результаты испытаний на прочность при сжатии образцов теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона с добавками никель, железо или марганецсодержащего шлама приведены на рис. 1.

1.55

1.5

Н

3 ,45

I 1=4

и

3 .35

а

с

Ё5 1,3

о

о

5 .25

1,2

1,1

1 __■ 1__

2

г'- / '•..я

■ __А 1 к ,■••'•'* А ] • к ........... » 1 '""■■•.

< .........."С ...........................'.'.'А т <

■ ...'•" X 3

ш 1 4 1

0

1

2 3 4 5 6 7 8

Количество добавки шлама, % Рис. 1. Влияние количества добавок шламов на предел прочности при сжатии теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона Нсж: 1 - с добавкой никельсодержащего шлама; 2 - с добавкой марганецсодержащего шлама; 3 - с добавкой железосодержащего шлама

Анализ результатов проведенных экспериментов показал, что добавки никель, железо или марганецсодержащего шлама к цементному вяжущему приводят к возрастанию предела прочности теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона при сжатии на 15-28%.

Для определения количества добавки дисперсных шламов с оксидами переходных металлов к цементному вяжущему, соответствующего наибольшему приросту прочности теплоизоляционно-конструкционного поли-стиролбетона, на основе полученных результатов построена зависимость влияния количества добавки шлама X, на предел прочности при сжатии теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона Y методом наименьших квадратов.

Математическая обработка полученных данных позволила получить уравнения с коэффициентами регрессионной модели для зависимостей предела прочности при сжатии теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона соответственно при добавках никельсодержащего (4.1), железосодержащего (4.2) и марганец-содержащего (4.3) шламов:

У= 1,175 + 0,118

V = 1,153 + 0,078

V = 1,184 + 0,096

X - 0,011 X2 X - 0,0075 • X2 X - 0,01 • X2

(1) (2) (3)

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю 00

2 О

м

CN

0

сч оэ

01

о ш m

X

<

m о х

X

Для оценки значимости коэффициентов регрессии использовали критерий Стьюдента. Адекватность полученной модели оценивали по критерию Фишера. Числовая реализация полученных уравнений показала, что максимальные значения предела прочности на сжатие теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона составляют 1,49; 1,36 и 1,41 МПа, соответственно при добавках дисперсного шлама с оксидами переходных металлов никеля, железа или марганца к цементному вяжущему в количестве 5,36; 5,2 и 4,8%. При этом прирост прочности теплоизоляционно-конструкционного по-листиролбетона за счет добавок дисперсных шламов составил соответственно 26,3; 15,3 и 19,5%.

Очевидно, что за счет добавки никель, железо или марганецсодержащего шлама к цементному вяжущему, можно уменьшить количество цемента в теплоизоляционно-конструкционном полистиролбетоне при сохранении его требуемой прочности на сжатие (класса по прочности В0,75 на одноосное сжатие) и марки полистирол-бетона по средней плотности D300. С этой целью было выполнено математико-статистическое проектирование состава теплоизоляционно-конструкционного полисти-ролбетона с указанными характеристиками методом полного факторного эксперимента. В качестве плана эксперимента был принят центральный ортогональный композиционный план второго порядка. В качестве параметров входа Х1 и Х2 принят расход цемента и во-доцементное отношение, в качестве параметра оптимизации Y - прочность при сжатии.

На основании математического анализа полученных данных были получены уравнения с коэффициентами регрессионной модели для зависимостей предела прочности при сжатии теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона соответственно при добавках ни-кельсодержащего (4.4), железосодержащего (4.5) и марганецсодержащего (4.6) шламов: V = 1,2244 + 0,3433 • Хх -

-0,18 • Х2 +0,0833 •Х^; (4)

У = 1,1033 + 0,3167-^-

-0,13 • Х2 +0,08- X? ; (5)

У = 1,1422 + 0,3233 • Х1 -

—0,1733 • Х2 + 0,0767 •Xf.

(6)

-0,18 •

V

/Ц- 220\

Л 20 )

0,05

20

+ 0,0833 • (■

Ц—220 20

йсж = 1,1033 + 0,3167

В/Ц-0,5

/Ц- 220Ч

Л 20 )'

-0,13 •

-0,1733

0,05

+ 0,08 • (

20

Ц-220Ч 20 ! Ц- 220\

У0,5

0,05

20

+ 0,0767 •

Ц

-220у 20 )

(7)

(8)

(9)

ролбетона с добавками никель, железо или марганецсодержащего шлама с маркой по средней плотности D300 и классом по прочности В0,75, которые приведены в табл. 1. Свойства рекомендуемого теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона приведены в табл. 2. На состав полистиролбетона, модифицированного дисперсным шламом с оксидом переходного металла получен патент на изобретение [14].

Таблица 1

Рекомендуемые составы теплоизоляционно-конструкцион-

Материалы Ед. изм. Расход материалов на приготовление 1м3 полистиролбетона состава

Н1 Ж1 М1 Н2 Ж2 М2

Портландцемент кг 204 216 211 217 224 222

Пенополистирол м3 1 1 1 1 1 1

Вода кг 91,8 97,2 95,0 108,5 112,0 111,0

Воздухововлека-ющая добавка SDO-L кг 0,43 0,45 0,44 0,45 0,47 0,46

Добавка шлама кг 10,93 11,23 10,13 11,63 11,65 10,66

Примечание: Н - полистиролбетон с добавкой никельсодер-жащего шлама; Ж - с добавкой железосодержащего шлама; М - с добавкой марганецсодержащего шлама; составы полистиролбетона 1 и 2 имеют разную марку по подвижности (см. табл. 2).

Таблица 2

Свойства теплоизоляционно-конструкционного полисти-ролбетона с добавками шламов

Состав

Н1

М1

Ж1

Н2

М2

Ж2

Марка по плотности

D300

D300

D300

D300

D300

D300

Расчётные данные

Расход цемента, кг

204

216

211

217

224

222

Прочность, МПа

8

8

8

Требования ГОСТ

Класс

В0,75

В0,75

В0,75

В0,75

В0,75

В0,75

Экспериментальные данные

Прочность, МПа Прочность, МПа Марка по подвижности

1,13 1,18 П1

1,13 1,18 П1

1,13 1,19 П1

1,13 1,18 П3

1,13 1,17 П3

1,13 1,20 П3

Для оценки значимости коэффициентов регрессии использовали критерий Стьюдента. Адекватность полученной модели оценивали по критерию Фишера. При переходе к натуральным значениям факторов уравнения регрессии (4.4), (4.5) и (4.6) при добавках никель, железо и марганецсодержащего шламов приняли вид: /Ц- 220\

йсж = 1,2244 + 0,3433 ' '

На основе численной реализации уравнений регрессии (4.7), (4.8) и (4.9) спроектированы рекомендуемые составы теплоизоляционно-конструкционного полисти-

Вывод

Добавка к цементному вяжущему дисперсного шлама с оксидом переходного металла никеля, железа или марганца в количестве соответственно 5,36; 5,2 и 4,8 % позволяет повышать предел прочности на сжатие теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона до 1,49; 1,36 и 1,41 МПа, соответственно. При этом прирост прочности теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона за счет добавки дисперсного шлама с оксидом переходного металла никеля, железа или марганца составляет соответственно 26,3; 15,3 и 19,5 %, что позволяет получать теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон с маркой по средней плотности D300 и классом по прочности B0,75 с уменьшенным расходом портландцемента соответственно на 9,5-15,0; 6,7-10,0 и 7,5-12,1 %.

Литература

1. Chowdhury S, Mishra M, Suganya O. The incorporation of wood waste ash as a partial cement replacement material for making structural grade concrete: An overview. Ain Shams Engineering Journal. Volume 6, Issue 2, June 2015, Pages 429-437.

2. Cheah Chee Ban, Ramli Mahyuddin. Mechanical strength, durability and drying shrinkage of structural mortar containing HCWA as partial replacement of cement.

8

8

8

Construction and Building Materials. Volume 30, May 2012, Pages 320-329.

3. C. Kulasuriya, V. Vimonsatit, W.P.S. Dias and P. De Silva/ Design and development of Alkali Pozzolan Cement (APC)/Construction and Building Materials 68, pp. 426-433 (2014).

4. Maria S. Konsta-Gdoutos, Zoi S.Metaxa, Surendra P.Shah. Highly dispersed carbon nanotube reinforced cement based materials. Cement and Concrete Research. Volume 40, Issue 7, July 2010, Pages 1052-1059.

5. Космачев П.В., Демьяненко О.В., Власов В.А., Ко-паница Н.О., Скрипникова Н.К. Композиционные материалы на основе цемента с нанодисперсным диоксидом кремния. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017;(4):139-146.

6. Ильина Л.В., Бердов Г.И., Гичко Н.О. Влияние комплексных дисперсных минеральных добавок на прочность цементного камня // Изв. Вузов. Строительство. 2017. № 1. С. 38-44.

7. Сватовская Л.Б., Сычёв М.М. Активированное твердение цементов. - Л.: Стройиздат, 1983. - 160 с.

8. Сычёв М.М. Современные представления о механизме гидратации цементов. М.: ВНИИ ЭСМ, 1984. 50 с.

9. Баженов Ю.М. Технология бетона. Москва: Издательство АСВ, 2007. - 526 с.

10. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981. - 464 с.

11. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны / Научное издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. - 368 с.

12. Угляница А.В., Дуваров В.Б. Модификация цементных бетонов отработанным катализатором производства капролактама. «Инновации и инвестиции». М: Русайнс. №6. 2019. С.286-291.

13. Угляница А.В., Дуваров В.Б. О возможности модификации цементных бетонов отработанным катализатором производства анилина. Вестник ВСГУТУ. Улан-УДЭ. №2 (73) 2019. С.43-52.

14. Патент № 2341496 C1 (RU). Хмеленко Т. В., Угляница А. В., Дуваров В. Б. Сырьевая смесь для изготовления легкого бетона. Заявл. 02.05.2007; опубл. 20.12.2008. Бюл. № 35.

Heat-insulation constructional polystyrene concrete, modified with

dispersed sludge with transition metal oxides Uglyanitsa A.V., Duvarov V.B.

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

JEL classification: L61, L74, R53_

Hundreds of tons of anthropogenic waste in the form of dispersed sludge from spent catalysts containing oxides of transition metals - nickel, iron and manganese, which require useful disposal, have been accumulated in the dumps of chemical enterprises of the Russian Federation. Studies to determine the ultimate compressive strength of heat-insulation constructional polystyrene concrete with the addition of dispersed sludge with transition metal oxides to the cement binder and math-and-stats design of the optimal composition of heat-insulation constructional polystyrene concrete with sludge admixtures were carried out in the work. It was found that the addition of dispersed sludge with a transition metal oxide of nickel, iron or manganese to the cement binder in an amount of, respectively, 5.36%, 5.2% and 4.8% allows obtaining an increase in the strength of heat-insulation constructional polystyrene concrete with a mass specific gravity grade of D300 and a strength class of B0.75, respectively, by 26,3%, 15,3% and 19,5%. Keywords: modification, heat-insulation constructional polystyrene concrete,

cement matrix, strength, dispersed sludge, transition metal oxide. References

1. Chowdhury S, Mishra M, Suganya O. Ain Shams Engineering Journal.

Volume 6, Issue 2, June 2015, Pages 429-437.

2. Cheah Chee Ban, Ramli Mahyuddin. Mechanical strength, durability and

drying shrinkage of structural mortar containing HCWA as a partial replacement of cement. Construction and Building Materials. Volume 30, May 2012, Pages 320-329.

3. C. Kulasuriya, V. Vimonsatit, W.P.S. Alkali Pozzolan Cement (APC) /

Construction and Building Materials 68, pp. 426-433 (2014).

4. Maria S. Konsta-Gdoutos, Zoi S.Metaxa, Surendra P.Shah. Highly

dispersed carbon nanotube reinforced cement based materials. Cement and Concrete Research. Volume 40, Issue 7, July 2010, Pages 10521059.

5. Kosmachev P.V., Demyanenko O.V., Vlasov V.A., Kopanitsa N.O.,

Skripnikova N.K. Composite materials based on cement with nano-dispersed silicon dioxide. Bulletin of the Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. 2017; (4): 139-146.

6. Ilina L.V., Berdov G.I., Gichko N.O. Influence of complex dispersed mineral

additives on the strength of cement stone // Izv. Universities. Building. 2017. № 1. P. 38-44.

7. Svatovskaya L.B., Sychev M.M. Activated hardening of cements. - L .:

Stroyizdat, 1983. - 160 p.

8. Sychev M.M. Modern ideas about the mechanism of hydration of cements.

M .: VNII ESM, 1984. 50 p.

9. Bazhenov Yu.M. Concrete technology. Moscow: DIA Publishing House,

2007. - 526 p.

10. Akhverdov I.N. Basics of concrete physics. M .: stroiizdat, 1981. - 464 p.

11. Bazhenov Yu.M., Demyanova V.S., Kalashnikov V.I. Modified high-quality concretes / Scientific publication. - Publishing House of the Association of Construction Universities, 2006. - 368 p.

12. Uglyanitsa A.V., Duvarov V.B. Modification of cement concrete the fulfilled

catalyst of production of a caprolactam / Innovacii i investicii.- M .: Rusience. №6. 2019. P.286-291.

13. Uglyanitsa A.V., Duvarov V.B. On possibility of cement concrete modification by dead catalyst of aniline production / Vestnik ESSTU.-Ulan-Ude.: Publishing house of ESSTU. №2 (73). 2019. P.43-52.

14. Patent No. 2341496 C1 (RU). Khmelenko T.V., Uglyanitsa A.V., Duvarov V.B. Raw mixture for lightweight concrete manufacture. Appl. 02.05.2007; Publ. 20.12.2008. Bul. No. 35.

X X

о го А с.

X

го m

о

ю 00

2 О M