Улучшение свойств мелкозернистого бетона с помощью комплексных минеральных добавок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.32

В.А. ЕЗЕРСКИЙ1, д-р техн. наук ([email protected]);

Н.В. КУЗНЕЦОВА2, канд. техн. наук ([email protected]), А.И. ДУБРОВИН2, студент

1 Белостокский технический университет (РП, 15-351 г. Белосток, ул. Сельская, 95а)

2 Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106)

Улучшение свойств мелкозернистого бетона с помощью комплексных минеральных добавок

Для снижения материало- и энергоемкости производства бетонных изделий требуется разработка рецептур и внедрение технологии производства многокомпонентных мелкозернистых бетонов с использованием производственных отходов. Введение в цементную смесь сталеплавильного шлака и микрокремнезема позволит оптимизировать гранулометрический состав заполнителей, при использовании пластифицирующей добавки - улучшить структуру композиционного материала. Приводятся результаты экспериментального определения прочности при сжатии, водопоглощения, плотности образцов цементного композиционного материала в зависимости от процентного соотношения компонентов. При увеличении содержания сталеплавильного шлака в составе мелкого заполнителя от 0 до 30% наблюдается повышение прочности образцов на 22%. Положительное влияние на прочностные показатели оказывает введение микрокремнезема в количестве 20% и добавка суперпластификатора С-3 до 3% от массы вяжущего. Приводятся рецептуры и прочностные характеристики составов мелкозернистых бетонов, пригодных для изготовления стеновых блоков.

Ключевые слова: ресурсосбережение, мелкозернистый бетон, минеральная добавка, сталеплавильный шлак, микрокремнезем.

V.A. EZERSKIY1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]);

N.V. KUZNETSOVA2, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), A.I. DUBROVIN2, Student

1 Bialystok University of Technology (95а, Wiejska Street, Biaystok, 15-351, Poland)

2 Tambov State Technical University (106, Sovetskaya Street, Tambov, 392000, Russian Federation)

Improvement of Fine Concrete Properties with the Help of Complex Mineral Additives

To reduce material and energy consumption of concrete products manufacturing, it is necessary to develop the formulation and Introduce technologies of production of multi-component fine concretes with the use of industrial waste. The introduction of steelmaking slag and micro-silica in cement mix makes it possible to optimize the granulometric composition of fillers, and, in case of using the plasticizing additive, to improve the structure of composite material. Results of the experimental determination of compressive strength, water absorption, density of the samples of the cement composite material depending on the percentages of components are presented. In case of increasing the content of steelmaking slag in the composition of a fine filler by 0-30%, the increase in the strength of samples by 22% is observed. The introduction of 20% of micro-silica and addition of the superplasticizer C-3 to 3% by weight of the binder positively influence on the strength characteristics. Formulations and strength characteristics of fine concrete compositions suitable for the manufacture of wall blocks are presented.

Keywords: resource saving, mineral additive, steelmaking slag, micro-silica.

Бетонные и железобетонные конструкции, а также мелкоразмерные изделия из минеральных сырьевых составляющих являются наиболее востребованными в Центрально-Черноземном регионе. Это обусловлено особенностями региональной базы строительных материалов, в научных исследованиях им уделяется большое внимание. Признано, что одним из перспективных направлений развития строительной индустрии региона является разработка и внедрение конкурентоспособных технологий производства бетонных изделий.

Наиболее доступными на региональном уровне путями снижения себестоимости изделий при сохранении требуемых строительно-технических качеств являются: применение местных эффективных заполнителей, снижение материало- и энергоемкости производства, сокращение трудозатрат [1].

Для производства бетона кроме цемента используется большое количество мелкого и крупного заполнителей. К сожалению, в Тамбовской области отсутствуют запасы каменного сырья и имеются проблемы с обеспечением строительного комплекса щебнем. Кроме того, местные пески по показателю крупности относятся к мелким и не могут использоваться без дополнительного введения крупных фракций. В связи с этим обеспечение строительной отрасли минеральным сырьем в виде заполнителей является одной из важных проблем в регионе.

При наличии подобных проблем с заполнителями важными составляющими для производства бетонных смесей становятся различного рода добавки, действие которых направлено на оптимизацию структуры це-

ментного камня и, как следствие, улучшение эксплуатационных и технологических характеристик бетонов.

Одним из рациональных решений, учитывающим возможности и особенности строительной индустрии региона, является разработка рецептур многокомпонентных мелкозернистых бетонов с заменой части мелкого заполнителя техногенным отходами. Это позволило бы одновременно с решением проблем местной строительной индустрии также решать эколого-экономи-ческие проблемы.

Такой постановке задачи способствует также известный факт, что на сталеплавильных производствах, действующих в Тамбовской и Липецкой областях, образуются многотоннажные отходы в виде шлаков, складируемых в отвалы. Для их утилизации является вполне целесообразным использование сталеплавильного шлака в качестве мелкого заполнителя бетонов [2].

По химическому составу сталеплавильный шлак ОАО «НЛМК» состоит на 90-95% из оксидов (СаО, 8Ю2, А12О3 и отчасти М^О). В результате охлаждения металлургический шлак распадается на отдельные гранулы, приобретающие стекловидное тонкозернистое состояние [3]. Состав шлака представлен силикатами и стекловидной фазой, при определенной дисперсности частиц эти минералы обладают гидравлической активностью [4, 5].

Положительное влияние на формирование бездефектной структуры цементного камня оказывают также наполнители, обладающие реакционно-химической активностью. К ним можно отнести микрокремнезем, по-

4

научно-технический и производственный журнал

июнь 2015

J^j ®

Reports of the VI Academic reading «Actual issues of building physics»

лучаемый из природного сырья в Тамбовской области. Частицы микрокремнезема вследствие малых размеров и большой удельной поверхности способствуют появлению дополнительных центров кристаллизации, участвуют в реакциях гидратации с образованием прочных гидросиликатов, усиливают контактную зону между наполнителем и цементом [6, 7].

Однако наличие в цементной смеси частиц наполнителя с большой удельной поверхностью приводит к значительному росту водопотребности и повышенному водопоглощению. Введение добавки суперпластификатора позволяет снизить водосодержание дисперсной системы при сохранении заданной подвижности смеси. Оптимальная дозировка пластификатора выбирается с учетом его водоредуцирующего эффекта и исключения блокирующего действия на гидратационную активность цемента [8, 9].

В данном исследовании разработан состав мелкозернистого бетона с использованием измельченного сталеплавильного шлака для замены им части мелкого заполнителя в цементной смеси, с модификацией смесей с помощью наполнителя микрокремнезема и добавки в виде суперпластификатора С-3. Приводятся физико-механические характеристики образцов из этого бетона, полученные на основе лабораторных исследований.

Основными характеристиками, позволяющими определить предполагаемые области использования конструкций и изделий из мелкозернистого бетона, являются прочность при сжатии, плотность, водопогло-щение. Эти показатели приняты в эксперименте в качестве целевых функций. Исследование зависимостей целевых функций от влияющих факторов, в данном случае соотношений компонентов в смеси, проводилось с использованием математических методов планирования эксперимента.

Для приготовления образцов использовались частицы измельченного шлака крупностью от 0 до 2,5 мм с модулем крупности 1,9. Гранулометрический состав заполнителя из местного мелкого кварцевого песка предполагалось улучшать более крупными частицами шлака. Количество вводимого в заполнитель шлака принималось от 15 до 30% с целью создания наиболее плотной упаковки зерен [10]. Доля содержания сталеплавильного шлака в заполнителе варьировалась от 0 до 30%. Количество вводимого микрокремнезема принималось по отношению к вяжущему в пределах от 0 до 20 мас. %. С учетом рекомендаций [8] в бетонную смесь вводилась добавка суперпластификатора С-3 в количестве от 0 до 3% от массы вяжущего.

Соотношения вяжущего и заполнителя в смеси принимались от 1/2 до 1/4 как наиболее часто используемые в практике производства бетонных изделий.

Для описанных выше факторов были введены обозначения, приняты диапазоны изменения в эксперименте и рассчитаны кодированные значения:

х1 — доля содержания сталеплавильного шлака в заполнителе (0 (-1), 15% (0), 30 % (+1));

x2 — отношение вяжущее/заполнитель (1/2 (-1), 1/3 (0), 1/4 (+1));

x3 — доля содержания микрокремнезема,% от вяжущего (0 (-1), 10% (0), 20% (+1));

x4 — содержание добавки пластификатора С-3, % от вяжущего (0 (-1), 1,5% (0), 3% (+1)).

Выбор числа уровней варьирования факторов определялся с учетом криволинейного характера зависимости физико-механических характеристик композиционного строительного материала от выбранных факторов. В скобках приведены кодированные значения уровней факторов, переход к которым производился по соотношению:

Х1 = (Х1 ~ *;о)/ -Л

где х,- — натуральное значение ;-го фактора; х,0 — натуральное значение ;-го фактора на основном уровне, определяемое как полусумма значений верхней и нижней границ области определения фактора; I — натуральное значение полуинтервала варьирования ;-го фактора, определяемое как полуразность верхней и нижней границ области определения фактора.

Для проведения испытаний на центральное сжатие изготавливались образцы в форме балочек 40x40x160 мм по три образца-дублера в каждой партии. Количество образцов в эксперименте составило 144 балочки. Спустя 3 сут после формования образцы расформовывались и набор прочности протекал в нормальных условиях в течение 28 сут.

Экспериментальное определение прочности образцов при сжатии, плотности и водопоглощения образцов выполнялось согласно методикам ГОСТ 10180—90, ГОСТ 12730.1-78, ГОСТ 12730.3-78.

После первичной обработки экспериментальных данных, приведенных в табл. 1, разработаны математические модели зависимостей целевых функций от влияющих факторов в виде полиномов второго порядка.

Для интерпретации результатов исследования на основе полученных математических моделей построены графические зависимости рассматриваемых функций цели от двух факторов при фиксированных значениях третьего и четвертого.

Анализируя зависимость на рисунке а, можно отметить, что наибольшую прочность (5,32 МПа) имеют образцы с содержанием сталеплавильного шлака 30% и добавкой суперпластификатора С-3 в количестве 3% от массы вяжущего. При изменении содержания сталеплавиль-

5,9 4,9 3,92 2,94 1,96 9,81 0

_1 4,9-5,9 П 3,92-4,9 : I 2,94-3,92 : I 1,96-2,94 U 0,98-1,96 П 0-0,98

Сталеплавильный шлак

6, 5,9 4,9 3,92 2,94 1,96 0,98 0

Сталеплавильный шлак

5,9-6,86 4,9-5,9 3,92-4,9 ■■ 1,94-3,92 J 1,96-2,94 - 0,98-1,96 0-0,98

Р

S> О'

Прочность при сжатии мелкозернистого бетона в зависимости от содержания сталеплавильного шлака и суперпластификатора С-3 (%4) при отношении вяжущее/заполнитель - 1/2 (%2=-1) и содержании микрокремнезема: а - 0% (%3=-1); б - 20% (%3=+1) от массы вяжущего

а

fj научно-технический и производственный журнал

® июнь 2015

Таблица 1

№ опыта x1 x2 x3 x4 Прочность при сжатии ftx, МПа Плотность pw, кг/м3 Водопоглощение Wu, %

1 -1 -1 4,24 2035 2,39

2 +1 -1 5,59 2116 2,4

3 -1 + 1 1,18 1754 11,09

4 +1 + 1 1,55 1788 9,9

5 -1 -1 +1 5,32 1968 2,83

21 0 0 0 2,37 1988 5,74

22 0 0 +1 0 2,61 1851 5,16

23 0 0 0 -1 1,90 1799 4,526

24 0 0 0 +1 2,67 1928 2,5

ного шлака от 0 до 30% и фиксированном количестве добавки суперпластификатора С-3 1,5% от массы вяжущего наблюдается повышение прочности образцов на 22%.

Как показывают результаты эксперимента, введение микрокремнезема в количестве 20% от массы вяжущего оказывает положительное влияние на прочностные показатели материалов. Максимальное значение прочности повышается до 7 МПа при содержании сталеплавильного шлака 30% и добавки суперпластификатора С-3 в количестве 3% от массы вяжущего (рисунок б).

Заметную положительную роль выполняет добавка суперпластификатора С-3. При увеличении ее содержания в смеси от 0 до 3% прочность образцов, включающих сталеплавильный шлак в количестве 30%, возрастает на 21%.

При сравнении графиков (рисунок) видно, что при содержании сталеплавильного шлака 30% и суперпластификатора С-3 (3%) введение в смесь 20% микрокремнезема увеличивает прочность материалов на 30%. Это можно объяснить тем, что введение микрокремнезема повышает водопотребность растворной смеси и для достижения наибольших показателей прочности крайне необходимо введение суперпластификатора С-3.

При совместном введении в растворную смесь добавок сталеплавильного шлака, микрокремнезема и суперпластификатора С-3 формируется плотная малодефектная структура мелкозернистого бетона с близким к оптимальному гранулометрическим составом, что подтверждается экспериментальными результатами определения плотности и водопоглощения образцов. Наибольшие значения плотности — 1970-2075 кг/м3 — имеют образцы мелкозернистого бетона (заполнитель/ вяжущее — 2:1) с добавками микрокремнезема (до 20%), сталеплавильного шлака (от 20 до 30%) при использовании в составе смесей суперпластификатора С-3 (от 1,5 до 3 мас. %).

Для тех же образцов были получены минимальные значения водопоглощения 2—2,6%, причем введение в смесь суперпластификатора С-3 вызывает существенное снижение водопоглощения — более чем на 30%.

Полученные данные прочности, плотности и водо-поглощения мелкозернистых бетонов с минеральными добавками показывают, что наиболее эффективным способом управления физико-механическими свойствами является проектирование многокомпонентных составов цементных смесей, включающих природные и техногенные заполнители оптимального гранулометрического состава, микронаполнители, пластификаторы.

На основе полученных математических зависимостей установлены оптимальные составы смесей для изготовления мелкоштучных бетонных изделий (стеновых блоков) с заданными свойствами (табл. 2).

После проведенного анализа физико-механических характеристик основных строительных изделий было вы-

Таблица 2

Микрокремнезем, % Шлак, % Заполнитель/ вяжущее Суперпластификатор, % Rсж, МПа Класс бетона

8 - 2,5 0 6,46 В5

8 - 3,1 0 6,45

0 30 3,7 3 6,44

5 15 4 0 6,64

25 30 2,2 3 9,68 В7,5

27 30 2 3 10,32

30 30 2 3 10,17

25 30 2 3 9,71

явлено, что рецептуры полученных составов композиционных материалов с использованием отходов сталеплавильных производств подойдут для изготовления стеновых блоков по ГОСТ 19010—82. В табл. 2 приведены составы и прочностные характеристики строительных композиционных материалов с использованием сталеплавильных шлаков, соответствующие данным требованиям.

Список литературы

1. Лощенко А.Л. Стратегия развития промышленности строительных материалов и индустриального домостроения на период до 2020 года как основа сбалансированного развития строительной индустрии // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 46—47.

2. Ильичев В.А., Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. О развитии производства строительных материалов на основе вторичных продуктов промышленности // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 36—42.

3. Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И., Горшкова И.В. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве / Под ред. В.С. Горшкова. М.: Стройиздат, 1985. 272 с.

4. Вешнякова Л.А., Фролова М.А., Айзенштадт А.М., Лесовик В.С., Михайлова О.Н., Махова Т.А. Оценка энергетического состояния сырья для получения строительных материалов // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 56-55.

5. Корнеева Е.В Исследования шлаков сталеплавильного производства с целью вторичного использования // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 62-63.

6. Кошкин А.Г., Коровкин М.О., Уразова А.А., Ерошкина Н.А. Исследование эффективности добавки на основе микрокремнезема // Современные научные исследования и инновации: научный интернет-журнал. 2014. № 12 http://web.snauka.ru/ issues/2014/12/42177 (дата обращения 20.04.2015).

6

научно-технический и производственный журнал

июнь 2015

iA ®

Reports of the VI Academic reading «Actual issues of building physics»>

7. Коровкин М.О., Калашников В.И., Ерошкина Н.А. Эффективность суперпластификаторов и методология ее оценки. Пенза: Изд-во ФГБОУ ВПО «ПГАСУ», 4. 2012. 144 с.

8. Калашников В.И., Гуляева Е.В., Валиев Д.М. Влияние вида супер- и гиперпластификаторов на реотехнологические свойства цементно-минераль-ных суспензий, порошковых бетонных смесей и 5. прочностные свойства бетонов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2011. № 12.

С. 40-45. 6.

9. Калашников В.И., Гуляева Е.В. Влияние вида и дозировки суперпластификатора на реотехнологиче-ские свойства цементных суспензий, бетонных смесей и порошково-активированных бетонов // Цемент и его применение. 2012. № 2. С. 66-72.

10. Грызлов В.С. Формирование структуры шлакобето- 7. нов: Монография. Череповец: ЧГУ, 2011. 274 с.

References

1. Loschenko A.L. Strategy of development of building ma- 8. terials industry and industrial housing construction for

the period till 2020 as a basis of balanced development of the construction industry. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 10, pp. 46-47. (In Russian).

2. Il'ichev V.A., Karpenko N.I., Yarmakovsky V.N. 9. About development of building materials production

on the basis of secondary industrial products (SIPs). Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 4, pp. 36-42. (In Russian).

3. Gorshkov V.S. Alexandrov S.E., Ivashchenko S.I., 10 Gorshkov I.V. Kompleksnaya pererabotka i ispol'zovanie metallurgicheskikh shlakov v stroitel'stve [Complex pro-

cessing and use of metallurgical slag in construction]. Ed. by V.S. Gorshkov. Moscow: Stroyizdat. 1985. 272 p. Veshnjakova L.A., Frolova M.A., Eisenstadt A.M., Lesovik V.S., Mikhailov O.N., Macha T.A. Evaluation of energetic state of raw material for production of building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 10. pp. 56-55. (In Russian). Korneev E.V. Study of steelmaking slag for the purpose of secondary use. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 8, pp. 62-63. (In Russian). Koshkin A.G., Korovkin M.O., Urazova A.A., Eroshki-na N.A. Study the effectiveness of supplements based on microsilica. Sovremennye nauchnye issledovaniya i inno-vatsii: scientific Internet-journal. 2014. No. 12 http://web. snauka.ru/issues/2014/12/42177 (date of access 20.04.2015). (In Russian).

Korovkin M.O., Kalashnikov V.I., Eroshkina N.A. Effektivnost' superplastifikatorov i metodologiya ee ot-senki [The effectiveness of superplasticizers and methodology to assess it]. Penza: Publishing House of the VPO «PGASA». 2012. 144 p.

Kalashnikov V.I. Gulyaev E.V., Valiev D.M. Influence of the type of super- and hyperplasticizers on the reotechno-logical properties of cement-mineral suspensions, powder mixed concrete and mechanical properties of concrete. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2011. No. 12, pp. 40-45. (In Russian).

Kalashnikov V.I. Gulyaev E.V. Influence of the type and dosage of super-plasticizer on the properties of cement slurries reotehnologicheskie, baa-ton mixtures and powder-activated concrete. Tsement i ego primenenie. 2012. No. 2, pp. 66-72. (In Russian).

Gryzlov V.S. Formirovanie struktury shlakobetonov [Cinderblock structure formation]: Monograph. Cherepovets: CSU. 2011. 274 p.

научно-технический и производственный журнал ® июнь 2015