CC BY
16УДК 666.96...124:691.327.32:666.974.2 Svetlana V. Bastrygina
С.В. Бастрыгина1
EFFECT OF DISPERSED ADDITIVES ON PROPERTIES OF HEAT-RESISTANT CONCRETE BASED ON EXPANDING SHALE
I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials Akademgorodok, 26 a, Apatity, 184209,Russia e-mail : bastr_sv@chemy.kolasc.net.ru
A characterization of different kinds of dispersed additives (ash-slag mix, ash of incinerated water-coal fuel, fine fire-clay and shungite dust) is presented. The properties of a porous aggregate, obtained by burning the schist of the Tsypnavolok deposit, Murmansk region, comparable with traditional shungisite and satisfying the principal requirements to artificial porous aggregates, shown. The expanded schist was admixed with different kinds of dispersed additives to select cement compounds. The main properties of fire-resistant concrete have been investigated. The developed concretes belong to the В5-В7.5 strength class and to the 19-110 class according to the limiting temperature and do not exceed the regulated values in residual strength, shrinkage and thermal resistance.
Keywords: dispersed additives, expanded schist, fire-resistant concrete, composition, properties.
Введение
При производстве конструкций и изделий, подверженных воздействию высоких температур, самым распространенным является жаростойкий бетон на основе портландцемента с тонкомолотыми жароупорными добавками. Такие добавки должны обладать стабилизирующими свойствами по отношению к цементному камню, не снижая при этом активности вяжущего и обеспечивая протекание реакций в твердых фазах между добавками и оксидом кальция с образованием безводных силикатов и алюминатов кальция, стойких к высоким температурам. Одновременно добавки должны способствовать улучшению жаростойких свойств портландцемента, уменьшению усадки бетона при нагревании и повышению его трещи-ностойкости [1]. Наиболее распространенной и изученной тонкомолотой добавкой является шамотная, вводимая обычно в количестве около 30 % от массы портландцемента. В настоящее время применение шамотной тонкомолотой добавки ограничивается ее высокой стоимостью, превышающей в ряде случаев стоимость самого цемента. Одними из рекомендуемых дисперсных добавок для смесей на цементном вяжущем при получении жаростойких бетонов являются золосодержащие материалы, к которым относятся золошлаковые смеси (ЗШС) Апатитской ТЭЦ, образующиеся в результате сжигания углей Печорского бассейна и направляемые системой гидроудаления в отвал. В настоящее время особую актуальность при-
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА ЖАРОСТОЙКОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ ВСПУЧИВАЮЩИХСЯ СЛАНЦЕВ
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, Академгородок, д. 26а, Апатиты, 184209, Россия
e-mail : bastr_sv@chemy.kolasc.net.ru
Приведены характеристики различных видов дисперсных добавок: золошлаковой смеси, золы от сжигания водоугольно-го топлива, тонкомолотого шамота и шунгизитовой пыли. Показаны свойства пористого заполнителя, полученного в результате обжига глинистых сланцев месторождения Цыпнаволок Мурманской области, сравнимых по своим показателям с традиционным шунгизитом и соответствующих основным требованиям, предъявляемым к искусственным пористым заполнителям. На основе вспучивающихся глинистых сланцев с введением различных видов дисперсных добавок подобраны составы и изучены основные свойства жаростойкого бетона. Разработанные бетоны имеют класс по прочности В5-В7.5, по предельно допустимой температуре применения - И9-И10, по остаточной прочности, усадке и термостойкости значения, не превышающие регламентируемые.
Ключевые слова: дисперсные добавки, вспучивающиеся сланцы, жаростойкий бетон, состав, свойства
обретают вопросы более эффективного использования жидкого топлива из угля - водоугольного топлива (ВУТ), которое может служить основой эффективной замены дорогостоящих дефицитных природных энергоносителей, в особенности, мазута. Комплексное решение использования ВУТ неразрывно связано с вопросом утилизации золы от его сжигания.
Задача исследований заключалась в определении эффективности использования различных видов дисперсных добавок в технологии получения жаростойкого конструкционно-теплоизоляционного бетона на основе вспучивающихся глинистых сланцев.
Характеристика дисперсных добавок
1. Золошлаковая смесь (ЗШС).
В исследованиях использовалась технологическая проба ЗШС, отобранной с золоотвала №1 Апатитской ТЭЦ. По гранулометрическому составу ЗШС представлена в основном тонкодисперсной зольной частью - содержание фракций менее 0.16 мм более 95 %, насыпная плотность 900 кг/м3, истинная плотность 2,24 г/см3, пустотность 59,6 %, удельная поверхность 270 м2/кг. По содержанию СаО (3,05 %) ЗШС относится к низкокальциевым золам, СаОсвоб. не обнаружено. По модулю основности (М = 0.07) ЗШС относятся к кислым золам.
1 Бастрыгина Светлана Валентиновна, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., e-mail: bastr_sv@chemy.kolasc.net.ru
Bastrygina Svetlana V., Ph.D.(Eng), senior research associate
Дата поступления -7 декабря 2016 года
2. Зола от сжигания водоугольного топлива
(ВУТ)
Используемая в работе зола получена после сжигания партии водоугольного топлива в цехе приготовления ВУТ ЗАО «Амальтеа» в пос. Енский Ков-дорского района Мурманской области. ВУТ получено путем последовательного дробления и мокрого измельчения каменного угля марки Гр шахты Заречная (г.Ленинск-Кузнецкий), предоставленного МУП Енского ЖКХ. По гранулометрическому составу зола ВУТ представлена в основном тонкодисперсной зольной частью - содержание фракций менее 0,16 мм более 83 %, насыпная плотность 220 кг/м3, истинная плотность 2,7 г/см3, удельная поверхность 1320 м2/кг. По модулю основности (М = 0,05) относятся к кислым золам. Исходя из качественных показателей по ГОСТ 25818-91, зола ВУТ может быть использована в качестве компонента для строительных растворов, а также изделий из тяжелого и легкого бетонов.
3. Дисперсный шамот
Дисперсный шамот получен из лома шамотного кирпича, пропущенного через щековую дробилку и размолотого в шаровой мельнице. Насыпная плотность шамотной добавки 1200 кг/м3, удельная поверхность 260 м2/кг, гранулометрический состав, мас. %: более 1,25 мм - 1 %, 1,25-0,63 мм - 22 %, 0,63-0,315 мм - 14 %, 0,315-0,14 мм - 24 %, менее 0,14 мм - 39 %.
4. Шунгизитовая пыль
В качестве добавки использовалась шунгизитовая пыль, улавливаемая на складе готовой продукции при производстве шунгизита. Она представляет собой тонкодисперсный продукт, содержащий более 90 % частиц с размером частиц менее 0,14 мм с насыпной плотностью 855 кг/м3, истинной - 2,86 г/см3 и удельной поверхностью 488 м2/кг.
Химический состав используемых дисперсных добавок приведен в таблице 1.
Таблица 1. Химический состав дисперсных добавок
Содержание оксидов, мас. %
SiÜ2 AI2Ö3 Fe2Ü3 FeÜ CaÜ MgÜ TiÜ2 P2O5 Na2O K2O SÜ3 C п.п.п.
ЗШС
53,72 15,76 11,02 2,08 3,05 1,69 1,05 - 1,23 1,16 0,33 1,03 2,25
зола ВУТ
54.35 17.20 5.80 1.19 2.46 1.30 1.6 0.92 1.05 1.80 3.35 3.55 5.43
шамот
51,10 39,20 1,28 0,10 0,45 0,33 0,5 - 0,15 0,45 - - 6,44
шунгизитовая пыль
53,10 19,05 16,25 2,5 2,25 3,03 2,42 0,18 0, 30 0,40 0,28 - 0,87
Изучение структуры добавок проводилось с помощью цифрового сканирующего электронного микроскопа SEM LEO-420. На рисунке 1 видно, что зола ВУТ имеет «дырчатую» структуру в отличие от структуры ЗШС, полученной от сжигания пылевидного топлива. На поверхности частиц золы от сжигания ВУТ имеются многочисленные поры размером 1-2 микрона, вызванные влиянием воздействия воды при сжигании водоугольного топлива в парообразном состоянии. В структуре ЗШС преобладают крупные и мелкие, пустотелые, светлоокрашенные или белые полупрозрачные стеклянные шарики. Шунгизитовая пыль представлена стекломассой с примесью недообожженного исходного сырья. Микроструктура шамота представлена крупнокусковыми агрегатами угловатой формы с плотной беспористой структурой.
шунгнзитоваяпыль молотыншамот
Рисунок 1. Микрофотографии частиц дисперсных добавок
Различия в структуре, а также физико-технических характеристиках исследуемых добавок должны сказаться и на свойствах разрабатываемых жаростойких бетонов.
В качестве заполнителя жаростойкого бетона использовали сланцы, обладающие способностью вспучиваться при нагревании с образованием гравиеподобных зерен искусственного пористого заполнителя. Наиболее крупное проявление вспучивающихся сланцев хлорит-серицит-кварцевого состава выявлено Кольской геолого-разведочной экспедицией на п-ове Рыбачий (Мурманская область), с огромными прогнозными ресурсами
- около 380 млн. т (кат. Р1+Р2). Предыдущими исследованиями [2, 3] показана возможность их использования для получения пористых заполнителей требуемого качества, не уступающих традиционному шунгизиту из шунги-товых сланцев Республики Карелия, и легких бетонов на их основе (для получения однослойных стеновых панелей). Одним из возможных путей использования вспучивающихся сланцев, по нашему мнению, является их применение в качестве заполнителя жаростойких бетонов.
Для проведения исследований использовалась технологическая партия сланцев ТХ-2, отобранная Центральной Кольской экспедицией (ЦКЭ) на проявлении Цыпнаволок.
По данным ЦКЭ, сланцы представлены преимущественно грубыми тонкослоистыми разностями, с прослоями алевритовых, песчано-аргиллито-алевритовых сланцев или тонкими прослоями известковых алевролитов. Минеральный состав пород обусловлен варьирующим содержанием глинистых частиц (хлорит, биотит, серицит, гидрослюды) - от 45 до 88 %, кварца от 8 до 45 %, полевых шпатов - от 1 до 6 %. Содержание рудных минералов, представленных в основном лейкоксенизирован-ными минералами группы титана (рутил, ильменит, сфен) обычно не превышает 3-6 %. Акцессорные минералы -циркон, апатит, турмалин, амфибол, пироксен. Структура сланцев пелитовая, алевропелитовая; текстура микрослоистая, тонкосланцеватая, беспорядочная.
Обязательным условием хорошего вспучивания глинистых материалов является их предварительная тепловая обработка. Исследованиями установлено, что оптимальная температура термоподготовки пробы составляет 400 °С, а оптимальная температура вспучивания
- 1110 °С. После обжига из сланцев фракции 5-10 мм, выход фракции 5-10 мм составил 68 %, фракции 10-20 мм
- 32 %.
По насыпной плотности заполнитель относится к маркам М500-450 и не превышает максимального значения М700 для шунгизитового гравия. Для полученного заполнителя фракции 5-10 мм с насыпной плотностью 470 кг/м3 (М500) марка по прочности составляет П75, для остальных фракций - П50. Все пробы выдержали испытания на морозостойкость, потери массы после 15 циклов замораживания-оттаивания составляют 0,4-2 % (по ГОСТ 9757-90 не более 8 %). Потери массы при кипячении составляют 0,6-2,4 % и не превышают допускаемых стандартом 4 %. Содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SOз (0,02 %) не превышает нормируемого показателя (1 %).
Проведенные лабораторно-технологические испытания показали, что пористый заполнитель, полученный из технологической пробы сланцев ТХ-2, соответствует требованиям ГОСТ 9757-90, предъявляемым к шунгизитовому гравию - ближайшему из стандартизованных аналогов вспучивающимся глинистым сланцам проявления Цыпнаволок.
Более подробная характеристика сланцев и пористого заполнителя на их основе приведена в работе [2].
На основе полученного в лабораторных условиях пористого заполнителя из технологической пробы ТХ-2 расчетно-экспериментальным путем подбирались составы жаростойкого бетона. Подбор составов проводился согласно ГОСТ 25820-2000 «Бетоны легкие. Технические условия» и ГОСТ 27006-86 «Бетоны. Правила подбора состава».
Для исследований использовался полученный в результате обжига при установленных оптимальных условиях пористый заполнитель фракции 5-10 мм с насыпной плотностью 440 кг/м3. Средняя плотность зерен заполнителя в цементном тесте составила 0,89 г/см3. В качестве мелкого заполнителя использовался дробленый шунгизи-товый песок фракции 0-5 мм с насыпной плотностью 740 кг/м3 и плотностью зерен в цементном тесте 1,32 г/см3. Во-допотребность песка 9,2 %.
В качестве дисперсных добавок использовались: ЗШС Апатитской ТЭЦ (насыпная плотность 900 кг/м3); зола ВУТ (насыпная плотность 220 кг/м3), измельченный шамот (насыпная плотность 1200 кг/м3) и шунгизитовая пыль (насыпная плотность 855 кг/м3). Добавки вводились в бетонную смесь в количестве 30 % от массы цемента.
В качестве вяжущего использовался портландцемент Сет И/А-У 42,5 R. Нормальная густота цементного теста 28,75 %, сроки схватывания - начало 2 ч 20 мин., конец 3 ч 50 мин., прочность при изгибе в 28 сут. - 7,1 МПа, при сжатии - 50, 6 МПа.
Подобранные составы и основные свойства бетона приведены в таблицах 2 и 3. Наибольшая прочность в проектном возрасте (класс В7.5) соответствует составу с ЗШС - 10,1 МПа. У составов с шунгизитовой пылью, молотым шамотом и золой ВУТ прочность составляет 8,85, 7,75 и 7,66 МПа, соответственно. Составы имеют класс по прочности В5. Наибольшие прочностные характеристики жаростойких бетонов с добавками ЗШС и шунгизитовой пылью по сравнению с составами с золой ВУТ и шамотом связаны с их химико-минералогическим составом, в частности, с содержанием стекловидной фазы. Наибольшие значения по остаточной прочности - 59,4 % имеет состав с шунгизитовой пылью, наименьшие (43,5 %) - с золой ВУТ. Также состав с шунгизитовой пылью имеет самые высокие значения по плотности - 1149 кг/м3. Состав с ЗШС помимо больших значений прочности при сжатии (по сравнению с составами с молотым шамотом, шунги-зитовой пылью и золой ВУТ), имеет меньшую усадку при 800 и 1000 °С. Потери массы всех образцов после 25 воздушных теплосмен не превышают допустимые ГОСТ 20 %. Для определения класса бетона по предельно допустимой температуре применения были проведены испытания по определению температур деформаций под нагрузкой, которые показали, что бетоны с ЗШС и молотым шамотом соответствуют классу И10, бетоны с шунгизитовой пылью и золой ВУТ - классу И9.
2. Составы жаростойкого бетона на основе вспучивающихся сланцев
№ состава Фактический расход материалов на 1 м3 бетона Плотность смеси, кг/м3 Плотность бетона, кг/м3
Цемент,кг Сланцы фр.5-10мм, кг/л Шунгизитовый песок фр. 0-5,кг/л Шамот молотый, кг ЗШС, кг Шунгизитовая пыль, кг Зола ВУТ, кг Вода, л После ТВО в сухом состоянии
1 2 3 4 338 320 348 321 278/634 270/614 287/652 265/602 370/528 363/518 380/543 351/502 96 101 104 110 214 250 220 206 1302 1313 1340 1240 1276 1150 1296 1211 1131 1000 1149 1079
Таблица 3. Основные свойства жаростойкого бетона на основе вспучивающихся сланцев
№ состава Прочность при сжатии, МПа, после Остаточная прочность при 800 °С, % Усадка,%, после обжига, °С Термостойкость после 25 возд. теплосмен, % Коэффициент теплопроводности, Вт/м°С
ТВО и сушка 28 сут. 28 сут. и сушка 800 1000
1 9,47 9,74 10,1 47,8 0,57 0,85 7,48 0,370
2 7,25 7,40 7,66 43,5 0,65 1,15 8,50 0,283
3 8,34 8,63 8,85 59,4 0,57 0,99 7,60 0,337
4 7,60 7,68 7,75 53,8 0,71 0,85 6,65 0,306
Микрофотографии полученных бетонов (рисунок 2) подтверждают данные по прочности, представленные в таблице 3. Наиболее плотная структура отмечается у образцов с ЗШС и шунгизитовой пылью, наименее плотная - у образцов с золой ВУТ.
Заключение
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что использование исследуемых видов дисперсных добавок позволяет получить жаростойкий бетон на основе вспучивающихся сланцев, удовлетворяющий ГОСТ 20910-90 «Бетоны жаростойкие. Технические условия» по всем основным показателям.
Литература
1. Некрасов К.Д., Тарасова А.П. Жаростойкий бетон на портландцементе. М.: Стройиздат, 1969. С. 21.
2. Крашенинников О.Н., Журбенко Г.В., Вороняе-ва Л.В. Глинистые сланцы Кольского полуострова как сырье для получения пористых заполнителей. Деп. в ВИНИТИ 29.01.99. № 297-В99. 17 с.
3. Крашенинников О.Н., Журбенко Г.В. Исследование физико-химических процессов при обжиге глинистых сланцев полуострова Средний: в сб. «Исследование технологии и свойств строительных и технических материалов из природного и техногенного сырья». Апатиты: КНЦ РАН, 2002. С. 35-39.
Рисунок 2. Микрофотографии структуры жаростойкого бетона с различными видами дисперсных добавок
