CC BY
8РАЗДЕЛ 3.
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ УДК 666.9.022.3
ВЛИЯНИЕ КАРБОНИЗАЦИИ НА ПРОЧНОСТЬ ПРЕССОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ ОТХОДОВ ГОРНЫХ ПОРОД НА ЦЕМЕНТНОМ И ИЗВЕСТКОВО-ЦЕМЕНТНОМ
ВЯЖУЩЕМ
Елькина И.И., аспирант, Федоркин С.И., д.т.н., профессор
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Исследовано влияние процесса карбонизации на прессованные образцы из шламов гранодиоритовых пород с использованием цементного и известково-цементного вяжущего, изучено формирование структуры материала. Выявлена возможность получения качественных стеновых материалов на основе вторичного сырья. Карбонизация, шлам, прессование, сырьевые смеси, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия
Введение
Одной из основных причин постоянного ухудшения состояния окружающей среды и сокращения количества природных ресурсов во всем мире, является структура потребления и производства, не обеспечивающая устойчивости.
Существующие условия активного научно-технического развития и ограниченное количество природных ресурсов требуют усовершенствования незамкнутых технологий производств различной продукции.
Таким образом, утилизация различного вторичного сырья, в частности углекислого газа и мелких отходов горных пород при производстве щебня и песка из гранодиоритовых пород, как сырьевых компонентов в производстве стеновых изделий различного назначения, приобретает практическое значение. Существующие направления их утилизации малоэффективны и не могут в полной мере решить проблему накопления шлама. Поэтому необходимо создать технологии, для которых мелкие отходы горных пород, а именно шлам, стал бы основным сырьевым материалом.
Перспективным является изучение вопросов формирования искусственного камня на основе альтернативных подходов к организации процессов твердения кальциевой извести -карбонизации изделий на ее основе в среде углекислого газа. Реализация этой идеи позволит на 2/3 утилизировать выделяющийся при обжиге известняка углекислый газ, используя его в качестве основного сырьевого компонента, и получить стеновой материал, экологичность и экономичность которого не требует доказательств [2].
Анализ публикаций Процесс длительной карбонизации цементных бетонов изучен достаточно полно. Искусственную карбонизацию извести как процесс интенсификации твердения изделий на ее основе впервые использовал А. А. Байков, предложивший способ производства карбонизированного известково-песчаного кирпича из гидравлической извести [2].
Следует отметить двоякую роль этого процесса: как положительную, так и отрицательную. С одной стороны, углекислый газ переводит гидроокись кальция в гидрокарбонаты и карбонаты кальция, что приводит к уменьшению показателя рН и вызывает коррозию арматуры в железобетоне. С дугой стороны, воздействие углекислого газа уплотняет поверхностный слой бетона за счет вновь образовавшегося карбоната кальция.
В результате цементный бетон приобретает повышенную прочность, водонепроницаемость, что повышает его морозостойкость и стойкость к воздействию агрессивных сред, в частности морской воды [1].
На наш взгляд искусственная карбонизация цементных и известково-цементных бетонов изучена недостаточно. Отсутствуют данные о влиянии карбонизации на материалы, полученные полусухим прессованием.
Цель и постановка задач исследований
В настоящее время в АР Крым при производстве щебня и песка из гранодиоритовых пород образуется значительное количество шламов - продуктов промывки этих заполнителей. Например, на Шархинском карьере скопилось около 1 млн. тонн отходов, которые складируются в отвалах и шламоотстойниках и наносят экологический урон окружающей среде южного берега Крыма.
Нами разрабатываются технологии переработки таких отходов в мелкоштучные стеновые материалы с использованием известковых, известково-цементных и цементных вяжущих путем полусухого прессования изделий при высоких давлениях (до 30МПа). Если искусственная карбонизация известковых изделий не вызывает сомнений и позволяет получить материал с прочностью до 40МПа [3], то карбонизация прессованных материалов на цементном и известково - цементном вяжущем требует дальнейшего изучения.
Цель настоящей работы - исследовать влияние карбонизации на формирование структуры и свойств прессованных образцов на основе мелкодисперсных продуктов промывки гранодиоритовых пород с использованием цементного и известково-цементного вяжущего, изучить формирование структуры материала и на основе этого выявить возможность получения качественных стеновых материалов на основе вторичного сырья.
Методика исследований
В качестве сырьевых материалов в исследованиях использован шлам промывки гранодиоритовых песка и щебня Шархинского карьера, портландцемент Бахчисарайского цементного завода, известь из известняка Бештерикского месторождения. Гранулометрический и химический состав шлама приведен в табл.1 и табл.2 соответственно.
Таблица 1
Характеристика фракционного состава Шархинских шламов_
Место Содержание фракции размерами (мм), %
отбора 1,25- 0,63- 0,315- 0,15- 0,08- 0,05- 0,01- 0,005- 0,002- Менее
проб 0,63 0,315 0,15 0,08 0,05 0,01 0,005 0,002 0,001 0,001
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Середина
шламоот- 0,324- 0,207- 0,389- 2,722- 8,125- 59,653- 7,386- 6,263- 3,448- 6,242-
стойника 0,673 0,518 0,518 2,795 11,304 62,348 8,195 7,292 3,839 6,897
Таблица 2
Химический состав Шархинских шламов_
Место Состав в пересчете на окислы, процентов
отбора проб сч О 00 О н гя о < гя о сч <и Рч § О МяО МпО О а О сч л £ о Рч ГЯ О т О К сч о о + О к
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Середина
шламоот-стойника 61,55 8 0, 0 ,6 ,5 0 5, 0 4, 6 0, 0, 8 0, 0 2, 4 0, 3 о, 0, 0 0, 8 ю 4, 2 со 0,
Нуммулитовый известняк Бештерекского месторождения, используемый при производстве извести соответствует классу А по ГОСТ 21-27-76 «Породы карбонатные для производства строительной извести» с содержанием (СаСО3 + М§С03) не менее 95 %. Содержание (СаСО3 + М§С03) - показатель, обязательный для контроля.
Химический состав известняка Бештерекского месторождения представлен в табл.3.
Таблица 3
Химический состав известняка
Состав, процентов (мас.)
БЮ2 Бе203 А1203 СаО МяО 803 п.п.п. титр
0,5-10,0 0,7-1,8 0,4-1,3 7,7-55,1 0,2-0,9 0,1-0,2 38,1-43,0 95,0-98,0
Из исходных материалов готовили сырьевые смеси в заданном соотношении, увлажняли их до 10% (мас.) и при удельном давлении 30МПа прессовали образцы цилиндры диаметром и высотой 3 см. Часть полученных образцов твердели в естественных условиях. Вторую часть образцов карбонизировали в течение 3 часов в специальной карбонизационной камере, после чего образцы испытывали в возрасте 7 суток по стандартной методике.
Изучение структуры материалов проводили с использованием методов рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии. Рентгеноструктурный анализ выполнен на дифрактометре ДРОН - 2,0. Структуру исследуемых систем изучали с помощью электронной сканирующей микроскопии на микроскопе РЕМ-106, 8БЬМ1.
Результаты экспериментальных исследований и их анализ
На первом этапе исследований изучено влияние карбонизации на прочность образцов из шлама Шархинского карьера и портландцемента в количестве 10,20,30,40,50,70% (мас.). Для сравнения изготовлены образцы из чистого портландцемента. Полученные результаты
Рис. 1. Влияние карбонизации на прочность образцов из шлама
портландцемента в возрасте 7 сут. (1 - образцы, твердеющие в естественных условиях;
2 - карбонизированные образцы)
Как видно из графика при содержании цемента в смеси до 45% карбонизация снижает прирост прочности образцов с 28% до 0%. При увеличении содержания цемента более 4550% прочность карбонизированных образцов возрастает по сравнению с некарбонизированными образцами на 7% (при 70% цемента в смеси). Прирост прочности наблюдается в образцах из чистого цемента.
Рентгенограммы образцов свидетельствуют об уменьшении содержания гидросиликатов кальция в материале при содержании цемента в смеси менее 40%.
Снижение количества цементирующих гидросиликатов кальция, связывающих частицы шлама, обусловлено переводом значительного количества гидроокиси кальция в
карбонат кальция, который обладает меньшей прочностью. Это подтверждается также снижением рН образцов с 13,5 до 9,0. Следствием этого является снижение прочности образцов в целом.
При содержании цемента в смеси более 50% количество гидроокиси кальция является достаточным для образования необходимого количества гидросиликатных связок наряду с карбонатными, что повышает прочность карбонизированных образцов.
На втором этапе исследований изучено влияние карбонизации на прочность образцов из шлама Шархинского карьера и известково-цементного вяжущего, состоящего из 50% (мас.) извести - пушонки и 50% (мас.) портландцемента. Количество известково-цементного вяжущего в смеси составляло 10, 20, 30, 70% (мас.). Кроме того, для сравнения были сформованы образцы из чистого известково-цементного вяжущего. Результаты исследования представлены на рис. 3.
70,0
60,0
, 50,0
40,0
30,0
« 20,0
10,0
10 20 30 40 50 70 100
Содержание известково-цементного вяжущего (И-50%, Ц-50%)
Рис. 3. Влияние карбонизации на прочность образцов из шлама и известково-цементного вяжущего в возрасте 7 сут. (1 - образцы, твердеющие в естественных условиях; 2 - карбонизированные образцы)
Анализ полученных графических зависимостей свидетельствует о существенном росте прочности образцов при их карбонизации. Максимальный прирост прочности образцов составляет 30-78% при содержании известково-цементного вяжущего в смеси от 30 до 70%. Оптимальное содержание известково-цементного вяжущего в смеси - 20-30%. При этом прочность возрастает на 47-78%.
Рентгенограммы образцов свидетельствуют о наличии в структуре кристаллических гидросиликатов, гидроалюминатов и других фаз цемента, а также значительного количества кальцита. Т.е. можно утверждать о реализации гидросиликатно-карбонатного механизма твердения материала.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о возможном положительном влиянии карбонизации на процессы твердения и формирования прочной структуры прессованных материалов из шлама промывки гранодиоритовых пород на цементном и известково-цементном вяжущем.
Состав сырьевых смесей должен подбираться таким образом, чтобы обеспечить оптимальное соотношение связующих компонентов, образующихся при гидратации и твердении цемента и карбонатов кальция, связывающих частицы шлама. Использование карбонизации образцов из шлама на цементном и известково-цементном вяжущем в
количестве 20-30% позволяют получить материал с пределом прочности при сжатии 25-40 МПа.
Выводы
1. Исследовано влияние процесса карбонизации на прессованные образцы из шламов гранодиоритовых пород с использованием цементного и известково-цементного вяжущего. Установлено, что формирование структуры материала осуществляется с реализацией гидросиликатно-карбонатного механизма твердения.
2. Показано, что карбонизация прессованных образцов из шлама на цементном и известково-цементном вяжущем в количестве 20-30% повышает их прочность до 25-40МПа, что позволяет получить качественные стеновые материалы на основе вторичного сырья.
Список использованных источников
1. Шторк И. Долговечность бетона / Шторк И., Вихт Б. ; пер. с немец. А. Тулаганова под ред. П. Кривенко. — Киев : Оранта, 2004. — 301 с.
2. Бахтин А.С. Строительные облицовочные изделия на основе известково-известняковых композиций карбонизационного твердения: дис. ... кандидата технических наук : 05.23.05 / Бахтин Александр Сергеевич. - Симферополь, 2011. - 216 с.
3. Технологические принципы получения стеновых изделий на основе извести карбонизационного твердения с использованием отходов камнедобычи известняков / [Н.В. Любомирский, С.И. Федоркин, А.С. Бахтин, А.М. Акимов] // Сборник докладов II международной конференции BetonForumUA «Современные бетоны. Перспективы развития», г. Киев 7-8 апреля 2010 г. - Киев: Укрцемент, 2010. - С. 31 - 35.
УДК 624.072.2.011
К ВОПРОСУ ПРОЧНОСТИ ФАНЕРНЫХ СТЕНОК ДЕРЕВОФАНЕРНЫХ БАЛОК
ПЕРЕМЕННОЙ ВЫСОТЫ
Пинчук Е.А., аспирант
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Аналитическим путем, а также с помощью программного комплекса «Лира»
выполнено исследование распределения главных растягивающих напряжений в
фанерных стенках двускатной коробчатой балки и даны рекомендации по расчёту
прочности фанерных стенок.
Балки, переменная высота, фанерные стенки, прочность.
Введение.
Применение деревофанерных конструкций позволяет значительно снизить их массу, уменьшить затраты энергии на их производство, транспортирование и монтаж. Эффективность повышается при применении балочных и рамных элементов переменного сечения по длине, что достигается только за счет изменения высоты фанерных стенок без перерезания волокон пиломатериалов, из которых изготовляются поясные элементы.
Анализ публикаций.
Экспериментальные исследования деревофанерных балок с параллельными продольными кромками и имеющими поперечные рёбра жесткости, часто показывают, что исчерпание их несущей способности связано с разрушением фанерных стенок в приопорных зонах, т.е. там, где действуют как касательные, так и нормальные напряжения [1,2]. Характер ступенчатого разрыва стенок, идущий от нижней части стенки к середине для балок с поперечным расположением рубашки фанеры по отношению к продольной оси
