CC BY
193. Пухаренко Ю. В. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов / Дисс.докт.техн. наук, - Санкт-Петербург: С-ПГА-СУ, - 2004. -315 с.
4. Коротышевский О.В. Полы из сталефибробетона и пенобетона // Строительные материалы. - 2000. - № 3. - С. 17 - 18.
5. Кромская Н.Ф. Исследование смесителя для приготовления дисперсно армированных бетонных смесей / Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Ленинград: ЛПИ. - 1981. - 18 с.
6. Дирк Хойер. Смешивание бетона и состояние техники // Сборник трудов конференции Строительство, материаловедение, машиностроение. - Ялта, 2010. - С. 38 -43.
УДК 666.9.022.3
ВЛИЯНИЕ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ПРЕССОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ
ОТХОДОВ ГОРНЫХ ПОРОД
Федоркин С.И., д.т.н., профессор, Макарова Е.С., к.т.н., доцент, Елькина И.И., аспирант
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Исследованы свойства и структура образцов на основе мелкодисперсных отходов горных пород с добавлением микрокремнезема и его влияние на прочность прессованных материалов. Изучено влияние микрокремнезема на физико-механические свойства шлакопортландцемента. Проведены электромикроскопические исследования образцов.
Шлам, шлакопортландцемент, микрокремнезем, полусухое прессование, электромикроскопические исследования
Введение
С каждым годом все острее встает проблема исчерпания качественных сырьевых ресурсов и опасность загрязнения окружающей среды отходами различных производств. Наиболее перспективное направление снижение уровня загрязнения окружающей среды -создание безотходных производств, включающих замкнутые системы переработки отходов и организацию безотходных территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой потоков сырья и отходов внутри комплекса.
В этом случае отходы производства рассматриваются как вторичные ресурсы, а одним из самых эффективных способов использования многотоннажных вторичных ресурсов является их переработка в строительные материалы различного назначения [1].
Первоначальный интерес к применению микрокремнезема в бетонах отмечен в 1971 г. на металлургическом заводе «Фиско» в Норвегии. Новые возможности использования тесно связаны с прогрессом в области создания суперпластификаторов. Их сочетание дало толчок к созданию бетонов нового поколения, обладающих высокой прочностью (от 60 до 150 МПа), повышенной удобоукладываемостью и долговечностью.
Анализ публикаций
В середине 80-х годов в мировой строительной практике появились бетоны с высокими эксплутационными свойствами. Для них характерно то, что высокая (55-80 МПа) и сверхвысокая (выше 80 МПа) прочность при сжатии, низкая проницаемость, повышенная коррозионная стойкость и долговечность достигаются при применении высокоподвижных бетонных смесей. Ключевым фактором технологии производства таких бетонов являлось комплексное использование высокоактивной минеральной добавки - микрокремнезема.
Микрокремнезем является отходом производства. Поэтому изготовление строительных материалов, имеющих в своем составе микрокремнезем, связано с утилизацией техногенного продукта.
Аналитический обзор современных исследований по использованию микрокремнезема [2-4] показывает, что он является ценным минеральным сырьем, используемым в строительной индустрии для изготовления различных строительных материалов.
В работе [2] рассматривается применение активных минеральных добавок, позволяющих управлять формированием структуры и свойствами цементного камня с целью полной реализации потенциальных возможностей цемента. Введение микрокремнезема в строительные смеси способствует повышению: прочности на сжатие и изгиб, морозостойкости, коррозионной стойкости бетонов и строительных растворов. Все это увеличивает долговечность материалов и увеличивает срок службы зданий и сооружений [2,3].
Автором [4] исследован процесс твердения и формирования кристаллических фаз в композициях рядового цемента с микрокремнеземистой добавкой, исследован цементный камень. Установлено, что микрокремнеземистая добавка в количестве до 20% от массы вяжущего в составе бетонной смеси обеспечивает образование активного монослоя на поверхности заполнителя, что приводит к формированию низкоосновных гидросиликатов в контактной зоне заполнитель - цементный камень и увеличивает прочность на 50-75%.
Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод о положительном влиянии микрокремнезема на свойства обычного бетона. Однако его роль в формировании структуры прессованных материалов на основе техногенных продуктов производства изучена недостаточно.
Цель и постановка задачи исследований
Отходы производства сравнительно редко обладают необходимыми физико-химическими, технологическими и другими свойствами, позволяющими производить из них качественные строительные материалы. В этих условиях большое значение имеет разработка технологии, включающей обоснованную компоновку сырьевых смесей, выбор эффективных структурообразующих добавок и создание необходимых условий для формирования оптимальной структуры материалов.
Исследование влияния микрокремнезема на формирование структуры и свойств исследуемых мелкодисперсных отходов горных пород в условиях полусухого прессования при высоких давлениях (до 30МПа) представляет научный и практический интерес.
Целью настоящей работы является исследование влияния добавки микрокремнезема к сырьевым смесям на основе мелкодисперсных отходов горных пород при полусухом прессовании изделий.
Методика исследований
В качестве мелкодисперсных горных пород нами изучены шламовые продукты промывки грандиоритовых отсевов Шархинского карьера и известняковые отходы камнепиления Бештерекского месторождения. Выбор этих отходов основан необходимостью их утилизации для улучшения экологического состояния окружающей среды в Крыму.
В качестве других компонентов использованы шлакопортландцемент М400 Краматорского цементного завода и микрокремнезем ОАО "Запорожского завода ферросплавов".
Микрокремнезем получают при высокотемпературной обработке кремнеземсодержащих исходных материалов, связанной с процессом возгонки оксидов кремния. При конденсации возгона в процессе охлаждения образуется мелкодисперсный коллоидообразный, большей частью аморфный материал. Преобладающий размер частиц микрокремнезема от 1 до 0,01 мкм и менее. Рентгеноструктурным анализом установлено наличие в микрокремнеземе оксида кремния в виде коусита - БЮ, что придает ему высокую химическую активность в водных средах.
Микрокремнезем представляет собой очень мелкие шарообразные частички аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 м2/г. По
гранулометрическому составу средний размер частиц МК составляет около 0,1 микрона, то есть в 100 меньше среднего размера зерна цемента.
Лабораторные исследования проводили на образцах-цилиндрах диаметром и высотой 3 см. Сырьевую смесь заданного состава готовили перемешиванием микрокремнезема, шлакопортландцемента, шлама и отходов камнепиления в лабораторном смесителе. Относительная формовочная влажность смеси 10% (мас.). Образцы-цилиндры прессовали на прессе П-10 при заданном удельном давлении. После прессования образцы выдерживали в течение 28 суток во влажных условиях, а затем определяли их предел прочности при сжатии по стандартной методике.
Структуру образцов изучали с помощью электронной сканирующей микроскопии на микроскопе РЕМ-106, SELMI.
Результаты и их анализ
На первом этапе исследований нами изучено влияние микрокремнезема на физико-механические свойства шлакопортландцемента. Микрокремнезем добавляли к цементу в количестве 0, 5, 10, 15, 20%, смесь увлажняли до 10% относительной влажности и прессовали образцы-цилиндры при удельном давлении 30МПа. Отпрессованные образцы выдерживали во влажных условиях в течение 28 суток и определяли их физико-механические свойства в соответствии с ДСТУ Б В.2.7-7:2008. Результаты испытаний приведены в табл.1.
Таблица 1
Влияние добавки микрокремнезема на физико-механические свойства _ отпрессованных образцов из шлакопортландцемента_
Состав смеси
Показатели ШПЦ- ШПЦ-80%, ШПЦ -85%, ШПЦ -90%, ШПЦ -95%,
100% МК -20% МК -15% МК -10% МК -5%
Средняя плотность, 2170 2150 2158 2164 2169
кг/см3
Предел
прочности при сжатии, 58,31 63,78 65,29 70,67 69,16
МПа
Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее рациональным является состав с добавленим к шлакопортландцементу 10% микрокремнезема. При этом прочность образцов оптимального состава возрастает на 21,2% по сравнению с прочностью образцов без добавки микрокремнезема.
Электромикроскопические исследования структуры цементного камня с содержанием
а б в
Рис. 1. Структура цементного камня с содержанием микрокремнезема 5% (а), 10% (б),
20% (в) в возрасте 7суток
Благодаря высокой удельной поверхности микрокремнезема интенсифицируется процесс гидратации с формированием С-Б-И геля на его поверхности. Микрокремнезем заполняет пространство между зернами цемента и по мере гидратации вовлекается в этот процесс. Участие микрокремнезема в образовании продуктов гидратации приводит к увеличению качества мелких гелевых пор, входящих в состав кальциевосиликатного гидрогеля, а также снижает капиллярную пористость. Это приводит к увеличению плотности и прочности цементного камня.
В бетоне без микрокремнезема (рис. 2а). зона между цементным гелем и частицей заполнителя (переходная зона) из-за неплотной укладки частиц цемента у поверхности заполнителя представляет собой пространство, заполненное перенасыщенным раствором Са(ОН)2. В процессе твердения это пространство заполняют кристаллы извести, кристаллизирующиеся из раствора (рис. 26).
Рис. 2. Переходная зона в бетоне без микрокремнезема (а) и структура бетона с
содержанием микрокремнезема (б)
Вследствие этого, зона между цементным гелем и частицей заполнителя отличается от основного объема цементного геля пониженной плотностью, когезионной и адгезионной прочностью, что подтверждают данные, полученные в работе [6].
В бетоне с добавкой микрокремнезема частицы последнего заполняют межзерновое пространство более плотно по сравнению с частицами цемента, что приводит к формированию плотной и однородной структуры, в которой отсутствуют массивные кристаллы Са(ОН)2.
На втором этапе исследований изучено влияние полученного вяжущего, состоящего из 90% шлакопортландцемента и 10% микрокремнезема, на физико-механические характеристики и структуру образцов на основе мелкодисперсных отходов шлама и известняка. Вяжущее в количестве 10, 20, 30% добавляли к горной породе, смесь увлажняли до 10%-ной влажности, и прессовали образцы-цилиндры при удельном давлении прессования 30МПа.
Результаты испытаний образцов приведены в табл. 2.
Для сравнения в табл. 2 приведены результаты определения прочности образцов на чистом шлакопортландцементе.
Таблица 2
Прочность ^ образцов в зависимости от вида и количества вяжущего_
Вид мелкодисперсного отхода Предел прочности обра состав зцов при сжатии (МПа), (%, мас.)
Отход-90%, ШПЦ-10% Отход-90%, ШПЦ+МК-10% Отход -80%, ШПЦ-20% Отход-80%, ШПЦ+МК-20% Отход -70%, ШПЦ-30% Отход-80%, ШПЦ+МК-20%
Шлам 13,01 13,80 18,51 20,74 29,14 32,40
Известняковый отход 14,1 15,02 23,35 26,85 34,61 38,35
Результаты табл. 2 показывают, что ввод в состав вяжущего микрокремнезема в количестве 10% приводит к росту прочности образцов на 6,1-11,2% (шлам) и на 6,5-10,8% (известняковые отходы камнепиления).
Таким образом, проведенные исследования показали, что использование микрокремнезема, дает дополнительный ресурс повышения прочности прессованных образцов на основе мелкодисперсных отходов горных пород при снижении расхода цемента на 10%.
Выводы
Исследовано влияние добавки микрокремнезема на прочность прессованных образцов из шлакопортандцемента. Показано, что оптимальное количество добавки микрокремнезема в вяжущее составляет 10% (мас.), что привело к росту прочности образцов на 21,2%. Изучена микроструктура образцов и показана положительная роль микрокремнезема в формировании плотной и прочной структуры цементного камня.
Исследовано влияние вяжущего с добавкой микрокремнезема на прочность прессованных образцов на основе дисперсных отходов шлама промывки грандиоритовых отсевов и известняковых отходов камнепиления. Установлено, что ввод в состав вяжущего 10% микрокремнезема приводит к росту прочности образцов на 6-11%.
Показано, что использование микрокремнезема в сырьевой смеси дает дополнительный ресурс повышения прочности образцов при снижении расхода цемента, а также позволяет вовлечь в многотоннажное производство строительных материалов значительное количество вторичного сырья.
Список использованных источников
1. Федоркин С.И. Механоактивация вторичного сырья в производстве строительных материалов / Федоркин С.И. — Симферополь : Таврия, 1997. — 180с.
2. Гамалий Е.А. Комплексные модификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов и активных минеральных добавок для тяжелого конструкционного бетона : дис. ... кандидата технических наук: 05.23.05 / Гамалий Елена Александровна. - Челябинск, 2009. - 217 с.
3. Эмралиева С.А. Ультрадисперсные пуццолановые добавки для гидроизоляционных растворов : дис. ... кандидата технических наук: 05.23.05 / Эмралиева Светлана Анатольевна. - Омск, 2009. - 153 с.
4. Баранова Г.П. Смешанные вяжущие на основе композиций цементов с сульфобелитоалюминатными и микрокремнеземистыми добавками : дис. ... кандидата технических наук: 05.17.11 / Баранова Галина Павловна. - Красноярск, 2004. - 157 с.
5. Теория цемента / [ Мясникова Е.А., Гумен В.С., Евсютин Ю.Р. и др.] ; под ред. А.А. Пащенко. — К. : «Будiвельник», 1991. — 168 с.
6. Брыков А.С. Гидратация портландцемента : [учебное пособие] / Брыков А.С. — Санкт-Петербург : СПбГТИ(ТУ), 2008. — 32 с.
