Отходы промышленностей Узбекистана для производства легких бетонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОТХОДЫ ПРОМЫШЛЕННОСТЕЙ УЗБЕКИСТАНА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕГКИХ БЕТОНОВ

1. Основные тенденции в области получения легких бетонов

Расширение производства легких бетонов требует проведения научных разработок и исследований для решения задач повышения уровня технологии их получения и улучшения качества продукции при одновременном снижение энергетических, материальных и других затрат.

При этом особое внимание уделяется созданию материалов, позволяющих использовать эффективные искусственные заполнители как минерального, так и органического происхождения.

Значительный интерес представляет получение принципиально новых легкобетонных композиций, состоящих из минерального вяжущего и особолегкого полимерного заполнителя.

В развитие теории и технологии таких бетонов значительный вклад внесли Ахвердов И.Н, Бужевич Г.А, Ваганов А.И, Иванов И.А, Корнилович Ю.Е, Попов Н.А, Путляев И.Е, Симонов М.З, а также З. Леви Т.Уитйкер и др.

В результате этих работ получены и исследованы различные виды легких бетонов, которые широкого применяются в строительной практике как в ограждающих, так и в несущих конструкциях зданий. Их используют в междуэтажных перекрытиях, кровельных покрытиях, при возведении стен и каркасов производственных сооружений и жилых домов, а также в монолитных бетонных массивах при строительстве мостов, опор линий электропередач и т.п.

Широкая сфера применения легких бетонов определяет пути их дальнейшего совершенствования в направлении создания высокопрочных и особолегких материалов.

По американском прогнозам предполагается, что к 2000 году будут изготавливаться легкие бетоны плотностью от 300 кг/м³ и выше, прочностью при сжатии соответственно от 1,2 до 70Мпа. При этом конструкционные легкие бетоны должны иметь прочность при сжатии 30Мпа и более, конструкционно-теплоизоляционные- 15-25 Мпа, а теплоизоляционные 1.2-2.5 МПа.

Ряд исследователей утверждает, что важнейшими технологическими факторами, оказывающими влияние на конечные характеристики выпускаемой продукции, являются приготовление, формование и уплотнение легкобетонных смесей.

Как отмечает Иванов И.А. наибольшее распространение в производстве легких бетонов получил вибрационный метод уплотнения. В зависимости от вида изделий и принятой технологии их изготовления формование осуществляют: на виброплошадках, стендовым способом с применением поверхностных или глубинных вибраторов, в кассетных установках, непрерывным способом с использованием вибропроката, скользящих виброштампов и вибронасадок.

Поскольку пористые заполнители имеют меньшую среднюю плотность, чем тяжелые, для уплотнения бетонной смеси требуется более интенсивное разжижение цементного теста, обеспечивающее сближение зерен заполнителя.

По данным Ахвередова И.Н. структурная вязкость цементного теста резко снижается с повышением частоты колебаний. Поэтому при высокочастотной вибрации уплотняемой легкобетонной смеси достигается требуемое смешение зерен пористого заполнителя и их наиболее компактное расположение. Однако, из работы (19) следует, что повышение частоты вибрации, при сохранении необходимой величины амплитуды колебаний, возможно лишь в результате применения вибрирующего механизма высокой мощности. Проведенный нами анализ известных литературных данных свидетельствует о том, что все существующие в настоящее время технологические приемы получения легких бетонов на пористых заполнителях, как правило, предусматривают необходимость повышенных затрат энергии и труда.

Одним из важнейших технологических переделов в производстве легких бетонов является этап твердения. Вопросу ускорения этого процесса посвящены работы многих ученых. Наиболее известные работы Боженова П.И, Волженского А.В, Бутта Ю.М. и Рашковича Л.Н, Миронова С.А. и Малининой Л.А, направленные на получение эффективных изделий.

Исследования, выполненные в работе свидетельствуют о том, что тепловлажностная обработка оказывает влияние на теплозащитные свойства легкобетонных композиций.

Обобщая результаты известных исследований, Иванов И.А, акцентирует внимание на, что необходимо искать пути снижения энергетических ресурсов и времени, затрачиваемых на тепловлажностную обработку изделий из легких бетонов. Наиболее перспективными, по его мнению, следует считать способы ускорения твердения за счет использования быстротвердеющих и высокоактивных вяжущих.

Учитывая важность рассмотренных технологических факторов в процессе получения легких бетонов на пористых заполнителях, необходимо отметить, что доминирующее влияние на физико-механические показатели получаемых материалов оказывает вид и свойства самих заполнителей, которые занимают в таких бетонах до 80% объема.

Наибольшее применение находят искусственные пористые заполнители, получаемые, чаще всего, одним из следующих способов: предварительном вспенивание исходной шихты; выгоранием органических добавок или примесей, вспучиванием исходной шихты в пиропластическом состоянии.

К известным неорганическим пористым заполнителям относятся: керамзит, аглопорит, шлаковая пемза, заполнители из зол ТЭС, вспученный перлит, вермикулит, пеностекольный заполнитель, а также органические: пенополиуретан, полистирол и др. Каждый из этих заполнителей имеет свои особенности, которые в значительной степени определяют свойства бетонов на их основе. Они могут иметь различное соотношение стекловидной и кристаллической фаз, характеризуются различной прочностью и деформативностью, отличаются друг от друга теплофизическими показателями.

Исследования Попова Н.А и Ваганова А.И показали, что на данном пористом неорганическом заполнителе при принятом расходе цемента, существует предельная прочность легкого бетона, которая не повышается или мало изменяется даже при увеличении прочности растворной части. Из этого следует, что значительное увеличение прочности традиционных легких бетонов возможно лишь при увеличении предельной прочности и деформативности заполнителя.

В связи с этим перспективными являются исследования, направленные на изыскание высокоактивных вяжущих, позволяющих использовать низкопрочные особолегкие заполнители для создания легкого и прочного строительного материала.

Одной из основных задач в технологии легких бетонов считается снижение плотности материала. Как отмечено в работах, применяя заполнители с повышенной пористостью, можно получать конструкционно - теплоизоляционные бетоны одинаковой прочности, но с разным значением коэффициента конструктивного качестве (ККК), выражающего зависимость между их плотностью и прочностью.

Одним из главных показателей, оказывающих влияние на свойства легких бетонов, является характер пористости заполнителя определяющий не только их плотность, но и однородность структуры.

Исследования, проведенные в работах, показали, что в подавляющем большинстве зерна пористых заполнителей имеют поры диаметром от 0,1 до 1 мм. Следовательно, влага в них проникает вместе с частицами цемента, что обусловливает высокую силу сцепления заполнителя с цементным камнем.

Повышенной прочностью сцепления с цементным камнем обладают пористые заполнителя с развитой открытой пористостью.

Таблица 5.I

Сравнительные характеристики пористых заполнителей

Сравнение имеющихся в литературе данных, характеризующих различные пористые заполнителя /табл. 5.I/ показало, что наибольший диапазон плотности и водопоглощения имеет керамзитовый гравий, ему же соответствует и наиболее высокие показатели прочности. Показатель водопоглощения отражает характер пористости заполнителей. Распределение открытых и закрытых пор наиболее равномерно также у керамзита. Следует отметить, что все неорганические заполнители обладают недостаточно низкой плотностью и теплопроводностью.

В отличие от неорганических пористых заполнителей, данные характеризующие гранулы пенополистирола, свидетельствуют о совершенно ином строении органического искусственного заполнителя, которому присуща, как известно, мелкоячеистая, сотовая структура.

Низкая плотность такого заполнителя, высокие теплоизоляционные свойства обусловливают целесообразность использования его для получения легких материалов.

Представляют интерес легкие бетоны на минеральных пористых заполнителях, в которых вспененный полистирольный песок применен для снижения плотности материала. Применение таких бетонов в стеновых панелях позволило улучшить их теплотехнические характеристики и получить экономию тепловых затрат.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость изыскания путей создания эффективных композиций, в которых могли бы быть реализованы свойства легкого полимерного заполнителя, в частности пенополистирола.

При разработке таких композиций следует принимать во внимание общие основные тенденции, наблюдающиеся в исследованиях, посвященных получению легких бетонов на традиционных неорганических пористых заполнителях, и учитывать специфику органического заполнителя, связанную с природой его исходного сырья и технологией изготовления.

2. Пенополистиролбетон

легкий бетон вяжущий заполнитель

Исследованиям и разработкам в области пенополистиролбетонов на портландцементном вяжущем посвящены работы Вайсбурда А.М. с соавторами. В которых он приводит общие сведения об имеющихся в настоящее время результатах изучения таких материалов, а также данные, полученные им в ходе проведенных экспериментов.

Первое отечественное получение пенополстиролбетонов на портландцементе относится к 1965 г. Щебень из отходов пенополистиролбетона применяли в качестве заполнителя, так называемого «поропластобетона», которым утепляли кровли.

В 1967 г. были разработаны составы легкого бетона /табл 5.2/ состоящего из вспененных полистирольных гранул, речного кварцевого песка и портландцемента марки 500. Полученный материал.

Таблица 5.2

Составы полистиролбетона и его физико-механические характеристики

опробовали в производственных условиях на стандартном оборудовании заводов железобетонных изделий.

В результате этих работ было установлено, что свойства такого бетона значительно отличаются от бетонов на пористых минеральных заполнителях (табл.5.3) и изменяются в зависимости от содержания цемента, песка, крупности гранул и степени их предварительного вспенивания.

Как отмеченно в работе Новгородского В.И. и Вайсбурда, ДНИИЭПсельстрой с 1971 г. широко применяет легкий бетон на пенополистирольном заполнителе в строительстве во всех регионах стран СНГ, а в исследованиях Жук В.И. приводятся сведения об использовании его, в частности, на Чукотке.

ИИСП Госстроя УССР была рекомендовано технология изготовления наружных стеновых панелей из полистиролбетона.

В НИИСК Госстроя России разработали легкую панель покрытия, представляемую собой сварную конструкцию из стальных профилей с приваренной к ним арматурной сеткой. Заполнены ячейки полистиролбетоном с плотностью 400….450 кг/м³.

Исследователями Узбекистана на местных материалах подобраны составы теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного пенополистиролбетонов с плотностью соответственно 400…500… и 600…900 кг/м³, а также разработана передвижная установка для приготовления этих видов бетона и вспенивания гранул полистирола.

Легкий бетон с заполнителем из гранул пенополистирола получил большое распространение за рубежом. Наиболее известны работы фирмы «ВАР» (Германия), которая совместно со швейцарской фирмой «РО» проводит исследования направленные на создание цементного пенополистиролбетона с заданными свойствами.

Этими фирмами разработаны специальные установки по производству легкого бетона различной плотности, в котором используются вспененные гранулы полистирола, покрытые тонким слоем цемента с помощью специального вяжущего вещества.

Немецкая фирма «ВАР» запатентовала способ производства «стиробетона». В таком бетоне 70% объема занимают вспененные частицы пенопласта, остальные 30% приходятся на долю цемента и песка.

Таблица 5.3

Характеристика легких бетонов на различных заполнителях

Фирма разработала составы легкого бетона с плотностью 200…1000 кг/м³ и прочностью при сжатии 0.5…7 МПа. Этот материал характеризуются теплопроводностью соответственно 0.08…0.2 вт/м. К, что позволяет использовать изделия и конструкции из него во всех климатических зонах. Стиропорбетонные стеновые панели толщиной 8 см. сохраняют огнестойкость в течении 90 мин, а толщиной 10 см - 120 м.

Швейцарская фирма «РО» разработала экструзионную формовочную машину для формования, в том числе армированных панелей, из пенополистиролбетона.

В настоящее время «стиробетон» применяется в странах Западной Европы в качестве морозостойкого основания для железных дорог, для изготовления стеновых панелей, утепления кровель, теплого основания для полов животноводческих зданий.

В Чехословакии такой материал используют для изготовления сборных строительных элементов, а также монолитных теплоизоляционных и конструкционно - теплоизоляционных конструкций.

Начато применение легкого бетона с заполнителем из пенополистиролбетона в Нидерландах.

Оценка способов приготовления бетонной смеси, применяемых как в отечественной, так и в зарубежной практике, показала целесообразность двухстадийной схемы, включающей приготовление в смесителе принудительного действия цементного раствора на основе мелкого минерального заполнителя, добавки воды, а затем введение в этот раствор полистирольного заполнителя и перемешивание смеси. Общее время, затраченное на один замес, составляет примерно 4….6 м.

В работе Вайсбурда А.М. и Тер-Осипянц (10)предложена трехстадийная схема приготовления полистиролбетонной смеси, согласно которой необходимо использовать два смесителя принудительного действия. В одном полистирольный заполнитель обрабатывается высокомолекулярным соединением, а затем, когда гранулы равномерно покрыты пленкой в смеситель вводится 20% цемента, необходимого для замеса и вся смесь тщательно перемешивается. Параллельно в другом смесителе, оборудованном вибратором, приготавливается растворная часть. При постоянном перемешивании в раствор вводится заполнитель из первого смесителя и смесь снова перемешивается.

Добавки, используемые для обработки полистирольных гранул, способствуют повышению их сцепления с цементным камнем, т.е устранению главного недостатка полистирола как заполнителя.

Фирма «ВАР» в качестве такой добавки применяет водную дисперсию поливинилпропионата.

До 20% увеличения прочности дает способ приготовления бетона, при котором гранулы пенополистирола предварительно обрабатывают полимерцементным клеем. Эффективно осуществлять покрытие гранул известковым молоком, а затем в течение 10…20 м подвергать их термообработке при температуре свыше 100⁰С. Резко возрастает прочность пенополистиролбетона (до 60%) при применении полистирольных гранул, покрытых следующим составом: эпоксидная смола с разбавителем-ацетоном, наполнителем-портландцементном и отвердителем-полиэтиленполиамином.

Для получения пенополистиробетона рекомендуется вводить в его состав воздухововлекающую добавку ЦНИИПС-I. Введение в бетонную смесь добавки ВРП-I в количестве 0.05…I% от массы цемента значительно уменьшает расслаиваемость смеси.

Приведенные нами выше способы приготовления полистиролбетонных смесей, по своей сути соответствуют традиционным технологиям, используемых для изготовления легких бетонов. Сущность рекомендуемого вибрационного воздействия заключается в одновременном тиксотропном разжижении цементного теста и изменении пространственного расположения заполнителя для получения наиболее компактной упаковки зерен и следовательно, наиболее плотной структуры бетона.

Исследования по определению наиболее эффективных режимов виброформования полистиролбетонных смесей пока не дали стабильных однозначных результатов.

Нет однозначного ответа и на вопросы о наиболее рациональных и эффективных режимах тепловлажностной обработки полистиролбетона.

В работе отмечено, что в период подъема температуры от теплового расширения заполнителей, воды, воздуха, газов размеры свежеотформованного изделия меняются. Минеральный заполнитель и цемент расширяются, по сравнению с другими компонентами, незначительно.

При быстром подъеме температуры расширение воды, пара, воздушной смеси и гранул полистирола вызывают остаточные деформации в изделиях, подвергаемых тепловой обработке в открытых формах. В закрытых же тепловое расширение составляющих бетонный смеси и довспенивание пенополистирола ограничивается формой. Рекомендуемый в работе режим для изделий в открытых формах включает предварительную выдержку 4…6 ч, подъем температуры до 80⁰С, изотермический прогрев при 80⁰С в течении 4-х ч, охлаждение, а для изделий в закрытых формах: подъем температуры до 90….100⁰С в течение 1 ч без предварительной выдержки, изотермический прогрев при 90…100⁰С в течение 4-х ч и охлаждение.

Анализ производственного опыта применения полистиролбетонных конструкций и изделий в строительстве, а также ряда поисковых и исследовательских работ по технологии изготовления полистиролбетонных конструкций свидетельствует о том, что при разработке технологических режимов не учитываются многие специфические структурные и другие особенности полистиролбетона.

Из результатов отечественных и зарубежных исследований следует, что с увеличением количества цемента при постоянном водоцементном отношении возрастает подвижность полистиролбетонной смеси. Для получения легкоподвижной, хорошо укладываемой смеси цементное тесто должно не только заполнить пустоты между гранулами, но и создать некоторую прослойку. Поэтому, как правило, в полистиролбетонных смесях имеет повышенный расход цемента (табл.5.2).

В результате исследований и изучения полистиролбетонов, полученных на портландцементе, целым рядом ученых установленны их основные характеристики.

Так, по данным прочность таких бетонов при изгибе составляет 0,36…..0,85 МПа, а при растяжении 0,11…0,32 Мпа.

По определению чехословацких исследователей, при плотности полистиролбетона 850 кг/м³ модуль упругости составляет 0.9.10⁴ Мпа, а по данным фирмы «ВАР» (148), при плотности 750 кг/м³ он равен 2.10⁴Мпа.

В то же время результаты исследований НИИСП Госстроя УССР свидетельствуют о том, что модуль упругости равен (2.9….3.4) 10⁴ Мпа при плотности бетона 800 кг/м³.

Усадочные характеристики полистиролбетона различного состава колеблются в пределах 0.6….2мм/м.

В зарубежных литературных источниках мало обоснованных сведений о морозостойкости таких бетонов, однако отмечаются довольно высокие значения этого показателя.

Аналогичные данные приводят отечественные исследователи, подчеркивая, что морозостойкость полистиролбетонов превышает морозостойкость других видов бетонов.

Положительные характеристики многих свойств полистиролбетона на портландцементе, не исключают наличие и присущих ему недостатков, обусловленных присутствием в его составе значительного количестве вяжущего.

Так, например, при попеременном увлажнении и высыхании прочность бетона может резко падать, т.к. в этом случае в цементном камне создаются значительные напряжения сжатия и растяжения.

Устранение недостатков цементных пенополистиролбетонов, по мнению некоторых исследователей, может быть обеспечено при использовании других видов вяжущих.

Так, в ЦНИИЭПжилище разработан новый теплоизоляционный материал на основе гранул пенополистирола и гипсоцементно-пуццоланового вяжущего с плотностью 190…220 кг/м³, теплопроводностью 0.063…0.065Вт м.К, а также теплоизоляционный материал, в котором в качестве с вяжущего используется жидкое стекло.

Однако, применение этих видов вяжущих, вследствие их невысокой активности, не проводит к желаемым результатом и не позволяет на их основе получить пенополистиролбетоны, отвечающие требованиям современного строительства.

Для решения этих вопросов, необходимо использовать высокоактивные вяжущие. К ним относятся шлакощелочные /ЩЩВ/, разработанные в Проблемной научно-исследовательской лаборатории грунтосиликатов Киевского инженерно-строительного института.

3. Характеристика сырьевых материалов для получения пенополистиролбетонов

В качестве основных компонентов вяжущих и строительных материалов использовали отвальный электросталеплавильный шлак /г. Бекобод/ по ТУ 1015 УзССР 04-90 и электротермофосфорный шлак Чимкентского объединения «Фосфор» по ГОСТ 3476-74. Их химические составы приведены в табл.5.4. Используемый электротермофосфорный шлак является отходом электротермического восстановления фосфора из фосфоритов коксом при 1400…1600⁰С.

По своему химическому и минералогическому составу электротермофосфорный шлак близок к основному. Кроме того, применяли, для сравнительных испытаний, портландцемент М 400 Ахангаранского комбината.

Объемная насыпная масса шлака-1220 кг/м³, плотность 2800 кг/м³, а портландцемента соответственно - 1150 и 3100 кг/м³,.

Стандартные свойства портландцемента приведены в табл.5.5.

В качестве щелочного компонента шлакощелочного вяжущего использовали содосульфатную смесь-отход производства, капралактама ПО «Электрохимпром» по ТУ 113-03-23-19-83, а также химически чистую соду, а в качестве добавки - натриевую соль сополимера салициловой кислоты с формальдегидом (ВРП-I).

Свойства шлакощелочного вяжущего, получаемого затворением, молотого шлака раствором щелочного компонента, приведены в табл.5.5.

В качестве мелкого заполнителя применяли песок Чиназского карьера с Мкр = 1,8-2 и немолотый электротермофосфорный шлак естественной гранулометрии. Результаты ситового анализа песка и шлака приведены в табл.5.6.

В качестве крупного заполнителя применяли вспененные гранулы крупностью 3-5 мм из отсевов производство полистирола суспензионного вспенивания, который получают в присутствии инициатора и изопентана (C₅H₁₂) как порообразователя. Объемная насыпная масса вспененного полистирола - 90 кг/м³.

Таблица 5.4

Химический состав исходных сырьевых материалов

Таблица 5.5

Свойства портландцемента и шлакощелочного вяжущего

Таблица 5.6

Результаты ситового анализа немолотого электротермофосфорного шлака и песка Чиназского карьера

4. Методика исследований

В соответствии с задачами настоящей работы экспериментальные исследования включали изучение физико-химических процессов, происходящих при твердении шлакощелочных вяжущих в присутствии органических веществ, исследование технологических параметров получения пенополистиролбетона; разработку составов бетона и исследования основных свойств пенополистиролбетона.

Портландцемент поступал молотый в бумажных мешках и поэтому последующей обработке не подвергался.

Электротермофосфорный шлак /ЭТФ/ или электросталеплавильный /ЭСП/ мололи в шаровой мельнице до удельной поверхности 3000 см²/г.

Приготовление смешанных вяжущих осуществляли смешением тонкоизмельченного ЭТФ и ЭСП шлаков в требуемой пропорции согласно Рекомендациям Ташкентского архитектурно-строительного института.

Шлакощелочное вяжущее получали затворением смеси молотых шлаков раствором щелочного компонента.

Приготовление вспученного полистирола производили в пропарочной камере при температуре 92^± 3⁰С.

Исходные компоненты вяжущего и продукты их взаимодействия изучали с помощью химического, спектроскопического /ЯМР,ИКС/ и электронномикроскопического анализов.

Химический анализ осуществляли в соответствии с ГОСТ 53-8291 весовым методом.

Электронномикроскопические исследования производили на электронном микроскопе УЗМВ-100 методом суспензии, или угольных реплик. Расшифровку электронномикроскопических снимков производили путем сравнения их с известными данными в литературе (6,28,46,47).

Определение величины пластической прочности теста осуществляли с помощью конического пластометра конструкции Ребиндера по его методике.

Активность вяжущих гидрационного твердения определяли по методике ГОСТ 310.4-76.

Исследование свойств бетонов осуществляли известными методами, испытывая вибрированые образцы-кубы размером 6,07х7,07х7,07 и 10х10х10 см.

Перечисление методы являются общими для проведенных экспериментов. Методики отдельных опытов описаны в соответствующих разделах работы.

Литература

1. Глуховский В.Д., Кривенко П.В., Старчук В.Н. и др. «Шлакощелочные бетоны на мелкозернистых заполнителях». Киев, «Выша школа», 1991.

2. Питулк С.М, Салимов А.Н. и др. «Стеновые панели из керамзитополистиролбетона». Журнал «Строительные материалы и конструкции», №1, 1990.

3. Дворкин Л.И., Пашков И.А. «Строительные материалы из отходов промышленностей». Киев, «Выша школа», 1989.

4. Газиев У.А. Оптимизация составов шлакощелочного пенополистиролбетона. Журнал «Поиск-3», Алма-Ата, 1998.

5. Газиев У.А., Махмудова Н.А. Богловчи материалларнинг истикболли турлари ва улар асосида бетон ишлаб чикариш. Укув кулланма, Тошкент, 2002.

Размещено на Allbest.ru