Комплексное использование сырья техногенного происхождения в производстве бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 691.32:504.062

Комплексное использование сырья техногенного происхождения в производстве бетона

В.Н. Макарова

Значительная часть исследований физико-механических характеристик материалов проводится непосредственно на образцах бетона. Одной из приоритетных характеристик бетона является прочность на сжатие и при этом отсутствует взаимосвязь показателей прочности на сжатие, и на изгиб. В статье предлагается комплексное использование отходов металлургической и стеклобоя в производстве бетона. Анализ данных полученных в результате лабораторного эксперимента позволяет сделать вывод о прочностных характеристиках модифицированного комплексом отходов вяжущего. Оптимальные показатели физико-механических характеристик модифицированного вяжущего получены при замене 10 % цемента отходами ферросплавного производства (шлак SiMn). При этом замена аналогичной части цемента отходами ферросплавного производства и стеклобоя (50/50) показывает результаты не уступающие контрольному образцу. А обобщающая характеристика цемента, которая бы непосредственно учитывала не только его прочность на сжатие, но и растяжение при изгибе, так называемая приведенная активность цемента, которая является представительной характеристикой вяжущего, а в нашем случае вяжущего модифицированного комплексом отходов, обеспечит более четкую связь с прочностью бетона. На основании большего количества показателей данные будут более объективными и надежными.

Ключевые слова: техногенное сырье, вяжущее, прочность, бетон, окружающая среда.

A considerable part of researches of physical and mechanical characteristics of materials conducted already on ready samples of concrete. One of priority characteristics of concrete is strength on compression and at the same time, there is no interrelation of indicators of strength on compression, and on a bend. In article, complex use of waste metallurgical and waste glass in production of concrete offered. The analysis of the data obtained because of a laboratory experiment allows drawing a conclusion on strength characteristics binding modified by a complex of by-products. Optimum indicators of physical and mechanical characteristics of the modified binding consider revising when replacing 10% of cement with waste of ferroalloy production (SiMn slag). At the same time, replacement of a similar part of cement with waste of ferroalloy production and a waste glass (50/50) shows the results that are not conceding to a control sample. And the generalizing characteristic of cement which directly would consider not only its strength on compression, but also stretching at a bend, the so-called given activity of cement which is the representative characteristic of binding, and in our case binding modified by a complex of waste will provide more accurate communication with concrete durability. Based on many quantity of indicators data will be more objective and reliable.

Key words: by-product, binding, strength, concrete, environment.

Постановка и решение задачи. С каждым годом все увеличивается количество отходов промышленного производства, которые являются источниками загрязнения окружающей среды. В условиях значительного роста стоимости энергетических ресурсов колоссальное значение приобретает производство строительных материалов, технология изготовления которых отличается пониженной энергоемкостью, а также применение высокоэффективных конструктивно- теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях.

Главная причина сложившейся ситуации - возникшая необходимость экономии энергии при производстве строительных материалов [1, 2], что решается за счет использования вторичных минеральных ресурсов или же так называемого сырья техногенного происхождения.

Целью работы является разработка модифицированного вяжущего за счет комплексного использования сырья техногенного происхождения при производстве бетона. бетон сжатие изгиб

Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи:

? определить химический состав, физико-химические свойства ферросплавных металлургических шлаков, установить их пригодность в качестве сырьевого компонента бетона;

? исследовать физико-механические свойства образцов вяжущего с применением комплекса отходов - шлаков производства ферросплавов и стеклобоя.

Анализ достижений и публикаций.

Отвалы металлургического производства, в литературе [3] рассматриваются как техногенно-минеральные месторождения (ТММ). Они оказывают воздействия на все компоненты окружающей среды. Так в частности воздействие ТММ на земельные ресурсы можно рассматривать в двух аспектах. Первый составляет нарушение поверхности земли за счет образования техногенных рельефов, изъятие из хозяйственного оборота (отчуждение) ненарушенных территорий. Второй обусловлен механическим и химическим загрязнением земли, прилегающей к техногенно измененным территориям - нарушение физико-механического состава и свойств почвенного покрова. Тяжелые металлы попадают из воздуха в почву в виде жидких или твердых составляющих осадков. Особенно это опасно для территорий, где в непосредственной близости к разнообразным антропогенным источникам загрязнения расположены сельскохозяйственные земли[3]. С увеличением количества предприятий и их мощности, растет количество техногенно трансформированных форм тяжелых металлов в почве в общем, а также проходят неблагоприятные изменения почвы в зоне корня, что отрицательно сказывается на продуктивности и качестве сельскохозяйственной продукции [4]. Уменьшение данного воздействия возможно за счет разработки мероприятий по уменьшению количества данного вида отходов.

Проблема по переработке вторичных отходов производства, к которым и относятся металлургические шлаки и стеклобой, остро стоит на повестке дня в мировом сообществе. Применение стеклобоя в производстве строительных материалов, а именно при производстве различных видов бетона рассматривают российский ученые Пузанов С.И.(2007) [5], совместные работы российских и украинских ученых Югов А.М. и Мусорина Т.А. (2015) [6]. Иностранные ученые Peyvandi A. (2013) [7], Ingham J., Almesfer N. (2014) [8] отмечают, что добавка стеклобоя в бетон положительно влияет на физико-механические характеристики материала.

Удельная активность радионуклидов, Бк/кг

Шлаки черной и цветной металлургии используются в качестве компонентов вяжущего с добавкой извести и кварцевого песка или без него для производства силикатного, тяжелого и легкого жаростойких бетонов [5, 9]. Активно ведутся исследования как отечественных, так и иностранных авторов по использованию различных видов металлургических отходов при производстве бетона [10-15]. Авторами [16] изучены свойства шлака SiMn как пуццолановой добавки при производстве портландцемента. Представленные результаты показывают, что данный шлак исходя из характеристик состава занимает промежуточную позицию между кремнеземом и золой. В работе [17] получены данные о использовании шлака SiMn в виде мелкого заполнителя и его влиянии на увеличение прочностных характеристик бетона.

Методика. Несмотря на высокую технико-экономическую эффективность, объем отходов, применяемых при изготовлении бетонов в настоящее время значительно ниже возможного. Это связано с целым рядом организационных и технологических трудностей.

На территории СНГ работает почти 20 металлургических предприятий по производству ферросплавов. Крупнейшее предприятие по переработке марганцевого концентрата и производству ПАО «Никопольский завод ферросплавов» (ПАО «НЗФ») расположено в городе Никополь Днепропетровской области, Украина. Предприятие введено в эксплуатацию в 1966 году. Основной продукцией завода является ферросиликомарганец (SiMn). Силикомарганец, а по терминологии в соответствии ДСТУ-35-48-97 ферросиликомарганец, используется для раскисления и легирования стали, сплавов, чугуна, производства рафинированных марганцевых сплавов в металлургической и других отраслях промышленности. Основой SiMn является марганец с массовой долей не менее 60 %, кремний с массовой долей от 10 до 35 %, фосфор, сера и углерод [18].

Отвальный шлак производства ферросиликомарганца ПАО «НЗФ» характеризуется следующим химическим составом (табл. 1) [19].

Таблица 1. Химический состав отвальных шлаков

Таблица 2 Гранулометрический состав марганецсодержащих шлаков

Исследования были проведены на Украине. Результаты гамма-спектрометрического анализа марганецсодержащего шлака выполненные в лаборатории № UA 6.001.Н421 с помощью гамма-спектрометра «Гамма-01С».

Таким образом, марганецсодержащие шлаки, в соответствии с ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов» (с Изменениями N 1, 2) и ГСН В.1.4.-2.01-97 "Радиационный контроль строительных материалов и объектов строительства. Система норм и правил снижения уровня ионизирующих излучений естественных радионуклидов в строительстве", который был введен на территории Украины с 01.01.1998 г., относятся к материалам, у которых суммарная удельная активность естественных радионуклидов не превышает 370 Бк/кг. Они относятся к I классу и могут использоваться для всех видов строительства без ограничений. В качестве еще одной составляющей техногенного сырья использовался стеклобой тарного стекла.

Нами предлагается комплексное вяжущее с вовлечением отходов металлургической производства и стеклобоя. Шлак ферросплавного производства и стеклобой подвергались помолу в шаровой мельнице сухого помола до удельной поверхности 2300-2700 см2/г. За счет применения комплекса отходов в дальнейшем предполагается получить конструктивно-теплоизоляционный материал, обладающий улучшенными свойствами.

Активность вяжущего (R) является важнейшей характеристикой, определяющей прочность бетонов (Rб). В течение длительного времени исходили из казавшейся самоочевидной предпосылки о том, что (Rб) изменяется прямо пропорционально (R). Эта предполагаемая закономерность находила свое отражение во многих зависимостях для расчета прочности бетона, в частности, в известных формулах Абрамса, Беляева, Скрамтаева, Баженова [2, 20, 21].

Широкие исследования, выполненные авторами [2, 22] показали, что прочность бетона изменяется не прямопропорционально активности цемента, а лишь пропорционально этой величине, что выразилось формулой:

где б и в - опытные коэффициенты, характеризующие влияние качества используемых материалов.

В дальнейшем эта зависимость несколько трансформировалась, но сущность ее не менялась, а точность повышалась незначительно. В связи с этим возникло предположение, что физический смысл понятия «активность цемента» современными методами раскрывается и определяется не полностью, так как практически не учитывается прочность на растяжение при изгибе (r), которая в настоящее время является чисто факультативной. В современных стандартах нормируется лишь её минимально допустимая величина. Однако с этим трудно согласиться, так как испытания образцов-балочек на изгиб более близки к реальному напряжённому состоянию бетона в конструкциях. Взаимосвязь прочности цементов при изгибе и сжатии, характеризующая дефектность структуры, что может количественно влиять на свойства бетона.

Поскольку данный подход предполагал лишь исследования активности цемента, нами было исследована активность вяжущего при замене части цемента побочными продуктами производства.

В соответствии с представлениями, развиваемыми в работе [2], разрушение бетона происходит в результате сдвига по плоскостям скольжения в направлении действия наибольших касательных напряжений под углом , где . Отсюда видно, что на прочность бетона при сжатии существенное влияние должна оказывать его прочность на срез.

Модель Прандля-Кулона устанавливает зависимость между касательным напряжением (т. е. прочностью на срез) и прочностью материала на сжатие (R) и растяжение (r) с помощью известной формулы Кепке и Мерша , где - среднегеометрическая величина этих значений. Все это дает основание искать более обобщающую характеристику цемента, которая бы непосредственно учитывала не только его прочность на сжатие, но и растяжение при изгибе. Ее целесообразно назвать приведенной активностью цемента (Rпр). Для проверки изложенной гипотезы и обоснования подсчёта Rпр были вычислены значения R ? r, а также различных сочетаний r и R в соответствии с их полученными значениями для стандартной марки цемента[2, 22], и цемента с добавками, следующего состава цемент М 400 - 500 г, песок Малышевский - 1500 г, В/Ц=0,44. В процессе лабораторных экспериментов были исследованы свойства материала при замене от 10 до 40 % цемента М400 комплексом отходов, состоящим из марганецсодержащего шлака ферросплавного производства и стелобоя. Оптимальные значения получены при замене 10 % цемента и их графическая интерпретация зависимостей Rпр: представлена на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Графические зависимости для определения приведенной активности цементов с добавками по результатам испытаний стандартных балочек на изгиб (r) и сжатие (R): где 400 - цемент без добавок (контрольный образец) ; 400+д1 - цемент с добавкой шлака; 400+д2 - цемент с добавкой стеклобоя, 400+д1+д2 - цемент с добавкой шлака и стеклобоя; 1 - ; 2 - ; 3 - ;; 4 -

Рис. 2. Графические зависимости для определения приведенной активности цементов с добавками по результатам испытаний стандартных балочек на изгиб (r) и сжатие (R): где 5 - ; 6 - ; 7 -

Анализ этих данных показал, что, пользуясь любым из графиков, можно находить Rпр по результатам испытаний стандартных балочек на изгиб и сжатие, подсчитывая те или иные сочетания r и R.

Как показывают результаты представленные на рисунках 1 и 2 - оптимальные значения Rпр получаются при замене части цемента шлаком SiMn. Однако остальные величины не уступают контрольному образцу.

Надо заметить, что помимо учета специфического влияния прочности раствора на растяжение при изгибе на прочность бетона при сжатии введение её в расчёт увеличивает объем используемой информации, так как дополнительно к шести показателям на сжатие вводится в расчет три результата прочности растяжения при изгибе, получаемые в результате стандартного определения активности цемента. Переход от шести измерений к девяти при том же коэффициенте вариации уменьшает, согласно распределению Стьюдента, допуск определяемой величины с надежностью 0,9 в 1,3 раза [2] .

Выводы и перспективы дальнейшего исследования. Оптимальные показатели физико-механических характеристик модифицированного вяжущего получены при замене 10 % цемента отходами ферросплавного производства (шлак SiMn). При этом замена аналогичной части цемента отходами ферросплавного производства и стеклобоя (50/50) показывает результаты, не уступающие контрольному образцу. Следовательно, используя промышленные отходы мы можем повысить характеристики вяжущего, а, следовательно, и бетона, при этом уменьшить воздействие на окружающую природную среду. А обобщающая характеристика цемента, которая бы непосредственно учитывала не только его прочность на сжатие, но и растяжение при изгибе, так называемая приведенная активность цемента, которая является представительной характеристикой вяжущего (Rпр), а в нашем случае вяжущего модифицированного комплексом отходов, обеспечит более четкую связь с прочностью бетона. На основании большего количества показателей данные будут более объективными и надежными. В дальнейшем на основании полученных данных планируется разрабатывать состав бетона с применением комплекса отходов техногенного происхождения.

Литература

1. Баталин Б. С. Вред и польза шлаковых отвалов // Природа. - 2003. - № 10 (1058). - С. 27-32.

2. Проектирование и анализ эффективности составов бетона / О.Л. Дворкин, Л.И. Дворкин, М.В. Горячих, В.Н. Шмигальский. - Ровно, 2008. - 178 с.

3. Макаров А. Б., Талалай А. Г. Техногенно-минеральные месторождения и их экологическая роль // Литосфера. - 2012. № 1. - С. 172-176.

4. Seshadri B., Bolan N.S., Naidu R. Rhizosphere-induced heavy metal (loid) transformation inrelation to bioavailability and remediation//Journal of Soil Science and Plant Nutritionю- 2015. - Vol. 15 (2). - Р. 524-548.

5. Пузанов С.И. Особенности использования материалов на основе стеклобоя как заполнителей портландцементного бетона // Строительные материалы. - 2007. - № 7. - С. 2-5.

6. Прозрачный бетон в строительстве зданий и сооружений / Югов А.М., Мусорина Т.А., Соколов Б.В., Агишев К.Н. // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2015. №11 (38). - С. 1-14.

7. Peyvandi A., Soroushian P., Nassar R. Recycled Glass Concrete // Concrete International. 2013. Vol. 1 (35). Р. 29-33.

8. Almesfera N., Inghamb J. Effect of waste glass on the properties of concrete //Journal of Materials in Civil Engineering. 2014. Vol. 26, Issue 11. Р. 1-28.

9. Recycling of silicomanganese slag as pozzolanic material in Portland cements: Basic and engineering properties / M. Frias, M. I. Sanchez de Rojas, J. Santamarэ, C. Rodrэguez // Cement and Concrete Research. - 2006. - Vol. 36. - P. 487 - 491.

10. Леонтьев Е. Н. Решить проблему производства прогрессивных бесцементных строительных материалов можно // Строительные материалы. - 2008. - №11. - С. 90-93.

11. Сиротюк В.В., Лунёв А.А. Прочностные и деформационные характеристики золошлаковой смеси // Инженерно-строительный журнал. - 2017. - № 6(74). С. 3-16.

12. Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве / Н.И. Ватин, Д.В. Петросов, А.И. Калачев, П. Лахтинен // Инженерно-строительный журнал. 2011. - №4 (22). - С. 16-21.

13. Wang Q, Wang D.Q., Chen H.H. The role of fly ash microsphere in the microstructure and macroscopic properties of high-strength concrete// Cement & concrete composites. - 2017. - № 83. - P. 125-137.

14. Optimization of the alkali activation conditions of ground granulated SiMn slag / R. Navarro, E. Zornoza , P. Garces ., I. Sanchez , E.G. Alcocel // Construction and building materials. 2017. - № 150. P. 781-791.

15. Ulubeyli G. C., Artir R. Sustainability for Blast Furnace Slag: Use of Some Construction Wastes // Procedia - Social and Behavioral Sciences. - 2015. - Vol. 195. - P. 2191-2198.

16. Properties of SiMn slag as appozzolanic material in Portland cement manufacture properties / M. Frias, M. I. Sanchez de Rojas, I. Menendez, M. Garcia de Lomas, C. Rodriguez // Materiales de Construccion. - 2005. - Vol. 55, No 280 - P. 53-62.

17. R. Anudeep, K.V. Ramesh, V. S. Vani Study on mechanical properties of concrete with various slags as replacement to fine aggregate // Masterbuilder. 2015. Vol.7. P. 86-90.

18. Гасик М. И., Емлин Б. И. Электрометаллургия ферросплавов: учебник для вузов. - Киев: Вища школа. - 1983. - 376 с.

19. Радиационно-химическая оценка металлургических шлаков как сырья для строительной индустрии / Э. Б. Хоботова, М. И. Уханёва, И. В. Грайворонская [и др.] // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - 2009. - Вып. 35. - С. 365-372.

20. Баженов Ю. М. Способы определения состава бетона различных видов. - М.: Стройиздат, 1975. - 272 с.

21. Скрамтаев, Б. Г. Способы определения состава бетона различных видов / Б. Г. Скрамтаев, П. Ф. Шубенкин, Ю. М. Баженов. - М.: Стройиздат, 1966. - 160 с.

22. Сулковский И.А. Подбор состава бетона и управление его производством. - Ташкент: ФАН. - 1980. - 135 с.

References

1. Batalin B. S. Harm and benefit of slag heaps // Priroda. - 2003. - № 10 (1058). - P. 27-32.

2. Design and analysis of the effectiveness of concrete formulations / O.L. Dvorkin, L.I. Dvorkin, M.V. Goryachih, V.N. Shmigal'skij. - Rovno, 2008. - 178 p.

3. Makarov A. B., Talalaj A. G. Technogenically mineral deposits and their ecological role // Litosfera. - 2012. № 1. - P. 172-176.

4. Seshadri B., Bolan N.S., Naidu R. Rhizosphere-induced heavy metal (loid) transformation inrelation to bioavailability and remediation//Journal of Soil Science and Plant Nutritionю- 2015. - Vol. 15 (2). - Р. 524-548.

5. Puzanov S.I. Features of the use of materials based on waste glass as aggregates of portland cement concrete // Stroitel'nye materialy. - 2007. - № 7. - P. 2-5.

6. Transparent concrete in the construction of buildings and structures / Yugov A.M., Musorina T.A., Sokolov B.V., Agishev K.N. // Stroitel'stvo unikal'nyh zdanij i sooruzhenij. - 2015. №11 (38). - P. 1-14.

7. Peyvandi A., Soroushian P., Nassar R. Recycled Glass Concrete // Concrete International. 2013. Vol. 1 (35). Р. 29-33.

8. Almesfera N., Inghamb J. Effect of waste glass on the properties of concrete //Journal of Materials in Civil Engineering. 2014. Vol. 26, Issue 11 . Р. 1-28.

9. Recycling of silicomanganese slag as pozzolanic material in Portland cements: Basic and engineering properties / M. Frias, M. I. Sanchez de Rojas, J. Santamarэ, C. Rodrэguez // Cement and Concrete Research. - 2006. - Vol. 36. - P. 487 - 491.

10. Leont'ev E. N. To solve a problem of manufacture of progressive cementless building materials it is possible // Stroitel'nye materialy. - 2008. - №11. - P. 90-93.

11. Sirotyuk V.V., Lunyov A.A. Strength and deformation characteristics of ash and slag mixture // Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. - 2017. - № 6 (74). P. 3-16.

12. Application of ash and ash and slag wastes in construction / N.I. Vatin, D.V. Petrosov, A.I. Kalachev, P. Lahtinen // Инженерно-строительный журнал. 2011. - №4 (22). - С. 16-21.

13. Wang Q, Wang D.Q., Chen H.H. The role of fly ash microsphere in the microstructure and macroscopic properties of high-strength concrete// Cement & concrete composites. - 2017. - № 83. - P. 125-137.

14. Optimization of the alkali activation conditions of ground granulated SiMn slag / R. Navarro, E. Zornoza , P. Garces ., I. Sanchez , E.G. Alcocel // Construction and building materials. 2017. - № 150. P. 781-791.

15. Ulubeyli G. C., Artir R. Sustainability for Blast Furnace Slag: Use of Some Construction Wastes // Procedia - Social and Behavioral Sciences. - 2015. - Vol. 195. - P. 2191-2198.

16. Properties of SiMn slag as appozzolanic material in Portland cement manufacture properties / M. Frias, M. I. Sanchez de Rojas, I. Menendez, M. Garcia de Lomas, C. Rodriguez // Materiales de Construccion. - 2005. - Vol. 55, No 280 - P. 53-62.

17. R. Anudeep, K.V. Ramesh, V. S. Vani Study on mechanical properties of concrete with various slags as replacement to fine aggregate // Masterbuilder. 2015. Vol.7. P. 86-90.

18. Gasik M. I., Emlin B. I. Electrometallurgy of ferroalloys: a textbook for high schools. - Kiev: Vishcha shkola. - 1983. - 376 p.

19. Radiation-chemical assessment of metallurgical slags as raw materials for the construction industry / E. B. Hobotova, M. I. Uhanyova, I. V. Grajvoronskaya [and other] // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - 2009. - Вып. 35. - С. 365-372.

20. Bazhenov Yu. M. Methods for determining the composition of concrete of various types. - M.: Strojizdat, 1975. - 272 p.

21. Skramtaev B. G. Methods for determining the composition of concrete of various types / B. G. Skramtaev, P. F. SHubenkin, Yu. M. Bazhenov. - M.: Strojizdat, 1966. - 160 p.

22. Sulkovskij I.A. Selection of the composition of concrete and management of its production. - Tashkent: FAN. - 1980. - 135 p.

Размещено на Allbest.ru