Вяжущие и стеновые изделия на основе фосфогипса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вяжущие и стеновые изделия на основе фосфогипса

Докт. техн.наук А.А. Сагындыков

Канд.техн.наук С.К. Шилибеков

Г.Оспанали

Описаны разработанные составы вяжущих на основе извести фосфогипса и получение на их основе стеновых изделий. Определены физико-механические и деформационные характеристики опилкобетона на основе разработанных вяжущих.

С проблемой экологической безопасности тесно увязан и вопрос ресурсосбере-жение потребности природных материалов и вяжущих особенно наиболее дорого-стоящих, решение вопросов ресурсосбережения - одно из актуальных проблем от решения которых зависит научно-технический прогресс в строительстве /1/.

Из всего многообразия гипсосодержащих промышленных отходов наибольший интерес для строительства представляет фосфогипс объемы производства которого составляет более 90% от общего количества попутных гипсосодержащих продуктов промышленности. В настоящее время в отвалах завода минеральных удобрений ТОО «Казфосфат» накопилась около 8 млн. тонн фосфогипса, количество которого увеличивается ежегодно на 0,4-0,5 млн.тонн, что весьма обременительно для завода. Одним из эффективных направлений переработки фосфогипса является получение на его основе вяжущих и стеновых камней.

В связи с этим перспективным направлением является разработка технологии композиционных вяжущих и стеновых материалов заменяющих более дорогие аналогичные материалы как природный камень, изделия из керамики, и др. искусственных материалов /2/.

С целью определения оптимальной тонкости помола вяжущего, проведены исследования влияния тонкости помола на основные физико-технические свойства вяжущего и гипсового камня на его основе (таблица 1).

вяжущий фосфогипс опилкобетон

Таблица 1

Влияние тонкости помола на физико-технические свойства вяжущего и камня на его основе

Вяжущее подвергалось помолу в лабораторной шаровой мельнице до различной степени дисперсности, которая характеризовалась по данным ситового анализа остатком на сите №008. Помол осуществлялся совместно с добавкой активизатора твердения - известью в количестве 5% от массы вяжущего.

Анализ полученных данных показывает, что увеличение тонкости помола вызывает сокращение сроков схватывания вяжущего; оптимальная тонкость сокращение сроков схватывания вяжущего; оптимальная тонкость помола вяжущего, при которой достигается максимальная прочность фосфогипсового камня на его основе, характеризуется остатком на сите N 008 4-7%. Дальнейшее увеличение тонкости помола вяжущего не приводит к повышению прочности гипсового камня на его основе, что объясняется повышением водопотребности вяжущего, ввиду увеличения его удельной поверхности. Кроме того, увеличение степени измельчения вяжущего от тонкости помола, характеризуемой остатком на сите 008-7% до 1,9%, сопровождается значительным усилением налипания измельчаемого материала на стенки мельницы и мелющие тела, агрегированием частиц материала, снижением производительности мельницы с увеличением продолжительности помола от 80 до 185 мин, вследствие увеличения избыточной поверхностной энергии материала /3/.

При оптимальной тонкости помола вяжущего, соответствующей остатку на сите N 008 5-7%, его удельная поверхность, определенная по методу воздухопроницаемости составляет 450-500 м2/кг.

С целью повышения водостойкости в состав фосфогипсового вяжущего вводили керамзитовую пыль, являющейся активной добавкой.

Рисунок 1. Зависимости коэффициента размягчения образцов вяжущего от количества и удельной поверхности введенной добавки керамзитовой породы (КП)

Удельная поверхность КП:

1 - 90 м2/кг;

2 - 300 м2/кг;

3 - 500 м2/кг;

Согласно результатам исследований, представленных на рисунке 1 наиболее эффективным с точки зрения повышения водостойкости гипсового камня является введение добавки керамзитовой пыли, размолотой до удельной поверхности 500 мІ/кг в количестве 5% от массы вяжущего. При этом коэффициент размягчения гипсового камня на основе ангидритового вяжущего повышается с 0,59 до 0.71 при сохранении прочности на уровне контрольных образцов.

Повышение коэффициента размягчения образцов гипсового камня с увеличением удельной поверхности добавки керамзитовой пыли от 90 до 500 мІ/кг, связано с явлением усиления гидравлической активности минеральной добавки при тонком измельчении. Увеличение тонкости помола керамзитовой пыли свыше 500 мІ/кг при существующем несовершенстве помольного оборудования является трудновыполнимой задачей, что делает проведение дальнейших исследований в этом направлении нецелесообразным.

Увеличение количества добавки керамзитовой пыли от 5 до 7-10% приводит к снижению прочности и коэффициента размягчения гипсового камня, что обусловлено повышением водопотребности вяжущего. При введении 5 % добавки керамзитовой пыли с удельной поверхностью 500 мІ/кг сроки начала схватывания сокращаются с 1 ч. 30 мин. до 1 ч. 25 мин, конца схватывания с 3 ч. 30 мин. до 3 ч.15 мин, по сравнению с вяжущим без введения добавки.

Повышение водостойкости гипсового камня на основе ангидритового вяжущего при совместном введении добавок извести керамзитовой пыли вероятно, связано с образованием труднорастворимых продуктов в результате взаимодействия активных компонентов керамзитовой пыли с Са(ОН)2, которые уплотняют поровую структуру гипсового камня, о чем косвенно свидетельствует снижение водопоглощения образцов гипсового камня при оптимальным содержании добавки керамзитовой пыли на 0,6% по массе по сравнению с контрольным образцами.

Согласно данным электронно-микроскопических исследований микроструктура образцов на основе исходного вяжущего в возрасте 28 сут. с добавкой извести сложена призматическими кристаллами гипса при среднем размере кристаллов 10-12·3-5 мкм, общей пористости образца по площади 23-26%. Микроструктура образцов вяжущего в возрасте 28 суток с добавками керамзитовой пыли, извести сложена призматическими кристаллами гипса при среднем размере кристаллов 6-8· 2-3 мкм, часть пространства между которыми заполнена аморфными агрегатами новообразованных гидросиликатов кальция, что способствует снижению пористости образцов. Общая пористость для образца с керамзитовой пылью составляет 17-18%.

Таким образом, на основании результатов проведенных исследований установлено, что введение в состав вяжущего добавки керамзитовой пыли совместно с известью в количестве 5% по массе при удельной поверхности КП 400 м І/кг позволяет при сохранении прочности гипсового камня, по сравнению с контрольными образцами без введения добавки керамзитовой пыли повысить его коэффициента размягчения 0,55 до 0,63, что соответствует требованиям,предъявляемым к гипсовым вяжущим повышенной водостойкости /3/. Повышение водостойкости гипсового камня обусловлено образованием низкоосновных гидросиликатов кальция при взаимодействии керамзитовой пыли и извести, которые наряду с карбонатом кальция, образующимся при карбонизации извести, уплотняют поровую структуру гипсового камня.

При изготовлении легких бетонов в качестве заполнителей применяли недефицитные материалы в виде опилок, золы. В исследовании применяли отвальные золы от сжигания бурых и каменных углей с, удельной поверхностью не ниже 1500 см2/г и содержанием несгоревшего топлива (п.п.п.) не более 15%.

Для получения легких бетонов со средней плотностью 800-1000 кг/м3 и ниже в составы вводили комплексные добавки, состоящие из казеинового клея 0,03-0,08%, абиетата натрия - 0,02-0,04 и хлористого кальция - 0,5% от композиции приготовленной смешиванием материалов в лабораторной мешалке. Опробовалось также перемешивание смесей на бегунах, что давало возможность использовать отвальную золу с высокой влажностью. При этом получались бетоны с повышенными физико-механическими показателями по сравнению с приготовлениями в обычной мешалке. Применение отвальных зол упрощает технологию приготовления бетона, т.к. отпадает необходимость их сушки.

Таблица 2

Составы легких бетонов

Составы твердели в нормальных условиях, чтобы ускорить твердение образцов их сушили в закрытых формах через 1-2 часа после изготовления.

Опыты показали, что прочность высушенных образцов состава по массе: В:И:3=25:5:70 через 4 часа после завершения сушки была равна 3 и 6,5 МПа.

Образцы из указанных смесей были испытаны на морозостойкость. Предел прочности при сжатии образцов на основе золы со средней плотностью 1250 кг/м после 25 циклов снизился с 6,5 МПа до 5,7 МПа (на 15%), а потеря массы составила 3%.

Плотность затвердевшего материала пикнометрическим методом равна - 2170, при плотности - 800кг/м3. Абсолютный объем твердой фазы составляет 55%, а пор 45%. Пористость установленная методом ртутной порометрии равна 40,2%.

Такая структура материалов предопределяет высокие прочностные показатели и низкую теплопроводность. Значение теплопроводности сухих образцов разной средней плотности представлены в таблице 3. Для сравнения приведены значения теплопроводности керамзитобетона, ячеистого бетона.

Таблица 3

Сравнительные данные теплопроводности

Смеси на основе золы и вяжущего марок 50 - 75 целесообразно использовать в производстве легкобетонных камней применяемых в одно и двухэтажном строительстве.

Изделия для ограждающих элементов здании должны иметь требуемые теплозащитные характеристики, поэтому были использованы опилки.

Опилкобетон - легкий конструкционно-теплоизоляционный стеновой материал, применение которого особенно эффективно в малоэтажном строительстве. Несмотря на широкие возможности использования этого материала при строительстве зданий различного назначения в настоящее время отсутствуют нормативные документы, отражающие методики расчета стеновых конструкции из опилкобетона.

Проведенными исследованиями установлено, что изменчивость прочности опилкобетона в условиях длительного загружения оказывает существенную роль на долговечность строительных конструкций. Поэтому для учета влияния фактора времени в теории расчета сжатых элементов из опилкобетона предлагается использовать приведенную предельно низкую диаграмму, полученную в результате длительных испытаний при ступенчато-возрастающих напряжениях сжатия, с выдержкой каждой ступени до затухания деформаций ползучести. Такая диаграмма отражает зависимость между напряжениями и полными относительными деформациями сжатия для конечного установившегося состояния опилкобетона под действием длительной нагрузки.

Для построения предельно низкой диаграммы сжатия опилкобетона проводились длительные испытания стандартных образцов призм с размерами 10x10x40 см, изготовленных из опилкобетонной смеси следующего состава вяжущее-210, опилки древесины сосны крупностью 1-5 мм - 180, хлорид кальция -5. Расход воды составил 300 л/м. После распалубки в возрасте трех суток опытные образцы хранились в нормальных термовлажностных условиях с относительной влажностью воздуха 60...70% и температурой 20±2°С.

Призмы испытывались на рычажных установках через стальные шары, расположенные в геометрических центрах стальных опорных плит. Загружение осуществлялось в возрасте материала, равного 28 суткам, ступенями в долях от среднего значения призменной прочности опилкобетона Rnp, определенной при одноосном кратковременном статическом сжатии. До уровня напряжения, составляющего 0,6 Rnp, величина ступени загружения равнялась 10% от Rnp, а последующие - 5%. На каждой ступени происходила выдержка нагрузки во времени до затухания деформаций ползучести. Ступени загружения назначались с учетом роста призменной прочности опилкобетона с течением времени. Всего под длительной ступенчато-возрастающей нагрузкой было испытано пять образцов в помещении с относительной влажностью воздуха 55...66% и температурой 18...22°С.

Деформации образцов измерялись индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм перед началом и в конце каждой ступени загружения, а также во время выдержки образцов под нагрузкой. Полные относительные деформации сжатия опилкобетона e(t) под каждой ступенью загружения определялись из выражения

- упругомгновенная деформация, измеренная в момент приложения нагрузки;

- деформация ползучести, измеренная в конце выдержки ступени загружения;

- деформация усадки ненагруженных образцов-близнецов;

По результатам длительных испытаний построена предельно низкая диаграмма сжатия опилкобетона, характеризующая связь между относительными напряжениями

и полными деформациями (Здесь -текущее значение длительного напряжения сжатия). Полученная диаграмма представляет собой слегка изогнутую линию /, для описания которой подобрана зависимость вида

При приведенная диаграмма имеет незначительную кривизну и может рассматриваться как прямолинейная, а значение соответствует относительному пределу длительного сопротивления. Предельная сжимаемость опилкобетона при длительном загружении, как арболита, в среднем составила 10х10-3, что значительно превышает деформации других разновидностей близких по прочности легких бетонов на минеральных заполнителях (например керамзитобетона).

Представляло интерес получение экспериментальных данных о характере изменения деформации кладки из гипсобетонных блоков.

Для кладки опытных образцов применялись гипсоопилочные камни размерами 190x3 90x390 мм.

Гипсоопилочные камни изготавливались в лаборатории на малогабаритном универсальном вибротрамбующем прессе ВФП-2. Полученная по расчету смесь укладывалась в стальные формы с последующим уплотнением вибрированием в течение 7...10 с. Спустя 20 минут формы освобождались от готовых камней, которые затем хранились в отапливаемом помещении с относительной влажностью воздуха 60% и температурой 20°С до приобретения постоянной массы. Испытания гипсоопилочных камней на сжатие проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 6633-84 на прессе П-125.

Для кладки опытных образцов использовался фосфогипсо-опилочный раствор состава 1 : 3 (вяжущее: опилки) воды. Раствор приготавливался вручную с дозировкой по массе. Прочность раствора на сжатие определялась согласно ГОСТ 5802-86 по результатам испытаний образцов-кубов с размером ребра 7,07см па прессе марки ИП-100.

Опытные образцы кладки изготавливались в виде столбов размерами 190x390x796 мм из уложенных друг на друга четырех камней при равной толщине шва - 12мм. Кратковременные испытания столбов на центральное сжатие проводились на прессе марки П-125.

В таблице 4 приведены результаты кратковременных испытании камней, раствора и кладки с основными статистическими показателями: среднее арифметическое значение прочности R, эмпирический стандарт S, коэффициент вариации V и показатель точности А для обеспеченности 0,95.

Таблица 4

Результаты кратковременных испытаний камней, раствора, кладки

Таблица 5

Сравнение экспериментальных и вычисленных значений характеристики ползучести

Экспериментальные кривые приведены на рисунке 2.

В результате анализа семейства кривых ползучести установлено, что при процесс ползучести кладки из гипсоопилочных камней может быть изображен е (г) одной кривой в осях (рисунок 2 ). Здесь - характеристика ползучести, представляющая собой отношение относительной деформации ползучести в момент времени к упругой деформации , вызванной нагрузкой, приложенной в «нулевой» момент времени. На рисунке 2 приводятся зависимости относительных деформаций ползучести от начального относительного уровня напряжений сжатия при одинаковой длительности нахождения образцов под нагрузкой. Как видно, при з(t) < 0,5 эти зависимости линейны, Последнее обстоятельство подтверждает известное правило ползучести строительных материалов, что при специфика влияния нелинейной составляющей деформации ползучести незначительна и может быть использована линейная теория ползучести.

Рисунок 2. Кривые относительных деформаций ползучести образцов кладки из гипсобетонных камней 1,2,3,4,5- з(t) соответственно равное 0.5,0.4,0.3,0.2.0.1

Рисунок 3. Зависимость относительных деформаций ползучести от начального относительного уровня сжатия

Для аналитического описания изменения во времени характеристики ползучести кладки из гипсоопилочных камней может быть использована экспоненциальная зависимость теории упругой наследственности, финишные участки которой аппроксимируются гиперболической зависимостью вида

(1)

где - предельная характеристика ползучести;

- параметр скорости нарастания деформаций ползучести;

В результате подбора параметров уравнения (1) по методике, изложенной в ГОСТ 24544-81 с использованием опытных точек кривой на рис. 3, б (средняя по десяти образцам), получили следующие значения: и . После подстановки найденных параметров в выражение (1) получим в окончательном виде зависимость для определения характеристики ползучести кладки из гипсоопилочных камней в общепринятых границах линейной теории ползучести:

(2)

В таблице5 для наглядности приводится сравнение экспериментальных и вычисленных по формуле (2) значений характеристики ползучести для нескольких моментов времени. Характеристику ползучести удобно применять в практике расчета стеновых конструкций с учетом ползучести кладки. С этой целью может быть использован длительный модуль деформации кладки

(3)

где - начальный модуль деформаций кладки, определяемый из машинных испытаний при напряжении у=0,2Ru.

Для конечного установившегося состояния кладки под действием длительных напряжений сжатия, когда ц = 2,65; значение длительного модуля деформаций составит Е(ф)=0.265 Е0

Проведенные исследования позволяют определить предельно низкое критическое напряжение а (х) сжатых элементов каменных конструкций из гипсоопилочных камней с учетом влияния фактора времени.

(4)

где - гибкость элемента.

Из условия следует, что

Получим граничное значение гибкости

б=Е0/Ru - упругая характеристика кладки.

Таким образом, гипсоопилочные камни имеют высокую жесткость, что позволяет создавать долговечные стеновые конструкции.

Проведенные исследования по подбору составов вяжущих и определения структурных, физико-механических характеристик стеновых материалов свидетельствуют о возможности получения конструктивно-теплоизоляционных материалов на основе фосфогипса.

Литература

1. Концепция экологической безопасности Республики Казахстан на 2004 - 2015 годы //Казахстанская правда, от 10 декабря 2003 с. 7-8.

2. Кулибаев А.А. Особенности развития отрасли строительных материалов в Казах-стане //Вестник НИА РК №4(22) 2006 4-118.// В,

3. Ахмедов М.А., Атакузиев Т.А. Фосфогипс: Исследование, применение.-Ташкент, 1980-156 с.

Размещено на Allbest.ru