автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Легкие бетоны с использованием бокситовых шламов

: и " Т СССТРОЙ СССР

ОРДША ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧИО-ЖСЛЭДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЖТНСНСШЗТРУКГФСКИЙ И шпомгтюкжй ИНСТИТУТ Б5ТША И ЖЗОЗСББТСНА (НИМБ)

На правах рукописи

ТОРШЩВВ Шамиль Кешльввич

уда 666.973.2

ЛИК® БЕТОНЫ С ИЗШЬЗОВАНИЖ БОКСИТОВЫХ ШЛАМОВ Специальность 05.23.С6 - Сгрокталлшз материалы и изделия

Автореферат диссертации на ооиоканиз учзяой степени кандидата те мнчаских наук

Москва 1991

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (КИИЖБ) Госстроя СССР.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИШЬ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.Н. Ярмаковский

ВВДЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

- доктор технических наук, профессор Л,П. Орентлихер

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник С.А, Высоцкий

- ЫШЖШЗОШШ Госстроя СССР

Защита состоится " 1 и " ОЬУ}^Р^лХ. 1991г. в 14.00 часов на заседании специализированного совета К 033.03.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона Госстроя СССР по адресу: 109428, Москва, ,2-я Институтская ул., д.б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЖБ.

Автореферат разослан " ¿Г- ¡ЛЛ&^.ГПА 1991г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Г. П. Королева

е . Актуальность темы, В настоящее время вое большее внима--!ййа?ир'и::развитии индустриальных комплексов уделяется вовлечении в хозяйственный оборот вторичных материальных и топливно-энергетических рооурсов, создана» замкнутых производственных циклов, исключающих загрязнение окружающей среды и позволяющих более эффективно использовать промышленные отходы. С утилизацией отходов открывается возможность существенного расии-рения сырьевой базы промышленности строительных материалов и, в частности, производства эффективных вяжущих и заполнителей для батонов и строительных растворов.

Известно, что одним из наиболее региональных путей дальнейшей интенсификации производства цементов и бетонов на их основе является использование шяеральчых добавок-наполнителей. При этом особенно эффективно использование в качества наполнителей побочных продуктов и отходов различных отраслей промышленности, характеризующихся гидравлической активностью. Это позволяет улучшить технико-экономические показатели вянущих и бетонов и решать задачи рациональной утилизации отходов и охраны окружающей ореды.

Одним из наиболее перспективных видов таких отходов является бокситовый шлам (БШ) - побочный продукт глиноземного производства, который характеризуется способностью к гидрага-ционному твердении и специфической высокой пористостью частиц. Это предполагает возможность эффективного комплексного использования БШ в легких бетонах на пористых заполнителях (в качестве части вяжущего и мелкого пористого заполнителя) для снижения расхода клинкерной составляющей вяжущего и повшаяпя теплозащитных свойств бетонов.

Целью работы является разработка консгрукшонно-таплоизо-ляшюнного легкого бетона с комплексным использованием бокаи-тового алаод и исследование его основных физяко-шхакачаоках и физических о вой г р.

Для достахения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- оценить основные физико-химические, структурные и строительно-технические характеристики БШ, полученного ари переработке боксита "спекагельным" способом;

- разработать оптагальаы'а составы и технологию приготовления смешанного ачжущего на основа БШ и исследовать особенности процессов его гидратации и твердения, а также закономерности формирования микроструктуры растворной матрицы бетона, изучить фтко-механические и теплотехнические свойства вяжущего;

- разработать ооставы и технологий изготовления конструкционно-теплоизоляционных керакзито- и шлакодзмзобетонов о использованием бокситового шлама;

- исследовать коуллокс прочностных, даформативных и теп-лофизических свойств разработанных легких бетонов, изучить их морозостойкость и защитные свойства по отношению к стальной арматуре;

- проверить результаты проведенных исследований в производственных .условиях и разработать рекомендации по применению бокситового илама в легких бетонах.

Автор защищает;

- оптимальные составы и технологии приготовления смешанного вяжущего на основе бокситового шлама в совокупности с модифицирующими минеральными добавками (колотого доменного гран-

шлака и пыли рукавных фильтров - отхода произзодотва ферросилиция );

- результата исследования процессов гидратации и твердения смешанного вяжущего, влияния дисперсных генеральных добавок алюмосиликата ого состава на формирование га к по- и макроструктуры пементно-шламового камня;

- составы и технологию приготовления конструкционно-теплоизоляционных легких батонов с комплексным использованием бокситового шлама (в качества компонента смешанного вяжущего и части мелкого заполнителя);

- результаты исследования основных прочностных, деформа-тивных, теплофизичасклх характеристик, защитных свойств по отношению к стальной арматуре и морозостойкости разработанных легких бетонов с использованием бокситового шлака;

- результаты исследования ьякро- и макроструктуры бетонов с БШ и оценку влияния ее на основные физико-технические свойства бетона;

- результаты производственной проверки и показатели нико—эконош час кой эффективности применения легких бегонов-с комплексным использованием БШ.

Научная новизна:

- научно обосновано комплексное использование 'ббкситойкх шламов в конструкшоняо-теплолзоляпиошщх легких бетонах,обеспечивающее экономию цемента, улучшение их теплофизйчаскйх свойств, т.е. эффективную утилизацию этих отходов5зтрошшлен-ности;

- определены фазовый состав и ос об еШости' формя р овакгя микроструктуры шменгно-шламового камня (на основе БШ)," влияние нэ них остаточнюс щалочякх соединения Йг'айа;

- установлены закономерности и степень влияния бокситового шлама в комплексе с минеральными добавками на процесс формирования структуры растворной матрицы, контактной зоны легких батонов и в связи с этим - на основные физико-маханичес-кие, теплофизаческие свойзгва, характеристики долговечности бетонов.

Практическое значение работы:

- установлена целесообразность комплексного использования бокситового шлама б конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах (в качестве компонента вяжущего и мелкого заполнителя)} это дозволяет снизить требуемый расход цемента, улучшив теплофазичаские свойства бетона;

- разработана оптимальная технология приготовления лагко-бзтонных смесей с бокситовым шламом (с позиций обеспечения максимальной про лооти бетона и минимальных потерь воздухововле-чвния);

- определен комплекс прочностных и деформативных характеристик батонов с использованием шлама, необходимых для расчета и проектирования кчнструкций.

Утилизация БШ в соответствии о рекомендациями, разработанными по результатам проведенных исследований позволит расширить сырьевую базу строительных материалов и частично решить экологические вопросы в регионах, где имеются глиноземные производства. ,

Реализация результатов работы

Результаты проведанных исследований использованы:

- при составлении "Рекомендаций по применению бокситовых шлемов глиноземного производства в бетонах и строительных растворах" (НИИЬБ, 1990) и "Пособия по производству изделий

из легких бетонов на пористых шлаковых заполнителях (к СНиП 3.09.01-85)н, СтроЁиздат, 1990;

- при изготовлении ошияоЧцзошшленянх партий несущих од-ноолойннх(цокольных) и двухслойных стеновых панелей сер.л III-I2I из керамзитобетона с использованием БШ на КПД-I Павлодарского ДСК Минстроя КазССР.

Апробашя работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на XXI конференции молодых ученых и специалистов ШШБ "Новое в технологии, расчете и конструировании железобетонных конструкций" в 1988 г.; на 47-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ в 1989 г.{ на республиканской конференции "Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов" в г.Харькове, 1989 г.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы (13? наименований), приложения и изложена на 153 страницах машинописного текста, вклвчая 24 таблицы и 23 рисунка.

Диссертационная работа выполнялась по плану научно-исследовательских работ лаборатории легких бетонов и конструкций НИИЖБ в соответствии с программой Too.заказа Госстроя СССР й 05-0053-87.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса и рабочие гипотезы

Исследование бокситовых шламов (именуемых далее "иламы"), образующихся при извлечении глинозема из бокситов методом "спекания", в целях определения рашюнельных областей их утилизации были начаты в Ленинградском отделении БЙСМ и получила дальнейшее развитие в работах Гипроцемента. НКИцеыента, ШЯ,

ЛТИ им.Яенсовета, Л\Ш (Баженов П.И., Бейлер Р.В., Ковалеро-ва В.Н., Коркеев B.C., Паримбатов Б.П., Пащенко A.A., Иморгу-неако H.G. а др.).

Учитывая способность шлама к гидраташонному твердению, большинство исследователей подходили к изучению его как' сырья для производства поргландцементного клинкера. Однако, такое применение шлама оказалось экономически-нецелесообразным, поскольку расход его в составе сырьевой оихгы составлял только 15-20,? по массо, что делало шлам не основным, а добавочным компонентом.

Имеются экспериментальные данные по утилизаши шлаыов в бетонах и строительных растворах, но в большинстве они разрознены, на связаны.общим направлением, во многом противоречивы. Рассмотрены отдельные составы бетона и некоторые из его свойств. Неоправданно мало внимания уделено вопросам использования шлама в легких бетонах на пористых заполнителях. В го же время комплексное применение шлама (в качестве компонента смешанного вяжущего и мелкого заполнителя) здесь может быть особенно аффективным.iДля этого есть соответствующие предпосылки.

Как известно, в тяжелых бетонах с использованием шлама отмечалось появление "вызолов" на поверхности изделий, что обусловлено наличием в нем значительного количества (3,0-3,5$) водорастворимых щелочных соединений. В легких же бетонах на пористых заполнителях содержатся активная пылевидная фракция, которая при взаимодействии со щелочами шлама должна способствовать образованию труднорастворишх щелочных гидратных соединений, а следовательно устранений опасности появления "вы-солов".

Другая предпосылка эффективного использования шлака в легких бетонах базируется на особенностях норовой структуры его зерен. Для шлама характерна высокоразвитая пористость

о

(3 уД>- ■ 20»-34 иг/г), сформировавшаяся в процессе технологических циклов спекания сырьевой шихты и выщелачивания опека. Это предполагает целесообразность его использования в качестве эффективного мелкого заполнителя конструкшонно-тзплоизоля-шгоняых легких бетонов: замена им градационно используемых искусственных пористых песков может привести к снижению теплопроводности батонов.

При использовании влама в качества компонента смешанного вянущего также можно ожидать снижения теплопроводности легких бетонов, поскольку макропористомь цвмвнтяо-шламового камня с преобладанием низкоосновных гидрагных соединений мелкокристаллического строения должна быть существенно выше, чем портланд-цементного.

Следует, с другой стороны, отметить, что введение в бетонную смесь бокситового шлама, характеризующегося высокой микро-пористостыз, может вызвать увеличение ее водопотребности. Это на позволит реализовать в должной степени гидравлические свойства шлама, а также может отрицательно сказаться на морозостойкости легкого бетона и пркзести к увеличении сорбционной влажности.

Возможность эффективного использования шлама в конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах в конечном счета будет определяться тем, какой из вышеназванных факторов будет доминирующим. Изложенные рабочие гипотезы требуют экспериментальной проверка, так как до настоящего времени целенаправленных исследований по структуре ж свойствам легкчх бм-онов с ясгсоль-

зованием шлама не прозодилось, отсутствует и научное обоснование такого направления его утилизации.

Строительные материалы, используемые з работе

Эффективность комплексного использования бокситового шлама (в качества ко&аояента гяжущэго и мелкого заполнителя) в легких Сетонах оценивалась на примерах конструкционно-теплоизоляционных керамзиго- и шлакопемзобетонов классов по прочности В3,5-В?,5.

В качестве крупного пористого заполнителя использовались соответственно виду бетонов: керамзитовый гравий фракций 5-10 и 10-20 мм Павлодарского завода шркк по насыпной плотности 650, а по прочности - П100, шлакопемзовый оебень Ново-Дипецко-_ го металлургического комбината (НЛЖ) тех же фракций, марок по насыпной плотности 800 и 750, а по прочности - П150.

В качесие мелкого заполнителя бетонов-аналогов применялись песок от дробления керамзитового гравия или песок-отсев производства щдакопемзового щебня фр. 0-5 мм насыпной плотностью соответственно 870 и 1065 кг/м3, а для разрабатываемых бетонов использовалась смесь искусственных пористых песков вышеуказанных видов со шламом.

В качестве вяжущего для бетонов-аналогов применялся портландцемент М400 Воскресеяокого завода с НГЦГ - 26,1$, а для исследуемых бетонов - смешанное вяжущее (СВ) той же активности оптимального состава, разрабатываемое на базе того ке цемента и шлама.

Используемый в качестве компонента СВ (в молотом виде) и части мелкого заполнителя {в естеогвенногл виде) бокситовый шлем Павлодарского алюминиевого завода получен при переработке бокситов "спекатеяьнш способом". По внешнему виду это -

мелкозернистый пеоок (М кр-—'1,0) следующего усредненного химсоставе^; sio2 ~ 19»7« А12°з - 6,9; Fe2o3 - 18,4; cao -- 40,9; тю2 - 9,4; r2o - 3,15; п.я.д. - 9,4.

Минералогический состав илаш представлен силиката;.®, алюминатами и алюмофарригама кальция, частично магнетитом,гематитом, небольшим количеством карбонатов а перовсккга. Результаты экспериментальных исследований Разработка смешанного вяжущего была начата с определения максимально возможного наполнения исходного портландцемента (без снижения его активности и ухудшения основных строитедь-но-технических свойств) молотым (остаток на сите 0,08 составляет B-20JO шламом.

Установлено, что .при расходах шлама выше 2Q% по массе GB наблюдается снижение активности вяжущего: при ЗС$-ном содержании шлама - на 9,7, при 40$ - на 21,2 и при максимально принятом в опытах 70# - на 49,4$. Изменяются нормальная густота цементного теста (НГЦТ) и сроки схватывания: при использовании 20, 50 и 70$ шлама величина НГЦГ снижается с 26,1$ (исходный портландцемент) до соответственно 25,0; 23,6 и 23$; время начала охватываяия-лрй^этом сокращается о 2 ч 14 мая. до соответственно I ч 12 ман., О ч 25 мия. и 0 ч 13 мая. Исходя из этих данных, оптимальное содержание шлама в смешанном вяжущем составляет 20%. i

Вместе с там опыты о образцами такого СВ, помещенными в воду и подвергнутыми затем одностороннему высушиванию, показали наличие "высолов" на их поверхности. Этот существенный недостаток двухкомпонэнтного СВ обусловлен отмеченным выла относительно высоким содержанием водорастворимых щелочных соединений в составе шлама. Однако их можно нейтрализовать или,Ос-

а) б)

(¡и. ,МПа Е« ,МПа НГЦТ,*

Содержание БШ, % Содержание НИ, %

Рис.1. Зависимость прочностных характеристик (а) цементного камня и нормальной густоты цементного теста (б) от содержания шлама в составе 3-компояентного смешанного вяжущего (с добавкой доменного граншлака или шла рукавных фильтров): 1,2 -прочность при скатай через 28 сут., 3,4 - прочность при изгибе через 28 сут.; 5,6 - НГЦТ смешанного вяжущего

Яве toro, синтезировать на их основа новые соединения и структуры (которые могут участвовать а формировании прочности ца~ ментно-алемового камня) за счет введения в СВ минеральных добавок алвмосиликагяого ооотава с аиорфизированной структурой.

В качества таких добавок использовались доменный гран-шлак НИШ, измельченный до S уд —3200 см2/г я тонкодисперсная (S уд ^20000 ci^/r) пыль рукавных фильтров (ПРФ) - отход производства ферросилиция Крюковского завода ферросплавов. Расход этих добавок был выбран для исследований в диапазоне : для доменного гранплака {ДШ - от 10 до 30/*, а для ПРФ - от 5 до 15Результаты испытаний такого вяжущего (з_КОмпо-нвнтного состава) по ГОСТ 310. 1-4-83 при различном соотношении компонентов (см. рио.1 ) свидетельствуют о возможности увеличения расхода шлама в СВ до 30% {по массе) без снижения его активности относительно исходного портландцемента. При этом НГЦГ уменьшилась с 26,1 до 23,8/5, сроки схватывания сократились и остались, хаи я равномерность изменения объема, в пределах, допустимых ГССТ 10178-85. Повторные опыты о водо-наоыщением и односторонней подсушкой образцов СВ такого состава показали, что образование высолов на их поверхности отсутствовало. Таким образом, сформулированная выше гипотеза о позитивном влиянии используемых в СВ минеральных добавок экспериментально подтвердилась.' ~.

Роль щелочных соединений шлама в формировании структуры цемантно-иламового камня в 3-комлонэнтном СВ оценивалась по результатам рентгенофазового и дифференциально-термического анализов. Они показывают, что в начальной стадии гидратации смешанного вяжущего происходит быстрое растворение щелочных соединений аглама и алшосиликатного компонента шнеральной до-

- 12 -

банки. Это способствует образованию порового раствора, лере-сыценного по отношению к S162, а присутствие катионов на+ и к+ ускоряет пересыщение его по отношению к Са(он)2. В качестве первичных новообразований осаждаются гидросиликаты различной основности.

Пониженная концентрация Са(он)2 способствует образованию,

главным образом, низкоосновных гидросиликатоз грушш csh(b)

о

( d = 3,21; 3,01; 2,75; 2,50; 1.8Э А) и тоберморита C455HS

о

( d s 5,4; 3,06; 2,96; 2,80; 1,83; 1,6?; 1,54 А). Вслед за ниш синтезируются гздрогранагы переменного состава, кубический гидроалшинат калымя с3ак8и0 ( а = 3,?7; 2,85; 2,46; 2,10; 1,65; 1,43 А) и избыточный по отношена» к кристаллизующимся новообразованиям кремнезём, который осаждается в виде геля кремнекислоты и ускоряет потерю подвига ости цементно-шла-мового геста. Этим отчасти объясняется ускоренное схватывание вяжущей системы.

В дальнейшем при телловлажносгной обработке отмечается образование гомсонита яа2са2[(А1, Si)g.o10! 2'бн2о í d « « 5,89; 4,69; 3,5?; 3,,1Э; 2,96; 2,85 А) и цеолигоподобных минералов за счет обменных реакций в гидрогранатах. Минералы этой грушхы характеризуются достаточно высокими физико-механическими показателями и очень низкой растворимостью. Многие из них практически нерастворимы даже в концентрированной щелочной

среде, что обусловлено преобладанием более устойчивых кова-• i ti лентных связей rana -S1-0-A1- над ионными -sl-o-si-ii 1 1 ' ' или -а1-0-а1- ,

Таким образом, ыокно полагать, что щелочные соединения ■

шлага в начальный период гидратации работают как активизиторы

твердения, разрыхлители структуры алюмосиликагной фазы, а в

- 13 -

поздние сроки-ляСо входят в кристаллическую решетку силикатов и алюминатов кальция без изменения их структура, либо образуют низкотемпературные карбонаты, щелочные или смешанные гад-роалпмослдикаты.

На фоне повышенной щелочности жидкой фазы 'вяжущего формируется кристаллический каркас новообразований в шментно-шла-ыовом камне за счет более интенсивно протекающих процессов гидратации собственно клинкерных минералов портландцемента,уменьшаются деструктивные явления, вызываемые перекристаллизацией, эттриягита (в связи с относительно низким уровнем пересыщения

жидкой фазы по отношении к Са(Ш)о); создаются условия для

4 I

увеличения доли гелевой составляющей вследствие большей химической активности и реакционной способности щелочных катионов по сравнению о Са^?.

Результаты петрографических исследований цементно-шламо-вого камня 3-комдонентного соотава показали, что основными элементами в его структуре, определяющими прочность, являются чешуйчатые кристаллоагрегагы, состоящие из игольчатых крис-о

галлов размером до 500 А. Кристаллизация новообразований происходит путем наслаивания чешуек в результате полимеризации гвлевидной составляющей. Этот процесс собирательной рекристаллизации обеспечивает постепенное уплотнение цзменгно-шламового камня, повышение его прочности.

Исследованиями различных способов приготовления смешанного вяжущего установлено, что наиболее эффективным с позиций обеспечения их требуемых свойств, минимальных трудо- и энергозатрат является раздельный помол шлама, минеральных добавок и последующее их смешение с цементом.

Задача следующего этапа работы состояла в проверке эйек-

тивности использования разработанного 3-компонентного вяжущего оптимального состава а шлама в естественном виде как часта мелкого пористого заполнителя в конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах. Эта проверка осуществлялась на примерах шлакопемзобетона и керамзитобетона классов со прочности на скатя е ВЗ ,5-37,5. Были подобраны соответствующие составы умеренно яоразованяых воздухововлекавдей добавкийбетонов о комплексный использованием шлама и для сравнения - составы бетонов-аналогов.

Частичная замена пористых песков шламом (50¡? по объему) позволяет улучшить гранулометрический состав мелкого пористого заполнителя, а также получать качественно новые фазы и структуры при взаимодействии щелочных соединений шлама о алюмосиля-кагныы компонентом шлакопемзового к керамзитового песков.

Результаты экспериментальной проверка расчетных составов кврамзито- шлакопемзобагона с комплексным использованием шлама в сравнении с составами батонов-аналогов показали возможность сокращения расхода клинкерной части вяжущего до II5-I5Q кг на I li* бетона (на 42-511) и снижения плотности бетонов на 35-65 кгД£.

Возможность экономии цемента здесь обусловлена не только применением смешанного вяжущего равной активности с исходным портландцементом, но и уменьшением водоцотребности бетонных смесей оо шламом (на 5-8^), улучшением их связности и удобоуя-ладызаемости. Пооледнее, в свое очередь, объясняется наблюдаемой в опытах лучшей воздухоудвряивающай способностью бетонных смесей со илаком (на 30$ через 30 мин. после приготовления смеоа). Меньшая их водопотрабносгь обусловлена помимо действия фактора воздуховозлечания и соответственно меньшей водо-

- 15 -

потребность» бокоитоаого шлама в сравнении с аналогичной характеристикой керамзитового и илаколемзового песков (определенной по ГОСТ 9757-66), а также отмеченной вше относительно низкой НГЦГ смешанного вяжущего.

Далее разрабатывалась технология приготовления легкобетонных смесей, учитывающая следующие особенности используемого в них шлама:

1 - опецифическоа строение его зерен о прорастанием слагающих их частиц, их агрегирование;

2 содержание в шламе щелочных соединений, скорость растворения которых может быть повышена при механической воздействия.

В с вяза о первой из отмеченных особенностей оледует ожидать возможность физического и химического диспергирования компонентов связующего при предварительном переыепивашш его о порастим песком н водой затворения; развитие при этом внутренней поверхности раздела фаз должно привести к увеличению поверхностной энергии системы, е следовательно, я к повышению активности вяжущей системы. ■

В связи со второй особенностью должна быть повышена ионная сила среди затворения и, следовательно, можно ожидать более раннего начала гедра'тообразовашя в системе: отсюда - меньшее количество воды затворения может сорбироваться крупным по» '

ристым заполнителем в процесса приготовления бетонной смеси при предварительном приготовлении ее растворной частя.

Эти гипотезы подтвердились при реализации следующего способа приготовления легкоОетонной смеси:, в омеситаль вводится расчетное количество вяжущего, ьода затворения и 50-60^ мелкого заполнителя^ смесь компонентов пвреиеашваетоя в течение

I-1,5 мин., затем вводится крупный пористый заполнитель и перемешивание смеси продолжается еще 1-1,5 шн., на последней стадии вводятся водный раствор воздухововлекаицей добавки и через I шн. перемешивания - оставшаяся часть мелкого заполнителя. Общая продолжительность перемешивания компонентов бетонной смеси составляет 4,5-5 шн.

Результаты сравнения характеристик легкобетонных смесей и бетонов с комплексным использованием шлама, приготовленных по разработанной технологии, в сравнении с аналогичными характеристиками смесей и бетонов, приготовленных по 2м принятым в работе традиционным технологиям, показывают несомненные ее преимущества, характеризуемые: снижением потерь вовлеченного воздуха (в 1,4-1,8 раза) и повышением прочности бетона на

II-12?.

' Изучалась кинетика набора прочности на сжатие (r) разработанных легких бетонов с комплексным использованием шлама. Установлено, что абсолютный прирост R этих бетонов (с 28 оут.) при твердении в течение 380 оут. в яормально-злажносгяых условиях составляет для классов: В3,5 - в среднем 36$, В5 -- 25JS и В7,5 - а для,.бетонов-аналогов (без использования БШ) - соответственно 22,16 и 12%. Причиной более интенсивного набора прочности исследуемых бетонов в поздние сроки твердения является, очевидно, превалирующее содержанка в составе цемент-номллэмового камня низкоосновных гидратных соединений.

Исследованиями основных прочноотных и деформативных характеристик керамзитобетона и шлакопемзосегона подобранных составов классов Б3.5-Е5 при действии кратковременных нагрузок осевого сжатия и растяжения показали, что они отличаются от бетонов-аналогов: повышенными на 10-17$ значениями прочгости

- 17 -

на осевое растяжение (пм3 - на 11-18$ - модуля упругости и на 7-11$ - предельной сжимаемости.

Во многом зги преимущества (особенно в йЬ{;) бетонов со шламом (БШ) обусловлены более высоким качествам контактной зоны (большей плотностью, прочностью и глубиной) 'между растворной частью и крупным заполнителем (см.табл. I), а также большим содержанием гелевидной фазы в цементной связке растворной части.

Таблица I

Микротвердооть контактной зоны исследуемых бетонов класса В3,5 в различном возрасте норадльно-влажностного твердения поолв ТВО

!-

! Вид

! бетона

!

!

i

i

i ¡

ГГ~ I Микр отвердос ть (М1П а )Йконгактной зоны -; бетонов__:____

{раст,-

! !с исяолвзованием

jcyr. !

! аналогов (без БШ)

в микро-! в микро- | в микро- ! в микро-!слое оо ¡слое со ("слое со !слоэ со !стороны ¡стороны ¡стороны '.стороны !раствор-!зерна за-|раогвор- ¡зерна за- 1 !ной час-!полаигзля!ной части! полните ля !

Усадочные деформации исследуемых бетонов со шламом за период наблюдения 300 оут. составили от 0,42 до 0,5 гщ/ы, что на 9-I6& (в зависимости от вида батона и его класоа по прочности) выше, чем у бетонов-аналогов. Это, по-видимому, объясняется отмеченной ранее относительно высокой долей гелевидной составляющей в цяненгно-шламовок камне.

Действием этого же фактора может бить в определенной сте-

- 18 -

пзни обусловлена и повышенная,относительно бетонов-аналогов (на 10-13# к 300 сут. наблюдения) ползучесть исследуемых батонов со шламом. В то ке время следует отметить для этих бетонов более выраженную на период наблюдений тенденцию к затуханию деформаций ползучести по сравнению с бетонами-аналогами.

Определялись теплофизические характеристики бетонов разработанных составов с комплексным использованием плама и для сравнения - бетонов-аналогов. Анализ их (на примере шлакопемзо-бетона) показывает, что коэффициент теплопроводности (X) батонов со шламом в сухом состоянии на 8-9?, в состоянии эксплуатационной влажности - на 14-20$ (в зависимости от условий эксплуатации ограждения по СНиП 11-3-79**) ниже,чем у бетонов-аналогов, а величина его приращения (л X ) на 1% влажности - на 27-29$.

Столь значимый эффект снижения -Я и батона яри ис-

пользовании шлама можно объяснить в основном существенным изме-нениэм поровой структуры растворной матрицы в сторону уменьшения доли крупных капиллярных пор (диаметром более 200 мкм) (см. табл.2).

Зависимость теплопров9дности от характера поровой структуры материала подтверждается экспаримантама по определению Л цементного камня: доля микропор (диаметром 0,1 мкм и менеа) в цемзнтно-шламовом каше 3-хомпонентного СВ оптимального состава в среднем на 2Ъ% выше, чем в "чисто" цементном, а коэффициент теплопроводности на 14-15£ ниже. Сорбшонная влажность

разработанных оетонов не превышает аналогичной показатель батонов-аналогов, несмотря ня отмеченное выше различив ь юровэй структура: так, для йлакояемзобагона класса В3,5 при V г. 9716 - а",

О

Таблица 2

Дифференциальная макрояористость растворной части батонов

! -------- " ! Вид ! батона ! Количество лор по диаметрам (ыкм) в растворной части бетоне, в % от общей пористости

до ICO í 100-200 Í 200-400,'400-800; более 600

i Ылекопемзо- t батон ¡ 23 ' ! 37 " 12 | 24 Ш " 16' 'И ! _9 35 j 13

!Керамзито-!бетон ! 26 S 31 16 { 21 22 14 10 i И 30' i 1Э

Примечание. Над чертой - бетоны о EU1¿

под чертой - батоны-аналоги.

' Испытания по ГОСТ I00SQ-87 исследуемых легких бетонов показали, что введение в них илама не только на привело к понижению их морозостойкооги, но даже насколько повысило ее (на 1013$, судя со коэффициенту морозостойкости). Марки же по морозостойкости составили для батонов классов ВЗ,5~В7,5, соответственно Р75-Р150. Обусловлено это, по-видимому, отмеченными выше .преимуществами бетонов со шламом в поровой структуре и в качестве контактной зоны.

Если ориентироваться на требования СНиП 5.01.23-83, то можно было полагать, что (Загоны разработанных составов с расходами клинкерной составляющей в СВ - II5-I50 кг/м3 не будут обеспечивать достаточную пассивашв стальной арматуры. С другой стороны, отмечавшееся выше относительно высокое содержание водорастворимых щелочей в шламе при комплексном использовании его в бетоне могло бы обеспечить достаточно высокуп щелочность поровой жидкости.

Пассивирующие свойства ¿¡егонов с комплексным применением шлама при использовании 2-х видов смешанного вяжущего оптимальных составов исследовались в соответствии со стандартом CT СЭВ

4421-81. Анализ поляризационных кривых доказал, чго сталь устойчиво пассивна как сразу после ТВО, так и в процессе испытания в режима попеременного увлажнения и высушивания в течение 3-х и 6 месяцев в Сетоне; где расход клинкерной части смещан-

q

ного вяжущего составляет не менее 140 кг/м,.

Для оценки длительности защитного дейогвия бетона по отношению к арматуре определялась величина его диффузионной прони-цаемооти для углекислого газа. Глубина карбонизации бетона о фактическим расходом клинкерной части вяжущего 140-180 кг/к^

составила 12-14,5 мм, а величина эффективного коэффициента диф-

4 2»

фузии углекиолого газа - 4,4-5,4.10 см /с.

Таким образом, можно сделать вывод о достаточной первичной пассивирующей способности разработанных бетонов со шламом по отношении к стальной арматуре при условии, что расход клин-

о

карлой с оставляющей в СВ будет не менее 140 кг/м.. Следовательно установленные'в экспериментах преимущества таких бетонов в расходе цемента и таплоф1зичвских характеристиках могут быть реализованы й в армированных стеновых конструкциях при соблюдении вышеуказанного условия до расходу клинкерной часта в СВ.

Производственная проверка результатов проведенных исследований осуществлялась на заводе К1Щ-1 ДСК г.Павлодара при выпуске опытно-промышленной партии наружных стеновых панелей серии III-I2I из керамзитобетона с комплексным использованием шлама.

Расчетный экономический эффект от внедрения таких бетонов, обусловленный снижением требуемого расхода цемента и частичной заменой дробленого керамзитового песка, составляет 6,3-6,9 руб. на I ii3 бетона.

свдив выводы

1. Определена целесообразность использования бокситового шлама (БШ) глиноземного яроизводсгва, полученного яри переработке бокоигов "сдекательным" способом, в качестве компонента смешанного вяжуцего (в молотом виде) и мелкого пористого заполнителя (в естественном виде) в конструквдонно-теплоиэоляцион-ных легких бетонах (на примере керамзито- и шлаколемзобетона классов по прочности на сзкагие В3,5-В7,5).

Эффективность такого применения БШ обусловлена возможности экономии цемента (до 52$) в легких батонах, и снижения их теплопроводности.

2. Установлено, что бокситовый мам в составе смешанных вяжущих целесообразно применять в сочетании с тонкодисперсными минеральными добавками алюмосиликаты ого оостава. В качестве таких добавок эффективно использование доменного граншлака (ДГ)

и пыли рукавных фильтров - отхода производства ферросилиция, что позволяет получать качественно новые гидратные соединения и структуры и устранить образование "выоолов" на ловархнооти бетонных изделий.

3. Разработаны оптимальные о точки зрения активности, во-допогребносги и сроков схватывания составы трехкомпонентяого смешанного вяжущего, в масс,частях:

ПЦ : БШ : ДГ 2,5 : 1,5 : I (I)

ПЦ : БШ : ПРФ 2,12: I : 0,2 (2)

Вяжущие составов 1(2) характеризуются по сравнение с исходным портландцементом: пониженными на 13(6)$ значениями НГЦГ, сокращенным на 47(52)$ и 16(43)? сроками соответственно начала и конца схватывания.

4. Установлена роль щелочных соединений бокситового а лама

- 22 -

в процессе твердения смешанного вяжущего и формирования его шкроструктуры, которая сводится к следующему:

- поддержанию уровня значений рН жидкой фазы, достаточных для гидратации минералов цемента}

- снижению степени пересыщения жидкой фазы гидроксидом калышя, а следовательно- снижении основности новообразований;

- активизации и разрыхлению структуры кислых и амфотерных оксидов;

- образованию щелочных алюминатов и силикатов кальция, а также низкотемпературных карбонатов, щелочных или иалочно-ще-лочноземельных гидроалюыосиликатов.

5. Основными элементами фазового состава гидрагированного смешанного вяжущего на основа БШ, определяющими его прочностные, деформативныа показатели, стойкость к действию химических реагентов являются: низкоосновные гидросиликаты гоберморитовой группы, гидроадоминаты кальш'я, гидрогранвты различной основности, кальцит и вагериг, а также практически нерастворимые натриевые или натриево-калышевыв гидроалюмосиликаты.

6. Установлено, что при изменении содержания БШ в ооставе смешанного вяжущего от 20 до 60% общая пористость пементно-шла-мового камня уменьшается на 4-7$, капиллярная - на 12-16$; количество пор геля увеличивается на 25-30$, повышается однородность распределения пор по объему.

7. Исследованиями различных способов приготовления грех-компонентного смешанного вянущего установлено, что наиболее эффективным о позиций обеспечения требуемых свойств, минимальных трудо- и энергозатрат является раздельный дошл шлама, минеральных добавок и последующее их смешение с цементом. Такой способ позволяет: сохранить исходную основность и активность компо-

ненгов, избежать возможной нейтрализации активных поверхностных центров клинкерных частиц; оократигь энергозатраты на помол компонентов до 25-30$ и увеличить срок эксплуатации технологического (помольного) оборудования.

8. Разработаны составы конструкционно-теплоизоляционных кераизито- и илакопемзобатонов классов по прочности на скатив В3,5-37,5 с использованием бокситового илама как компонента вяжущего и мелкого пористого заполнителя. Расход портландцемента (т.е. клинкерной составляющей смешанного вяжущего) в них

3

ооставляет 115-150 кг на I м. бетона.

Исяользовани-1 бокситового шлама в этих бетонах позволяет, кроме снижения Требуемого расхода цемента:

- улучшить удобоукладываемость лзгкобетонных смесей, оцениваемую уменьиекием их жесткости с 20 с до 6-в с;

- сократить потери первоначального воздухововлечеяия (через 30 мин. после приготовления - в среднем на 30-45$).

9. Разработана оптимальная технология приготовления легкобетонных смесей с использованием шлама, предполагающая раздельное приготовление связующего с добавкой 25-40$ (от расчетного расхода) мелкого пористого заполнителя и последующее смешивание приготовленной растворной части с крупным пористым заполнителем и оставшейся 'частью мелкого заполнителя.

Такой способ приготовления позволяет повысить стабильность. воздухововлечения в бетонной смеси, устранить возможность предварительного насыщения зерен крупного пористого заполнителя растворимыми щелочными соединениями шлама, вызывающими растворение сгеклофазы заполнителя и снижения его структурной прочности.

10. Использование бокситового шлама в легких бетонах вза-

- 24 -

мен части клинкерного цемента и пориотого паска позволяет:

- повысить прочность на ооевоа растяжение - на 10-17^,модуль упругости - на П-18&, предельную сжимаемость - 7-11$;

- онизить коэффициент теплопроводности бетонов в состоянии эксплуатационной влажности в среднем на 14-20$, коэффициент паропрошшемости - на 10-11$;

- повысить морозоотойкость бетонов на 10-13$,

Однако, усадка и ползучесть этих бетонов увеличивается соответственно на 9-16$.

11. Результаты проведенных коррозионных испытаний стальной арматуры показывают, что батоны разработанных составов с комплексным использованием шлама обеспечивают ее первичную пассивацию при расходе клинкерной составлявшей в смешанном вяжу-

3

щвм не менее 140 кг на I м, батона .В батонах, где содержание клилкерной части ниже указанной величины, даже при относительно высоких расходах Шлама в бетоне, содержащего растворимые щелочные соединения, наблюдается коррозия арматуры.

12. Результаты проведенных исследований использована:

- при составлении "Рекомендаций по применению бокситовых шлемов глиноземного производства в бетонах и строительных растворах" (НШ2Б, 1990) и- "Пособия по производству изделий из легких бетонов на пористых шлаковых заполнителях" (к СНиП 3.09.01-85), Сгройиздат, 1290;

- при изготовлении опнтно-лромшденкых партий одно- и двухслойных стеновых панедей серии 111-121 из керамзитобатонв

с использованием БШ на КПД-1 Павлодарского ДСК Минстроя КазССР; экономический эффакт, обусловленный снижением требуемого расхода цемента и частичной заменой дробленого керамзитового песка бокситовым шламом, составляет 6,3-6,9 руб. на I гР. бетоня.

Практические результаты работы экспонировались на ВДНХ СССР в 1988 г., автор диссертации награжден серебряной медалью.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.C. 1520047 СССР МКИ С 04 В 28/14. Формовочная смесь / И.В.Путляев, В.А.Тян, В.И.Савин, Ш.К.Торпищев и др.

2. Положительное решение по заявка на а.с. й 4407253/2333 от 27.04.I9S9. Сырьевая смесь для изготовления легкого бетона / В.Н.Ярмаковокий, Ю.А.Белов, И.К.Торпищев и др.

3. Положительное решение по заявке на а.с. JS 4443788/2333 от-7.G7.1989. Шлакопемзсбетонная смесь / В.Н.Ярмаковский,-ЮД.Белов, В.А.Булаев, Ш.К.Торпищев и др.

4. Положительное решение по заявке на а.о. Ji 4600534/2333 от 28.09.1989. Споооб приготовления легкобетонной-омеси /■ В.-Н.Ярмаковский, Щ.К.Торсищев и др.

5. Положительное решение по заявке на а.с. № 4753729/33 от 27.07.1990. Легкобетонная смесь / В.Н.Ярмаковский, В.А.Тян, Ш.К.Торпищев я др.

6. Гусев Б.В., Тян В.А., Горпищев Ш.К. Бетоны на активированных смешанных вяжущих с использованием бокситовых шлаков // Ресурсосберегающие технологии, структура и свойства дорожных бетонов. - Тез.докл.республ.конф. - Харьков, 1989. -

С .199-200.

7. 'Ярмаковский В.Н., Тян В.А., Горпищев Ш.К. Особенности твердения цементов с добавкой бокситового шлама / йзв.ВУЭов. Строительство и архитектура. - 1990. - Д 7. - С.56-59.

8. Торгшщев 1Д.К., Тойлибаев Н.К. Эффективность активации смешанных вяжущих с минеральными добавкам // Бетог и железобетон. - 1990. - В 6. - С. 42-43.

9. Тян В.А., Торпищев Ш.К-. 'Комплексное вяжущеа с использованием отходов производства // Ресурсосберегающие технологии в производстве сборного железобетона. - Тез. научн.-техн.семинара. - Челябинск, 1990.

10. Положительное решение по заявке на а.с. &4822916/33 от 26.02.1991. Вяжущее / В.Н.Ярмаковский, Ш.К.Торпищев и др.-

"ЗакАл / Тига*' ТОО г>;п

й i.Uli