О применении бесклинкерного шлакобетона из вторичного минерального сырья в производстве строительной продукции

РЕФЕРАТ. В настоящее время вторичные минеральные ресурсы, как ценное сырье для промышленности строительных материалов, успешно конкурируют с природными благодаря своей более низкой стоимости и возможности энергосбережения при их применении. В России один из наиболее доступных и дешевых вторичных минеральных ресурсов — сталеплавильный шлак. Эффективная технология его переработки — ​активация путем измельчения. В статье описаны технологические процессы изготовления внутренних стеновых панелей из бетона на основе механоактивированного сталеплавильного шлака. Приведены результаты испытаний этих панелей, подтвердившие их пригодность для использования в строительстве. Полученные изделия можно применять для разделения внутреннего пространства дома, ограниченного капитальными стенами, на отдельные комнаты.

Ключевые слова: вторичное минеральное сырье, активация, механохимия, бесцементные шлакобетонные материалы, элементы ограж­дения.

Keywords: secondary mineral raw materials, activation, mechanochemistry, cementless slag concrete materials, fencing elements.

Введение

На предприятиях различных отраслей промышленности образуются отходы, не пригодные для повторного использования, которые могут использоваться в качестве сырья в других отраслях.

Метод механохимических воздействий с применением современных мельниц-активаторов перспективен для создания новых высокоэффективных и экологически чистых технологий получения вяжущих материалов [1—3]. Активность материалов при их обработке в аппаратах-активаторах повышается за счет высокой энергии механохимических процессов в помольной камере, в том чис­ле значительной энергии взаимодействия мелющего тела с частицами измельчаемого материала. В результате изменения крис­таллической структуры измельчаемого материала, обусловленного механохимическим воздействием, возрастает число коагуляционных контактов разнородных частиц, ускоряется образование продуктов гидратации, повышается пластическая проч­ность твердеющей смеси.

Результаты исследований в области механохимических технологий переработки техногенного сырья при производстве строи­тельных материалов и изготовления изделий различного функционального назначения с заданными свойствами приведены, в частности, в работах [4—13].

Исследования в области использования механохимии при переработке отходов топ­ливно-энергетического комплекса [14] поз­волили накопить значительный экспериментальный материал, что необходимо для понимания различных процессов, протекающих при гидратации минерального сырья и структурообразования в бесклинкерной вяжущей системе.

В металлургической и горнодобывающей отраслях также образуются значительные объемы площади отвалов и шламонакопителей, поэтому утилизация отходов горно-металлургического комплекса, сходных по своему минералогическому и химическому составу с природным сырьем, является ак­туальной задачей.

Разработаны вяжущие, в состав которых входят механоактивированные вторичные минеральные продукты угледобываю­щих и металлургических предприятий г. Новокузнецка (Кузбасс): крупнотоннажные отходы Западно-Сибирского металлургического комбината — ​сталеплавильные шлаки; отходы добычи угля на шахте «Абашевская» — ​горелые породы с терриконика, а также шламы, полученные путем нейтрализации известью электролитов отработанных кис­лотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей промышленного транспорта [15]. Также разработаны материа­лы различного назначения на основе этих вяжущих, среди которых бесцементный мелкозернистый шлакобетон [16].

Цель данной работы — ​изучить возможность изготавливать перегородочные панели из разработанного бесклинкерного шла­кобетона.

Задачи исследований — ​определить основные технологические параметры производства таких панелей и их эксплуатационные свойства, провести апробацию в заводских условиях и разработать соответствующую нормативно-техническую документацию.

Изготовление стеновых панелей

На Томь-Усинском заводе железобетонных изделий (ЗЖБК) (г. Новокузнецк) с соблюдением требований и стандартов серии 1.090.1—1/88 была изготовлена опытная партия прямоугольных железобетонных однослойных глухих (без проема) перегородочных стеновых панелей ПВ 6-30 толщиной 160 мм, предназначенных для использования в крупнопанельных одноэтажных зданиях гражданского и промышленного назначения. Панели спроектированы в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01—84 «Бетонные и железобетонные конструкции», ВСН 32—77 «Инструкция по проектированию конструкций панельных жилых зданий», ГОСТ 12504—80 «Панели стеновые бетонные и железобетонные для жилых и общественных зданий. Общие технические условия».

Панели изготавливали в вертикальных кассетных установках (рис. 1), так как для подвижных бетонных смесей при вертикальном формовании обеспечиваются точность размеров изделия и высокое качество его поверхностей.

Рис. 1. Фрагмент производства внутренней стеновой панели из мелкозернистого шлакобетона на ТУ ЗЖБК: а — ​укладка бетонной смеси в форму-кассету бетонораздатчиком СМЖ 71А, б — ​распалубка и извлечение панели

Для армирования панелей использовали сварные пространственные каркасы и закладные детали, устанавливаемые в форму-кассету. Для сопряжения с примыкающими панелями на боковых гранях изделий были предусмотрены шпонки и арматурные выпуски. На верхних гранях панелей были установлены строповочные петли. В качестве арматуры и закладных деталей использовали горячекатаную сталь классов АI и А-II по ГОСТ 5781—82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия» и арматурную проволоку ВрI по ГОСТ 6727—80 «Проволока из низкоуглеродистой стали холоднотянутая для армирования железобетонных конструкций. Технические условия».

Каждый отсек панели после армирования заполняли шлакобетонной смесью с осадкой конуса 15 см, приготовленной в бетоносмесителе БМ2—1200 объемом 1200 л с принудительным перемешиванием в течение 30 мин. Бетонную смесь транспортировали к кассетной установке и подавали в формовочные отсеки сверху с помощью бетонораздатчика СМЖ 71А. С загруженным бункером бетонораздатчик направлялся своим ходом к посту формования. Путем поворота стрелы выгрузочную воронку устанавливали над формой, включали привод питателя, и шлакобетон из бункера попадал на движущуюся ленту транспортера, с нее подавался в вы­грузочную воронку и далее в форму-кассету. Формовочные отсеки заполнялись шлакобетонной смесью в несколько приемов. Ее уплотняли навесными вибраторами, прикрепленными к разделительным стенкам кассетной установки, с вибрацией каждого слоя в течение 15—20 с (рис. 2).

Рис. 2. Навесные вибраторы на стенках кассетной установки

После окончательного уплотнения верх­нюю поверхность отформованных изделий заглаживали. Изделия находились в формах-кассетах до приобретения бетоном заданной прочности. Тепловую обработку паром изделий в кассетных установках выполняли путем контактного обогрева их через стенки тепловых отсеков, по режиму, заданному специалистами заводской лаборатории Томь-Усинского ЗЖБК.

Изготовленные панели устанавливали на подкладки толщиной 30 мм в специальные кассеты и перемещали в вертикальном положении краном.

Технические характеристики стеновых панелей

Контрольную проверку готовых панелей выполняли при статическом нагружении: на прочность (определяли разрушающую нагрузку), жесткость (измеряли прогиб при нормативной нагрузке) и трещиностойкость (определяли нагрузку, при которой могут образовываться трещины).

Прочность и жесткость оценивали по результатам воздействия кратковременной статической нагрузки. Эти испытания проводили в лаборатории испытательного центра «Строи­тельные материалы и конструкции “Кузбасс”». Для испытаний применяли спе­циальные стенды, оборудованные силовым полом и гидравлическими домкратами (ДГ‑50). Стендовое испытание панелей проводили поэтапно путем воздействия равномерно распределенной нагрузки (потока сжатого воздуха), не превышающей контрольную нагрузку. Конструкции стендов позволяли свободно перемещать панели и по горизонтали, и по вертикали (рис. 3). Усилия передавались на панели домкратами. Установленные для испытания панели были побелены жидким раствором извести.

Рис. 3. Стендовое испытание стеновой панели путем приложения вертикальных (а) и горизонтальных (б) сил

Этапы воздействия вертикальной и горизонтальной нагрузки и результаты испытаний приведены в таблице. Нагрузку прикладывали ступенчато по 0,8 Н/мм² (на 4-м этапе — ​1,8 Н/мм²) до момента разрушения панели. После увеличения нагрузки на одну ступень панель во время выдержки осмат­ривали с помощью оптической лупы четырехкратного увеличения, чтобы обнаружить появление первых трещин. Обнаруженные на поверх­ности панели помечали на поверхности панели, указывая значения нагрузки. После каждой ступени нагруженную панель выдерживали под нагрузкой в течение 10 мин, снимая показания измерительных приборов. Жесткость панелей оценивали по значению прогиба после выдерж­ки под контрольной нагрузкой.

При испытаниях установлено, что стеновая панель ПВ 6-30 удовлетворяет требованиям по прочности: она разрушилась при воздействии нагрузки не менее 0,95 нормативной с коэффициентом запаса 1,12.

Оценку бетона на трещинообразование (раскрытие трещин) проводили путем сравнения фактического времени появления трещин и приложенной нагрузки с их нормативным значениями. Конструкцию признали соответствую­щей II категории по трещиностойкости, так как первые трещины появи­лись при нагрузке, превышающей нормативную.

Пригодность изделия по прочности, трещиностойкости и деформативности (экс­плуа­тационную пригодность) оценивали по ГОСТ 8829—94 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости». Результаты испытаний показали хорошую сходимость нормативных и опытных значений. Были определены фактические значения разрушающей нагрузки: по проч­ности, прогибу и трещинам под контрольной нагрузкой при испытаниях по жесткости и трещиностойкости. Пробное нагружение испытуемого изделия показало его соответствие техническим требованиям. На изделие «Панели стеновые внутренние шлакобетонные» разработаны технические условия.

Практические рекомендации, разработанные в ходе исследования, использованы при устройстве внутренних монолитных перегородок в возводимых жилых зданиях г. Новокузнецка. Из опытной партии бесцементной шлакобетонной смеси выполнены внутренние монолитные перегородки объемом 90 м³.

Чтобы подтвердить полученные положительные результаты на технологической линии Завода крупнопанельного домострое­ния № 2 (ЗКПД -2 ООО «НДСК им. А.В. Косилова», г. Новокузнецк) выпущена вторая опытная партия панелей. Стеновые панели ПВ 6-30 — ​межкомнатные, они не являются несущими конструкциями и предназначены для разделения внутреннего пространства дома, ограниченного капитальными стенами, на отдельные комнаты. Эти изделия рекомендуются для эксплуатации в помещениях с положительной температурой и нормальной влажностью воздуха, без воздействий внешних факторов. Такие панели должны быть прочными и устойчивыми, не иметь трещин и щелей на поверхности и в местах примыкания к другим конструк­циям, выдерживать необходимый срок службы, равный сроку экс­плуатации самого дома.

Из панелей ПВ 6-30 были изготовлены внутренние перегородки при возведении одноэтажных зданий коттеджного поселка в Новокузнецком районе. Перегородки устанавливали до выполнения стяжки пола. Пос­ле устройства стяжки в места соединения перегородок с полом и потолком укладывали упругие прокладки из звукоизоляционного материала толщиной 2 см.

В ходе эксплуатации панелей проводили мониторинг их технического состояния на наличие дефектов и повреждений, влияющих на снижение несущей способности и эксплуа­тационной пригодности изделий, а также выполнения требований к качеству поверх­ностей и внешнему виду. Во время осмотров проверяли наличие наклона, выпучивания, трещин; надежность сопряжения со смежными конструкциями (зыбкость); надежность сцепления отделочного слоя (штукатурки, окраски) с перегородкой. Техническое состояние стеновых панелей контролировали ви­зуально, методом ударного импульса (оперативного неразрушающего контроля прочности и однородности бетона) по ГОСТ 22690—88 «Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля» и магнитным методом контроля толщины защитного слоя бетона по ГОСТ 22904—93 «Конструкции железобетонные. Магнитный метод определения толщины защитного слоя бетона и расположения арматуры».

Результаты осмотров показали, что тонкостенные перегородочные конструкции соответствовали требуемым эксплуатационным характеристикам и в течение эксплуатации сохранили несущую способность. В ходе экс­плуатации дефекты и повреждения не обнаружены. Проведенный мониторинг выявил техническую возможность использовать данные тонкостенные перегородочные конструкции на строительных объектах.

Заключение

Испытания шлакобетонных изделий, изготовленных в опытно-промышленных условиях, подтвердили эффективность предлагаемых технологических приемов их изготовления и целесообразность внедрения в производство. Технологический процесс изготовления таких изделий можно организовать как на вновь создаваемых, так и на действующих предприятиях сборного железобетона с использованием их существую­щего технологического оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Симонов П.А., Стороженко Г.И., Раков М.А., Манзырыкчы Х.Б. Механохимическая активация цементно-песчаного камня для повторного использования в строительстве // Строи­тельные материалы. 2024. № 1—2. С. 9—14. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X‑2024-821-1-2-9-14.

2. Ковалев Я.Н., Чистова Т.А. Технологии активации строительных материалов. Минск: БНТУ, 2022. 142 с.

3. Алфимова Н.И., Калатози В.В., Карацупа С.В., Вишневская Я.Ю., Шейченко М.С. Механоактивация как способ повышения эффективности использования сырья различного генезиса в строительном материаловедении // Вестн. БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 6. С. 85—89.

4. Зимакова Г.А., Солонина В.А., Илясова С.В., Ашуров М.А. Активация металлургического отвального шлака // Инновации и инвестиции. 2019. № 10. С. 280—284.

5. Андрюшкова О.В., Полубояров В.А., Паули И.А., Коротае­ва З.А. Механохимия создания материалов с заданными свойствами. Новосибирск: НГТУ, 2010. 352 с.

6. Fedorov P., Sinitsin D. Alkali-activated binder based on cupola dust of mineral wool production with mechanical activation // Buildings. 2022. N 12 (10). P. 1565. DOI: https://doi.org/10.3390/buildings12101565.

7. Fediuk R., Mochalov A., Timokhin R. Review of methods for activation of binder and concrete mixes // AIMS Materials Science. 2018. Vol. 5, N 5. P. 916—931. DOI: 10.3934/matersci.2018.5.916.

8. Лапшин О.В., Болдырева Е.В., Болдырев В.В. Роль смешения и диспергирования в механохимическом синтезе (обзор) // Журнал неорганической химии. 2021. Т. 6, № 3. С. 402—424. DOI: 10.31857/S 0044457X21030119.

9. Федюк Р.С., Мочалов А.В., Лесовик В.С. Современные способы активации вяжущего и бетонных смесей (обзор) // Вестн. Инженерной школы ДВФУ. 2018. № 4 (37). C. 85—99.

10. Абрамов М.А., Степанов Е.Г., Качалов Д.В., Мурашов А.О. Механохимическая технология эффективного использования вторичного техногенного сырья // Вестн. РГАТА им. П.А. Соловьева. 2021. № 1 (56). С. 84—89.

11. Голик В.И., Алексеев И.А. Механохимическая активация хвостов обогащения для использования в качестве компонентов твердеющих закладочных смесей // Горный информационно-аналитический бюлл. 2023. № 5—1. С. 5—16.

12. Голик В.И., Титова А.В. Комбинированные технологии активации минерального сырья // Горная промышленность. 2021. № 5. С. 100—105. DOI: 10.30686/1609-9192-2021-5-100-105.

13. Сучков В.П., Веселов А.В. Механохимическая активация природного и техногенного сырья при производстве высокопрочного гипса // Технологии бетонов. 2021. № 6 (179).

С. 71—77.

14. Павленко С.И., Луханин М.В., Аввакумов Е.Г., Корнеева Е.В. Теоретические основы и технологические аспекты создания нового нанодисперсного силикатного вяжущего из вторичных минеральных ресурсов с использованием механохимии. Новосибирск, 2013. 106 с.

15. Корнеева Е.В., Корнеев В.А. Вяжущие на основе отходов предприятий горно-металлургического комплекса Кузбасса // Цемент и его применение. 2024. № 6. С. 64—68.

16. Патент № 2377215 Российская Федерация, МПК C04B 28/08 (2006.01), C04B 111/20 (2006.01). Бетонная смесь: заявл. 23.12.2008; опубл. 27.12.2009 / Корнеева Е.В., Павленко С.И.