Состав и технология комплексных добавок для бетона на основе промышленных отходов

РЕФЕРАТ. Изложены результаты разработки составов комплексных добавок для бетона, включающих в себя минеральные компоненты на основе отходов промышленных производств (таких как золошлаковые отходы ТЭЦ, гранулированный шлак и отходы камнедробления вулканического туфа), а также технологии их приготовления. Показана эффективность применения разработанных комплексных органоминеральных добавок для улучшения технологических свойств бетонных смесей и повышения прочностных показателей бетона.

Ключевые слова: добавки для бетона, промышленные отходы, свойства бетонных смесей, физико-механические свойства бетонов.

Keywords: additives for concrete, industrial waste, properties of concrete mixes, mechanical-and-physical properties of concrete.

Введение

Использование промышленных отходов в производстве строительных материалов является перспективным способом решения проблем экологии и городского хозяйства. В настоящее время активно развивается отрасль производства добавок для цемента и бетона. Получение высококачественных бетонов невозможно без комплексного применения химических, минеральных, а также органоминеральных добавок [1—8].

Органические (химические) добавки применяют в небольших количествах (до 2 % массы цемента). При таких дозировках не всегда удается равномерно распределить их в структуре бетонных смесей, что может приводить к снижению эффективности действия. При использовании заранее приготовленных органоминеральных добавок минеральные компоненты выполняют функцию носителей химических добавок, что позволяет равномернее распределить их в бетонных смесях, сократить время «транспорта» химической добавки к поверхности частиц цемента и повысить ее эффективность.

Для изготовления органоминеральных добавок в качестве минеральной составляю­щей в основном используются кремнеземсодержащие компоненты (микрокремнезем или его смесь с золой-уносом). В качестве химических компонентов применяют пластифицирующие поверхностно-активные вещества на основе нафталинформальдегидных соединений или их смесей с регулятором твердения и другими добавками [6—8]. Повысить эффективность применения комплексных органоминеральных добавок можно путем расширения базы минеральных и химических составляющих, в том числе техногенного происхождения (что позволит частично решить задачу утилизации промышленных отходов), а также за счет реализации новых технологий получения таких добавок. При этом выбирать их минеральные и химические компоненты следует с учетом различных факторов, влияющих на свойства бетонных смесей и бетонов.

В ходе научно-прикладных разработок был получен ряд составов комплексных органоминеральных добавок, определены требуе­мая дисперсность их минеральных компонентов, оптимальное соотношение минеральных и химических компонентов и сформулированы рекомендации по дозировке [9—11].

Сырьевые материалы и методология исследований

При разработке составов и технологии комплексных органоминеральных добавок применяли в качестве минеральных компонентов промышленные отходы: золо­шлаковые отходы (ЗШО) ТЭЦ г. Воронежа, молотый гранулированный доменный шлак (ГДШ) — ​отход производства Липецкого металлургического комбината, отход камнедробления вулканического туфа (ОКВТ) Каменского месторождения (Кабардино-Балкарская Рес­публика). Химический состав техногенных минеральных компонентов по данным химических и спектральных методов определения количественного содержания оксидов по ГОСТ Р 57789—2017 «Золы, шлаки и золошлаковые смеси ТЭС для производства искусственных пористых заполнителей. Технические условия», приведен в табл. 1.

В качестве химических компонентов применяли пластифицирующе-водоредуцирующие добавки в виде сухих порошков на основе поликарбоксилатов — ​Мelflux 2651F, а также на основе нафталинсульфонатов и их комплексов — ​Кратасол ПФМ.

Результаты и их обсуждение

Разработаны и запатентованы две эффективные технологии приготовления органоминеральных добавок путем нанесения химической добавки на поверхность минерального компонента: 1) предадсорбционное сухое нанесение и 2) дискретное распределение [9]. Первая предусматривает сухой помол предварительно подготовленных минеральных компонентов совместно с химической добавкой в мельнице тонкого измельчения. Вторая состоит в перемешивании предварительно подготовленных минеральных компонентов с химической добавкой, также в сухом виде. Продолжительность подготовки комплексных добавок с использованием указанных технологий зависит от типа помольного и смесительного оборудования, а также вида и характеристик минеральных компонентов [9].

В результате реализации описанных методов в лабораторных условиях получали порошкообразные материалы, включающие в себя химическую добавку и минеральный компонент на основе промышленных отходов и являющиеся комплексными органоминеральными добавками для бетона. Их удельная поверхность составляла 700—800 м²/кг в зависимости от вида минерального компонента и способа приготовления, дозировка (в соответствии с рекомендациями, приведенными в работе [11]) — ​5—15 % массы цемента. Полученные органоминеральные добавки обладают пластифицирующе-водоредуцирующим действием, позволяют регулировать свойства бетонных смесей и повышают прочность бетона.

Эффективность действия разработанных комплексных добавок оценивали на бетонных смесях следующего базового состава: цемент — ​500 кг/м³; песок — ​740 кг/м³; щебень — ​1000 кг/м³. Комплексные органоминеральные добавки, содержащие 8 % химического компонента и 92 % минерального, получали предадсорбционным методом в лабораторных условиях. Совместный помол компонентов осуществляли в шаровой лабораторной мельнице. Бетонные смеси подготавливали в лабораторном смесителе, объем замеса каждого состава составлял 10 л, дозировка органоминеральной добавки — ​10 % массы цемента. При вводе химической добавки без минерального компонента ее дозировка составляла 0,8 % массы цемента. Подвижность всех бетонных смесей была одинаковой и характеризовалась осадкой конуса, равной 20 см, при различных соотношениях В/Ц. 

Установлено, что введение комплексных органоминеральных добавок положительно влияет на свойства бетонных смесей и бетонов (табл. 2). Наибольшую эффективность показали добавки, в которых в качестве химического компонента использовали Мelflux 2651F. Ввод добавок привел к значительному снижению водопотребности (соотношения В/Ц) бетонных смесей (на 25—40 % в зависимости от состава добавок), благодаря чему раствороотделение снизилось до 1,2 %, водоотделение — до 0,2 %.

Испытания показали, что применение органоминеральных добавок способствует повышению нормативной 28-суточной прочности бетона по сравнению с прочностью образца контрольного состава без добавок. Полученные результаты объясняются существенным водоредуцирующим эффектом химического компонента, а также формированием более плотной структуры цементного камня за счет минеральных компонентов комплексной добавки. Значительное повышение прочностных показателей бетонов позволяет сократить расход цемента в бетонных смесях без изменения их подвижности.

Результаты исследований микроструктуры образцов цементного камня, полученных из цемента, модифицированного разработанными органоминеральными добавками и не содержащего их, представлены на рис. 1. В микроструктуре образцов без добавок имеются зоны с повышенной пустотностью — ​темные области (рис. 1, а). При использовании органоминеральных добавок микроструктура цементного камня становится более плотной и включает в себя кристаллические новообразования, заполняющие поровое пространство (рис. 1, б, в). Сформированную структуру анализировали с помощью методов фрактальной геометрии, ранее использовавшихся в работах [11, 12]. В их основе лежит оценка взаимосвязи показателя фрактальности с плотностью и прочностью цементного камня. По данным этих методов, в целом структура цементного камня из цемента с комплексными добавками плотнее и однороднее, что можно соотнести с более высокой прочностью содержащего их бетона.

Рис. 1. Структура цементного камня при увеличении × 2000 без добавок (а) и с комплексными добавками, содержащими в качестве минерального компонента ОКВТ (б) и ЗШО (в)

Для производства и внедрения органоминеральных добавок разработана технологическая схема их получения в полупромышленных и промышленных масштабах (рис. 2). Оборудование подбирали и рассчитывали исходя из планируемой производительности 1000 т комплексных добавок в год.

Рис. 2. Технологическая схема производства комплексных органоминеральных добавок: 1 — ​бункер исходного сырья минерального компонента, 2 — ​тарельчатый питатель, 3 — ​сушильное оборудование, 4 — ​ленточный конвейер, 5 — ​ковшовый элеватор, 6 — ​бункер минерального компонента, 7 — ​бункеры химических добавок, 8 — ​весовой дозатор, 9 — ​шнековый питатель, 10 — ​помольное оборудование, 11 — ​бункер готовой органоминеральной добавки

На основе обобщения результатов испытаний бетонных смесей и бетонов разработаны технологические рекомендации по приготовлению модифицированных органоминеральными добавками бетонных смесей для производства тяжелого бетона, предназначенного для изготовления бетонных и железобетонных конструкций. Технологические рекомендации содержат следующее: 

⋅ описание применения органоминеральных добавок, позволяющего получить высокоподвижные бетонные смеси (до марки П5) без снижения прочности бетонов, а также повысить прочность, водонепроницаемость и другие показатели качества бетонов других марок, и информацию о соответствующем технико-экономическом эффекте; 

⋅ технические требования к сырьевым материалам для комплексных органоминеральных добавок и бетонов, требования к проек­тированию  и подбору состава бетона в соответ­ствии с действующими нормативно-техническими документами; 

⋅ информацию о следующих особенностях приготовления бетонных смесей:

— комплексную органоминеральную добавку рекомендуется вводить в состав бетонной смеси в порошкообразном виде совместно с сухими составляющими, обеспечивая их тщательное перемешивание; 

— рекомендуется загружать материалы в смеситель в такой последовательности: вначале — мелкий заполнитель, портландцемент и органоминеральную добавку (с перемешиванием не менее 1 мин до получения однородной цементно-песчаной смеси), затем крупный заполнитель и воду; 

— общая продолжительность перемешивания после загрузки всех компонентов должна составлять не менее 2 мин; 

⋅ сведения о контроле производства бетонных смесей, а также технике безопасности и охране труда при работе с органоминеральными добавками в соответствии с действующими нормативными документами.

Заключение

Применение разработанных комплексных органоминеральных добавок позволяет улучшить технологические свойства бетонных смесей и повысить прочностные показатели бетона. Предполагается, что использование ГДШ, ЗШО и ОКВТ в составе разработанных органоминеральных добавок даст возможность получить дополнительный технико-экономический эффект за счет снижения затрат на решение экологических проблем и утилизации промышленных отходов. Таким образом, можно считать целесообразным практическое применение разработанных добавок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и прак­тика. М.: Технопроект, 1998. 768 с.

2. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. М.: АСВ, 2006. 368 с.

3. Collepardy M. The new concrete. Grafishe Tintoretto, 2006. 421 p.

4. Rodriguez V.I., de Cea Antonio A., de Sensale Rodriguez G. Self-compacting concrete of medium characteristic strength // Constriction and building materials. 2012. N 30. P. 776—786.

5. Bapat D. Performance of cement concrete with mineral admixtures // Advances in Cem. Res. 2001. Vol. 13, N 4. P. 139—155.

6. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Батраков В.Г. Комплекс­ный модификатор бетона марки МБ—​01 // Бетон и железобетон. 1997. № 5. С. 38—41.

7. Шатов А.Н. Модификаторы для бетона ответственного назначения // Бетон и железобетон. 2013. № 1. С. 7—9.

8. Шейнфельд А.В. Органоминеральные модификаторы как фактор, повышающий долговечность железобетонных конструкций // Бетон и железобетон. 2014. № 3. С. 16—21.

9. Патент 2454381 Рос. Федерация, МПК С04В 28/00. Способ приготовления комплексного органо-минерального модификатора бетона / Леденев А.А., Усачев С.М., Перцев В.Т. № 2009144453/03; заявл. 30.11.09; опубл. 27.06.12, Бюл. № 18. 5 с.

10. Перцев В.Т., Леденев А.А., Рудаков О.Б. Физико-химические подходы к разработке эффективных органоминеральных добавок для бетона // Конденсированные среды и межфазные границы. 2018. Т. 20, № 3. С. 432—442.

11. Перцев В.Т., Леденев А.А. Разработка эффективных комплексных органоминеральных добавок для регулирования реологических свойств бетонных смесей. Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2012. 136 с. 

12. Алексеева Е.В., Бобрышев А.Н., Воронов П.В., Головинский П.А., Лахно А.В., Перцев В.Т. Структурно-реологические свойства дисперсно-зернистых систем. Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2010. 196 с.