Дисперсно-армированный газобетон с использованием базальтовых отходов
РЕФЕРАТ. Целью данной работы стала разработка состава неавтоклавного газобетона со структурой, упрочненной путем ввода добавки пылевидных базальтовых отходов (ПБО) и волокнистых базальтовых отходов (ВБО). ПБО в виде порошка с удельной поверхностью 346 м2/кг и истинной плотностью 2180 кг/м3 применялись в качестве минерального микронаполнителя. Его химический состав, определенный на сканирующем микроскопе Quanta 200 с приставкой для элементного анализа Apollo 40 методом энергодисперсионной спектроскопии (основным компонентом является SiO2), и большая удельная поверхность позволяют повысить прочность газобетона. ВБО применялись в качестве дисперсно-армирующего компонента газобетона. Они представляют собой волокна толщиной 50—70 мкм, длиной около 4—6 мм. При введении ВБО в газобетон повышается его прочность и уменьшается трещинообразование благодаря их хорошему сцеплению с цементным камнем. Разработан первый экспериментальный состав неавтоклавного газобетона, содержащего ПБО и ВБО, с прочностью на сжатие 1,4 МПа и средней плотностью 600 кг/м3.
Ключевые слова: неавтоклавный газобетон, суперпластификатор СП-1, пылевидные базальтовые отходы, волокнистые базальтовые отходы, трещиностойкость, коэффициент прочности.
Keywords: not autoclave gas concrete, superplastisizer SP-1, dust-like basalt waste, not autoclave gas concrete, fibrous basalt waste, crack resistance, strength coefficient.
В настоящее время в связи с увеличением стоимости энергоресурсов стал устойчивым интерес к минеральным строительным материалам с высокими теплоизоляционными свойствами. Именно к таким материалам относится неавтоклавный газобетон. В России имеются основные сырьевые материалы и оборудование для его производства [1, 2]. Основная проблема при изготовлении неавтоклавного газобетона — низкие прочность и трещиностойкость. Положительное влияние на прочностные показатели и формирование бездефектной структуры газобетона оказывает применение эффективных наполнителей из природного сырья, обладающих химической активностью, совместно с суперпластификаторами [3, 4]. Высокая прочность газобетона достигается за счет подбора упаковки частиц наполнителя с оптимальной гранулометрией [5, 6]. Наиболее плотная компактная упаковка частиц достигается при использовании полидисперсного наполнителя [7].
Эффективным способом устранения указанных выше недостатков является дисперсное армирование газобетона волокнами, обеспечивающее существенное улучшение прочностных и деформативных свойств материала, а также повышение эксплуатационной надежности изделий. Несмотря на широкое разнообразие существующих волокнистых материалов, не все они отвечают требованиям, предъявляемым к арматуре, поэтому к решению вопроса об их использовании следует подходить дифференцированно с учетом свойств и самих волокон, и упрочняемых ими бетонов. Введение стеклянной, полимерной или асбестовой дисперсной арматуры, хаотично расположенной в объеме плотной составляющей фибробетона, создает в этом объеме зоны, способность которых к пластическим деформациям существенно выше, чем у неармированного аналога. Таким образом, формируется структура материала, в котором за счет высокопрочных волокнистых включений с высоким модулем упругости возможны замедление или полное прекращение роста образующихся трещин.
Синтетическая фибра имеет преимущества по сравнению со стеклянной: в частности, она обладает гибкостью, устойчива к воздействию щелочей гидратирующегося цементного вяжущего, а следовательно, сохраняет исходные свойства в ходе приготовления бетонной смеси и не способствует разрушению пленок ПАВ, удерживающих внутри нее газовую фазу [8]. После затворения смеси синтетическая фибра сохраняет свои форму и размеры, что позволяет улучшить механические свойства пенобетона при воздействии на него растягивающих и изгибающих нагрузок. Дисперсное армирование синтетическими волокнами способствует не только уменьшению деформаций усадки, но и снижению проницаемости и теплопроводности материала в результате улучшения его макроструктуры.
Значительный интерес представляет применение в качестве арматуры синтетических волокнистых материалов, которые являются отходами промышленного производства. К ним относятся, в частности, полиамидные волокна, используемые при получении шинного корда. Промышленные отходы кордных волокон (вискозных, капроновых) дешевле полиэтиленовых, нейлоновых и полипропиленовых. Отходы корда представляют собой волокна длиной от 5 до 10 мм, диаметром до 0,5 мм, которые сравнительно легко перемешиваются с бетонной смесью и равномерно распределяются в ее объеме. Оптимальное количество отходов кордных волокон, вводимых в бетонную смесь, — 1—2 % [9]. Армирование высокодисперсными базальтовыми волокнами позволяет компенсировать главные недостатки обычного бетона — низкую прочность при растяжении и хрупкость — малую устойчивость к разрушению при ударном механическом воздействии (трещиностойкость) [10]. Применение высокодисперсных волокнистых наполнителей в цементных бетонах положительно влияет на структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства бетона. Это достигается за счет улучшенной адгезии волокон к цементной матрице, сравнительно высоких значений прочности на растяжение и модуля упругости волокон, их стойкости по отношению к щелочной среде. Прочность базальтовых волокон и высокопрочных стеклянных волокон сопоставимы, а модуль упругости базальтовых волокон на 15—20 % выше, чем у волокон из стекла.
Особое место занимают вопросы применения грубых базальтовых волокон для армирования бетонных матриц. Установлено, что удовлетворительные результаты можно получить при использовании грубых базальтовых волокон диаметром порядка 100 мкм, которые способны выполнять функции армирующих компонентов в бетонных матрицах на основе портландцементов и сохранять свои свойства в течение достаточно длительного времени. Очевидно также, что если для тонких волокон значительную роль играет кинетический фактор, т. е. скорость химической реакции на их развитой поверхности, то для грубых волокон лимитирующими являются диффузионные процессы, и соответственно возможна более длительная работа таких волокон в бетонных матрицах. Бетон с применением базальтовых волокон обладает высокой способностью к деформации за счет образования армирующего каркаса [11].
Целью данной работы являлась разработка состава неавтоклавного газобетона с упрочненной структурой за счет использования пылевидных (ПБО) и волокнистых (ВБО) базальтовых отходов. ПБО образуются в ходе дробления базальта при производстве теплоизоляционных материалов, ВБО — при производстве утеплителя из минеральной ваты (обработке минераловатных плит). Их химический состав, определявшийся на сканирующем микроскопе Quanta 200 с приставкой для элементного анализа Apollo 40 методом энергодисперсионной спектроскопии, приведен в табл. 1.
ПБО применялись как минеральный микронаполнитель в виде порошка со средними показателями удельной поверхности 346 м2/кг и истинной плотностью 2180 кг/м3. Основным оксидом в пробе ПБО является SiO2, содержание которого — 68,33 масс. % (см. табл. 1). Благодаря высокому содержанию SiO2 и большой удельной поверхности ПБО протекающие в газобетоне процессы приводят к повышению его прочности. Гранулометрический состав ПБО, определенный методом лазерной дифракции, приведен на рис. 1. Видно, что размер их частиц — 0,4—75,0 мкм.
Рис. 1. Гранулометрический состав ПБО, %
ВБО применялись в качестве дисперсно-армирующего компонента газобетона. Они представляют собой волокна толщиной 50—70 мкм, длиной около 4—6 мм (рис. 2). При введении ВБО в газобетон повышается его прочность и уменьшается трещинообразование благодаря хорошему сцеплению волокон с цементным камнем.
Рис. 2. Микрофотография ВБО
Для определения оптимального содержания ПБО в газобетоне выполняли планированный двухфакторный эксперимент на модельной смеси «цемент—ПБО—добавка—вода» с варьированием соотношения масс ПБО и цемента (П/Ц) в пределах 0,75—1,25 и содержания добавки (суперпластификатора «Полипласт СП-1») в количестве 0,4—0,8 %. Количество воды подбирали таким образом, чтобы расплыв конуса оказался в пределах 114—116 мм. Зависимости прочности на сжатие контрольных образцов от соотношения П/Ц и содержания суперпластификатора приведены на рис. 3. При увеличении количества ПБО в смеси предел прочности при сжатии уменьшается, причем наиболее резко — при содержании ПБО более 50 %. При содержании цемента в газобетоне более 50 % увеличивается усадка газобетона; кроме того, соотношение П/Ц менее 1 невыгодно с экономической точки зрения. При увеличении количества суперпластификатора «Полипласт СП-1» в смеси до 0,6 % предел прочности при сжатии заметно увеличивается. По указанным причинам в качестве оптимального выбрано соотношение П/Ц = 1 при содержании суперпластификатора «Полипласт СП-1», равном 0,6 %.
Рис. 3. Зависимость предела прочности при сжатии Rсж контрольных образцов от содержания ПБО и «Полипласт СП-1»
Далее был экспериментально разработан состав газобетона с оптимальным содержанием ПБО, равным 50 %, и содержанием суперпластификатора «Полипласт СП-1» 0,6 %. Выполняли планированный двухфакторный эксперимент, варьируя соотношение В/Т от 0,65 до 0,69 и содержание алюминиевой пудры — от 550 до 650 г. Приготовленную газобетонную смесь с одинаковой подвижностью (расплыв смеси (РС) по Суттарду 29—31 см) заливали в формы-тройчатки с внутренней длиной ребра 10 см, предварительно разогретые до температуры 40—45 °С. Газобетонная смесь в формах вспучивалась в течение 20 мин. «Горбушку» (выступающие за пределы формы части материала) срезали металлической струной через 3 ч после заливки смеси в формы. Распалубка форм осуществлялась через 48 ч твердения газобетона, после чего образцы помещали в камеру нормального твердения еще на 5 сут. В дальнейшем образцы высушивались до постоянной массы и подвергались физико-механическим испытаниям. Их результаты приведены в табл. 2.
По итогам планированного эксперимента получены математические модели зависимостей средней плотности, предела прочности при сжатии и коэффициента прочности неавтоклавного газобетона от соотношения В/Т и содержания алюминиевой пудры:
где ρ0 — средняя плотность материала, кг/м3; Rсж — предел прочности при сжатии, МПа; Кпр = Rсж/ρ20 — коэффициент прочности; Х1 — соотношение В/Т; Х2 — содержание алюминиевой пудры, г/м3.
При увеличении количества алюминиевой пудры и соотношения В/Т уменьшаются прочность и средняя плотность газобетона. Наибольшее влияние на прочность оказывает содержание алюминиевой пудры. Коэффициент прочности растет при увеличении расхода алюминиевой пудры и уменьшается при увеличении соотношения В/Т. Исходя из этого наиболее эффективно регулировать среднюю плотность газобетона, изменяя содержание алюминиевой пудры. В качестве оптимального принят состав 3, для которого достигнут наибольший коэффициент прочности — 3,7 МПа.
Чтобы определить оптимальное содержание ВБО в газобетоне, выполняли однофакторный эксперимент с варьированием содержания отходов в интервале 0—6 % массы цемента. Изготавливали образцы-кубы с длиной ребра 10 см при одинаковой подвижности смеси (РС по Суттарду 29—31 см). Образцы твердели в течение 7 сут в нормальных условиях. Результаты приведены в табл. 3. Зависимость от содержания ВБО прочности при сжатии приведена на рис. 4, а средней плотности — на рис. 5. При увеличении содержания ВБО средняя плотность и прочность при сжатии газобетона растут. Наибольшая прочность на сжатие Rсжср = 1,5 МПа достигается при содержании ВБО, равном 6 %, но при этом резко возрастает средняя плотность и происходит осадка газобетонной массы. При содержании ВБО более 4 % высота вспучивания снижается из-за перенасыщения смеси волокнами. Максимальное значение коэффициента прочности равно 3,88 при содержании ВБО 4 %.
Рис. 4. Зависимость прочности при сжатии от содержания ВБО
Рис.5. Зависимость средней плотности от содержания ВБО
Таким образом, разработан первый экспериментальный состав неавтоклавного газобетона, содержащего пылевидные и волокнистые базальтовые отходы, с прочностью на сжатие 1,4 МПа и средней плотностью 600 кг/м3. Использование данных отходов позволит значительно экономить сырьевые ресурсы (песок, известняк, дисперсно-армирующие добавки) без снижения качества материала, упрочнить и стабилизировать макроструктуру газобетона, улучшить его способность к деформации, повысить устойчивость газобетонной массы до начала схватывания вяжущего. Дальнейшие исследования будут направлены на повышение прочностных показателей разработанного материала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Леонович С.Н., Свиридов Д.В., Щукин Г.Л. Компенсация усадки пенобетона // Строительные материалы. 2015. № 3. С. 3—6.
2. Свинарев А.В., Глушков А.М., Куприна А.А. Технологический модуль ТМ-25 для производства неавтоклавных фибропенобетонных изделий // Строительные материалы. 2014. № 6. С. 4—6.
3. Езерский В.А. Улучшение свойств мелкозернистого бетона с помощью комплексных минеральных добавок // Строительные материалы. 2015. № 6. С. 4—6.
4. Курятников Ю.Ю., Коновалов Р.В. Неавтоклавный газобетон с применением гиперпластификаторов // Материалы Междунар. заочн. науч.-тех. конф. «Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании». Тверь, ТвГТУ. 2014. С. 59—61.
5. Белов В.В., Али Р.А. Разработка оптимальных составов неавтоклавного газобетона марок со средней плотностью D500, D600, D800 // Путь науки. Международный научный журнал. 2015. № 9 (19).
6. Кузнецова Н.В., Стерхов И.И. Исследование составов газобетонов с заполнителем из отходов литейного производства // Вопросы современной науки и практики. 2014. № 3. С. 24—30.
7. Якимечко Я.Б. Неавтоклавные газобетоны с полидисперсными наполнителями на основе отходов промышленности // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 24—26.
8. Моргун В.Н. Конструкционные возможности фибропенобетона неавтоклавного твердения // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 14—16.
9. Белов В.В., Курятников Ю.Ю. Сухие смеси для изготовления газобетона неавтоклавного твердения. Изд. ТГТУ, 2010. 100 с.
10. Сарайкина К.А., Голубев В.А., Яковлев Г.И. Наноструктурирование цементного камня при дисперсном армировании базальтовыми волоконами // Строительные материалы. 2015. № 2. С. 34—37.
11. Дидевич А. Фибробетоны: новый взгляд на традиционный композит // Технология бетонов. 2011. № 11—12. С. 64—65.
Автор: В.В. Белов, Рушди Ахмед Али |
Рубрика: Использование отходов |
Ключевые слова: неавтоклавный газобетон, суперпластификатор СП-1, пылевидные базальтовые отходы, волокнистые базальтовые отходы, трещиностойкость, коэффициент прочности |