Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса о повышении активности и декоративности составляющих бетон и шлакобетон компонентов 8
1.1 Способы образования доменного шлака и шлакового заполнителя 8
1.2 Классификация отходов металлургического комплекса, как сырья для производства строительных материалов 10
1.3 Способы создания цветности растворов и бетонов 12
1.4 Реакционная способность и активация минеральных композиций 17
1.5 Особенности свойств мелкозернистого бетона и шлакобетона 19
1.6 Анализ проблемы и постановка задач исследований 22
Глава 2 Изучение свойств сырьевых материалов для получения декоративных шлакобетонных строительных изделий 25
2.1 Методологическая схема проведения исследований 25
2.2 Состав и свойства доменного шлака 27
2.3 Исследование отхода метизного производства в качестве пигмента и оценка цветности 37
2.4 Состав и свойства компонентов, активирующих шлак 40
Выводы по второй главе 47
Глава 3 Исследование процессов отбеливания, активации и водоотделения шлака 49
3.1 Отработка режима отбеливания доменного шлака 49
3.2 Активация шлака 56
3.3 Оптимизация состава шлакового вяжущего 66
3.4 Испытание шлакового вяжущего 71
Выводы по третьей главе 79
Глава 4 Оптимизация состава декоративного шлакобетона 82
4.1 Исследование факторов, влияющих на свойства бетона 82
4.2 Влияние корректирующих добавок на свойства бетона 87
4.3 Исследование свойств шлакобетона оптимизированного состава 93
4.4 Методика расчета состава мелкозернистого бетона с красящим на полнителем и программа расчета 99
Выводы по четвертой главе 107
Глава 5 Результаты опытно-промышленных испытаний и технико-экономическое обоснование технологии производства изделий из декоративного шлакобетона 110
5.1 Изготовление и испытание дорожных и отделочных изделий из декоративного шлакобетона и технологическая инструкция
5.2 Выпуск партии стенового декоративного камня из шлакобетона и технологическая инструкция 115
5.3 Технико-экономическая эффективность производства и применения шлакобетонных изделий 118
Выводы по пятой главе 122
Основные выводы 123
Список использованных источников
- Способы создания цветности растворов и бетонов
- Исследование отхода метизного производства в качестве пигмента и оценка цветности
- Оптимизация состава шлакового вяжущего
- Методика расчета состава мелкозернистого бетона с красящим на полнителем и программа расчета
Введение к работе
Актуальность. Целенаправленная технологическая реализация доменных шлаков Новокузнецкого и Западно-Сибирского металлургических комбинатов позволит снизить стоимость и дефицит строительных материалов, в частности в Кузбассе.
Одним из реальных и экономически выгодных направлений использования шлаков является получение на их основе мелкозернистых бетонов, позволяющих получать как крупноразмерные, так и мелкоштучные изделия различной конфигурации с высокими эксплуатационными и декоративными свойствами. Решение задачи предварительного отбеливания, активации шлака и разработки параметров получения декоративного мелкозернистого бетона на его основе является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с федеральной программой «Интеграция» (Госконтракт М 0157, направление 1.6 / 1999 - 2004 г.) и по плану НИР НГАСУ на 2001 - 2003 г. № 6.2.4 раздел «Шлаковые композиции для мелкозернистых бетонов различного назначения», а также по заказу ОАО «ФИННАРТСиб».
Цель работы - определение факторов и установление зависимостей, влияющих на повышение активности, степени белизны доменного гранулированного шлака и уменьшения его водоотделения с обоснованием составов и параметров получения мелкозернистого декоративного шлакобетона на его основе.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Изучить свойства доменных шлаков и корректирующих добавок, как сырья для производства мелкозернистого бетона.
-
Обосновать физико-химические и технологические процессы отбеливания и окрашивания шлака и шлаковых смесей для производства декоративного бетона.
-
Разработать способы активации доменного шлака с целью получения на его основе мелкозернистых бетонов с высокими эксплуатационными и декоративными свойствами.
-
Разработать методику подбора и расчёта состава мелкозернистого бетона на шлаковом заполнителе с привлечением математических методов.
-
Определить режимы активизации доменного шлака и изучить свойства строительных изделий на его основе.
-
Разработать технологические рекомендации на производство изделий из декоративного мелкозернистого шлакобетона.
Научная новшна работы:
-
Для активации и снижения водоотделения шлака могут быть использованы техногенные продукты металлургии: газоочистная пыль производства извести и ферросилиция; попутный продукт коксохимического производства - сульфатсодержащее вещество; отработанная формовочная смесь литейного производства как инициатор помола; отход метиз ного производства как пигмент.
-
Определены режимы отбеливания шлакового расплава, позволяющие получать шлак со степенью белизны 65-70 %. Процесс получения отбеленного шлака: оптимальное время выдержки расплава в ковшах 3(М5 минут, используемый объем расплава для грануляции 70-75 %. Грануляция обеспечивает дополнительное «водное» отбеливание шлака.
-
Определены параметры механической, химической и тепловой активации шлака, позволяющие повысить его прочность при сжатии до 22 МПа. После применения ТВО прочность при сжатии бетона на декоративном шлаковом цементе и граншлаковом заполнителе достигает 27 МПа, с добавкой клинкера (10 %) - 33,5 МПа.
-
Установлено, что в качестве декоративного наполнителя в шлакобетоне целесообразно использовать дисперсный темно-красный порошок - отход метизного производства в количестве не более 5 % в комплексе с отбеленным граншлаком, а также обожженные глиносо-держащие породы, например, бой кирпича, после дробления и помола в количестве до 30 %.
Практическая значим ость и реализация результатов работы:
-
Определены технологические параметры процесса отбеливания и активации доменного шлака, установлена зависимость свойств декоративного мелкозернистого бетона от параметров предварительной технологической подготовки шлака и его декоративных наполнителей.
-
Разработан технологический регламент на производство декоративного шлакового цемента, а также технологические инструкции на производство элементов дорожных покрытий и стенового камня из декоративного мелкозернистого шлакобетона, они внедрены на ОАО «ФИНАРТСиб» (г.Новокузнецк).
-
Технология по производству дорожных элементов из декоративного мелкозернистого шлакобетона используется с 2000 года на ОАО ЗСМК в цехе по переработке доменного шлака.
-
Результаты исследований и подготовленные с участием автора
диссертации методические указания используются в учебном процессе СибГИУ и НГАСУ в курсах «Вяжущие вещества», «Использование отходов промышленности в производстве строительных материалов», «Технология бетона, строительных изделий и конструкций». Автор защищает:
средства и способы отбеливания и активации доменного шлака;
положение о влиянии способов активации на свойства шлака и из де лий на его основе;
составы и параметры получения изделий из мелкозернистого декоративного шлакобетона;
технологию получения строительных изделий из мелкозернистого декоративного шлакобетона.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин) и СибГИУ (2000-2006), а также на международном семинаре Азиатско-Тихоокеанской академии материалов «Строительные и отделочные материалы и стандарты XXI века (Новосибирск, 2006).
Технология получения и продукция (декоративная тротуарная и облицовочная плитка, бордюрный камень и др.) ОАО «ФИНАР-ТСИБ» демонстрировались на Кузбасской ярмарке в 2002, 2003 и 2005 гх. и были награждены дипломами 1 и 2 степени и медалью на международной ярмарке «ИНСИБ» в 2002 г.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 14 научных статьях, в т.ч. в журнале с внешним рецензированием «Изв. вузов. Строительство», получен патент на изобретение № 223213139 «Декоративный шлаковый цемент» и положительное решение №2006118387 от 28.11.06 на выдачу патента РФ «Силикатная масса для приготовления декоративного кирпича».
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 138 наименований, 11 -ти приложений и содержит 138 страниц основного текста, 40 таблиц и 54 рисунка.
Способы создания цветности растворов и бетонов
Итак, суммарная удельная эффективная активность доменного гранулированного шлака ЗСМК АЭфф=168±43 Бк/кг, это менее 370 Бк/кг, что делает его пригодным для всех видов строительства.
Вещественный и минералогический состав шлаков зависит от скорости его охлаждения. Ранее установлено, что при медленном охлаждении шлакового расплава значительная часть его выкристаллизовывается в виде различных устойчивых минералов, которые не обладают вяжущими свойствами. В таких шлаках содержатся силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, следующего состава: геленит 2CaO-A\20ySi02, окерманит 2CaO-MgO-2Si02; твердые растворы геленита и окерманита, называемые меллилитами; двухкальциевый силикат 2CaOSi02 в у и (3 форме; псевдовол-ластонит и волластонит CaO-Si02, ранкинит 3CaO-2Si02, анортит CaO-Al203 Si02, мервинит 3CaO-MgO-2Si02, а также сульфидные соединения (CaS, MnS, FeS); магнетит FeOFe2Oh оливины типа 2ROSi02; магнезиальная шпинель MgO-Al203, монтичеллит CaO-MgO-Si02, небольшое количество стекловидной массы.
На НКМК грануляция шлака осуществляется барабанным способом, так называемой полусухой способ грануляции, на ЗСМК применяется гидро-желобной способ. Минералогический состав шлаков, в зависимости от способа грануляции, приведен в таблице Минералогический состав доменных шлаков, кристаллизующихся в равновесных условиях, может быть установлен при помощи тройной диа граммы состояния системы SiC 2 - А120з - СаО (рисунок 2.3). При кристаллизации шлаковых расплавов выделение минералов в большинстве случаев идет по известной схемой Боуена, т.е. в направлении от фаз с более простыми структурами к фазам с более сложными структурами, обычно оливины выделяются раньше пироксенов, мелилитов и полевых шпатов (диаманит).
Тройная диаграмма системы SiC 2 - А120з - СаО (пунктиром обозначены ориентировочные границы составов основных А и кислых Б доменных шлаков. Область В отвечает составам шлаков заводов Сибири).
Шлаки сибирских заводов (рисунок 2.3, область В) занимают промежуточное положение между «кислыми» и «основными» шлаками.
Гранулометрический состав и физико-механические свойства шлака. Результаты рассева доменного шлака ЗСМК: гранулированного и медленноохлажденного дробленного шлака, показаны в таблице 2.3 и на рисунке 2.4. Таблица 2.3- Гранулометрический состав шлака Вид шлака Наименование остатков Единицы измерения Размеры сит, мм 2.5 1.25 0.63 0.315 0.14 менее 0,14
Установлено, что модуль крупности граншлака и дробленного шлака соответственно равен 3,39 и 3,12, как заполнители они относятся к группе очень крупных. Присутствует примесь крупных фракций 5-Ю мм в количестве 6-Ю %. Отработанная формовочная смесь (ОФС) - отход литейного производства ЗСМК (рисунок 2.4) характеризуется как очень мелкий заполнитель.
Размеры отверстий сит, мм Рисунок 2.4 - Зерновой состав шлаковых песков 1 - область песков с Мк 1,5; 2 - область песков рекомендуемых для приготовления бетона; 3 - область песков с Мк 3,25. Физико-механические свойства шлака приведены в таблице 2.4. Таблица 2.4 - Физико-механические характеристики шлака ЗСМК
Химический состав шлаков состоит, главным образом, из четырех оксидов: СаО, S1O2, Al203, MgO, суммарное содержание которых около 90%. Ранее установлено, что наиболее благоприятный химический состав расплава находится в пределах содержания основных оксидов (CaO+MgO) от 42 до 52% и кислых стеклообразующих (S1O2; AI2O3) от 45 до 55% [24,101].
Анализируя химический состав доменных шлаков заводов Сибири (таблица 2.5), можно отметить, что они имеют близкий химический состав. Таблица 2.5 - Химический состав шлаков ЗСМК и НКМК Вид шлака Содержание оксидов, % Si02 AI2O3 СаО MgO Fe203 Na20 Ті02 MnO К20 ППП Дробленный ЗСМК 2001 г 36,01 12,01 34,42 9,55 3,73 0,43 0,99 0,87 0,57 1,42 Гранулированный ЗСМК 1970 36,42 14,23 35,74 9,89 0,89 0,65 0,85 0,62 0,61 1999 36,73 14,93 34,40 9,64 1,27 0,69 1 0,7 0,64 2001 38,07 10,66 40,74 6,55 1,37 0,49 0,94 0,62 0,56 0
Гранулированный НКМК 2001 38,3 13,69 35,75 7,57 1,89 0,8 0,48 0,89 0,63 0 Содержание Si02 находится в пределах 36,4-38 %; А120з - 12-14,9 %; СаО - 35,7-40 %. Содержание темноокрашенных оксидов МпО - 0,62-0,89 %; Fe203 - 1,27-1,89 %. В медленноохлажденных шлаках количество железистого оксида доходит до 3,7 %. Установлено, что шлаки мокрой грануляции (граншлак ЗСМК) содержат несколько меньшее количество темноокрашенных оксидов по сравнению со шлаками полусухой грануляции (граншлак НКМК). Эти данные согласуются с известными результатами по отбеливанию водой клинкера [129].
Известно, что шлаки могут подвергаться, так называемому силикатному и железистому распаду (разрушению). С повышением содержания СаО шлаки склонны к силикатному распаду [76, 85]. Происходит это потому, что находящийся в шлаке минерал - двухкальциевый силикат из неустойчивой формы (y2CaO-Si02) при 675 С переходит в стабильное состояние
($2CaO Si02), что сопровождается увеличением его объема на 10 %. В результате шлак растрескивается и рассыпается. Установлено, что особенно не стойки к распаду высокоосновные шлаки (рисунок 2.5).
Исследование отхода метизного производства в качестве пигмента и оценка цветности
Установлено, что прочность шлакобетона на сжатие через 28 суток после пропаривания во всех случаях значительно возрастает. Прочность соответствует максимальной (1 =42 МПа; Кизг=8МПа) для оптимального гранулометрического состава с содержанием фракций: менее 0,14 мм - 10-20 %; 0,14-0,6 мм - 10-20 % и 0,6-10 мм - 60-80 %. Как видим, содержание тонкодисперсной фракции 0,6 мм и менее составляет 20-40 %. Для получения оптимального зернового состава Федынин Н.И. предложил использовать гран-шлак после дробления на молотковой дробилке [123].
Влияние плотности доменного шлака и его соотношения с цементом на свойства бетона изучалось на образцах (ЮхЮхЮ)см при соотношении Ц :Ш = 1 : 3 и 1 : 4. Для исследования применен граншлак НКМК, полученный полусухим способом грануляции (барабанный способ), шлак ЗСМК, полученный мокрой грануляцией (лотковый способ) и медленноохлажден-ный дробленый шлак, так называемая «фракция» (0-10 мм). Цемент - ШПЦ марки 400.
Испытание свойств бетона осуществлялось по ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости». Результаты испытания занесены в таблицу 4.1.
Заполнитель Состав бетона В/Ц Средняя плотность бетона,кг/м3 Возраст в день испытания, сут. Прочность на сжатие, МПа Истираемость,г/см2 после пропаривания в день испытания Гранулированный шлак: Полусухим способом(НКМК) Мокрым способом (ЗСМК)Дробленый шлак «фракция»Диабаз 1:31:4 1:3 1:3 0,50,58 0,48 0,46 21802060 2320 3240 8102106050 43,137,8 50,1 48,2 59,947,9 64,854 0,130,15 0,07 0,28 Результаты показали, что бетон как на гранулированном, так и на мед-ленноохлажденном шлаке с рациональным зерновым составом характеризуется высокой прочностью до 43,1 МПа. Установлено, что бетон на заполнителе плотной структуры (медленноохлажденный дробленый шлак - «фракция») показывает как повышенную прочность, так и стойкость к истиранию. Истираемость мелкозернистого бетона в 4-9 раз ниже, чем у бетона на природных заполнителях. Исследования на водонепроницаемость показали, что она превышает максимальное нормируемое значение - В12 по ГОСТ 4795-85 «Бетон гидротехнический. Технические требования».
Кроме того, замена крупного граншлакового заполнителя на более мелкий (с добавкой фракции менее 0,6 мм до 40 %) позволяет получить повышенные результаты. Сравним эти результаты с мелкозернистым пескобе-тоном.
Ранее установлено, что если в обычном бетоне замена крупного песка мелким понижает прочность всего на 5-10%, то в мелкозернистом бетоне прочность может уменьшиться на 25-30%. Поэтому для мелкозернистых бетонов желательно использовать крупные чистые пески или обогащать мелкий песок более крупными высевками от дробления гравия, камня [9].
Состав мелкозернистого бетона и качество песка определяют эффективность использования цемента в бетоне. На рисунке 4.2 приведен удельный расход цемента на единицу прочности в мелкозернистых бетонах разных составов на песке средней крупности. Наиболее экономичными в этом случае являются составы 1:2 -1:3, обладающие, как правило, и наибольшей плотностью. Для мелкозернистого бетона на мелком песке оптимальными оказываются составы 1:1-1:1,5 [4].
Для пескобетонов наиболее экономичные составы Ц : П=1 : 2; 1 : 2,5, а для шлакобетона 1 : 3; 1 : 4. Установлено также, что применение мелких песков приводит к снижению прочности бетона. В шлакобетоне дисперсная часть в силу своей реакционноспособности обеспечивает повышение физико-механических свойств. Предложено заменить тонкодисперсную составляю щую в мелкозернистом шлакобетоне декоративным активным наполнителем, например, порошком из обожженной глины или смесью пигмента с тонкомолотым шлаком, или пылью ферросплавного завода.
Влияние водоцементного отношения на прочность при сжатии бетона на декоративном шлаковом цементе (ДШЦ) приведено на рисунке 4.3. Из графиков видно, что для каждого состава пропаренного шлакобетона (образцы 4x4x16) существует свое оптимальное В/Ц, при котором достигается максимальная прочность бетона при данных условиях приготовления и уплотнения смеси. На этом же рисунке нанесены аналогичные графики для обычного песчаного бетона по опытам Ю.М. Баженова [4]. Как видно, вследствие повышенной водопотребности шлакового песка по сравнению с природным, оптимумы В/Ц шлакобетона сдвинуты вправо относительно обычного песчаного бетона. Известны исследования по получению пескобетонов с пониженным содержанием воды, но соотношение вяжущее : заполнитель не превышает 1:2 [48].
Отработанная формовочная смесь - как мелкий заполнитель в шлакобетоне. Для создания непрерывной гранулометрии шлакобетона на основе дробленой фракции (0-10 мм), которая относится к крупному песку (Мкр=3,12) предложено добавить отработанной формовочной смеси (ОФС) в виде очень мелкого песка (Мкр=1,26). Необходимо было найти соотношение между ними (рисунок 4.4).
Результаты показали, что количество мелкой добавки - ОФС составляет 10-30 %, превышение приводит к снижению прочности шлакобетона.
Это можно объяснить увеличением поверхности заполнителя и потребности большего количества вяжущего. ОФС относится к химически инертному заполнителю и не обладает цветом. А если использовать добавку наполнителя, обладающего цветом и активностью? В качестве такого наполнителя исследовался измельченный порошок, полученный из боя кирпича
Цель эксперимента состояла в том, чтобы изучить влияние декоративных наполнителей на свойства шлакобетона, в качестве которого применен тонкомолотый керамический порошок (бой кирпича) и отбеленный граншлак.
Заполнителем в бетоне использовался доменный отбеленный гранулированный шлак (модуль крупности - 3,39) (xi) и тонкомолотый декоративный порошок, полученный из боя кирпича фракции 0,6 мм (хг). В качестве уплотняющей добавки применена супердисперсная газоочистная пыль ферросплавного завода (х3). Водоцементное отношение для всех составов принято одинаковым, равным 0,4. Цемент - шлаковый. Матрица планирования эксперимента приведена на рисунке 3.10. Задача решалась с применением метода математического планирования эксперимента [104, 106]. Графическая зависимость между факторами приведена на рисунках 4.5-4.9.
Оптимизация состава шлакового вяжущего
Для оптимизации состава бесклинкерного шлакового вяжущего применен метод математического планирования [60, 91,98]. После ТВО по режиму (3+8+3)ч при температуре до 95 С образцы насыщались водой для определения открытой пористости. Затвердевшие образцы испытывали на прочность при сжатии и изгибе. Была определена водостойкость по коэффициенту размягчения, средняя плотность и коэффициент конструктивного качества. Обработка результатов эксперимента выполнена по программе, разработанной с участием автора [104,106].
Полученные результаты приведены в виде графиков, где отмечены уровни варьирования факторов и их экстремальное значение (рисунки 3.11-3.13) Установлено, что оптимальный расход известковой пыли составляет 15 - 20%, дальнейшее ее увеличение несколько снижает прочность при сжатии, однако обеспечивает минимальную пористость, прочность при изгибе увеличивается на 5-10%.
Оптимизация состава вяжущего по открытой пористости Содержание ОФС в составе вяжущего от 3 до 6 % оказывает положительный эффект на рост прочности, дальнейшее ее увеличение резко снижает прочность образцов при сжатии и увеличивает открытую пористость. Сульфатная добавка наиболее значимо влияет на рост прочности при сжатии и изгибе. Установлено, что добавка известковой пыли и сульфатная добавка снижают открытую пористость, водопоглощение бетона на 30-40 %. Коэффициент размягчения бетона колеблется от 0,85 до 1,1, что свидетельствует о его водостойкости. Средняя плотность образцов составляет 1750- 2000 кг/м3.
Установлен оптимальный состав шлакового вяжущего содержащий, % по массе: известковая пыль 15-20%; ОФС и сульфатной добавки 3-6%; гран-шлак 71-79 %.
Для определения значимости каждого из компонентов ДШЦ и составления уравнения регрессии от основного отклика - прочности при сжатии рассчитывались коэффициенты регрессии. Ь0 - свободный член равный выходу при х, = 0; Ьх,Ь2,Ьг - коэффициенты регрессии соответствующих факторов, указывающие на влияние того или иного фактора на изучаемый процесс; ЬХ2,Ь1Ъ,Ь2Ъ - коэффициенты регрессии при произведениях факторов, свидетельствующие о наличии двойного взаимодействия между факторами; Ьх 2 з - коэффициент регрессии, указывающий на тройное взаимодействие факторов. Для трех факторов матрица планирования включает восемь вариантов [60, 82].
При исследовании і переменных уравнение регрессии содержит N=2 члена. Из них один есть bo (свободный член); і членов - линейные эффекты Ь)ХЬ ЬгХ2, b3x3... bjXi, а остальные - парные, тройные, четверные и т.д. взаимодействия. Расчет коэффициентов регрессии ведется по формуле (3.2) число вариантов в матрице планирования; yN - значение среднего выхода в N-м варианте; ХІУ- значение среднего фактора в N-M варианте. После расчетов коэффициентов регрессии и свободного члена, получено уравнение регрессии:
МПа. Оценка значимости коэффициентов регрессии. Для этого необходимо найти их выборочную дисперсию S2[bj]. Для расчета коэффициентов регрессии используются средние значения yN из двух повторностеи. Для опре-деления S [bj] вычисляются:
Если выполняется неравенство bi. S[bi]xtp(f)=5,l 1x2,31=11,804, то коэффициенты значимы. Если какой-либо коэффициент незначим для выбранной достоверности, то его исключают из уравнения регрессии. После статистической оценки коэффициентов регрессии уравнение принимает вид: У=13,83-0,67-х1-1,60-Х2+3,62-хз+3,56-хгХ2+3)37-хгХз + 1,53-х2-Хз,МПа.
Анализ уравнений проводился методом сечений, с использованием математического пакета «Mathcad». Для этого одному из варьируемых факторов задавалось постоянное значение max, min или среднее, а по двум другим значениям строились графики линий равного уровня. Оптимальной по свойствам получаемого материала является область, соответствующая следующему составу: известковая пыль 15-20%; ОФС 3-6%; сульфатная добавка 3%; граншлак 71-79 %. В этой области вяжущее имеет прочность при сжатии до 25 МПа.
Исследование вяжущего на равномерность изменения объема. Испытание полученного вяжущего проводилось по ГОСТ 310-85 [30, 75]. Установлено, что оно выдержало испытание на равномерность изменения объема. Было установлено, что повышенное содержание оксида магния (MgO) в шлаке до 10,5% не вызывает изменения объёма при испытании образцов вя жущего в автоклаве. Объяснить это можно тем, что в шлаковом вяжущем содержаться алюминаты и алюмоферриты кальция, в состав которых входит оксид магния в виде твёрдого раствора, что снижает количество остающегося свободного оксида магния в виде периклаза. При грануляции шлака, т.е. при быстром охлаждении, оксид магния связывается в устойчивое соединение -окерманит, при этом обеспечивается мелкая кристаллизация периклаза и насыщение стекловидной фазы оксидом магния. В связи с этим гидратация шлакового вяжущего не вызывает больших локальных напряжений. При использовании, в качестве щелочного компонента молотой извести, отдельные образцы проявляют неравномерность изменения объема. Все образцы с добавкой газоочистной известковой пыли выдержали соответствующие испытания.
Исследование шлакового вяжущего на водоотделение. Исследование проводилось по методике регламентируемой ГОСТ 310.6-85. Методика состоит в фиксировании скорости осаждения в мерном цилиндре цементного теста (В : Ц = 1 :1) и подсчете коэффициента водоотделения по формуле, %: где а - первоначальный объём цементного теста, мл; в - объём осевшего цементного теста, мл. Были исследованы следующие порошки: ШГЩ, молотый граншлак, из-вестково-шлаковое вяжущее и декоративный шлаковый цемент (ДШЦ).
Установлено (рисунки 3.14, 3.15), что композиционные вяжущие обладают большей водоудерживающей способностью (Квол=\0,6-\5 %), чем молотый граншлак без добавок (Квод=39%). Молотый граншлак без добавок начинает сразу отдавать воду и этот процесс продолжается в течение 50 минут. Введение пылевидных добавок - известковой пыли, ОФС и пигмента, замедляет процесс водоотделения более, чем в три раза (Квод=10,6). Таким образом, доказано, что пылевидные добавки позволяют значительно повысить водо-удерживающую способность молотого граншлака.
Методика расчета состава мелкозернистого бетона с красящим на полнителем и программа расчета
Исследование проблем технологии строительных материалов позволяло находить способы их решения и получения качественных строительных материалов [40, 41, 126]. В настоящем разделе необходимо было выяснить влияние на свойства мелкозернистого бетона: грансостава заполнителя, плотности шлака, водоцементного отношения, соотношения вяжущее : заполнитель.
Исследование влияния гранулометрического состава шлакового песка на структуру и свойства мелкозернистого бетона проводилось по методике, предложенной И.А.Ивановым и Н.И.Федыниным для определения оптимального зернового состава цементно-шлаковых мелкозернистых систем [46]. Зерновой состав шлакового заполнителя по этой методике характеризуется с помощью тройной диаграммы, причем шлак условно разбит на три фракции: мелкую (с крупностью зерен до 0, 14 мм); среднюю (0,14-0,6 мм) и крупную (0,6-10 мм). При этом крупная фракция шлака характеризуется непрерывным зерновым составом, соответствующим зерновому составу песка по ГОСТ 102668-85.
На рисунке 4.1 показаны основные свойства мелкозернистого шлакобетона состава 1 : 3 на шлакопортландцементе марки 400 из равнопластичных смесей (расплыв конуса 110-115 мм по ГОСТ 310.1-85) в образцах 4x4x16 см после пропаривания при 95-100 С по режиму 3+10+3 ч. Совершенно очевидно существование оптимального зернового состава дробленого шлакового песка, при котором достигаются максимальные показатели плотности, прочности и стойкости бетона при минимальной водопотребности (В/Ц) смеси, что подтверждают и другие исследователи [62]. Мрз, 500 циклы
Свойства мелкозернистого шлакобетона состава 1:3 на шлакопортландцементе в зависимости от гранулометрического состава дробленого шлака (1-6): - после пропаривания; «-в возрасте 28 суток Установлено, что прочность шлакобетона на сжатие через 28 суток после пропаривания во всех случаях значительно возрастает. Прочность соответствует максимальной (1 =42 МПа; Кизг=8МПа) для оптимального гранулометрического состава с содержанием фракций: менее 0,14 мм - 10-20 %; 0,14-0,6 мм - 10-20 % и 0,6-10 мм - 60-80 %. Как видим, содержание тонкодисперсной фракции 0,6 мм и менее составляет 20-40 %. Для получения оптимального зернового состава Федынин Н.И. предложил использовать гран-шлак после дробления на молотковой дробилке [123].
Влияние плотности доменного шлака и его соотношения с цементом на свойства бетона изучалось на образцах (ЮхЮхЮ)см при соотношении Ц :Ш = 1 : 3 и 1 : 4. Для исследования применен граншлак НКМК, полученный полусухим способом грануляции (барабанный способ), шлак ЗСМК, полученный мокрой грануляцией (лотковый способ) и медленноохлажден-ный дробленый шлак, так называемая «фракция» (0-10 мм). Цемент - ШПЦ марки 400.
Испытание свойств бетона осуществлялось по ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости». Результаты испытания занесены в таблицу 4.1.
Прочность на сжатие, МПа Истираемость,г/см2 после пропаривания в день испытания Гранулированный шлак: Полусухим способом(НКМК) Мокрым способом (ЗСМК)Дробленый шлак «фракция»Диабаз 1:31:4 1:3 1:3 0,50,58 0,48 0,46 21802060 2320 3240 8102106050 43,137,8 50,1 48,2 59,947,9 64,854 0,130,15 0,07 0,28 Результаты показали, что бетон как на гранулированном, так и на мед-ленноохлажденном шлаке с рациональным зерновым составом характеризуется высокой прочностью до 43,1 МПа. Установлено, что бетон на заполнителе плотной структуры (медленноохлажденный дробленый шлак - «фракция») показывает как повышенную прочность, так и стойкость к истиранию. Истираемость мелкозернистого бетона в 4-9 раз ниже, чем у бетона на природных заполнителях. Исследования на водонепроницаемость показали, что она превышает максимальное нормируемое значение - В12 по ГОСТ 4795-85 «Бетон гидротехнический. Технические требования».
Кроме того, замена крупного граншлакового заполнителя на более мелкий (с добавкой фракции менее 0,6 мм до 40 %) позволяет получить повышенные результаты. Сравним эти результаты с мелкозернистым пескобе-тоном.
Ранее установлено, что если в обычном бетоне замена крупного песка мелким понижает прочность всего на 5-10%, то в мелкозернистом бетоне прочность может уменьшиться на 25-30%. Поэтому для мелкозернистых бетонов желательно использовать крупные чистые пески или обогащать мелкий песок более крупными высевками от дробления гравия, камня [9].
Состав мелкозернистого бетона и качество песка определяют эффективность использования цемента в бетоне. На рисунке 4.2 приведен удельный расход цемента на единицу прочности в мелкозернистых бетонах разных составов на песке средней крупности. Наиболее экономичными в этом случае являются составы 1:2 -1:3, обладающие, как правило, и наибольшей плотностью. Для мелкозернистого бетона на мелком песке оптимальными оказываются составы 1:1-1:1,5 [4].
Для пескобетонов наиболее экономичные составы Ц : П=1 : 2; 1 : 2,5, а для шлакобетона 1 : 3; 1 : 4. Установлено также, что применение мелких песков приводит к снижению прочности бетона. В шлакобетоне дисперсная часть в силу своей реакционноспособности обеспечивает повышение физико-механических свойств. Предложено заменить тонкодисперсную составляю щую в мелкозернистом шлакобетоне декоративным активным наполнителем, например, порошком из обожженной глины или смесью пигмента с тонкомолотым шлаком, или пылью ферросплавного завода.
Влияние водоцементного отношения на прочность при сжатии бетона на декоративном шлаковом цементе (ДШЦ) приведено на рисунке 4.3. Из графиков видно, что для каждого состава пропаренного шлакобетона (образцы 4x4x16) существует свое оптимальное В/Ц, при котором достигается максимальная прочность бетона при данных условиях приготовления и уплотнения смеси. На этом же рисунке нанесены аналогичные графики для обычного песчаного бетона по опытам Ю.М. Баженова [4]. Как видно, вследствие повышенной водопотребности шлакового песка по сравнению с природным, оптимумы В/Ц шлакобетона сдвинуты вправо относительно обычного песчаного бетона. Известны исследования по получению пескобетонов с пониженным содержанием воды, но соотношение вяжущее : заполнитель не превышает 1:2 [48]. Даже при тощем составе шлакобетонной смеси (1 : 3) материал при оптимальном В/Ц характеризуется высокой прочностью.
