Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ШЛАКОБЕТОНА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ БЕЗОПАЛУБОЧНОГО ФОРМОВАНИЯ

Завьялова Д.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Череповецкий государственный университет»
Настоящая статья посвящена исследованию рационального состава мелкозернистого шлакобетона для производства железобетонных изделий методом безопалубочного формования. В работе представлены результаты экспериментальных исследований по применению отсева шлакового щебня в качестве минеральной тонкомолотой добавки и заполнителя в мелкозернистых конструкционных шлакобетонах. Установлен рациональный состав тонкомолотой добавки при совместном помоле гранулированного доменного шлака и отсева шлакового щебня. Рациональные пределы доли добавки в вяжущем составляют 0,4–0,5. При вводе шлаковой добавки наблюдается повышение активности вяжущего на 15–20%; теплопроводность вяжущего с увеличением доли добавки монотонно уменьшается. Подбор рационального состава мелкозернистого шлакобетона проводился с привлечением математического метода планирования эксперимента. По результатам эксперимента рассчитаны уравнения регрессии, выражающие зависимость прочности, плотности и теплопроводности мелкозернистого шлакобетона, и построены графики, отображающие полученные зависимости. Приведены составы мелкозернистых шлакобетонов, рекомендованные для производства железобетонных изделий методом безопалубочного формования. Согласно результатам испытаний, удельный расход цемента на единицу прочности в рекомендуемых составах мелкозернистого шлакобетона составляет на 40–45% меньше, чем в традиционных бетонах без тонкомолотой полифракционной шлаковой добавки. Практическая реализация результатов представленных исследований позволит организовать рациональное использование отсева шлакового щебня при производстве высокоэффективных минеральных тонкомолотых шлаковых добавок и конструкционных мелкозернистых шлакобетонов с относительно низкой теплопроводностью и удельным расходом цемента.
отсев шлакового щебня
тонкомолотая добавка
мелкозернистый шлакобетон
прочность
теплопроводность
ресурсоэффективность
1. Копша С.П., Заикин В.А. Технология безопалубочного формования – ключ к модернизации промышленности и себестоимости жилья // Технологии бетонов. – 2013. – № 11. – С. 29–33.
2. Грызлов В.С. Формирование структуры шлакобетонов. – Lambert Academic Publishing Saarbucken Deutchland, 2012. – Р. 347.
3. Грызлов В.С. Шлакобетоны в крупнопанельном домостроении // Строительные материалы. – 2011. – № 3. – С. 40–41.
4. Гатылюк А.Г., Грызлов В.С. Определение оптимального состава мелкозернистого шлакобетона на отходах металлургического производства // Вестник Череповецкого государственного университета. – 2013. – Т. 1. № 2 (47). – С. 9–11.
5. Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И., Горшкова И.В. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве. – М.: Стройиздат, 1985. – 272 с.
6. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. – СПб.: ООО «Строй-Бетон», 2006. – 692 с.

В настоящее время в России всё больше предприятий по производству сборного железобетона начали переходить на безопалубочную технологию непрерывного формования преднапряжённых железобетонных конструкций и изделий на длинномерных стендах. Достоинства данной технологии заключаются в отказе от применения дорогостоящих оборотных стальных форм, уменьшении удельных расходов цемента и металла, исключении пропарки изделий. Всё это позволяет снизить себестоимость продукции [1].

Перспективным направлением при использовании данной технологии является замена традиционных тяжёлых бетонов на мелкозернистые бетоны различного состава. В качестве мелкого заполнителя в таких бетонах могут применяться мелкофракционные отходы различных производств, в том числе и шлаки металлургической промышленности.

Актуальным вопросом, требующим дополнительных исследований, является применение в мелкозернистых бетонах отсева (фр. < 5 мм) шлакового щебня, который пока не нашёл широкого использования в строительной практике [2–4].

На Череповецком металлургическом комбинате накоплен значительный объём данного отсева, получаемого в процессе производства шлакового щебня и разделения его на фракции (5–20, 20–40, 40–70 и более). Примерный выход отсева составляет 0,2–0,3 м3 на 1 м3 щебня. Использование отсева крайне ограничено из-за отсутствия сертификатов и технологических регламентов.

Цель исследования – создание ресурсоэффективного мелкозернистого шлакобетона на отсеве шлакового щебня, обладающего универсальными теплозащитными и прочностными эксплуатационными характеристиками. Данный вид бетона предназначен для производства железобетонных изделий методом безопалубочного формования.

На первом этапе была сделана оценка фракционного состава и физико-химических характеристик в сравнении с традиционно выпускаемым шлаковым щебнем и гранулированным доменным шлаком (табл. 1, 2). Оценка показала, что данный материал соответствует требованиям ГОСТ 31424-2010 «Материалы строительные нерудные из отсевов дробления плотных горных пород при производстве щебня. Технические условия» и может быть рекомендован для применения в бетонах.

Таблица 1

Фракционный состав и основные характеристики отсева шлакового щебня

Остаток

Остатки на ситах, % по массе

Проход через сито с сеткой № 0,16, % по массе

Модуль крупности

Насыпная плотность,

кг/м3

2,5

1,25

0,63

0,315

0,16

Частный

20,18

13,58

20,64

20,93

14,45

9,08

2,73

1100–1300

Полный

20,18

33,76

54,40

75,33

89,78

98,86

Таблица 2

Характеристики минеральных добавок

Показатели

Тонкомолотая минеральная добавка

Отсев шлакового щебня

Гранулированный доменный шлак

Удельная поверхность, м2/кг

300–400

300–400

Модуль основности

0,965

0,99

Модуль активности

0,32

0,33

Силикатный модуль

2,94

2,97

Для выработки рекомендаций по использованию отсева в бетонах было выбрано два направления:

1) в качестве минеральной тонкомолотой добавки как активного компонента по замене части вяжущего;

2) в качестве заполнителя для мелкозернистых конструкционных бетонов. При этом учитывался известный факт [2] – шлакосодежащие вяжущие обладают меньшим коэффициентом теплопроводности, чем другие виды цементов.

Исследование минеральной тонкомолотой добавки из отсева шлакового щебня

Оценка качества минеральной тонкомолотой добавки проводилась методом сравнения с добавкой, получаемой при помоле гранулированного доменного шлака. Экспериментальный анализ показал, что при помоле гранулированного шлака и отсева шлакового щебня до одинаковой удельной поверхности в лабораторной шаровой мельнице, время помола последнего на 35–40 % меньше (рис. 1), а следовательно, и меньше удельные энергетические затраты, которые ещё больше увеличиваются за счёт предварительной сушки гранулированного шлака.

zav1.tif

Рис. 1. Зависимость удельной поверхности компонентов шлаковой добавки от времени помола: 1 – гранулированный доменный шлак; 2 – отсев шлакового щебня

zav2.tif

Рис. 2. Влияние доли шлаковой добавки на относительную активность и теплопроводность шлакоцементного вяжущего: 1 – гранулированный доменный шлак; 2 – отсев шлакового щебня

zav3.tif

Рис. 3. Рентгенограммы образцов гранулированного шлака и отсева шлакового щебня производства ПАО «Северсталь»

Активность полученных шлаковых добавок проверялась на образцах цементно-шлакового вяжущего по ГОСТ 30744-2001 «Методы испытаний с использованием полифракционного песка». Использовался ЦЕМ I 42,5Н производства ПАО «Мордовцемент». Относительные показатели прочности и теплопроводности смешанных вяжущих (28 суток твердения в нормальных условиях) приведены на рис. 2. Установлено, что влияние шлаковых добавок на показатели активности и теплопроводность шлакоцементных вяжущих практически идентичны. При расходе добавок 35–40 % в общем объёме вяжущего наблюдается повышение активности на 15–20 %; теплопроводность вяжущего с увеличением доли добавки монотонно уменьшается. Аппроксимация полученных результатов выражается зависимостями (1, 2), отражающими тенденцию влияния шлаковых добавок на указанные свойства.

Rв = Rц [1 + 1,5Д(1 – 1,7Д)], (1)

λв = λц (1– 0,45Д). (2)

Известно [5], что активность минеральных добавок на основе доменных шлаков связана с их минеральным и фазовым составами. Наибольшей активностью обладают шлаковые добавки, содержащие 35–45 % кристаллической фазы. Учитывая, что гранулированный шлак имеет 90–95 % стеклофазы, было предложено формировать двухкомпонентную шихту для получения минеральной добавки, содержащей 60–70 % гранулированного шлака и 30–40 % отсева шлакового щебня, содержащего более 70 % кристаллической фазы (рис. 3). Данная рецептура шихты была рекомендована для промышленного изготовления добавки на мельницах типа роторно-вихревая и шаровая.

Механоактивация данной шихты создала условия формирования усредненного фазового состава, соответствующего требованиям повышенной активности и получения шлаковой добавки, содержащей в своём составе при заданной тонкости помола 350–400 м2/кг, порядка 20 % более грубых дисперсных частичек удельной поверхностью 250–300 м2/кг (остаток на сите 008), представляющих в основном граншлаковый компонент. В ходе исследования данной добавки были установлены рациональные пределы доли добавки в вяжущем, равные 0,4–0,5, при которых относительная активность шлакоцементного вяжущего увеличивалась на 15–20 %, относительная теплопроводность уменьшалась на 25–35 % в сравнении с исходным клинкерным вяжущим. Полученные результаты в определенной степени связаны с положительным влиянием дисперсности добавки. Наличие более грубых частичек способствовало повышению прочности вяжущего композита по принципу формирования структуры микробетона [6] и снижению теплопроводности затвердевшего вяжущего, связанного с содержанием в нём увеличенного количества стеклообразной составляющей.

Исследование мелкозернистого бетона на отсеве шлакового щебня

На этапе исследования бетонов рассматривался вариант мелкозернистого конструкционного шлакобетона для изготовления изделий методом безопалубочного формования, в котором в качестве заполнителя использовался отсев шлакового щебня, в качестве вяжущего – портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н ПАО «Мордовцемент» и полидисперсная тонкомолотая шлаковая добавка. Исследования проводились с привлечением математического метода планирования эксперимента. В качестве независимых переменных были выбраны: X1 – доля полифракционной добавки в вяжущем; X2 – доля молотого отсева шлакового щебня в полифракционной добавке. Уровни планирования эксперимента приведены в табл. 3. Расход комплексного вяжущего составлял 550 кг/м3, жёсткость бетонной смеси обеспечивалась в пределах 20–30 с. В качестве пластификатора использовалась добавка «Реламикс», расход 0,5 % от массы вяжущего.

Таблица 3

Значения интервалов варьирования факторов

Код

Значение кода

Значение факторов

X1

X2

Основной уровень

0

0,38

0,40

Интервал варьирования

ΔXi

0,05

0,10

Верхний уровень

+

0,43

0,50

Нижний уровень

0,33

0,30

По результатам эксперимента рассчитаны уравнения регрессии в виде полиномов первой степени, выражающих зависимость прочности, плотности и теплопроводности мелкозернистого шлакобетона от исходных факторов после 28 суток нормального твердения, и построены графики, отображающие полученные зависимости (рис. 4).

zav4a.tif

zav4b.tif

Рис. 4. Графики зависимости прочности, плотности и теплопроводности мелкозернистого шлакобетона от факторов X1 и X2

R28 = 41,25 +3,03•X1 + 1,03•X2 + 1,08•X1•X2, (3)

γ28 = 2240 – 10•X1 + 20•X2 – 30•X1•X2, (4)

λ28 = 0,345 – 0,005•Х2 – 0,0075• X1•X2. (5)

Анализ данных уравнений позволил установить рациональные значения области исходных факторов, близких к оптимальным, и рекомендовать составы мелкозернистых шлакобетонов с использованием полифракционного комплексного шлакосодержащего вяжущего для производства изделий методом безопалубочного формования. Сравнительные результаты испытаний бетонов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Сравнительные результаты испытаний образцов мелкозернистых шлакобетонов

Состав бетона 1 м3 смеси

γ28,

кг/м3

R7,

МПа

R28,

МПа

Rпр,

МПа

Еб•103,

МПа

λ28,

Вт/м• °С

Kэф,

кг/МПа

Цемент – 550 кг/м3

Отсев – 1000 л/м3

В/В = 0,33

Реламикс – 22,1 л/м3

2250

34,5

43,1

41,2

28,9

0,435

12,76

Цемент – 300 кг/м3

Добавка – 250 кг/м3

Отсев – 1000 л/м3

В/В = 0,34

Реламикс – 16,6 л/м3

2230

33,4

43,3

40,2

26,8

0,343

6,93

Прогнозируемая экономия клинкерного вяжущего хорошо иллюстрируется через критерий эффективности Kэф, отражающий экономию цемента: Kэф = Ц/Rb, (Ц – расход цемента, кг/м3; Rb – прочность бетона, МПа). Согласно результатам испытаний, удельный расход цемента на единицу прочности в рекомендуемых составах мелкозернистого бетона составляет на 40–45 % меньше, чем в традиционных бетонах без тонкомолотой полифракционной шлаковой добавки.

Заключение

Практическая реализация результатов представленных исследований позволит организовать рациональное использование отсева шлакового щебня при производстве высокоэффективных минеральных тонкомолотых шлаковых добавок и конструкционных мелкозернистых шлакобетонов с относительно низкой теплопроводностью и удельным расходом цемента.


Библиографическая ссылка

Завьялова Д.В. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ШЛАКОБЕТОНА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ БЕЗОПАЛУБОЧНОГО ФОРМОВАНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 5. – С. 67-72;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36993 (дата обращения: 30.03.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074