Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Федоров В.И. 1 Абдимежитов М.К. 1 Дъяконов А.А. 1 Попов А.Л. 1 Местников А.Е. 1

---

1 ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»

В статье рассмотрена разработка состава конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона с использованием отходов автоклавного пенобетона. Выявлена и обоснована необходимость применения отходов автоклавного пенобетона в создании эффективных стеновых материалов, обладающих высокими техническими и эксплуатационными свойствами. В статье особое внимание обращается на определение основных физико-механических показателей щебня, полученного из отходов автоклавного пенобетона. На основе анализа характеристик исходных компонентов легкого бетона составлен математический план эксперимента, состоящий из 5 факторов и 27 опытов. Разработка состава легкого бетона с использованием метода математического планирования эксперимента позволяет выявить основные закономерности формирования структуры материала и причинно-следственные связи между входными факторами и выходными данными. Экспериментальные исследования выполнены согласно требованиям действующих нормативно-технических документов и методов измерения. Наряду с этим, для статистической обработки экспериментальных данных использованы стандартные методики и современные программные обеспечения. На основе проведенных исследований обоснован и подобран состав легкого бетона на основе отходов производства автоклавного бетона.

Статья в формате PDF

0 KB

пенобетон автоклавного твердения

отходы

стеновой материал

щебень

прочность при сжатии

водопоглощение

физико-механические показатели

легкий бетон

фракция

класс бетона

безотходность

1. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Изд-во АСВ, 2011. – 528 с.

2. Вознесенский В.А. Численные методы решения строительно-технологических задач на ЭВМ / В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко, Б.Л. Огарков. – К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. – 328 с.

3. Дворкин Л.И. Строительные материалы из отходов промышленности: учебное пособие / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. – Ростов н/Д.: Феникс, 2006. – 264 с.

4. Иванов И. А. Легкие бетоны на искусственных пористых заполнителях. – М.: Стройиздат, 1993. – 182 с.

5. Использование вторичного сырья в производстве строительных материалов [Электронный ресурс]. – Режим доступа http://diplomba.ru/work/71590 html (дата обращения: 18.12.2015).

Текущий рост производства промышленной продукции приводит к непрерывному увеличению потребления природных ресурсов, повышению расхода энергии, увеличению образующихся отходов и загрязнению окружающей среды. Современное строительное материаловедение тесно взаимосвязано с решением таких задач, как повышение эффективности производства, снижение стоимости и трудоемкости технологических процессов, рациональное использование материальных и энергетических ресурсов.

Создание эффективных конструкционно-теплоизоляционных материалов является сложным процессом и относится к приоритетным направлениям строительного материаловедения [1]. Следует отметить, что первостепенное значение в этой области имеет рациональность использования сырьевых ресурсов и полнота вовлечения в производство техногенных отходов.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, одним из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов является их использование в производстве строительных материалов, что позволяет в развитых странах до 40 % удовлетворить потребности в сырье [5]. Применение отходов промышленности дает возможность снизить на 10–30 % затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья [3].

Одним из актуальных вопросов производства пенобетона автоклавного твердения является утилизация производственных отходов. При правильном использовании данные отходы являются ценным сырьевым компонентом для изготовления различных видов композиционных материалов на цементной основе. В свою очередь, отходы производства пенобетона автоклавного твердения делятся на два основных типа. К первому типу относятся так называемые «технологические» отходы, которые образуются в процессе резки пенобетонных массивов. Ко второму типу относится производственный брак. Наиболее простым и эффективным способом переработки отходов является использование в качестве заполнителя в легких бетонах [3, 4].

В лаборатории «Вяжущие вещества и бетоны» Инновационно-технологического центра «Энергоэффективные строительные материалы» при СВФУ им. М.К. Аммосова выполнены комплексное исследование сырья и состава легкого бетона на основе отходов производства пенобетона автоклавного твердения.

Для изготовления образцов легкого бетона использованы дробленые отходы пенобетона автоклавного твердения (далее щебень), портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н по ГОСТ 31108-2003, речной песок (из карьера ОАО «ДСК») по ГОСТ 8736-93, суперпластификатор марки СП-1 и техническая вода по ГОСТ 23732-2011. Насыпная плотность, водопоглощение и прочность при сдавливании в цилиндре щебня выполнены согласно требованиям ГОСТ 9758-2012. Лабораторные испытания образцов проводились на поверенных приборах и оборудованиях испытательного центра «ЯКУТСК-ЭКСПЕРТ». Исследования физико-механических показателей легкого бетона проведены на базе инновационно-технологического центра «Энергоэффективные строительные материалы». Микрофотографии щебня получены на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JEOL JSM-7600F в лаборатории «Технологии полимерных нанокомпозитов». Обработка экспериментальных данных выполнена на базе следующих прикладных программ: «Microsoft Office Excel 2007», «MathCAD 2001i».

Заполнитель представляет собой светло-серый кусок неправильной геометрической формы с шероховатой неровной поверхностью и развитой открытой пористостью. Внешний вид фракционированного заполнителя показан на рис. 1. Определены основные физико-механические показатели заполнителя (табл. 1).

Рис. 1. Фракционированный щебень из отходов автоклавного пенобетона

Таблица 1

Физико-механические показатели заполнителя

Анализ микрофотографий образцов щебня выявил однородный рост кристаллических новообразований низкоосновных гидросиликатов кальция тоберморитовой группы в виде кристаллов пластинчато-сотовых ячеек, объединенных в непрерывную высокопрочную структуру (рис. 2). Расстояние между новообразованными пластинчатыми структурами находится в пределах 0,34–0,68 мкм, толщина пластин – не более 0,05 мкм. Гидросиликаты группы C-S-H (I) при повышенных температурах (150–200 °С) имеют вид пластинок толщиной до 10–20 мономолекулярных слоев, что обусловливает резкое уменьшение удельной поверхности новообразований по сравнению с поверхностью тех же фаз, но возникающих при обычных температурах в виде лепестков толщиной в два-три молекулярных слоя. Благодаря пластинчато-сотовой структуре, предполагается более высокое сцепление щебня с цементным камнем.

Сырьевая смесь легкого бетона на 27 % состоит из фракционированного щебня, 26–28 % цемента, 42 % песка и 1 % суперпластификатора. Расход цемента на 1 м3 легкого бетона составляет 300–400 кг.

В отличие от технологии тяжелого бетона данный способ изготовления имеет ряд специфических особенностей, связанных с подготовкой заполнителя. Учитывая высокий показатель водопоглощения ячеистого бетона, особое место занимает снижение водотвердого отношения смеси.

Методика изготовления образцов легкого бетона состоит из следующих этапов: подготовка щебня, последовательное смешивание всех компонентов смеси, виброформование, твердение и набор прочности изделий.

В целях установления влияния содержания щебня на физико-механические показатели легкого бетона использован метод математического планирования эксперимента [2]. Для обеспечения точности и объективности интерпретации результатов эксперимента выбран дробный факторный эксперимент, состоящий из четырех факторов, трех уровней и 27 опытов. В целях минимизации «человеческого» фактора на результат эксперимента каждый опыт выполнен три раза. На основании результатов литературного обзора, патентного поиска и результатов собственных исследований в работе приняты следующие входные факторы:

Р5–10 – содержание фракции 5–10 мм (по массе), %;

Рn – соотношение песка, г;

Рmn – содержание технологической пыли, г (технологическая пыль добавлена для замещения объема);

Рц – содержание цемента, г;

Рсп – содержание суперпластификатора (от массы цемента), %.

В качестве выходных данных принята средняя плотность (ρ0, кг/м2) и предел прочности на сжатие (Рсж, МПа). Уровни варьирования входных факторов показаны в табл. 2.

Таблица 2

Уровни варьирования входных факторов

С точки зрения экономии материальных ресурсов из приведенных выше входных факторов наиболее дорогостоящим является расход цемента. Поэтому в силу объективных причин верхним уровнем приняли 400 г на один образец легкого бетона (соответственно на 1 м3 бетона расходуется 400 кг цемента). Физико-механические показатели изготовленных образцов легкого бетона приведены в табл. 3.

Таблица 3

Физико-механические свойства легкого бетона

Как видно из табл. 3, отмечается тесная корреляционная связь между фракцией заполнителя со средней плотностью и прочностью бетона. С увеличением фракции заполнителя средняя плотность снижается. Это связано с уменьшением количества контактов между зернами щебня и понижением плотности упаковки щебня друг относительно друга. Наряду с этим, повышение содержания щебня фракции 5–10 значительно увеличивает прочность при сжатии. Данный эффект объясняется снижением В/Ц отношения. Более плотная упаковка зерен щебня увеличивает его объемное содержание [1], тем самым повышается водопоглощение, а следовательно, В/Ц отношение. Аналогичное воздействие на прочность при сжатии имеет содержание песка и технологической пыли. За счет высокого показателя водопоглощения щебня влияние суперпластификатора не играет особой роли в формировании прочности легкого бетона. Наиболее высокую прочность имеют те составы, у которых наблюдается низкое содержание технологической пыли и высокий расход цемента.

На основании проведенных исследований можно утверждать, что сухие отходы имеют низкую насыпную плотность и относительно высокую прочность при сдавливании в цилиндре, что позволяет получить бетон с плотностью 1100–1300 кг/м3 с высокой марочной прочностью до класса бетона В5. Для повышения физико-механических показателей легкого бетона следует использовать фракцию 5–10 мм.

Использование отходов пенобетона автоклавного твердения в качестве крупного заполнителя в легком бетоне позволяет достичь двух целей: во-первых – значительно повысить уровень безотходности производства, во-вторых – производить энергоэффективный и экологически чистый строительный материал.

Библиографическая ссылка