Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА АВТОКЛАВНОГО ПЕНОБЕТОНА

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.
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).

fed1a.tif

fed1b.tif

fed1c.tif

а) Фракция 5–10 мм

б) Фракция 10–20 мм

в) Фракция 20–40 мм

Рис. 1. Фракционированный щебень из отходов автоклавного пенобетона

Таблица 1

Физико-механические показатели заполнителя

№ п/п

Фракция, мм

Насыпная плотность, кг/м3

Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа

Водопоглощение по массе, %

Истинная плотность, кг/м3

1

0–5

500,22

61,14

2544,44

2

5–10

328,88

0,26

3

10–20

303,19

0,24

4

20–40

290,46

0,23

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

п/п

Название фактора

Уровни варьирования

Шаг

варьирования

Нижний

(– 1)

Основной

(0)

Верхний

(+ 1)

1

Содержание фракции 5–10 мм (по массе), %

30

50

70

20

2

Соотношение песка, г

0

300

600

300

3

Содержание цемента, г

300

350

400

50

4

Содержание суперпластификатора (от массы цемента), %

0

0,5

1

0,5

fe2a.tif

fe2b.tif

а) Увеличение 3000х

б) Увеличение 20000х

Рис. 2. Микроструктура щебня из отходов автоклавного пенобетона

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

п/п

Р5–10,

%

Рп,

г

Рmn,

г

Рц,

г

Рсп,

%

В/Ц

ρ0,

кг/м2

Рсж,

МПа

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

30

600

0

300

0

1,3

1368

4,8

2

30

600

0

350

1

1

1335

5,4

3

30

600

0

400

0,5

0,92

1464

7,6

4

30

300

133

300

1

1,26

1249

4

5

30

300

133

350

0,5

1,36

1209

4,5

6

30

300

133

400

0

1,36

1157

3,6

7

30

0

267

300

0,5

1,72

1009

2,3

8

30

0

333

350

0

1,62

1140

3,5

9

30

0

333

400

1

1,29

1193

5,1

10

50

600

0

300

1

1,22

1377

4,5

11

50

600

0

350

0,5

1,24

1401

5,3

12

50

600

0

400

0

1,17

1395

5,4

13

50

300

166

300

0,5

1,67

1243

3,2

14

50

300

166

350

0

1,52

1179

4,1

15

50

300

166

350

0,5

1,33

1212

5,4

16

50

0

333

300

0

1,78

999

2,6

17

50

0

333

350

1

1,52

1126

2,8

18

50

0

333

400

0,5

1,42

1180

3,2

19

70

600

0

300

0,5

1,44

1345

5

20

70

600

0

350

0

1,33

1385

4,3

21

70

600

0

400

1

1,08

1418

7,3

22

70

300

166

300

0

1,67

1256

4,6

23

70

300

166

350

1

1,33

1214

5,9

24

70

300

166

400

0,5

1,21

1208

6,8

25

70

0

333

300

1

1,67

977

3,5

26

70

0

333

350

0,5

1,52

1009

3,7

27

70

0

333

400

0

1,42

1046

5,5

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

Федоров В.И., Абдимежитов М.К., Дъяконов А.А., Попов А.Л., Местников А.Е. ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА АВТОКЛАВНОГО ПЕНОБЕТОНА // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 11-1. – С. 61-65;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36358 (дата обращения: 14.12.2024).

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 = 1,674