ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

ОНИЩЕНКО ВІКТОРІЯ ЄВГЕНІВНА

УДК 691.33:669.712.002.68

БЕТОН З ВИСОКИМИ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИМИ

ВЛАСТИВОСТЯМИ НА АЛЮМОФЕРІТНІЙ ЗВ'ЯЗЦІ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі "Технологія будівельних матеріалів, виробів та конструкцій" Придніпровської державної академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

ПРИХОДЬКО Анатолій Петрович,

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури,

професор кафедри "Технологія будівельних матеріалів,

виробів та конструкцій".

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор САВІН Лев Сергійович,

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури,

професор кафедри "Екологія";

кандидат технічних наук, доцент шепляков Юрій Олександрович,

Кримська академія природоохоронного та курортного будівництва,

доцент кафедри "Хімія".

Провідна установа:

Одеська державна академія будівництва та архітектури,

кафедра виробництва будівельних виробів та конструкцій,

Міністерство освіти і науки України (м. Одеса).

Захист відбудеться " 24 " жовтня 2002 року о 15оо годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою:

49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, к. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, адреса: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а

Автореферат розісланий "_20_" вересня 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток та удосконалення виробництва будівельних матеріалів, підвищення їхньої економічної ефективності на сучасному етапі значною мірою визначається раціональністю використання сировинних ресурсів, повнотою залучення у виробництво техногенних продуктів. Матеріалами, що базуються на максимальному використанні побіжних продуктів промисловості, є шлаколужні бетони.

Шлами є основним техногенним продуктом алюмінієвої промисловості, кількість яких у відвалах обчислюється десятками мільйонів тонн. Практичне значення на сьогоднішній день представляє утилізація червоного бокситового шламу - побічного продукту при виробництві глинозему - для одержання різних видів бетонів з підвищеною міцністю при стиску і вигині, термічною стійкістю і поліпшеними техніко-економічними показниками.

Застосування шламів глиноземного виробництва дозволить розширити номенклатуру бетонів, практично не змінюючи існуючих технологій виготовлення шлаколужних бетонів, а також буде сприяти екологічному оздоровленню навколишнього середовища за рахунок утилізації шкідливих сполук у техногенних продуктах.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Наведені в дисертації дослідження виконані згідно з напрямками науково-дослідних робіт кафедри технології бетонів і в'яжучих ПДАБА відповідно до програми "Розробка автоматизованих систем управління технологічними процесами виробництва збірних бетонних і залізобетонних виробів" № UA 01003404Р. Рівень участі дисертанта – виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка високоміцного бетону на основі комплексного в'яжучого з використанням червоного бокситового шламу.

Для реалізації зазначеної мети автором вирішені наступні задачі:

- досліджений бокситовий шлам, як модифікуючий компонент шлаколужного в'яжучого і бетону;

- розроблені склади комплексного в'яжучого із застосуванням методів математичного планування;

- вивчені фазовий склад, фізико-механічні і технологічні властивості комплексного в'яжучого;

- досліджені фізико-механічні властивості, термічна стійкість бетонів на основі комплексного в'яжучого;

- розроблена методика призначення складів бетону на комплексному в'яжучому;

- оптимізовані технологічні параметри виготовлення отриманих бетонів і оцінена їх техніко-економічна ефективність.

Об'єктом дослідження є бетони на основі шлаколужних в'яжучих з коригувальними добавками.

Предмет дослідження – міцність і інші фізико-механічні властивості шлаколужного в'яжучого, модифікованого відходом глиноземного виробництва, і бетонів на цьому в'яжучому.

Методи дослідження. У роботі використані загальноприйняті стандартні методи визначення властивостей в'яжучого і бетону; метод математичного моделювання (для підбора оптимальних раціональних складів комплексного в'яжучого); метод кореляційного аналізу (для математичної обробки результатів експериментів). Визначення фазового складу новоутворень здійснювалося методами рентгено-фазового і диференційно-термічного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- виявлений вплив бокситового шламу, що дозволяє: 1) інтенсифікувати структуроутворення в'яжучого за рахунок введення в систему активних центрів кристалізації - алюмосилікатних сполук у складі шламу; 2) за рахунок зміни співвідношення основних оксидів у шлаковому цементі алюмоферітною зв'язкою шламу, одержувати в структурі затверділого в'яжучого цеолітоподібні новоутворення, які завдяки кристалічній структурі забезпечують підвищення міцності і термічної стійкості, а також зниження усадочних деформацій штучного каменю; 3) знизити витрату рідкого скла - найдорожчого у в'яжучому компонента, - за рахунок активації деструкції шлаку лугами в складі шламу;

- отримані склади комплексного в'яжучого з використанням бокситового шламу, які забезпечують високі показники міцності, термічну стійкість і зниження деформативності затверділого каменю;

- апробований фізико-аналітичний метод розрахунку складів бетонів для шлаколужних бетонів і запропоновані склади бетону на основі розробленого в'яжучого;

- запропонована технологія виготовлення бетонів на комплексному в'яжучому.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблені високоміцний конструкційний й жаростійкий бетони на основі комплексного в'яжучого, який вміщає червоний бокситовий шлам;

- розширена сировинна база бетонів за рахунок використання відходу алюмінієвої промисловості й знижена собівартість бетонних виробів.

Дослідно-промислове впровадження результатів досліджень проведене на ОПЗ "Балівський завод залізобетонних виробів". При заміні футерівки теплових агрегатів досягається економія 40,4 грн. на м3 бетону, а при виробництві конструкційних бетонів з обсягом випуску 20 тис. м3 економічний ефект складає 262000 грн.

Особистий внесок здобувача полягає в:

- теоретичному обґрунтуванні й експериментальному підтвердженні підвищення міцності, термічної стійкості й поліпшення деформативних характеристик бетону за рахунок уведення до складу комплексного в'яжучого бокситового шламу;

- розробці складів комплексного в'яжучого, а також бетонів на його основі і дослідженні їхніх фізико-механічних властивостей.

Апробація досліджень. Основні результати досліджень доповідалися та обговорювалися на: науково-технічних конференціях ПДАБтаА "Проблеми сучасного матеріалознавства" у 1993 - 2002 рр.; міжнародному семінарі в м. Одеса "Анализ и оптимизация грубогетерогенных композиционных материалов" у 1993 р.; на відкритих засіданнях кафедр технології бетонів і в'яжучих, будівельних матеріалів; наукових семінарах для викладачів, співробітників, аспірантів і студентів в ПДАБтаА в 1993 – 2002 рр.; на конференції ПДАБтаА "Стародубовские чтения" у 2001 р.

Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані у 7 статтях, отриманий деклараційний патент України на винахід № 43115А “В'яжуче”.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, 5 додатків і містить 157 сторінок, 38 таблиць, 38 малюнків. Крім основного тексту, розміщеного на 139 сторінках, дисертація включає список використаних джерел з 116 найменувань на 11 сторінках і 5 додатків на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету роботи, наведені найважливіші положення, які лягли в основу даних наукових досліджень і практичних розробок, показано новизну роботи, визначено практичну цінність результатів.

В першому розділі дається огляд відомих розробок В.Д. Глуховського, П.В. Кривенка, В.О. Пахомова, Г.С. Ростовської, Г.В. Руминої та ін., присвячених створенню і регулюванню властивостей шлаколужних цементів та бетонів, а також відомих робіт М.І. Бураєва, В.І. Корнієва, Б.П. Парімбетова, Г.Т. Пужанова та ін., в яких досліджується супутний продукт при переробці бокситів на глинозем – червоний шлам.

На підставі аналізу літературних джерел встановлено наступне. Шлаколужні цементи - це перспективний вид в'яжучих, які базуються на використанні широкого спектра побіжних продуктів промисловості. Але поряд з позитивними властивостями вони мають і недоліки, серед яких - зависока деформативність.

Разом з цим червоний бокситовий шлам є масовим техногенним продуктом алюмінієвої промисловості, який характеризується цінними фізико-хімічними якостями, що дозволяють керувати властивостями бетонів. Бокситовий шлам будь-якого заводу являє собою досить специфічний продукт по складу і властивостям, які визначають шляхи його утилізації.

Червоний байеровський шлам Дніпровського алюмінієвого заводу - це дешева сировина в нашому регіоні, спрямованих комплексних розробок якої для використання в шлаколужних бетонах не проводилося. Низький вміст у ньому оксиду кальцію не дозволяє використовувати цей шлам, як основний компонент в'яжучого. Але алюмоферітна зв'язка дніпровського байеровського шламу повинна вплинути на процеси твердіння шлаколужного в'яжучого.

У зв'язку з цим нами була запропонована робоча гіпотеза: бокситовий шлам - ефективний коригувальний компонент шлаколужного в'яжучого з комплексним характером впливу. По-перше, за рахунок уведення шламу до складу в'яжучого повинна знизитися витрата активатора твердіння шлаку, чи підвищитися інтенсивність деструкції поверхні зерен шлаку, тому що в шламі при замішуванні індуцируються іони ОН?. По-друге, у результаті взаємодії компонентів шламу і шлаку з рідким склом повинні утворюватися гідрогранати і цеолітоподібні алюмосилікати, що будуть виступати армуючими компонентами. Це повинно привести до підвищення міцності, зниженню усадочних явищ, підвищенню термічної стійкості в'яжучого і бетонів на його основі.

У другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів і методи досліджень.

Для одержання шлаколужного бетону було використано такі матеріали: 1) мелені шлаки доменні гранульовані Дніпропетровського, Дніпродзержинського й Запорізького металургійних комбінатів; 2) відвальний червоний бокситовий шлам Дніпровського алюмінієвого заводу; 3) лужний компонент: їдкий натр, кальцинована сода, рідке скло з силікатними модулями: 1,5; 1,8; 2,0; 2,5; 3,0; 4) крупний заповнювач – гранітний щебінь Рибальського кар'єру різного гранулометричного складу; 5) дрібний заповнювач - дніпровський річковий пісок з модулем крупності 1,92. При досліджуванні термічних властивостей бетону в якості крупного та дрібного заповнювачів використовували бій шамотної цегли класу В Запорізького заводу вогнетривів.

Хімічний склад червоного бокситового шламу наведений в табл. 1.

Таблиця 1

Хімічний склад червоного бокситового шламу

Масовий вміст основних оксидів, %

Al2O3 SiO2 Fe2O3 CaO TiO2 Na2O ВПП

16,6 10,5 40,7 12,1 4,2 6,3 9,4

Третій розділ присвячено розробці та дослідженню комплексного в'яжучого з використанням бокситового шламу.

Спочатку дослідження залежності міцності комплексного в'яжучого від вмісту компонентів були проваджені за допомогою сімплекс-решетчатих планів. Отримана математична модель міцності на стиск має вигляд

Rсж = 65,2 Х1 + 30,1 Х2 + 41,4 Х3 + 52,6 Х1Х2 + 117,2 Х1Х3 + 15 Х2Х3 + 691,2 Х1Х2Х3 ,

де Х1, Х2, Х3 – вміст компонентів в'яжучого відповідно: рідкого скла, доменного гранульованого шлаку, бокситового шламу.

З діаграми, збудованої по цієї моделі, випливає такий найефективніший діапазон вмісту компонентів комплексного в'яжучого, який забезпечує міцність на стиск 80…90 МПа, %: рідке скло - 15…30; доменний гранульований шлак - 60…75; бокситовий шлам - 5…20.

Але тенденція до зменшення міцності комплексного в'яжучого при збільшенні вмісту червоного шламу від 20 до 30 % пов'язана насамперед із нестачею рідкого скла для забезпечення процесів твердіння у цьому діапазоні (менш 15 %). Тому для визначення внеску бокситового шламу в активність шлаколужного в'яжучого нами було зроблено серії зразків з постійним вмістом рідкого скла (25 % - забезпечує найбільшу міцність) та змінним вмістом червоного шламу і доменного гранульованого шлаку.

Як випливає з рис. 1, максимальну міцність має камінь затверділого в'яжучого із вмістом 10…30 % бокситового шламу, який дає підвищення активності до 40 % в порівнянні з контрольним шлаколужним в'яжучим. А вміст 35 % шламу в складі комплексного в'яжучого забезпечує рівноцінну міцність з прототипом. І лише побільшення кількості шламу понад 40 % у в'яжучому призводить до помітного зменшення міцності внаслідок недостатнього вмісту оксиду кальцію в цементі для формування структуроутворюючих фаз.

Зміна лужного компоненту не впливає на оптимальну кількість бокситового шламу (10…30при цьому склади з їдким натром дають 54…74 %, з кальцинованою содою – 38…52від міцності на рідкому склі. Із зростанням густини водних розчинів від 1150 до 1350 кг/м3 усіх лужних компонентів показники міцності в'яжучого закономірно зростають (20…40 %).

Введення червоного шламу у шлаколужне в'яжуче і збільшення його частки підвищує до 36 % його активність та пересуває оптимум міцності в бік зниження витрати рідкого скла (див. рис. 2). Останнє пояснюється дією лугів шламу, які поряд із лугами скла теж беруть участь у твердненні в'яжучого.

Виходячи з проведених досліджень нами були визначені раціональні склади комплексного шлаколужного в'яжучого, %: доменний гранульований шлак – 45…65; бокситовий шлам – 30…10; рідке скло – 25. Або в перерахунку на цемент, %: доменний гранульований шлак – 60…87; бокситовий шлам – 40…13.

Вивчення фазового складу комплексного в'яжучого за допомогою рентгеноструктурного, термографічного й петрографічного аналізів показало, що при даному співвідношенні компонентів він містить найбільшу кількість гідрогранатів (С3АSH4, C3FS0,5H5, C3(A,F)S2H2) і натрієвих гідроалюмосилікатів (анальциму, натроліту або гідронефеліну), які забезпечують підвищення міцності штучного каменю.

Як бачимо з табл. 2, комплексне в'яжуче у 28-добовому віці має міцність на стиск 76,7…84,7 МПа і на вигин – 9,2…9,9 МПа.

Таблиця 2

Зміна активності каменю комплексного в'яжучого у часі

Умови тверднення Вміст шламу у в'яжучому, % Міцність каменю в'яжучого на: стиск / вигин, МПа, у віці, діб

1 28 90 180 360

Натуральні 0 10 20 30 25,0/4,0 29,4/6,1 33,5/6,4 27,5/5,8 70,3/8,0 79,3/9,5 84,7/9,9 76,7/9,2 81,6/8,7 96,9/10,5 101,5/11,0 92,6/10,2 84,3/8,9 103,3/10,9 110,0/11,5 97,4/10,5 86,8/9,1 108,3/11,2 116,2/11,8 101,7/10,7

Пропарювання 0 10 20 30 76,4/8,5 96,0/10,3 105,9/10,9 97,8/10,0 79,3/8,9 100,8/10,6 112,0/11,7 103,6/10,8 82,5/9,1 104,3/10,9 115,8/12,0 107,5/11,3 83,8/9,2 106,5/11,1 117,9/12,2 109,5/11,5 84,0/9,3 107,4/11,2 119,6/12,3 111,2/11,6

Порівнюючи з прототипом модифікування в'яжучого червоним шламом збільшує його активність на стиск і вигин до 40 %, як у ранні, так і в пізні строки тверднення. Тепловологова обробка зразків дозволяє отримати камінь комплексного в'яжучого у добовому віці з активністю 96…105,9 МПа на стиск і 10…10,9 МПа на згин.

Таким чином, процеси структуроутворення комплексного в'яжучого інтенсифікуються, чому сприяють такі фактори. По-перше, введення бокситового шламу до в'яжучого за рахунок дії алюмоферітної зв'язки змінило співвідношення головних оксидів у цементі в бік збільшення частки оксидів заліза і алюмінію, що й дало вплив на склад новоутворень. Зростає частка лужних гідроалюмосилікатів, алюмоферистих гідрогранатів, зменшується вміст тоберморитоподібного гелю. З'являються феристі гідрогранати. Завдяки кристалічній будові цим фазам притаманна підвищена міцність на стиск і вигин, що забезпечує підйом показників міцності комплексного в'яжучого.

Крім того, у складі шламу є високодисперсні активні центри кристалізації – цеолітоподібні гідроалюмосилікатні сполуки, що прискорюють кристалізаційні процеси при твердненні в'яжучого. Також позначається ефект від збільшення щільності пакування при заповненні порожнин мікрочасточками шламу у кладці шлакових часток.

Використання бокситового шламу в якості компоненту шлаколужного в'яжучого дозволяє, як то слідує з табл. 3, збільшити початковий модуль пружності (на 20…25 %) та зменшити власну лінійну усадку й границі неруйнівних деформацій (на 40…80 %) каменю в'яжучого у порівнянні з прототипом. Це зумовлюється зменшенням частки аморфної фази за рахунок збільшення об'єму кристалічних алюмосилікатної та феросилікатної фаз, які утворюють жорсткі каркаси в структурі каменю комплексного в'яжучого.

Таблиця 3

Деформативні характеристики каменю комплексного в'яжучого

Показники Вміст бокситового шламу в шлаколужному цементі, % Вид лужного компоненту, ?=1250 кг/м3

0 10 20 30 40

Початковий модуль пружності, ґ103 МПа 9,6 9,7 9,6 10,7 11,3 11,6 11,5 11,6 12,6 11,1 11,4 12,6 10,6 10,9 12,0 NaOH Na2CO3 Na2OЧ2SiO2

Відносна усадка у віці 28 діб, мм/м 1,81 1,04 1,03 1,36 0,91 0,86 1,03 0,79 0,68 0,90 0,74 0,56 0,87 0,70 0,49 NaOH Na2CO3 Na2OЧ2SiO2

Граничні деформації, ґ10-3 мм/м 8,74 6,00 12,45 6,40 4,18 7,89 6,13 3,90 7,06 5,91 3,84 6,77 5,64 3,74 6,93 NaOH Na2CO3 Na2OЧ2SiO2

Початковий модуль пружності каменю комплексного в'яжучого рівний початковому модулю пружності цементного каменя аналогічних класів по міцності на стиск, на відміну від традиційних шлаколужних в'яжучих, яким притаманна підвищена деформативність.

У проваджених дослідах ми звернули особливу увагу на технологічні якості комплексного в'яжучого, оскільки рідкоскляні композиції характеризуються скороченими строками тужавіння, які обмежують організацію виробничого процесу.

Із введенням у шлаковий цемент до 40 % бокситового шламу знижується його нормальна густота і на 30…45 хвилин затримується початок тужавіння (див. табл. 4). Зменшення водопотреби тіста пояснюється пластифікуючими властивостями червоного шламу, а сповільнення тужавіння пов'язано з його низькою гідравлічною активністю. Тому в початкові строки тверднення він не впливає на гідратаційні процеси.

Застосування червоного шламу в шлаковому цементі також покращує легкоукладальність тіста в'яжучого (зниження жорсткості до 40 %), зменшує величину граничного опору зсуву на 13…16 %, поліпшує його водоутримну здатність (зріст до 14 %).

Таблиця 4

Технологічні якості тіста комплексного в'яжучого

Вид лужного компоненту ?=1250 кг/м3 Вміст червоного шламу в цементі, % Нормальна густота в'яжучого, % Строки тужавіння в'яжучого, годин – хвилин

початок кінець

NaOH 0 13 27 40 26,8 26,2 25,8 25,5 0 – 48 1 – 05 1 – 19 1 – 30 2 – 01 2 – 13 2 – 28 2 – 45

Na2CO3 0 13 27 40 27,2 26,7 26,3 25,8 1 – 10 1 – 23 1 – 43 1 – 56 3 – 05 3 – 28 3 – 53 4 – 22

Na2OЧ2SiO2 0 13 27 40 26,8 26,2 25,6 25,2 0 – 32 0 – 48 1 – 00 1 – 08 0 – 46 1 – 08 1 – 24 1 – 38

Після 12 місяців витримування у воді зразки комплексного в'яжучого мають достатню водостійкість (на 15…20 % вищу порівняно з прототипом) і стійкість до вилужування (зріст до 9 %) (див. табл. 5).

Таблиця 5

Стійкість комплексного в'яжучого у водному середовищі

Показники Вміст бокситового шламу в шлаковому цементі, %

0 13 27 40

Водостійкість (міцність на стиск, МПа) 57,8 61,8 62,9 65,6

Стійкість до вилужування (міцність на вигин, МПа) 10,4 10,6 10,8 11,3

Зросту водостійкості комплексного в'яжучого сприяє склад новоутворень: гідрогранати і лужні гідроалюмосилікати, яким притаманна низька розчинність. Модифікуюча дія бокситового шламу на підвищення стійкості каменя у водному середовищі також зумовлена зростом щільності пакування шлакових часток за рахунок заповнення пиловидними фракціями шламу порожнин між ними.

Четвертий розділ дисертації містить дослідження шлаколужних бетонів із використанням бокситового шламу.

На основі розробленого комплексного в'яжучого нами були отримані стабільні по показникам бетони із міцністю на стиск до 75 МПа.

Збільшення коефіцієнта варіації, іншими словами, неодноманітності його структури із зменшенням густини рідкого скла пояснюється недостатньою кількістю натрієвого силікату для рівномірного його розподілення в об'ємі бетону. Як бачимо з рис. 3, шлаколужні бетони на комплексному в'яжучому при вмісті натрієвого силікату рідкого скла не менш 9 % від маси твердої частки в'яжучого мають коефіцієнт варіації міцності на стиск не більший, ніж нормуємий для цементних бетонів (VR = 13,5 %), на відміну від традиційних шлаколужних бетонів, в яких коефіцієнт варіації рівний 16,5 %.

Приклади складів бетону для визначення деформативних показників наведені у табл. 6.

Таблиця 6

Склади шлаколужних бетонів на комплексному в'яжучому

Номер складу Водоцементне відношення Витрата компонентів бетону, кг/м3 Густина рідкого скла, кг/м3

пісок щебінь цемент (шлак + шлам) рідке скло

1 2 3 0,4 530 510 490 1344 1326 1308 340 360 380 170 180 190 1,26

4 5 6 0,43 494 504 516 1350 1302 1248 340 360 380 170 180 190 1,16

7 8 9 0,50 518 504 490 1350 1328 1310 302 318 332 190 200 210 1,26

Шлаколужні бетони на комплексному в'яжучому мають початковий модуль пружності не нижчий за нормований для цементних бетонів, на відміну від традиційних шлаколужних бетонів, які відрізняються зависокою деформативністю (див. табл. 7).

Таблиця 7

Деформативні показники бетонів на комплексному в'яжучому

Номер складу Кубикова міцність Rкуб, МПа Призменна міцність Rпр, МПа Початковий модуль пружності Ео, ґ10 3 МПа Граничні деформації е, ґ10-3

1 2 3 46,0 42,5 44,2 37,7 36,1 36,7 32,4 30,6 28,5 1,68 1,57 1,49

4 5 6 43,6 40,4 38,9 36,6 32,3 33,5 30,7 26,2 28,0 1,81 1,42 1,60

7 8 9 34,2 33,6 30,2 29,8 26,9 24,8 27,4 28,2 24,8 1,50 1,64 1,45

Як показують розрахунки й експериментальні дослідження, залежність між складом шлаколужного бетону на комплексному в'яжучому, його міцністю й легкоукладальністю досить надійно описується рівняннями фізико-аналітичного методу еквівалентних складів бетону.

Важливим напрямком досліджень було визначення опору бетону на комплексному в'яжучому дії високих температур. Як штучний камінь в'яжучого (25…29 теплозмін), так і бетонний камінь (більш 40 теплозмін) чинять добрий опір перемінному нагріванню та охолодженню.

Виходячи з рис. 4, максимальна міцність бетону на стиск в охолодженому стані після першого випалу – при температурі 1000°С (130…145 % від міцності контрольних зразків). Це свідчить об інтенсивно перебігаючих процесах твердофазових реакцій в даному температурному діапазоні, які призводять до утворення міцних зростків фаз. Тенденція до зменшення міцності бетону, що підпав випалу при температурі 1200°С, порівняно із обпаленим при 1000°С, пов'язана з побільшенням кількості скляної фази із розплаву.

Як бачимо з табл. 8, збільшення вмісту шламу від 13 до 40 % віддаляє початок розм'якшення зразків комплексного в'яжучого й бетонів на його основі на 50°C та розтягує інтервал розм'якшення на 10 %.

Коефіцієнт лінійного термічного розширення каменю комплексного в'яжучого за температур 200…1000°С становить (4,1…6,9)Ч10-6 Ч°С-1, бетону на його основі – (3,5…5,7)Ч10-6Ч°С-1.

Таблиця 8

Деформації зразків під навантаженням 0,2 МПа за дії високих температур

Серії зразків Температура деформації під навантаженням, 0,2 МПа, °С Інтервал розм'якшення

Початок розм'якшення 4 % 40 %

1 – В'яжуче (13 % шламу) 1090 1100 1135 45

2 – В'яжуче (27 % шламу) 1120 1135 1170 50

3 – В'яжуче (40 % шламу) 1140 1150 1190 50

1 - Бетон 1200 1215 1250 50

2 - Бетон 1220 1230 1285 65

3 - Бетон 1250 1270 1305 55

Аналіз кривих ДТА й ДТГ (рис. 5) свідчить, що при нагріванні штучного каменю у ньому відбувається складні фізико-хімічні процеси, які накладаються один на інший.

Широкий ендоефект на кривій ДТА при 390…700°С свідчить про розрив водневих зв'язків із вилученням конституційної води, який призводить до втрати міцності , а видалення води - до усадки. Але значної втрати міцності штучного каменю при цьому не відбувається. По-перше, для гідрогранатів і натрієвих гідроалюмосилікатів характерна стадійна дегідратація. По-друге, цеолітоподібні сполуки, коли втрачають воду, розташовану усередині каркасних порожнин, не змінюють свої міжплощинні відстані. По-третє, позначається хімічна спорідненість водяних і безводних сполук, а також близькість коефіцієнтів їх лінійного розширення. Тому надмірних деструктивних напружень при усадці в структурі каменю не виникає. Цим і зумовлюється мінімальна втрата міцності в цьому температурному діапазоні.

Зріст міцності бетону (див. рис. 4), що підпав випалу за температур вище 700°С, свідчить про інтенсифікацію твердофазових реакцій між натрієвими й кальцієвими алюмо- і феросилікатами (початок широкого екзоефекту при 700…1000°С).

Дегідратовані гранати в інтервалі 500…1000°С постійно перекристалізовуються з утворенням кінцевих продуктів у вигляді твердого розчину гросуляру з андрадитом. З лужних алюмосилікатів кристалізується нефелін або альбіт залежно від основності мінералів.

Рентгено-фазовий аналіз зразків комплексного в'яжучого, термічно оброблених при температурі 1000°С впродовж 72 годин допоміг визначити його фазовий склад: твердий розчин гросуляру з андрадитом; альбіт; воластоніт; ?-нефелін.

Таким чином, введення бокситового шламу до складу шлаколужного в'яжучого дозволяє спрямовано змінювати фазовий склад штучного каменю таким чином, що в ньому переважають новоутворення, здатні за дії високих температур стадійно дегідратовуватись й перекристалізовуватись у безводні сполуки без надмірних деструктивних напружень. Формування при випалі зростків між сполуками внаслідок твердофазових реакцій між ними забезпечує збільшення міцності й термічної стійкості штучного каменю. Це дозволило отримати важкий конструкційний жаростійкий бетон з рекомендованою температурою експлуатації до 1100°С.

П'ятий розділ присвячено розробці технології виробництва бетонів на комплексному в'яжучому.

Оскільки шлаколужним бетонним сумішам на рідкому склі властива підвищена жорсткість й скорочені строки тужавіння, то при їх виробництві ми відійшли від традиційної технології та використали метод роздільного бетонування.

Цей метод полягає у суміщенні процесів перемішування та формування. Розчинна частка бетону попередньо виготовляється поблизу від формовочного посту у бетонозмішувачі та надходить до формуємої конструкції з допомогою бетононасосу або торкрет-установки. У той самий час у підготовлену форму на віброплощадці з накопичувального бункеру зсипається через направляючий циліндр крупний заповнювач й покривається розчином. Під дією сил вібрацій відбувається остаточне приготування бетонної суміші та її ущільнення.

Для скорочення часу видержки конструкції перед разопалубкою необхідно скоректувати час приготування розчинної частки бетону таким чином, щоб формовка співпадала з початком тужавіння суміші. Це дозволить скоротити загальну тривалість циклу виготовлення виробів.

Для перевірки жаростійкості розробленого шлаколужного бетону на ОПЗ ЗБВ АПО "Дніпросельстройіндустрія" (зараз ОПЗ "Балівський завод залізобетонних виробів") була впроваджена бетонна часткова футерівка печі випалу керамзитового гравію. За рік роботи печі на поверхні бетонної футерівки слідів руйнування не виявлено.

Економічний ефект від впровадження бетонної футерівки дорівнює 40,7 грн/м3 (в цінах 1997 р.) й складається із: зниження собівартості використаних матеріалів (порівняно з вогнетривкою цеглою), зменшення питомих капітальних вкладень на монтаж монолітної футерівки (у порівнянні з кладкою штучного матеріалу), зменшення витрат на утримання й експлуатацію обладнання (внаслідок збільшення міжремонтних періодів експлуатації обладнання).

Задля вивчення технологічності й експлуатаційних властивостей розробленого шлаколужного бетону на базі ОПЗ "Балівський завод залізобетонних виробів" була виготовлена партія плит покриття і фундаментних блоків з сумарним річним об'ємом продукції 20000 м3.

Промисловий випуск виробів довів можливість їх виготовлення з розробленого бетону на комплексному в'яжучому по майже незмінним існуючим технологіям заводів залізобетонних виробів й отримання цих бетонів із заданими властивостями.

Економічний ефект від виробництва конструкційних бетонів річного об'єму складає 262000 грн. (в цінах 2001 р.) й досягається за рахунок зниження собівартості матеріалів, зменшення витрат технологічного палива й електроенергії.

ВИСНОВКИ

1. У результаті аналізу літературних джерел, теоретичних передумов та узагальнення отриманих експериментальних даних вирішені такі науково-технічні задачі:

·

· розроблені технологічні основи ефективного використання техногенних продуктів, що забезпечують зниження собівартості і енергетичних витрат при високій якості виробів з шлаколужних бетонів.

2. досліджений вплив червоного шламу на фізико-механічні властивості шлаколужного в'яжучого і бетонів. Отримано високоміцний конструкційний бетон (та вироби з нього) із використанням бокситового шламу в якості компонента комплексного в'яжучого.

3. Оптимізовані склади комплексного шлаколужного в'яжучого, при чому раціональний вміст бокситового шламу складає 10...30 % (у перерахунку на шлаковий цемент 13...40 %) незалежно від виду лужного компонента.

4. Проведеними дослідженнями встановлено, що введення бокситового шламу в оптимальних кількостях до складу комплексного в'яжучого дозволяє: а) знизити на 8 % витрату лужного компонента в'яжучого за рахунок участі лугів шламу в процесах його твердіння; б) підвищити міцність на стиск каменю в'яжучого на 40 % (з 60 до 90 МПа) і бетонів на його основі на 30 % (з 50 до 75 МПа); в) знизити деформативність (на 25...50 %) штучного каменю, - до рівня, нормованого для цементних бетонів.

5. Фізичними методами досліджень (термічний, рентгено-фазовий аналіз) встановлено, що підвищення міцності і зниження деформативности штучного каменю здійснюється за рахунок цеолітоподібних сполук кристалічної будови в його структурі: гидрогранатів і натрієвих гідроалюмосилікатів.

6. На основі комплексного в'яжучого отриманий жаростійкий бетон з рекомендованою температурою експлуатації до 1100°С. (Залишкова міцність після випалу при температурі 1000°С - 130...145 % від міцності контрольного бетону. Термостійкість - понад 40 теплозмін. Коефіцієнт лінійного термічного розширення при T = 200...1100°С - (3,5...5,7)·10 -6 °С –1. Температура 4 %-вої деформації під навантаженням 0,2 МПа - від 1215 до 1270°С).

7. Апробований фізико-аналітичний метод розрахунку цементних бетонів для призначення складів розробленого бетону забезпечує достатній ступінь надійності.

8. Запропоновано технологію виготовлення отриманого бетону й оцінена його ефективність, при заміні футерівки теплових агрегатів досягається економія 40,4 грн. на м3 (на 27 %), а при виробництві конструкційних бетонів з річним обсягом випуску 20000 м3 економічний ефект складає 262000 грн (на 25…27 %).

СПИСОК ДРУКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Онищенко В.Е. Эффективный шлакощелочной бетон с использованием красного бокситового шлама // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, Вып. № 13. – Дн-ск: ПГАСА, 2000. – с. 72-79.

2. Приходько А.П., Пунагин В.Н., Онищенко В.Е. Использование бокситового шлама алюминиевой промышленности в комплексном шлакощелочном вяжущем // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – Дн-ськ: ПДАБтаА, 2001. - № 2. – с. 39-45.

3. Приходько А.П., Пунагин В.Н., Онищенко В.Е. Коррозионностойкое шлакощелочное вяжущее, модифицированное бокситовым шламом // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – Дн-ськ: ПДАБтаА, 2001. - № 3. – с. 33-39.

4. Приходько А.П., Пунагин В.Н., Онищенко В.Е. Исследование прочностных свойств шлакощелочного вяжущего, как функции его состава // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – Дн-ськ: ПДАБтаА, 2001. - № 6. – с. 47-53.

5. Онищенко В.Е. Использование красного шлама в комплексном вяжущем // Вопросы химии и химической технологии. - № 5.- Дн-ск: УГХТУ, 2001. – с. 42-45.

6. В'яжуче: Патент 43115А. Україна, МКИ С04 В 7/14 / А.П. Приходько, В.Е. Онищенко. - № 2001021282; Заявл.. 22.02.2001; Опубл. 15.11.2001, Бюл. № 10. – 3 с.

7. Приходько А.П., Пунагин В.Н., Онищенко В.Е. Новое направление использования бокситового шлама // Тез. докл. межд. семинара "Анализ и оптимизация грубогетерогенных композиционных материалов". – К.: Знание, 1993. - № . – с. 30.

8. Приходько А.П. Онищенко В.Е. Термостойкость шлакощелочного вяжущего с применением бокситового шлама // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Сер. "Стародубовские чтения", Вып. № 12. – Дн-ск: ПГАСА, 2001. – с. 231.

АНОТАЦІЯ

Онищенко Вікторія Євгенівна. Бетон з високими експлуатаційними властивостями на алюмоферітній зв'язці. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05. - Будівельні матеріали і вироби. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2002.

У роботі обґрунтована і практично підтверджена можливість підвищення міцності й термічної стійкості шлаколужних бетонів за рахунок використання побіжного продукту при переробці бокситів на глинозем - червоного бокситового шламу, як компоненту комплексного в'яжучого, - з метою створення бетонів з високими експлуатаційними характеристиками і розширення сировинної бази будівельних матеріалів. Крім того, уведення червоного шламу до складу в'яжучого дозволяє оптимізувати технологічні властивості шлаколужних бетонних сумішей, знизити деформативність шлаколужного бетону до рівня, нормованого для цементних бетонів.

Ключові слова: червоний бокситовий шлам, алюмоферітна зв'язка, комплексне в'яжуче, шлаколужний бетон, підвищення міцності, зниження деформативності.

АННОТАЦИЯ

Онищенко Виктория Евгеньевна. Бетон с высокими эксплуатационными свойствами на алюмоферритной связке. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05. – Строительные материалы и изделия. – Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2002.

В работе обоснована и практически подтверждена возможность повышения прочности и термической устойчивости шлакощелочных бетонов за счет использования попутного продукта при переработке бокситов на глинозем – красного бокситового шлама, как компонента комплексного вяжущего, - с целью создания бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками и расширения сырьевой базы строительных материалов. Кроме того, введение красного шлама в состав вяжущего позволяет оптимизировать технологические свойства шлакощелочной бетонной смеси, снизить деформативность шлакощелочного бетона до уровня, нормируемого для цементных бетонов.

Разработанное комплексное вяжущее (активность в 28-суточном возрасте до 90 МПа) обеспечивает повышение до 40 % прочностных характеристик, как в ранние, так и в поздние сроки твердения по сравнению с контрольным шлакощелочным вяжущим.

Исследованы и оптимизированы составы комплексного вяжущего. Прослежено модифицирующее влияние алюмоферритной связки бокситового шлама на прочностные (изгиб, сжатие), деформативные (начальный модуль упругости, собственная усадка, предельные неразрушающие деформации) свойства, устойчивость в водной среде (водостойкость, стойкость к выщелачиванию), технологические свойства теста вяжущего (сроки схватывания, удобоукладываемость, предельное напряжение сдвига, водоудерживающая способность).

Использование комплексного вяжущего, включающего бокситовый шлам, для шлакощелочных бетонов позволяет повысить их прочностные показатели до 30 % или обеспечить значительную экономию материалов при сохранении прочности. При этом возможно получение бетонов со стабильными качествами и прочностью на сжатие до 75 МПа, коэффициент вариации прочности на сжатие VR = 13,5 %, в отличие от традиционных шлакощелочных бетонов, у которых VR = ,5Исследованы физико-механические свойства шлакощелочных бетонов: прочность, деформативность.

Апробированный способ назначения составов шлакощелочного бетона на комплексном вяжущем обеспечивает достаточную степень надежности.

Исследованы свойства разработанного бетона при воздействии высоких температур (термическая стойкость, огневая усадка, прочность после обжига в охлажденном состоянии), прослежены изменения структуры искусственного камня при нагревании, установлено влияние новообразований на его свойства. Применение комплексного вяжущего и огнеупорных заполнителей позволило получить конструкционный жаростойкий бетон с температурой эксплуатации до 1100°С.

Ключевые слова: красный бокситовый шлам, алюмоферритная связка, комплексное вяжущее, шлакощелочной бетон, повышение прочности, снижение деформативности.

SUMMARY

Оnishenko Victoria. Concrete with high operational properties on аluminium-iron complex. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.23.05. - Building materials and articles. - Pridneprovsk state academy of building and architecture. Dnepropetrovsk, 2002.

In activity is justified and practically capability of increase of strength, heat resistance of slag-alkali concretes is affirmed at the expense of usage of a passing product at processing of bauxites on alum earth - red bauxite mud, as component complex binder, - with the purpose of creation of concretes with high operating characteristics and extension of raw base of building materials. Besides the introducing of red mud in a structure binder allows to optimize technological properties of a slag-alkali concrete mix, to lower deformations of slag-alkali concrete to a level which is set norms for cement concretes.

Key words: red bauxite mud, аluminium-iron complex, complex binder, slag-alkali concrete, increase of strength, decrease of deformations.