Ресурсосберегающие порошковые фибробетоны с использованием техногенных отходов.
В.И. КАЛАШНИКОВ, В.С. ДЕМЬЯНОВА, доктора техн. наук,С. В. АНАНЬЕВ, В.М. ВОЛОДИН, А.Д. ГУСЕВ, инженеры, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Разработка новых видов высококачественных бетонов, принципиально отличающихся от традиционных, как по рецептуре, так и по технологии изготовления, базируется на использовании дополнительно двух основных компонентов – суперпластификаторов и высокопуццоланических добавок – микрокремнеземов и микрометакаолинов. Одним из таких бетонов нового поколения, в которых в наибольшей степени реализуются диспергирующие и разжижающие свойства суперпластификаторов является порошковый бетон. Основным достоинством и мотивацией появления таких бетонов является возможность использования каменных реакционно-активных порошков, изготовляемых из тонких отсевов камнедробления и обогащения рудных ископаемых, ежегодный выход которых в мире превзошел 100 млрд т, а также использование тонких фракций кварцевого песка или измельченного кварца [1, 2]. В России бетоны с использованием реакционно-активных порошков из горных пород практически не изучались и реально не изготавливались, в то время как за рубежом такие бетоны начинают интенсивно использоваться при изготовлении тонкостенных конструкций, архитектурных ажурных криволинейных покрытий, тавровых и двутавровых балок с комбинированным армированием, мостовых конструкций и пр. В связи с высокой экономической эффективностью реакционно-порошковых бетонов, разработка и исследование их являются чрезвычайно актуальными [3].
Кроме того, в настоящее время во всем мире наблюдается тенденция повышения негативного влияния промышленно-хозяйствующих субъектов на окружающую среду, сопровождающаяся истощением природных ресурсов, нарушением динамического равновесия биосферы [4, 5]. В связи с этим, все более очевидной становится необходимость создания новых материалов и технологий, в том числе с использованием техногенных образований и отходов. К числу таких материалов относятся фибробетоны с использованием в качестве армирующих элементов волокон из металлокорда. Целесообразность использования дисперсной стальной фибры, в том числе из отходов, взамен стальной промышленной арматуры, повышается с переходом на высокопрочные тонкозернистые порошковые фибробетоны нового поколения. Реакционно-порошковые бетоны наиболее полно сочетаются с дисперсными волокнами и мелкосеточными ткаными каркасами из полипропиленовых, полиамидных, полиакрилатных и стеклянных волокон, с формированием высокой прочности при сжатии и растяжении [6]. В таких бетонах полностью реализуется однородность распределения фибры по сечению бетона.
В настоящее время ограниченность и локализация производства тонкой промышленной фибры в нашей стране увеличивает ее стоимость, что приводит к удорожанию сталефибробетона и cнижению его применения. В настоящей работе в качестве альтернативы промышленной фибры предложено использование металлокорда, продукта механической переработки изношенных автомобильных шин. На базе ООО «Пензмаш» запущена пилотная линия по механической переработке изношенных автомобильных шин КПШ-1, позволяющая перерабатывать свыше 3 т покрышек за смену. В результате образуется резиновая крошка фракции 1–4 мм, металлокорд (рисунок, а) и текстиль. Металлокорд, объемы производства которого от одной установки КПШ-1 составляют 200–300 кг/ч, как побочный продукт сдается на металлолом по стоимости 3–5 р./кг. После переработки в нем содержится примесь резины в объеме 1–4%, что негативно сказывается на прочностных показателях сталефибробетона и требует дополнительной обработки.
Очистку металлокорда до качества проволоки по ГОСТ 3282–74 и ГОСТ 9389–75 производили обработкой песком в шаровой мельнице в течение 30 мин. В шаровую мельницу совместно с мелящими телами помещали гранитный щебень фракции 1,25–2,5 мм и кварцевый песок. В результате обработки металлокорд полностью очистился от примесей резины, при этом на его гранях под воздействием щебня появились дополнительные засечки, что является важным, так как свойства сталефибробетона во многом определяются количеством и состоянием контактов на границе раздела фаз волокно–матрица. Наиболее длинные и крючкообразные волокна, агрегировались в единый комок и были удалены. Отделение металлокорда от примеси щебня и песка осуществляли магнитной сепарацией. По ориентировочным оценочным расчетам себестоимость такой фибры составляет 8–10 р./кг
В.И. КАЛАШНИКОВ, В.С. ДЕМЬЯНОВА, доктора техн. наук,С. В. АНАНЬЕВ, В.М. ВОЛОДИН, А.Д. ГУСЕВ, инженеры, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Разработка новых видов высококачественных бетонов, принципиально отличающихся от традиционных, как по рецептуре, так и по технологии изготовления, базируется на использовании дополнительно двух основных компонентов – суперпластификаторов и высокопуццоланических добавок – микрокремнеземов и микрометакаолинов. Одним из таких бетонов нового поколения, в которых в наибольшей степени реализуются диспергирующие и разжижающие свойства суперпластификаторов является порошковый бетон. Основным достоинством и мотивацией появления таких бетонов является возможность использования каменных реакционно-активных порошков, изготовляемых из тонких отсевов камнедробления и обогащения рудных ископаемых, ежегодный выход которых в мире превзошел 100 млрд т, а также использование тонких фракций кварцевого песка или измельченного кварца [1, 2]. В России бетоны с использованием реакционно-активных порошков из горных пород практически не изучались и реально не изготавливались, в то время как за рубежом такие бетоны начинают интенсивно использоваться при изготовлении тонкостенных конструкций, архитектурных ажурных криволинейных покрытий, тавровых и двутавровых балок с комбинированным армированием, мостовых конструкций и пр. В связи с высокой экономической эффективностью реакционно-порошковых бетонов, разработка и исследование их являются чрезвычайно актуальными [3].
Кроме того, в настоящее время во всем мире наблюдается тенденция повышения негативного влияния промышленно-хозяйствующих субъектов на окружающую среду, сопровождающаяся истощением природных ресурсов, нарушением динамического равновесия биосферы [4, 5]. В связи с этим, все более очевидной становится необходимость создания новых материалов и технологий, в том числе с использованием техногенных образований и отходов. К числу таких материалов относятся фибробетоны с использованием в качестве армирующих элементов волокон из металлокорда. Целесообразность использования дисперсной стальной фибры, в том числе из отходов, взамен стальной промышленной арматуры, повышается с переходом на высокопрочные тонкозернистые порошковые фибробетоны нового поколения. Реакционно-порошковые бетоны наиболее полно сочетаются с дисперсными волокнами и мелкосеточными ткаными каркасами из полипропиленовых, полиамидных, полиакрилатных и стеклянных волокон, с формированием высокой прочности при сжатии и растяжении [6]. В таких бетонах полностью реализуется однородность распределения фибры по сечению бетона.
В настоящее время ограниченность и локализация производства тонкой промышленной фибры в нашей стране увеличивает ее стоимость, что приводит к удорожанию сталефибробетона и cнижению его применения. В настоящей работе в качестве альтернативы промышленной фибры предложено использование металлокорда, продукта механической переработки изношенных автомобильных шин. На базе ООО «Пензмаш» запущена пилотная линия по механической переработке изношенных автомобильных шин КПШ-1, позволяющая перерабатывать свыше 3 т покрышек за смену. В результате образуется резиновая крошка фракции 1–4 мм, металлокорд (рисунок, а) и текстиль. Металлокорд, объемы производства которого от одной установки КПШ-1 составляют 200–300 кг/ч, как побочный продукт сдается на металлолом по стоимости 3–5 р./кг. После переработки в нем содержится примесь резины в объеме 1–4%, что негативно сказывается на прочностных показателях сталефибробетона и требует дополнительной обработки.
Очистку металлокорда до качества проволоки по ГОСТ 3282–74 и ГОСТ 9389–75 производили обработкой песком в шаровой мельнице в течение 30 мин. В шаровую мельницу совместно с мелящими телами помещали гранитный щебень фракции 1,25–2,5 мм и кварцевый песок. В результате обработки металлокорд полностью очистился от примесей резины, при этом на его гранях под воздействием щебня появились дополнительные засечки, что является важным, так как свойства сталефибробетона во многом определяются количеством и состоянием контактов на границе раздела фаз волокно–матрица. Наиболее длинные и крючкообразные волокна, агрегировались в единый комок и были удалены. Отделение металлокорда от примеси щебня и песка осуществляли магнитной сепарацией. По ориентировочным оценочным расчетам себестоимость такой фибры составляет 8–10 р./кг
Физико-механические показатели очищенного металлокорда незначительно уступают промышленной стальной фибре, поставляемой Белорусским металлургическим объединением (БМЗ).
Выполнены сравнительные испытания мелкозернистого реакционно-порошкового бетона 1 и порошкового фибробетона с промышленной фиброй 2 и металлокордом 3 (таблица). Для изготовления опытных образцов использовали следующие исходные материалы: цемент Жигулевский ПЦ500Д0 с удельной поверхностью Sуд=360 кг/м2 , кварцевый песок Нижегородского карьера фракции 1,25–2,5 мм. Модификацию цементной матрицы осуществляли комплексными органоминеральными добавками. В качестве дисперсных наполнителей таких добавок использовали: каменные реакционно-активные порошки из измельченного до удельной поверхности Sуд=313 кг/м2 строительного песка Нижегородского карьера. Дозировка измельченного строительного песка составляла 15% расхода цемента. Органическим компонентом являлся гиперпластификатор Sika ViscoCrete-20 GOLD, вводимый в количестве 0,9% массы портландцемента. В качестве армирующих элементов принята промышленная стальная фибра диаметром 0,22 мм длиной 12 мм и металлокорд длиной 10–12 мм. Расход фибры не превышал 1,5%. объема сухих компонентов. Соотношение l/d=60. Водотвердое отношение без учета массы фибры В/ Т=0,1, водоцементное – 0,307. Перемешивание бетонной смеси осуществляли миксером при скорости вращения 300–600 об/мин. Бетонная смесь с фиброй имела расплыв из конуса Хагерманна 285–300 мм. Реологический критерий, определяемый как отношение объема водно-цементно-минеральной дисперсии к объему немолотого песка, определяющий толщину пленки водной дисперсии на поверхности песка, составлял 1,5.
Как следует из результатов испытаний (таблица), прочность в возрасте 28 сут фибробетона, армированного очищенным металлокордом уступает прочности фибробетона, армированного промышленной фиброй незначительно. Прочность при растяжение при изгибе составляет 22 МПа для фибробетона, армированного промышленной фиброй и 21,3 МПа – армированного металлокордом. Отношение прочности при сжатии к прочности при изгибе оказалась равной 9,4. Этот показатель для обычных высокопрочных неармированных бетонов достигает 10, т. е. такие бетоны имеют хрупкий характер разрушения. Уменьшение этого показателя определяет дуктильный (пластичный) характер разрушения.
Таким образом, использование тонкой фибры, не имеющей даже анкерных элементов, позволяет получить высокоэффективные порошковые фибробетоны нового поколения. Диаметр фибры, выпускаемой российскими производителями, как правило, составляет 0,5–1 мм. Использование металлокорда, как продукта переработки автомобильных шин, диаметром не более 0,2 мм в качестве альтернативы промышленной фибре, особенно перспективно. Удельные расходы цемента на единицу прочности исследуемых фибробетонов отличаются незначительно.
Выполненные исследования направлены на создание эффективных и конкурентоспособных дисперсноармированных порошковых бетонов нового поколения с использованием техногенных образований и отходов, высокотехнологичного производства в регионе.
Ключевые слова: фибробетон, техногенные отходы, армирование.
Список литературы
1. Дейзе Т., Хорнунг О., Мельман М. Переход с технологии Микродур к технологии Нанодур. Применение стандартных цементов в практике бетонов со сверхвысокими эксплуатационными свойствами // Бетонный завод. 2009. № 3. С. 4–11.
2. De Larrard, Corse J.F., Puch С. Comparative study of Various Silica Fumes as Additives in High-Performance Cementitious Material: Materials et Structures, RJTEM, 1992. Vol. 25. Р. 265–272.
3. Калашников В.И. и др. Бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности // Вестник Центрального отделения строительных наук РААСН. 2010. Вып. 14. Т. 2. С. 27–32.
4. Демьянова В.С. Комплексное использование промышленных отходов // Экология и промышленность России. 2008. № 1. С. 12–14.
5. Демьянова В.С. и др. Ресурсосбережение как средство защиты окружающей среды // Региональная архитектура и строительство. 2009. № 2. С. 52–55.
6. Калашников В.И. и др. Порошковые фибробетоны со сверхвысокой прочностью с дисперсным армированием фиброй: В сб. статей Междунар. науч.-технич. конф. «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов». Пенза, январь 2011. С. 41–48.
Выполнены сравнительные испытания мелкозернистого реакционно-порошкового бетона 1 и порошкового фибробетона с промышленной фиброй 2 и металлокордом 3 (таблица). Для изготовления опытных образцов использовали следующие исходные материалы: цемент Жигулевский ПЦ500Д0 с удельной поверхностью Sуд=360 кг/м2 , кварцевый песок Нижегородского карьера фракции 1,25–2,5 мм. Модификацию цементной матрицы осуществляли комплексными органоминеральными добавками. В качестве дисперсных наполнителей таких добавок использовали: каменные реакционно-активные порошки из измельченного до удельной поверхности Sуд=313 кг/м2 строительного песка Нижегородского карьера. Дозировка измельченного строительного песка составляла 15% расхода цемента. Органическим компонентом являлся гиперпластификатор Sika ViscoCrete-20 GOLD, вводимый в количестве 0,9% массы портландцемента. В качестве армирующих элементов принята промышленная стальная фибра диаметром 0,22 мм длиной 12 мм и металлокорд длиной 10–12 мм. Расход фибры не превышал 1,5%. объема сухих компонентов. Соотношение l/d=60. Водотвердое отношение без учета массы фибры В/ Т=0,1, водоцементное – 0,307. Перемешивание бетонной смеси осуществляли миксером при скорости вращения 300–600 об/мин. Бетонная смесь с фиброй имела расплыв из конуса Хагерманна 285–300 мм. Реологический критерий, определяемый как отношение объема водно-цементно-минеральной дисперсии к объему немолотого песка, определяющий толщину пленки водной дисперсии на поверхности песка, составлял 1,5.
Как следует из результатов испытаний (таблица), прочность в возрасте 28 сут фибробетона, армированного очищенным металлокордом уступает прочности фибробетона, армированного промышленной фиброй незначительно. Прочность при растяжение при изгибе составляет 22 МПа для фибробетона, армированного промышленной фиброй и 21,3 МПа – армированного металлокордом. Отношение прочности при сжатии к прочности при изгибе оказалась равной 9,4. Этот показатель для обычных высокопрочных неармированных бетонов достигает 10, т. е. такие бетоны имеют хрупкий характер разрушения. Уменьшение этого показателя определяет дуктильный (пластичный) характер разрушения.
Таким образом, использование тонкой фибры, не имеющей даже анкерных элементов, позволяет получить высокоэффективные порошковые фибробетоны нового поколения. Диаметр фибры, выпускаемой российскими производителями, как правило, составляет 0,5–1 мм. Использование металлокорда, как продукта переработки автомобильных шин, диаметром не более 0,2 мм в качестве альтернативы промышленной фибре, особенно перспективно. Удельные расходы цемента на единицу прочности исследуемых фибробетонов отличаются незначительно.
Выполненные исследования направлены на создание эффективных и конкурентоспособных дисперсноармированных порошковых бетонов нового поколения с использованием техногенных образований и отходов, высокотехнологичного производства в регионе.
Ключевые слова: фибробетон, техногенные отходы, армирование.
Список литературы
1. Дейзе Т., Хорнунг О., Мельман М. Переход с технологии Микродур к технологии Нанодур. Применение стандартных цементов в практике бетонов со сверхвысокими эксплуатационными свойствами // Бетонный завод. 2009. № 3. С. 4–11.
2. De Larrard, Corse J.F., Puch С. Comparative study of Various Silica Fumes as Additives in High-Performance Cementitious Material: Materials et Structures, RJTEM, 1992. Vol. 25. Р. 265–272.
3. Калашников В.И. и др. Бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности // Вестник Центрального отделения строительных наук РААСН. 2010. Вып. 14. Т. 2. С. 27–32.
4. Демьянова В.С. Комплексное использование промышленных отходов // Экология и промышленность России. 2008. № 1. С. 12–14.
5. Демьянова В.С. и др. Ресурсосбережение как средство защиты окружающей среды // Региональная архитектура и строительство. 2009. № 2. С. 52–55.
6. Калашников В.И. и др. Порошковые фибробетоны со сверхвысокой прочностью с дисперсным армированием фиброй: В сб. статей Междунар. науч.-технич. конф. «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов». Пенза, январь 2011. С. 41–48.
