Проектирование состава шлакощелочного легкого бетона на основе измельченных кукурузных отходов методом планирования эксперимента
Authors: Кульшаров Б.Б. , Акулова М.В. 
Published: February 2025

Введение. Анализ результатов использования бетона и вяжущих показывает, что наиболее эффективным в резкоконтинентальных климатических регионах России и Казахстана, располагающих большим количеством промышленных отходов шлаков и шламов, является легкий бетон на органических заполнителях (арболит), обладающий высокими теплоизоляционными и физико-механическими свойствами. В данной работе показана возможность использования в качестве заполнителя легких бетонов кукурузных отходов. Органический состав легкого бетона оказывает большое влияние на его свойства, поэтому необходима разработка новых видов композиционных вяжущих с нетрадиционными добавками. Цель исследования– разработка состава легкого бетона на основе шлакощелочного вяжущего с добавлением измельченных кукурузных отходов для получения эффективных теплоизоляционно-конструкционных строительных материалов и конструкций. Методы. Для достижения цели исследования использованы методы многофакторного планирования эксперимента, математическое моделирование. Результаты исследования. Рассмотрена нерешенная проблема повышения качества легких бетонов на основе кукурузных отходов с использованием шлакощелочного вяжущего на основе фосфорного шлака, золы-уноса, 7 % портландцементного клинкера и щелочного раствора содово-сульфатной смеси. Разработан состав шлакощелочного легкого бетона на основе измельченных кукурузных отходов методом планирования эксперимента. Для использования метода многофакторного планирования экспериментов разработана трехфакторная математическая модель. В качестве факторов выбраны отношение органического заполнителя в виде измельченных кукурузных початков к шлакощелочным растворным составам, соотношение раствора к органическому заполнителю (P/З), количество фосфорного шлака в шлакощелочной бетонной массе и количество содосульфатной смеси. Выводы. Согласно результатам исследования, прочность шлакощелочных легких бетонов повышается с уменьшением Р/З-отношения. Требуемая прочность шлакощелочного легкого бетона на основе композиционных вяжущих и измельченных кукурузных отходов плотностью 620–630 кг/м³ может быть получена путем регулирования переменных величин в широком диапазоне. Это позволит подобрать нужный состав легкого бетона на основе кукурузных отходов по техническим и технико-экономическим показателям.

Introduction. The evaluation of the outcomes from using concrete and binders indicates that lightweight concrete composed of organic aggregates (arbolite) is the most effective in the sharply continental climatic regions of Russia and Kazakhstan, characterised by substantial industrial waste slags and slimes, due to its superior thermal insulation and physico-mechanical properties. This research demonstrates the feasibility of using maize waste as a filler in lightweight concrete. The organic composition of lightweight concrete significantly affects its properties, necessitating the development of novel composite binders with unconventional additives. The aim of research is to develop lightweight concrete compositions with slag-alkaline binder and crushed maize waste to achieve efficient thermal insulation and structural building materials and systems. Materials and methods. For the purpose of our research we used multifactorial experimental designs and mathematical modelling methodologies. Research outcomes. In our research, we addressed the unresolved issue of enhancing the quality of lightweight concrete derived from corn waste using a slag-alkali binder composed of phosphorus slag, fly ash, 7 % Portland cement clinker, and an alkaline solution of a soda-sulphate mixture. The composition of slag-alkali lightweight concrete with crushed maize waste was established through the experimental design methodology. A three-factor mathematical model was developed using the multifactor experimental design approach. The chosen criteria were the ratio of organic filler, specifically crushed corn cobs, to slag-alkali mortar compositions. This is the ratio of the solution to the organic filler, the quantity of phosphorus slag in the slag-alkali concrete mass, and the quantity of the soda-sulphate combination. Conclusions. The research findings indicate that the strength of slag-alkali lightweight concrete improves when the solution to organic filler ratio diminishes. The necessary strength of slag-alkali lightweight concrete, using composite binders and crushed maize waste with a density of 620–630 kg/m³, can be achieved by adjusting variable parameters across a broad spectrum. This will ease the process of choosing the appropriate lightweight concrete composition from corn waste, taking into account technical and economic indicators.