Разработка оптимальных составов силикатных бетонов с использованием местных сырьевых ресурсов

УДК 691.175.2

М.А. ГОНЧАРОВА, д-р техн. наук (magoncharova777@yandex.ru); А.Н. ИВАШКИН, инженер, В.В. СИМБАЕВ, инженер

Липецкий государственный технический университет

Разработка оптимальных составов силикатных бетонов с использованием местных сырьевых ресурсов

Представлены результаты оптимизации составов силикатного бетона автоклавного твердения. Исследовано влияние добавки отходов металлургического производства - конвертерного шлака - на формовочные свойства силикатной смеси, прочность сырца, а также на прочность и долговечность готового кирпича. Отмечено изменение цвета силикатных материалов с течением времени, а также снижение поверхностной прочности. Предложены способы упрочнения и декорирования готовых изделий из силикатного бетона автоклавного твердения.

Ключевые слова: силикатный бетон, поверхностное окрашивание, конвертерные шлаки, упрочнение поверхности.

M.A. GONCHAROVA, Doctor of Sciences

Development of Optimal Compositions of Silicate Concretes with the Use of Local Raw Resources

Results of the optimization of compositions of silicate concrete of autoclave hardening are presented. The effect of adding metallurgical production waste, converter slag, on the molding properties of the silicate mixture, green strength, as well as on the strength and durability of ready-made brick has been studied. The change in color of silicate materials with time as well as the reduction in surface strength is observed. Methods for strengthening and decorating ready-made products of silicate concrete of autoclave hardening are proposed.

Keywords: silicate concrete, surface coloring, converter slag, surface strengthening.

Применение автоклавного силикатного бетона и изделий на его основе, например силикатного полнотелого кирпича в жилищном домостроении имеет длинную историю. Активное применение силикатного кирпича в строительстве началось в первой половине 1950-х гг. Жилые дома, построенные в этот период, реализовывались в основном в силикатном кирпиче с толщиной наружной стены 640 мм.

В настоящее время изделия из силикатного бетона прочно занимают свою нишу материалов строительного рынка; с развитием каркасного домостроения на смену силикатному кирпичу приходят более эффективные газосиликатные блоки, используемые в ограждающих конструкциях. Поэтому вопросы повышения эффективности и оптимизации составов силикатного бетона являются в настоящее время актуальной задачей.

Развитие кристаллохимии, термодинамики, геохимии гидротермальных процессов, идеи В.Ф. Журавлева о проявлении вяжущих свойств соединениями щелочноземельных металлов с различными оксидами, исследования школ П.И. Боженова, Ю.М. Бутта и В.В. Тимашева, А.В. Волженского, Г.И. Книгиной, Д.И. Чемоданова, Е.М. Чернышова дало возможность доказать, что в качестве исходного сырья для гидро-

термального синтеза цементирующих веществ автоклавного бетона могут применяться отходы производства, содержащие основные и кислотные оксиды. В результате этого цементирующие вещества автоклавных материалов могут слагаться не только из гидросиликатов кальция, но и из других видов гидратных образований [1].

Благодаря механизму гидротермального синтеза возможно наиболее полное и комплексное использование многих видов промышленных отходов, в том числе металлургических.

Прямой ответ на вопрос о возможном гидротермальном синтезе соединений на основе железа дается в монографии Е.М. Чернышова и Н.Д. Потамошневой [2]. Исходные железосодержащие компоненты, сухие исходные смеси и продукты,

полученные после автоклавной обработки этих смесей, подвергались анализу дифференциально-термическим, рентгенофазовым, электронно-микроскопическим и ИК-спектроскопическим методами. Путем сопоставительного рассмотрения результатов этих анализов для исходных и обработанных в автоклаве систем идентифицировались новообразования [2].

Известково-кремнеземистое вяжущее — важнейший компонент силикатной смеси, определяющий в значительной степени формовочные свойства силикатной смеси, прочность сырца, а также прочность и долговечность готового кирпича.

Конвертерные шлаки производства ПАО «НЛМК» представляют фактически многокомпонентный сырьевой материал с преобладаю-

Рис. 1. Образцы силикатного бетона на отходах металлургии до и после автоклавной обработки

научно-технический и производственный журнал f ptyj f ^дjjijJJljlrf

сентябрь 2016

Silicate building materials

щей массовой долей оксидов кальция, кремния и железа с примесями. При этом необходимо учитывать, что конвертерные шлаки могут выступать в двоякой роли. С одной стороны, они могут заменять известь в вяжущем, взаимодействовать с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях и являться основой синтеза цементирующих веществ, а с другой — своим остаточным объемом образовывать совместно с возникающими цементирующими веществами структуру силикатного микробетона (подобно микробетону Юнга) [3].

Таким образом, наличие оксидов кальция и железа в составе конвертерных шлаков должно оказывать влияние на величину массовой доли активного оксида кальция в смеси. Установлено, что каждой величине удельной площади поверхности конвертерных шлаков отвечает свой оптимум массовой доли СаОакт (и соответственно этому оптимальная цементация материала) по критерию максимума прочности силикатного микробетона и составляет для конвертерных шлаков с удельной площадью поверхности частиц Sуд = 300 м2/кг, 16—17%; для Sуд =400 м2/кг, 17,5-18,5%; для Sуд = 500 м2/кг, 23,5-24,5%. Величина максимальной прочности при этом соответственно 23-25, 27-29, 32-33 МПа.

При составлении вяжущего необходимо учитывать конкретные особенности сырьевых материалов и данного технологического процесса. Применительно к технологическому процессу и исходным сырьевым материалам Липецкого региона оптимальным является из-вестково-кремнеземистое вяжущее фазового состава 1:1 [4].

Количественное содержание конвертерного шлака в смеси должно способствовать достижению требуемой плотности материала и возможности протекания гидротермального синтеза, придающего силикатному кирпичу более высокие технические показатели. Предварительными исследованиями было выявлено, что конвертерные шлаки текущего выхода могут содержать свободную известь в количестве до 4% в сильно рекристал-лизованном состоянии, которая должна быть загидратирована на стадии подготовки сырьевой смеси. Для этого конвертерный шлак, используемый в качестве компонента вяжущего, предварительно

обрабатывали в автоклаве при давлении пара 0,8 МПа в течение 8 ч. После этого он может играть роль основного компонента в составах силикатных бетонов.

В результате использования отходов металлургии прирост прочности составляет от 5 до 40%. Также выявлено, что наиболее благоприятно влияет на свойства следующее сочетание добавок из отходов металлургии: конвертерный шлак в количестве 10% от массы извести и микрокремнезем в количестве 10% от массы молотого кварцевого песка, что еще раз подтверждает полученные ранее результаты использования этих компонентов (прирост прочности составляет около 50%). Испытания на морозостойкость показали, что силикатный бетон оптимальных составов выдерживает испытания на морозостойкость до 300 циклов. При этом образцы из контрольной партии после испытаний на морозостойкость снижали свои прочностные показатели, а образцы оптимальных составов с отходами металлургии увеличили прочность при сжатии в среднем на 12%. Что касается исследований бетонов на прочность при сжатии в водонасыщенном состоянии, то оптимальным следует считать состав с микрокремнеземом за счет создания более плотной структуры. Водопоглощение повышается незначительно и для оптимальных составов составляет в среднем 6,9%.

При этом необходимо отметить изменение окраски мелкоштучных силикатных материалов с применением техногенного сырья. По данным [5-7], в течение первых 10 лет эксплуатации цвет силикатного кирпича стабильно становится серым, а поверхностный слой подвергается сильной деструкции.

Механизм и характер разрушения силикатного кирпича опреде-

ленно указывают на необходимость упрочнения лицевого слоя совместно с его окрашиванием или защитой от выцветания.

На кафедре строительного материаловедения и дорожных технологий Липецкого ГТУ разработаны составы красителей, позволяющие путем обработки поверхностного слоя силикатного кирпича добиться его равномерного окрашивания. В течение последних трех лет были произведены длительные испытания контрольных образцов силикатного кирпича в реальных условиях эксплуатации в кирпичной кладке. В рамках эксперимента было окрашено четыре тысячи штук силикатного кирпича, из которого выполнена облицовка одноэтажного одноквартирного жилого дома.

К настоящему времени изменение цвета, образование высолов, а также снижение поверхностной прочности силикатного кирпича не наблюдаются (рис. 2).

Исследование протекающих в структуре автоклавного силикатного бетона и изделий на его основе процессов и изменений является актуальной задачей. Ее решение позволит более достоверно прогнозировать поведение материала и конструкций в последующий период эксплуатации.

Полученные результаты исследований позволяют наметить перспективу дальнейших работ по оптимизации составов силикатных бетонов автоклавного твердения и изделий на их основе. Основной задачей при этом является повышение долговечности изделий в целом, придание им новых, в том числе декоративных свойств, а также максимальное снижение себестоимости за счет применения местных сырьевых материалов и повышения технологичности производства.

'Ч'.-: > ^  Г;-' научно-технический и производственный журнал  сентябрь 2016

Список литературы

1. Гончарова М.А., Чернышов Е.М. Формирование систем твердения композитов на основе техногенного сырья // Жилищное строительство. 2014. № 12. С. 19-22.

2. Чернышов Е.М., Потамошнева Н.Д. Материаловедение и технология автоклавных бетонов на основе хвостов обогащения железистых кварцитов. Воронеж: ВГАСУ, 2004. 160 с.

3. Гончарова М.А., Корвяков Ф.Н. Выявление механизма участия конвертерных шлаков в структурообразова-нии эффективных строительных композитов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2014. № 36 (55). С. 54-58.

4. Гончарова М.А., Каширина Н.А. Прогнозирование вяжущих свойств конвертерных шлаков посредством анализа их химического состава // Actualscience. 2016. Т. 2. № 7. С. 58-59.

5. Бабков В.В., Самофеев Н.С., Чуйкин А.Е. Силикатный кирпич в наружных стенах зданий: анализ состояния, прогноз долговечности и способы ее повышения // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 8. С. 35-40.

6. Кнатько М.В., Горшков А.С., Рымкевич П.П. Лабораторные и натурные исследования долговечности (эксплуатационного срока службы) стеновой конструкции из автоклавного газобетона с облицовочным слоем из силикатного кирпича // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 8. С. 20-26.

7. Гончарова М.А., Ивашкин А.Н., Каширская О.А. Оценка качества лицевой поверхности изделий из многокомпонентных декоративных бетонов // Жилищное строительство. 2014. № 12. С.19-22.

References

1. Goncharova M. A., Chemyshov E. M. Forming of systems of curing of composites on the basis of technogenic raw materials. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing construction]. 2014. No. 12, pp. 19-22. (In Russian).

2. Chernyshov E. M., Potamoshneva N.D. Materialove-denie i tekhnologiya avtoklavnykh betonov na osnove khvostov obogashcheniya zhelezistykh kvartsitov [Materialovedeniye and technology of autoclave concrete on the basis of tails of enrichment of ferruterous quartz-ites]. Voronezh: VGASU, 2004. 160 p.

3. Goncharova M.A., Korvyakov F.N. Identification of the mechanism of participation of converter slags in structurization of effective construction composites. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektu-ra. 2014. No. 36 (55), pp. 54-58. (In Russian).

4. Goncharova M.A., Kashirina N.A. Forecasting of the knitting properties of converter slags by means of the analysis of their chemical composition. Actualscience. 2016. V. 2. No. 7, pp. 58-59. (In Russian).

5. Babkov V.V., Samofeev N.S., Chuykin A.E. A silicate brick in external walls of buildings: analysis of a condition, forecast of durability and methods of its increase. Inzhenerno-stroitel'nyizhurnal. 2011. No. 8, pp. 35-40. (In Russian).

6. Knatko M.V., Gorshkov A.S., Rymkevich P.P. Laboratory and natural researches of durability (operational service life) of a wall design from an autoclave gas concrete with a facing layer from a silicate brick. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2009. No. 8, pp. 20-26. (In Russian).

7. Goncharova M. A., Ivashkin A. N., Kashirskaya O. A. A quality evaluation of a front surface of products from multicompo-nent decorative concrete. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing construction]. 2014. No. 12, pp. 19-22. (In Russian).

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Министерство транспорта РФ

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

22-25 ноября 2016 г.

г. Санкт-Петербург

Международная научно-практическая конференция, посвященная 100-летию д.т.н. проф. О.В. Кунцевича

«Строительные материалы, конструкции и сооружения XXI века»

Основные направления работы конференции Секция 1. Актуальные проблемы материаловедения Секция 2. Современные строительные конструкции и сооружения: проблемы и перспективы Секция 3. Стандартизация и метрологическое обеспечение на транспорте и в строительстве Секция 4. Контроль качества строительных материалов, изделий, конструкций и сооружений

Ключевые даты: 01.07.16 прием заявок на участие и аннотаций докладов

22.09.16 прием полных версий статей 30.07.16 ранняя оплата организационного взноса

со скидкой 30% 30.10.16 оплата полной стоимости организационного взноса

Рабочие языки конференции - русский и английский Более подробная информация на сайте

http://www.pgups.ru/events

Информационный партнер конференции - журнал

Строительные Материалы*

Тел.: +7 (812) 310-99-44;

Тел/факс +7 (812) 457-86-86; Тел. 8 (921) 774-00-60 E-mail: buildconf2016.pgups@gmail.com Председатель орг. комитета Сорвачева Юлия Андреевна

научно-технический и производственный журнал f pty f ^дjjijJJijlö

сентябрь 2016 ni