На основе фракционированных отходов камнедробления и добавок-пластификаторов, модифицированных углеродным наноматериалом фуллероидного типа, полученным по оригинальному методу из отходов химических производств, предложены составы мелкозернистого бетона.
Возросший спрос на новые материалы и технологии в строительной индустрии обуславливает разработку и внедрение композитов, отличающихся высокими показателями долговечности и эксплуатационной надежности. Обеспечение необходимого сочетания технологичности и требуемых свойств материала достигается путем целенаправленного управления процессами структурообразования. Современное состояние строительного материаловедения определяет возможность применения для этих целей методов, основанных на нанотехнологических принципах. Наноструктуры, вводимые в дисперсные гетерогенные системы, проявляют свою эффективность в первую очередь на нанодисперсном и микродисперсном структурных уровнях и отвечают за формирование свойств на макроскопическом уровне композита. Об актуальности работ по созданию наноструктурированных строительных материалов свидетельствуют положительные результаты довольно многочисленных исследований, выполненных в данной области в последние годы.
Говоря о многообразии конструкционных материалов, необходимо отметить, что в последнее время все больше внимания уделяется мелкозернистым бетонам.
Известно [1], что основное влияние при формировании структуры и свойств мелкозернистого бетона оказывает количество и характеристики вяжущих веществ (химический, вещественный и фазово-минералогический состав, тонкость помола, активность) и заполнителей (крупность зерен, гранулометрический состав, характеристика поверхности, пустотность). Насыщение цементной матрицы высокодисперсными частицами является предпочтительным методом оптимизации структуры мелкозернистых бетонов, а использование при этом высокоэффективных пластифицирующих добавок, модифицированных углеродными наночастицами, способствует снижению расхода наиболее дорогостоящего компонента – цемента [2, 7].
Многочисленные исследования в области оптимизации гранулометрического состава песков для мелкозернистых бетонов (например, [6, 8]) показали целесообразность применения смешанных составов заполнителей с минимальным значением межзерновой пустотности. Наиболее простым способом создания оптимального состава заполнителей является использование фракционированных песков. Так, во многих зарубежных странах производители бетонных смесей имеют возможность использовать до 6 фракций мелкого заполнителя, а также их смеси в заданном соотношении.
Известно, что в нашей стране основными потребителями фракционированных заполнителей остаются производства сухих строительных смесей, в то время как в технологии бетонов их применение широкого применения не нашло из-за высокой стоимостью фракционированного природного песка.
Альтернативой природным пескам в ряде случаев могут служить искусственные заполнители, полученные на основе отходов дробления гранитного щебня (ОД). Являясь отходом производства гранитного щебня, ОД накапливаются на дробильно-сортировочных производствах в огромном количестве и на сегодня в промышленных объемах не используются.
Отходы дробления, получаемые в карьерах Ленинградской области, представляют собой полифракционный материал с максимальной крупностью зерен 5 мм, отличающийся от гранулометрического состава стандартных песков избыточном содержании фракций 2,5–5 мм и значительным количеством пылевидной составляющей. Следовательно, использование ОД в бетонных смесях без фракционирования практически невозможно. В связи с этим на базе Семиозерского карьероуправления запроектирован и создан сушильно-сортировочный комплекс, позволяющий производить отделение избытка фракций 2,5–5 мм, а также пылевидной составляющей ОД 0–0,16 мм.
С целью определения оптимального количества ОД в составе смеси для мелкозернистого бетона проведено исследование их влияния на плотность и пустотность составного заполнителя. С этой целью изготавливались смеси кварцевого песка (Мкр=2,3) и ОД (откорректированного состава) в различных соотношениях. Результаты приведены в таблице 1. Как видно из полученных данных наиболее оптимальным составом смеси является соотношение 60 % ОД : 40 % кварцевый песок. Следовательно, при этом составе можно прогнозировать максимальную прочность бетона.
Таблица 1
Зависимость плотности и пустотности смеси заполнителей
от соотношения ОД : песок
Соотношение ОД : песок
Плотность, кг/м3
Пустотность, %
100 : 0
1790
31,9
90 : 10
1815
31,1
80 : 20
1830
30,5
70 : 30
1873
28,8
60 : 40
1885
28,5
50 : 50
1875
28,9
40 : 60
1856
29,5
30 : 70
1834
30,3
20 : 80
1822
30,8
10 : 90
1810
31,2
0 : 100
1803
31,5
Для проверки данной гипотезы были изготовлены образцы мелкозернистого бетона методом вибропрессования. Результаты испытания образцов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Влияние соотношения ОД : песок в заполнителе
на физико-механические характеристики вибропрессованных образцов
№п/п
Соотношение ОД : песок, %
Плотность, кг/м3
Прочность при сжатии, МПа
1
0 : 100
2290
40,5
2
10 : 90
2280
41,5
3
20 : 80
2280
43,6
4
30 : 70
2260
44,2
5
40 : 60
2280
44,8
6
50 : 50
2340
45,3
7
60 : 40
2360
46,4
8
70 : 30
2320
45,1
9
80 : 20
2300
43,6
10
90 : 10
2290
41,5
11
100 : 0
2270
41,3
Из таблицы 2 видно, что соотношение ОД : песок 60 : 40 также дает максимальные значения средней плотности и прочности.
На основе выполненных работ были разработаны составы мелкозернистого бетона классов по прочности на сжатие В25 и В30 с сокращенным расходом цемента соответственно на 16 % и 19 % по сравнению с нормированным расходом, установленным для мелкозернистого бетона в пределах от 480 до 600 кг/м3 в зависимости от удобоукладываемости бетонной смеси.
В дальнейшей работе была исследована возможность применения оптимизированных составов ОД в подвижных смесях для получения высокопрочных мелкозернистых бетонов. Для этих целей были использованы наномодифицированные добавки на основе поликарбоксилатов.
Ранее была показан возможность применения наномодификатора фуллероидного типа [2, 7], получаемого путем плазменно-дугового синтеза в установке дугового испарения с последующей физико-химической обработкой, для модификации воды затворения и водных растворов добавок различной химической природы. В результате такого способа наноструктурного модифицирования в промышленных объемах изготавливались бетоны с повышенными прочностными и другими параметрами, положительно характеризующими композит.
В настоящее время, в связи с тем, что стоимость вяжущего по сравнению с предыдущими годами значительно сократилась, а при этом набор методов синтеза различных нанообъектов существенно расширился, была поставлена задача получения наномодификаторов для бетонов и растворов нового поколения с пониженной себестоимостью и не уступающих по своему модифицирующему действию изученным ранее аналогам. В этой связи синтез наноструктур из отходов химических производств является наиболее предпочтительным. Учитывая это, разработан способ переработки катодных депозитов для получения смешанного углеродного наноматериала, содержащего много- и однослойные нанотрубки, нанобаррели, нанолуковицы и т. п. При этом из 1 т катодных депозитов вырабатывается до 200 кг углеродного наноматериала по цене не более 3,5 тыс. рублей за килограмм, что значительно дешевле существующих аналогов [3, 4, 5].
Синтезированный при обработке депозитных отходов фуллереновых производств наноматериал был использован для модификации добавок для бетонов и растворов, с применением которых были разработаны составы мелкозернистого бетона с сокращенным расходом цемента и собственно добавки (табл. 3).
Таблица 3
Состав наномодифицированного бетона
Расход компонентов
на 1 м3 бетонной смеси
Подвижность бетонной смеси
Средняя плотность бетона, кг/м3
Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут., МПа
Цемент ПЦ 500 – 350 кг
ОД – 800 кг
Гранитный щебень
фр. 5–10 мм – 1070 кг
Вода – 150 л
Наномодифицированный пластификатор – 1,4 кг
ОК=14 см
(П3)
2290
61,0
Таким образом, применение наноматериала, получаемого по оригинальной технологии, позволило сократить стоимость наночастиц и повысить физико-механические характеристики бетона, что определяет возможность широкого использования метода наноструктурного модифицирования цементных композитов при получении изделий и конструкций различного назначения.
Список литературы
1. Баженов, Ю. М. Технология и свойства мелкозернистых бетонов: Учебное пособие / Ю. М. Баженов, Л. А. Алимов, В. В. Воронин, Р. Б. Ергешев. – Алматы: КазГосИНТИ, 2000. – 195 с.
2. Ковалева, А. Ю. Опыт промышленного применения наномодифицированных бетонных смесей / А. Ю. Ковалева, И. У. Аубакирова, В. Д. Староверов// Вестник гражданских инженеров. – 2008. – №3(16). – С. 74–76.
3. Летенко, Д. Г. Получение углеродных наноструктур из отходов химических производств / Д. Г. Летенко, В. А. Никитин, Н. А. Чарыков, К. Н. Семенов, Ю. В. Пухаренко // Вестник гражданских инженеров. – 2010. – № 1(22). – С. 108–118.
4. Летенко, Д. Г. Физико-химические свойства водных дисперсий смешанного наноуглеродного материала фуллероидного типа (часть 1) / Д. Г. Летенко, В. А. Никитин, А. Ю. Меньшикова, Ю. В. Пухаренко, Н. А. Чарыков // Вестник гражданских инженеров. – 2010. – № 2(23). – С. 131–138.
5. Летенко, Д. Г. Физико-химические свойства водных дисперсий смешанного наноуглеродного материала фуллероидного типа (Часть 2) / Д. Г. Летенко, А. С. Иванов, М. Ю. Матузенко, В. А. Никитин, Ю. В. Пухаренко, Н. А. Чарыков // Вестник гражданских инженеров. – 2010. – № 3(24). – С. 117–122.
6. Панарин, С. Н. Модификация гранулометрического состава отсевов гранитного щебня для получения строительных песков // С. Н. Панарин, В. А. Арсентьев, Л. Ф. Биленко // Вестник гражданских инженеров. – 2010. – №3(24). – С. 123–126.
7. Пухаренко, Ю. В.Структура и свойства наномодифицированных цементных систем / Ю. В. Пухаренко, И. У. Аубакирова, В. А. Никитин, В. Д. Староверов // Международный конгресс «Наука и инновации в строительстве «SIB-2008». Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. – Воронеж, 2008. – Т.1, кн. 2. – С. 424–429.
8. Хамидулина, Д. Д. Отсевы дробления – эффективный способ повышения качества бетонов / Д. Д. Хамидулина, М. С. Гаркави, В. И. Якубов и др. // Строительные материалы. – 2006. – №11. – С.50–51.
9. Пухаренко, Ю. В. Наномодифицированный бетон на основе отходов камнедробления / Ю. В. Пухаренко, С. Н. Панарин, С. И. Веселова, И. У. Аубакирова, С. А. Черевко, В. Д. Староверов // Вестник гражданских инженеров. – 2011. – № 3(28). – С. 72–76.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по государственному контракту № 16.740.11.0648.
Библиографическая ссылка
Пухаренко Ю.В., Панарин С.Н., Веселова С.И., Аубакирова И.У., Черевко С.А., Староверов В.Д. НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЙ БЕТОН
НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ КАМНЕДРОБЛЕНИЯ
// Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/6873 (дата обращения: 23.12.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF