сотрудник
Тамбов, Тамбовская область, Россия
аспирант
Тамбовская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Предложено использовать в качестве наполнителя цементно-песчаных бетонов асбоцементные отходы из строительных изделий и конструкций. Асбоцементные отходы в качестве наполнителей бетонов используются ограничено. При этом основная их часть утилизируется в отвалы, что приводит к загрязнению окружающей среды. Отходы боя шифера и асбоцементных труб разделялись по фракциям 0…5, 10…20 и 20…40 мм. Изучалось влияние асбоцементных отходов на основные физико-механические свойства и долговечность цементно-песчаных бетонов. Установлены оптимальные концентрации и размер зерен наполнителей. Определены значения прочности, предельного водопоглощения и долговечности при заданных параметрах эксплуатации цементно-песчаных бетонов. Изучалось влияние жидких активных добавок на долговечность и морозостойкость бетонов. В качестве активных добавок использовались поливинилацетатный клей (ПВА) и силикат натрия. Разработаны составы бетонов с наиболее высокими эксплуатационными характеристиками. Проведены длительные механические испытания этих составов с позиций термофлуктуационной (кинетической) концепции разрушения. Получены значения термофлуктуационных констант, отражающих физическую и химическую структуру материалов. Дана трактовка механизма разрушения бетонных образцов в широком диапазоне нагрузок и температур. Предложен способ расчета и прогнозирования механической долговечности в реальных условиях эксплуатации. Приведены примеры рас-чета долговечности для бетонных облицовочных панелей на металлическом каркасе.
цементно-песчаный бетон, асбоцементные отходы, оптимальная концентрация, жидкие активные добавки, водопоглощение, морозостойкость, долговечность
Введение. Утилизация отходов промышленности является одной из приоритетных задач современного строительного материаловедения. Находящийся в отвалах строительный мусор зачастую пригоден для повторного использования в качестве активных или пассивных добавок в новые композитные материалы. Вопросам утилизации асбестоцементных отходов в настоящее время уделяется большое внимание, что связано в первую очередь с нехваткой практически повсеместно сырьевых ресурсов и их удорожанием [1]. В то же время асбестоцементные отходы в своем составе имеют компоненты, пригодные для получения на их основе строительных материалов различного назначения. Проблема утилизации асбестоцементных отходов (АЦО) актуальна и потому, что с ее решением уменьшается загрязнение окружающей среды.
Рациональное решение проблемы промышленных отходов зависит от ряда факторов: вещественного состава отходов, их агрегатного состояния, количества, технологических особенностей и т.д. [2]. Наиболее эффективным решением проблемы промышленных отходов является внедрение безотходной технологии. Из-за отсутствия специального оборудования, энерго- и трудоемкости помола АЦО в асбестоцементном производстве используется редко.
К сожалению, большую часть АЦО в связи с названными выше трудностями использования вывозят в отвалы. На ряде предприятий вопреки запрету влажные АЦО отгружаются строительным организациям и населению для выполнения теплоизоляционных засыпок, сухие – для подсыпки дорог и железнодорожных насыпей. Лишь на некоторых заводах внедрена технология производства мелких стеновых блоков из сухих асбестоцементных отходов (САЦО) для возведения малоэтажных зданий. В этом случае сухие отходы используют в качестве крупного заполнителя, который перемешивают с портландцементом и песком и формуют на виброплощадках.
Методология. Объектом исследования был выбран мелкозернистый бетон марки М100. В качестве вяжущего использовали портландцемент М400. Вода для затворения бетонной смеси при изготовлении экспериментальных образцов соответствовала ГОСТ 23732-79 [3]. В качестве заполнителя использовали песок с модулем крупности 0,85.
Для изготовления образцов с использованием отходов асбестоцементных материалов применяли бой шифера, разделенный по фракциям 0…5 (рис. 1, а), 10…20 (рис. 1, б) и
20…40 мм (рис. 1, в). Также использовали осколки асбестоцементной трубы размером 20…40 мм (рис. 1, г).
Для повышения механических характеристик бетонов вводили добавки [4] – поливинилацетатный клей (ПВА) и силикат натрия (производство г. Тамбов).
а) б)
в) г)
Рис. 1. Асбестоцементный заполнитель в бетон: а) бой волнистых асбестоцементных листов фракцией <5 мм;
б) бой волнистых асбестоцементных листов фракцией 10…20 мм; в) бой волнистых асбестоцементных листов фракцией 20…40 мм; г) бой асбестоцементных труб фракцией 20…40 мм
Компоненты бетонной смеси взвешивали на технических весах с точностью до 10 гр. Перед смешиванием бункер смесителя смачивали водой для уменьшения водопотребности бетонной смеси. Вначале производили их смешивание в сухом виде, а затем добавляли воду. Перемешивание выполняли механическим способом [5]. Образцы изготавливали в формах, соответствующих требованиям ГОСТ 226-85, а также в разборной металлической опалубке для испытаний на долговечность. Внутренние поверхности форм покрывали тонким слоем смазки, не оставляющей пятен на поверхности образцов.
Укладку и уплотнение бетонной смеси проводили не позднее, чем через 20 мин после её изготовления [6].
Для изготовления бетона с использованием сухих асбестоцементных отходов (БИСАЦО) применяли бой шифера и асбестоцементных труб, разделенный по фракциям с помощью стандартного набора сит 40, 20, 10, <5 мм.
Образцы изготавливали трех видов:
- в виде кубиков с размерами 100×100×100 мм, для испытаний на центральное сжатие;
- в виде балочек с размерами 40×40×160 мм, для испытаний на поперечный изгиб, а после разрушения половинки испытывали на центральное сжатие.
- в виде балочек с размерами 20×20×100 мм, для испытаний на поперечный изгиб, а после разрушения их нарезали кубиками с размером ребра 20 мм для испытаний на центральное сжатие.
Для изучения влияния добавок на свойства бетонов при изготовлении образцов в смеси вводили водные растворы поливинилацетата и силиката натрия. Количество вводимых добавок (по массе) определяли исходя из пропорции 1/10 (к массе сухой смеси).
Введение добавок осуществляли следующим образом. Сухую смесь разбавляли водой, количество которой принимали равной, половине от требуемой по расчету. Половину оставшегося количества воды перемешивали с добавкой и небольшими дозами добавляли в бетонную смесь.
Основная часть. Изучение зависимости прочности при сжатии и поперечном изгибе от количества заполнителя и его зернового состава проводили на прессе ИП-500 в режиме заданной постоянной скорости нагружения. Полученные результаты от времени твердения бетона представлены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость прочности при поперечном
изгибе от времени твердения образцов
цементно-песчаного бетона (1) с добавлением
САЦО размером зерен ≤ 5 мм (2), размером зерен 10…20 мм (3)
Из рисунка видно, что прочность бетона при добавлении в него САЦО увеличивается в 1,5 раза.
Результаты исследования прочности при сжатии для всех составов бетонов представлены на рис. 3. В мелкозернистом бетоне М100 песок частично заменяли измельченными САЦО. Для построения зависимости испытывали образцы с размером зерен ≤ 5 мм и содержанием АЦО 0, 33, 66, 100 % по массе; с размером зерен 10…20 мм и 20…40 мм и содержанием САЦО 0, 20, 40,
60 % по массе. Прочность при сжатии достигала максимального значения при введении 30–40 % наполнителя. При увеличении количества САЦО прочность резко падала, по-видимому, из-за того, что цементное вяжущее не обеспечивало полное сцепление зерен наполнителя.
Для изучения влияния жидких активных добавок были изготовлены мелкозернистые бетоны с добавлением поливинилацетата и силиката натрия (10 % по массе). Модуль крупности зернового состава асбестоцементного наполнителя составил 4,11.
Полученные зависимости прочности при сжатии и поперечном изгибе представлены на рис. 4.
Из рисунка видно, что введение 10 % поливинилацетата существенно повышает характеристики БИСАЦО. Материал становится более «пластичным», повышаются прочность при сжатии, увеличивается прогиб при изгибающей нагрузке. Введение силиката натрия, напротив, оказывает негативное влияние на физико-механические характеристики композита. Это, по-видимому, связано с тем, что при введении силиката натрия, значительно повышалась водопотребность бетонной смеси. Вследствие этого увеличивалась пористость и неоднородность материала.
Рис. 3. Зависимость прочности бетона
от процентного содержания АЦО размером зерен боя волнистых асбестоцементных листов ≤ 5 мм (1),
10…20 мм (2), 20…40 мм (3) и осколков цементных труб 20…40 мм (4)
Рис. 4. Зависимость прочности при изгибе (1)
и сжатии (2) от вида добавки, где ЦП – образцы
цементно-песчаного раствора 1:4; Б33 – бетоны
с 33 % САЦО; Б33С – бетоны с 33 % САЦО и 10 % силиката натрия; Б33П – бетоны с 33 % САЦО и
10 % ПВА
Результаты исследования водопоглощения БИСАЦО по массе (Wм) представлены на рис. 5.
Из рисунка 5 видно, что наибольшее водопоглощение наблюдается у материала Б33С (33 % САЦО + 10 % силиката натрия). Причиной этого является наибольшая пористость этого материала. Напротив, материалы с наибольшей поверхностной плотностью и, соответственно меньшей пористостью, имеют наименьшее водопоглощение (Б33, Б33П).
t, ч
Рис. 5. Зависимость водопоглощения материала по массе от времени замачивания бетона
(1 - ЦП, 2 - Б33, 3 – В33П, 4 – Б33С, 5 – Ф 2)
Бетоны с сухим асбестоцементным наполнителем составов Б33, Б33С, Б33П, ЦП и Ф2 (фракция 10–20 мм) были подвержены 40 циклам замораживания оттаивания [7, 8]. Результаты измерения прочности при сжатии сведены в таблицу 1.
Морозостойкость материала непосредственно связана с его водопоглощением, поэтому материалы с наибольшим водопоглощением выдержали наименьшее количество циклов «замораживания-оттаивания». Наибольшую марку по морозостойкости показали материалы Б33 и Б33П, поэтому дальнейшие исследования проводили с данными материалами. Б33С в дальнейшем не изучался, в связи с нерациональностью дополнительных исследований.
Таблица 1
Результаты определения морозостойкости
|
Наименование материала |
Количество циклов «замораживания-оттаивания» |
Снижение прочности на сжатие, % |
Уменьшение массы материала, % |
Марка морозостойкости согласно ГОСТ 10060.0-95 |
|
ЦП |
25 |
19,4 |
2,56 |
F20 |
|
Б33 |
30 |
20 |
3,12 |
F30 |
|
Б33П |
40 |
22,3 |
2,75 |
F40 |
|
Б33С |
15 |
22,4 |
3,15 |
F15 |
|
Ф 2 |
25 |
19,8 |
4,21 |
F25 |
Закономерности разрушения БИСАЦО при поперечном изгибе были также изучены в широком диапазоне постоянных напряжений и температур. В результате испытаний фиксировали время до разрушения (долговечность). Исследования основаны на термофлуктуационной (кинетической) концепции. При этом долговечность материалов с позиции термофлуктуационной концепции разрушения описывается уравнением [9]:
tm ,U0, g и Tm – физические константы материала: tm – минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц – атомов, групп атомов, сегментов), с; U0 – максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; g – структурно-механическая константа, кДж/(моль·МПа); Tm – предельная температура существования твёрдого тела (температура разложения), К; R – универсальная газовая постоянная, кДж/(моль·К); t – время до разрушения (долговечность), с; s – напряжение, МПа; T – температура, К.
Полученные экспериментальные результаты обрабатывали в координатах логарифм долговечности (lgt) от напряжения (s) при указанных постоянных температурах, см. рис. 6.
По полученным зависимостям графоаналитическим методом [10] были определены физические константы, значения которых представлены в табл. 2.
Подставив значения констант в уравнение можно прогнозировать долговечность исследуемых материалов при заданных параметрах эксплуатации [11].
Плиты из БИСАЦО можно использовать в качестве облицовочных панелей на металлическом каркасе, прикрепляемые к наружным стенам зданий. Ориентировочные геометрические размеры данных панелей можно принять 600×600×20 мм. Основным воздействием, образующим поперечный изгиб из плоскости панели, является ветровая нагрузка. Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки wm на высоте z над поверхностью земли следует определять по формуле [12]
где w0 – нормативное значение ветрового давления, для II ветрового района равное 0,3 кПа; k – коэффициент, учитывающий изменение давления по высоте, для типа местности «А» на 10 метровой высоте равен 1,0; с – аэродинамический коэффициент, для наветренной стороны равен +0,8. Отсюда следует, ветровая нагрузка на панель равна .
а)
lgτ
б)
lgτ
Рис. 6. Зависимости времени до разрушения от напряжения при поперечном изгибе
БИСАЦО Б33 (а), БИСАЦО Б33П (б)
Таблица 2
Значения физических констант уравнения при поперечном изгибе для БИСАЦО
|
Вид материала |
U0, кДж/моль |
Tm, К |
lgtm |
g, кДж/(моль·МПа) |
|
Б33 |
45,6 |
3125 |
-0,32 |
13,9 |
|
Б33П |
70,5 |
1401,9 |
-0,906 |
19,3 |
Определяем напряжение [13], действующее в плите
.
При данной нагрузке и температуре +5 °С, что соответствует среднегодовой для Тамбова [14], продолжительность работы составляет:
- Б33 – 5,8 лет;
- Б33П – 62,5 года.
Выводы.
1) Разработан композитный материал с использованием в качестве наполнителя утилизированных асбестоцементных отходов.
2) Изучена, зависимость прочности от зернового состава наполнителя. Показано, что оптимальным составом для работы при сжатии являются составы с фракцией наполнителя 0…5 мм и 10…20 мм, концентрации 33 и 40 % соответственно. Для работы при поперечном изгибе оптимальным является состав с фракцией наполнителя 0…5 мм концентрации 33 % по массе.
3) Определено влияние добавок поливинилацетата и жидкого стекла на физико-механические характеристики бетона. Положительное воздействие оказывает добавка 10 % ПВА.
4) Исследовано влияние климатических факторов (циклов «замораживания-оттаивания») на прочностные свойства бетона. Установлено, что наибольшее количество циклов выдержал материал с 33 % содержанием САЦО и 10 % ПВА по массе. Прочность данного материала незначительно уменьшилась только после 40 циклов «замораживания-оттаивания».
5) Изучены закономерности разрушения БИСАЦО в широком диапазоне заданных постоянных напряжений и температур с позиции кинетической (термофлуктуационной) концепции прочности. Выявлены аналитические зависимости связывающие основные параметры работоспособности – время эксплуатации, напряжение и температуру. Получены величины физических констант материалов, входящие в данные зависимости и определяющие эти параметры. Определены продолжительности работы материала в реальных условиях в качестве навесных облицовочных панелей фасадов здания.
1. Павленко С.И. Мелкозернистые бетоны из отходов промышленности. М.: изд-во АСВ, 1997. 176 с.
2. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1979. 476 с.
3. ГОСТ 23732-79 (1993) Вода для бетонов и растворов. Технические условия
4. Ратинов В.Б., Розенберг Г.И. Добавки в бетон. М.: Стройиздат, 1973. 207 с.
5. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение. М.: Высш. шк., 2003. 701 с.
6. Баженов Ю.М. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1984. 672 с.
7. ГОСТ 10060.0-95 Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования.
8. ГОСТ 10060.1-95 Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости.
9. Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? М.: Химия, 1992. 320 с.
10. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. Издательство: М.: Наука. 1974. 536 с.
11. Ярцев В.П., Репина Е.И., Шеверда В.В. Влияние зернового состава наполнителей из асбестоцементных отходов на физико-механические характеристики цементно-песчаного бетона. Вестник ТГТУ. 2018. Том 24. №1. С. 165-170.
12. СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия. Москва. 2003.
13. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции (Общий курс). Учеб. для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1991. 767 с.
14. СНиП 23-01-99*Строительная климатология. Москва. 2003.
