Свойства декоративных бетонов с использованием железоокисных пигментов Челябинского завода ЖБИ-1

Рыночные отношения требуют от промышленности строительных материалов перестройки и нового подхода к организации выпуска товарной продукции. Для снижения себестоимости и повышения конкурентоспособности широко внедряются местные строительные материалы, расширяется их номенклатура, снижаются трудои энергозатраты.

Одним из недостатков бетона является его естественный цвет — серый, скучный, тусклый, поэтому изделия и сооружения из бетона также невыразительны и малопривлекательны. Если природные каменные материалы окрашиваются благодаря различным примесям, главным образом, оксидов железа, то для получения декоративного бетона принимаются цветные цементы, или в состав бетона вводится окрашивающий компонент — пигмент. Природные железоокисные пигменты отличаются высокой стойкостью, но обладают неоднородностью по химическому составу, цвету и др. свойствам, поэтому на практике разработаны и широко применяются синтетические железоокисные пигменты. Их красящая способность значительно выше, чем у природных пигментов, цвета однороднее и в большинстве случаев намного ярче, чем у природных красителей. Пигменты окрашивают цементный камень бетона и при добавлении определенной дозы пигмента создается достаточно плотный слой его на поверхности цементных частиц, поэтому дальнейшее увеличение дозы пигмента в составе бетона не повышает насыщенность цвета.

В настоящее время производство железоокисных строительных пигментов сосредоточено главным образом в европейской части РФ (Ярославль, Журавск, Торжок, Ростов-на-Дону), поэтому предприятия Урала, Сибири вынуждены завозить эти пигменты, что значительно удорожает производство декоративных бетонов и растворов. Производство отделочных и дорожных материалов и изделий, изготовление сухих смесей сдерживается отсутствием качественных и недорогих отечественных пигментов. Применяемые зарубежные аналоги, в том числе фирмы «Байер» и др., ведут к удорожанию декоративных материалов.

На Челябинском заводе железобетонных изделий ЗЖБИ № 1 при участии автора [98] организовано опытное производство искусственных железоокисных пигментов по простой технологии с использованием практически любого железосодержащего сырья. Пигменты выпускаются трех цветов: желтые, красные и черные с осаждением на глинистых минералах и на микрокремнеземе.

Основным направлением современного развития бетоноведения является получение бетонов с высокими эксплуатационными свойствами (High Performance Concrete — НРС) с прочностью при сжатии не менее 65 МПа, с маркой по морозостойкости не менее F 300 и длительностью эксплуатации не менее 200 лет [93]. Поэтому применение новых компонентов бетонов должно рассматриваться с позиций возможности получения НРС.

Цель настоящей диссертационной работы — получение эффективных декоративных бетонов с повышенными физико-механическими свойствами, эстетической выразительностью на основе синтетических железоокисных пигментов производства Челябинского завода ЖБИ № 1.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: Ф • исследовать структурные особенности железоокисных пигментов, их щелочестойкость в сравнении с пигментами фирмы Байер;

• выявить влияние местных железоокисных пигментов на свойства цемента и особенности структурообразования цементного камня;

• обосновать дозировки пигментов в бетоны с различными цементно-водными отношениями для обеспечения средней и высокой интенсивности окраски;

• выявить особенности поровой структуры, разработать мероприятия по повышению плотности, водонепроницаемости и прочности декоративных бетоф нов на пигментах Челябинского завода ЖБИ-1;

• исследовать способы повышения морозо-, сульфатои светостойкости декоративных бетонов на региональных пигментах;

• провести испытание склонности декоративных бетонов на пигментах ЗЖБИ № 1 к высолообразованию, выявить основные факторы, влияющие на интенсивность развития этого процесса;

• разработать рекомендации по технологии декоративных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами.

Наиболее активные исследования декоративных бетонов относятся к середине 60-х годов XX столетия, к этому времени формируется и промышленность по производству минеральных пигментов. Важную роль в изучении процессов синтеза железоокисных пигментов, декоративных цементов и их влияния на свойства бетона сыграли работы Е. Ф. Беленького, П. И. Божено-ва, Р. А. Буянова, С. Вадхавана, П. П. Гайджурова, J1. Г. Герасимова, М. Г. Гулямова, А. Г. Домокеева, О. П. Криворучко, М. Левита, Т. Мизавы, В. И. Наназашвили, Н. В. Петровского, В. А. Пискарева, И. В. Рискина, J1. И. Холоповой, Ф. Хунда, В. П. Чалого и др.

Автор диссертации защищает:

• технологию изготовления железоокисных пигментов в том числе с использованием микрокремнезема как затравки для кристаллизации пигмен.

• тов;

• закономерности влияния пигментов ЗАО «ЧелЖБИ-1» на свойства цементов и процессы структурообразования цементного камня;

• влияние пигментов на свойства бетонной смеси;

• дозировки пигментов, обеспечивающие декоративные и прочностные свойства бетона;

• полученные математические модели влияния пигментов на прочностные свойства тяжелого бетона;

• способы повышения прочности и стойкости декоративных бетонов;

• способы повышения стойкости декоративных бетонов к высолообразованию и к воздействию погодных факторов.

Научная новизна работы.

• показана возможность использования частиц микрокремнезема как затравок кристаллизации пигментов;

• определены структурные особенности пигментов, синтезируемых по предлагаемой технологии: полнота прохождения синтеза, наличие посторонних включений, размер формирующихся кристаллов пигментов и др.;

• установлены гидратные фазы цементного камня, формирующиеся при введении различных пигментов;

• выявлены закономерности формирования прочности бетона при сжатии и осевом растяжении в зависимости от вида цемента, водо-цементного отношения, дозировки пигмента и длительности твердения;

• доказана уплотняющая способность железоокисных пигментов по отношению к капиллярно-поровой структуре цементного камня и бетона, и установлены способы ее эффективного регулирования;

• исследованы способы изменения прочности, стойкости к высолообразова-нию, морозо-, сульфатои погодостойкости декоративного бетона.

Практическая значимость работы.

На основании полученных экспериментальных данных:

• определены оптимальные режимы синтеза железоокисных пигментов из железосодержащего сырья;

• из результатов сравнения свойств местных и байеровских пигментов показаны направления совершенствования производства железоокисных пигментов;

• установлены зависимости изменения свойств цементов от дозировки различных пигментов;

• определены способы управления физико-механическими свойствами декоративного бетона;

• показана возможность получения высококачественного декоративного бетона при использовании пигментов ЗАО «ЧелЖБИ-1»;

• определена экономическая эффективность применения местных пигментов.

Результаты работы внедрены в опытном производстве на Челябинском заводе железобетонных изделий № 1, экономический эффект от внедрения в 2001 году составил по факту 1112 тыс. рублей при годовом выпуске изделий из декоративного бетона в объеме 650 м³ камней бортовых и тротуарной плитки. В дальнейшем планируется расширение производства.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на XXV и XXVI Научных конференциях Южно-Уральского государственного университета, на 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона.

Публикации.

Основное содержание работы опубликовано в восьми статьях.

Объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 121 наименований и содержит Я 182 страницы машинописного текста, 50 таблиц и 72 рисунка.

Для производства отделочных работ наиболее эффективно применение декоративных бетонов и растворов на основе портландцемента, из кото рых изготавливаются массовые отделочные и дорожные бетонные декора тивные изделия.

Введение

железоокисных пигментов в бетон требует ре шения нескольких проблем — снижение водопотребности бетонной смеси, сохранение декоративных свойств в процессе эксплуатации вследствие склонности к высолообразованию, а также влияние пигментов на проч ность. На заводе «ЧелЖБИ-1» разработана простая технология получения из же лезосодержащего сырья железоокисных пигментов, которые в процессе синтеза оседают на специально создаваемых зародышах. Последние полу чаются в результате быстрого окисления кислородом воздуха осажденно го гидрата закиси железа, образующегося при взаимодействии железного купороса и щелочи. Установлено, что роль зародышей может исполнять также микрокремнезем — отход производства ферросилиция на электроме таллургическом комбинате. Благодаря высокой дисперсности микрокрем незем после гидротермальной обработки в растворе железного купороса добавок можно получать различные оттенки пигментов. Переход желтого пигмента в красный происходит в результате топохимической реакции при прокаливании гидроксида железа в гематит. Черный пигмент химиче ски состоит в основном из хорошо закристаллизованного магнетита.

(а-Ре20з). Желтый пигмент преимущественно состоит из гетита [o-FeOGH) различной степени закристаллизованности. Исследование свойств цемента с добавлением пигментов показало, что высокая адсорбционная способность пигментов приводит к повышению водопотребности, блокированию процесса гидратации и затруднению процесса кристаллизации новообразований, сопровождающемуся замед лением схватывания и твердения цемента. По мере повышения степени кристаллизации пигмента от красного к черному и количества минераль ных добавок в цементе, конкурирующих за свободную поверхность, сте пень повышения водопотребности портландцемента снижается. Так, жел тый и черный железоокисные пигменты, обладающие ромбической и ку бической сингонией кристаллической решетки меньше повышают водо потребность вяжущего. Пигменты, осажденные на микрокремнеземе, ха рактеризуются меньшей собственной удельной водопотребностью по сравнению с чисто железоокисными и меньше повышают водопотреб ность вяжущего. Существует оптимальная дозировка пигмента (в преде лах 5…8% от массы цемента), при которой достигается максимальное значение плотности, дальнейшее увеличение дозировки пигмента вызыва ет снижение плотности цементного камня. Особенно интенсивное сниже ние прочности цементного камня происходит в ранние сроки и под дейст вием красного пигмента. Желтый и черный пигменты ЖО менее влияют на прочность декоративного вяжущего. Пигменты на микрокремнеземе меньше снижают прочность цементного камня, чем аналогичные по цвету железоокисные, причем с увеличением возраста твердения прочность меньше отличается от прочности эталонных образцов без пигмента. При оценке цветопередачи выявлено, что введение красного ЖО пигмента в количестве более 8%, красного на микрокремнеземе более 10% и байе ровского более 5% от массы цемента обеспечивает практически постоян ный цвет цементного камня. Желтые пигменты дают интенсивную окра ску практически только при максимальных дозировках: 15% - ЖО, 20% - МК, 10% — Б. Черных пигментов достаточно ввести 3…5% от массы цемента, чтобы обеспечить постоянный цвет камня на всех опробо ванных разновидностях цементов и пигментов. Наличие шлака в цементе оказывает отбеливающее действие и позволяет получать более яркую ок раску. По результатам физико-химических исследований выявлено, что пигменты ЖО инертны по отношению к цементам и к гидратным продук там цементного камня, однако они способны влиять на гидратационные процессы, экранируя фронт гидратации и снижая закристаллизованность ряда фаз, особенно гидроксида кальция. Особенно это свойственно для красного и черного пигментов. Пигменты на микрокремнеземе характери зуются высокой гидравлической активностью, снижая в 2…2,5 раза со держание гидроксида кальция и образуя низкоосновные тоберморитопо добные гидросиликаты кальция.4. Удельная водопотребность пигментов в бетонных смесях выше, чем в це ментном тесте, повышение водопотребности бетонной смеси с пигмента ми не ухудшает расслаиваемость и сохраняемость свойств бетонной сме си. При введении пигментов ЖО в количестве 3…5% от массы цемента отмечается тенденция к повышению средней плотности бетонной смеси, при небольших концентрациях пигментов (до 6,5%) отмечается увеличе ние степени уплотнения бетонной смеси, проявляется функция микрона полнителя, С увеличением дозировки пигмента снижается прочность про паренного и нормально твердевшего бетона при сжатии в ранние сроки твердения. При введении красного и желтого МК пигментов в небольших количествах прочность бетона при сжатии во все сроки твердения близка к исходной прочности бетона без пигмента или даже превышает ее, что является проявлением трех эффектов: микронаполнения, пуццоланизации и повышения водопотребности бетонной смеси. Степень разбавления и снижения активности вяжущего в бетоне под влиянием пигментов умень шается с понижением содержания в вяжущем активной минеральной до бавки. В 28 и более суток твердения характер влияния вида цемента на прочность нормально твердевшего бетона нивелируется.

Введение

пиг ментов МК в бетоны на всех разновидностях цементов и во все сроки твердения значительно меньше снижает прочность бетона, чем введение пигментов ЖО. Причем снижение отмечается только в ранние сроки твер дения, а начиная с 90- суточного возраста значения прочности бетона с пигментами МК как правило не меньше прочности контрольных непиг ментированных образцов бетона, что характерно и для бетонов с байеров 171 скими пигментами. Влияние пигментов на прочность бетона при раскалы вании аналогично изменению прочности бетона при сжатии.5. Пигменты являются уплотняющими добавками. Характеристики пористо сти и водонепроницаемости декоративного бетона зависят от водопотреб ности пигмента и ухудшаются с увеличением дозировки пигмента. При Ц/В не менее 2 под влиянием пигментов уменьшается радиус фильтрую щих капилляров и повышается водонепроницаемость бетона. Имеется оп тимальное соотношение между водопотребностью и дисперсностью пиг мента, с превышением которого пигмент не оказывает уплотняющего дей ствия на структуру бетона. Наиболее эффективны пигменты, осажденные на микрокремнеземе, последний активно участвует в структурообразова нии декоративного бетона, способствует формированию повышенной плотности и водонепроницаемости.6. Для декоративных бетонов на всех разновидностях пигментов характерно высолообразование, наиболее интенсивно оно протекает на бездобавоч ном цементе при низких значениях Ц/В отношения. По химическому со ставу высолы в основном представляют собой сульфат и карбонат каль ция, которые образуются вследствие выщелачивания извести. Применение. пшакопортландцемента и пигментов МК практически полностью предот вращает высолообразование, для пигментов ЖО требуются специальные мероприятия для предотвращения этого явления. Цветопередача бетону на сером цементе обеспечивается при дозировке пигментов ЖО не менее 5% от массы цемента, а для желтого — не менее 8%, дальнейшее увеличение дозировки пигмента не изменяет цвет бетона и при этом величина Ц/В практически не оказывает влияния на цвет декоративного бетона. Дози ровка пигментов МК как правило должна быть примерно в два раза боль ше, чем пигментов ЖО. Бетоны на шлакопортландцементе и ПЦ 400 Д-20 характеризуются более светлым оттенком соответствующего цвета, чем бетоны на ПЦ 500 Д-0. По своим спектральным характеристикам ближе всего к эталонным байеровским пигментам находятся желтые ЖО и МК пигменты ЗАО «ЧелЖБИ-1».7. Испытания пого достой кости декоративного бетона показали, что цвет пигментов не изменяется под действием ультрафиолетового облучения, изменения влажности и температуры.

Введение

пластификатора ЛСТ в количестве 0,25% от массы цементы не всегда обеспечивает отсутствие высолообразования, а при введении суперпластификатора С-3 в количе стве 0,8% от массы цемента, как правило, ликвидируется высолообразо вание, при этом Ц/В должно быть не ниже 2,5.8. Декоративные бетоны с железоокисными пигментами ЗАО «ЧелЖБИ-1» показывают более высокую сульфатостойкость при испытании в растворе сульфата натрия концентрацией 10 г/л по сравнению с бетоном без пиг ментов. Благодаря наличию пигментов уменьшаются размеры капилляр ных пор и образующиеся на ранних этапах испытания сульфатостойкости продукты коррозии (эттрингит и после 6 мес. испытания — двуводный.

гипс) практически кальматируют их, выполняя функции ионного фильтра. Проведены исследования способов регулирования морозостойкости деко ративных бетонов с пигментами ЗАО «ЧелЖБИ-1», показана возможность получения декоративных дорожных изделий с маркой по морозостойкости F 300. В целом применение железоокисных пигментов ЗАО «ЧелЖБИ-1» для изготовления изделий из декоративного бетона показало возможность получения по существующей технологии изделий и конструкций с высо кими эксплуатационными свойствами.9. В ЗАО «ЧелЖБИ-1» внедрена опытная технология железоокисных пиг ментов с годовой производительностью 50…60 т. Выпускаются пигменты трех основных цветов: красного, желтого и черного, причем первые два пигмента могут осаждаться как на специальных центрах кристаллизации, так и на микрокремнеземе. На заводе ЖБИ № 1 г. Челябинска функциони рует участок по изготовлению тротуарных изделий из декоративного бе тона. В 2002 году выпущено 1852 м^ окрашенной плитки, на которую из расходовано 53 708 кг пигментов собственного производства. Качество тротуарных плиток соответствует всем требованиям ГОСТ 17 608–91. Бла годаря снижению стоимости пигментов получен экономический эффект 2 119 317,6 рублей.