Высокопрочные шлакощелочные бетоны на отходах горнорудной промышленности

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года» предусмотрено расширить применение новых эффективных конструкций, полнее иепользовать местные строительные материалы /I/. Указывается, что с целью еще большего подчинения развития науки и техники решению экономических и социальных задач советского общества следует обеспечить разработку и реализацию комплексной программы научно-технического прогресса, целевых программ по решению важнейших научно-технических проблем.

В соответствии с поставленными задачами Госстроем СССР совместно с Минвузом СССР была разработана комплексная программа по решению отраслевой научно-технической проблемы 0.55.16.264 «Создать и освоить производство шлакощелочных вяжущих и бетонных и железобетонных конструкций и изделий на их основе, в том числе высокопрочных» .

Одним из исполнителей данной программы в рамках Минвуза УССР является Криворожский горнорудный институт, в задачи которого входит участие в выполнении исследований шлакощелочных бетонов марок 600−1000 с использованием в качестве заполнителя отходов горно-обогатительных комбинатов, а также конструкций из таких бетонов." .

Начало данных исследований было положено при выполнении координационного плана научно-исследовательских и опытных работ в области создания и освоения опытно-промышленного производства шлакощелочного вяжущего на основе металлургических шлаков и щелочных компонентов и бетонов с использованием.

— 5 этого вяжущего, утвержденного Госстроем СССР 17 июня 1977 г. В настоящее время большое внимание уделяется созданию новых видов строительных материалов, в частности бетонов.

Изыскиваются новые возможности применения отходов промышленности в строительстве, на необходимость чего указывалось на УШ Всесоюзной конференции по бетону и железобетону. Так, в ПНИЛГ КЙСИ, под руководством проф.В. Д. Глуховского разработано шлакощелочное вяжущее, позволяющее получать бетоны значительной прочности.' Эффективным оказалось применение в качестве заполнителей для таких бетонов различных некондиционных материалов, содержащих повышенное количество пылевидных и глинистых частиц.

В настоящее время имеется довольно большой объем исследований вяжущих, получаемых в результате затворения доменного гранулированного тонкомолотого шлака растворами соединений щелочных металлов /3−6,10−13,21,23,26,30−38/. Сотрудниками ПНИЛГ КИСИ под руководством В. Д. Глуховского изучены специальные свойства шлакощелочных! бетонов /14−19,22,26,27,47/. Установлено, что шлакощелочные бетоны с успехом могут применяться в гидротехническом и водохозяйственном строительстве /14−18/" в условиях воздействия высоких температур /26,27/, при необходимости обеспечения быстрых сроков схватывания /26−28/, при бетонировании массивных сооружений /23/, в условиях зимнего бетонирования /24,25/. Шлакощелочные бетоны отличаются высокой стойкостью в условиях коррозионных сред /19−22/. С успехом шлакощелочные бетоны могут применяться для изготовления стеновых материалов жилых зданий /26/. ¦

Получено высокоактивное шлакощелочное вяжущее, позволяю.

— б щее получать бетоны высокой прочности /21,30−33/. Исследованы факторы, влияющие на активность шлакощелочного вяжущего, такие как химический состав шлаков /13/, силикатный модуль жидкого стекла /21,30−37/, его плотность /21,30,32,35,38/, степень измельчения шлака /19,21,34/" весовое соотношение меязду жвдким стеклом и шлаком /21/.

Исследованы физико-механические и деформативные свойства мелкозернистых шлакощелочных бетонов /34,52/, работа конструктивных элементов из такого бетона /68,71−73/.

Получены и частично исследованы васокопрочные шлакощелоч-ные бетоны на традиционных заполнителях /30,31,49,50,57,58, 60,62,65,66,70/, особенности работы конструкций из таких бетонов /69,7а, 81,85/.

Исследованы физико-механические и деформатинше свойства шлакощелочных бетонов прочностью 20−50 МПа на отходах горнообогатительной промышленности, а также напряженно-деформированное состояние конструктивных элементов из таких бетонов /76−80,83,84/.

Однако, несмотря на большой объем выполненных исследований шлакощелочное вяжущее до настоящего времени не применяется для получения высокопрочного бетона, в качестве заполнителя которого использовались бы отходы горнообогатительных комбинатов. Не изучены в достаточной степени прочностные и деформативные свойства шлакощелочных бетонов высоких марок, не выявлены полностью факторы, влияющие на эти свойства. Недостаточен объем экспериментальных данных по изучению особенностей работы предварительно-напряженных элементов и конструкций из высокопрочного шлакощелочного бетона, а.

— 7 данных об испытаниях таких элементов и конструкций из бетона на отходах ГОК вообще нет.

Успешное решение этих задач позволит расширить область применения шлакощелочного вяжущего, получать высокопрочный шлакощелочный бетон, не уступающий по показателям деформа-тивности цементным, применять этот бетон для изготовления предварительно напряженных конструкций, где он наиболее эффективен.

Настоящая работа посвящена вопросам получения шлакощеЛоч-ного бетона прочностью 60−80 МПа с использованием в качестве мелкого заполнителя отходов ГОК, изучения основных факторов, влияющих на прочность и деформативность при кратковременном действии нагрузки, исследования длительной деформируемости бетона, получения экспериментальных данных об особеннностях работы предварительно-напряженных конструкций.

Работа носит прикладной характер. Полученные результаты публиковались автором в течение 1976;1982 гг., список публикаций указан в перечне литературных источников /41,54,55,61, 97,138,152,153/.

Кратковременные и длительные испытания по исследованию свойств бетонов проводились параллельно с испытаниями предварительно-напряженных изгибаемых элементов, что позволило получить данные о прочности, деформативноети и трещиностой-кости таких элементов при кратковременном действии нагрузки, потерях предварительного напряжения от усадки и ползучести бетона, особенностях деформирования элементов при длительном действии нагрузки при разных уровнях загружения.

В работе получены новые:

— 8.

— высокопрочные шлакощелочные бетоны марок 600,700,800, на отходах ГОК;

— закономерности, влияющие на прочностные и деформатив-ные свойства бетонов при кратковременном действии нагрузки, изменение этих свойств во времени;

— значения деформаций усадки и ползучести высокопрочных шлакощелочных бетонов на отходах ГОК;

— данные о прочности, деформативноети и^{рещиностойкости} предварительно-напряженных изгибаемых элементов и конструкций из высокопрочного шлакощелочного бетона на отходах ГОК.

На защиту выносится:

— теоретически обоснованные и практически доказанные закономерности, влияющие на свойства шлакощелочных бетонов;

— возможность получения высокопрочных бетонов с применением шлакощелочного вяжущего и отходов ГОК, обладающих заданными свойствами;

— разработанные составы и технологические параметры получения шлакощелочных бетонов прочностью 60−80 Ша с мелким заполнителем из отходов ГОК;

— результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств высокопрочных шлакощелочных бетонов на отходах ГОК при кратковременном и длительном действии нагрузки;

— экспериментально доказанную возможность реализации высокопрочных шлакощелочных бетонов на отходах ГОК в предварите льно-напряженных конструкциях;

— производственное подтверждение возможности выпуска предварительно-напряженных элементов конструкций из высоко.

— 9 прочного шлакощелочного бетона на отходах ГОК и их экономическую эффективность.

Исследования выполнены в 1976;1982г.г. на кафедре строительных конструкций Криворожского горнорудного института в соответствии с координационным планом научно-исследовательских и опытных работ в области создания и освоения опытно-промышленного производства шлакощелочного вяжущего на основе металлургических шлаков и щелочных компонентов и бетонов с использованием этого вяжущего, утвержденного Госстроем СССР 17 июня 1977 года.

— 10.

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1,1. Шлакощелочные цементы и их свойства.

Шлакощелочные цементы представляютсобой гидравлические вяжущие вещества, получаемые в результате затворения тонкомолотого гранулированного шлака растворами соединений щелочных металлов (натрия и калия) или путём совместного измельчения гранулированного шлака с этими соединениями.

Шлакощелочные цементы и бетоны на их основе впервые были предложены В. Д. Глуховским /З-б/. Известны исследования А"И.Жилина /7/, в которых была доказана возможность получения водостойкого материала с весьма значительной скоростью твердения. Образцы материала, изготовленные из доменного гранулированного шлака Магнитогорского метал^ргического завода, измельченного на бегунах и жидкого стекла силикатным модулем 2,6 и плотностью 1300−1400 кг/м3 имели предел прочности после трех суток твердения в естественных условиях 8−10 МПа, через семь суток — 18,5 МПа, через шестьдесят суток — 28 МПа. Однако А. И.!илин доказал только возможность получения водостойкого материала при сушке и твердении в воздушно-сухих условиях, что не привело к использованию полученных композиций гранулированного шлака и жидкого стекла в качестве вяжущего бетонов, т.к. не было доказано, что они являются гидравлическими, т. е. способными твердеть под водой.

Представляют определенный интерес опыты Г. Н. Сиверцева, получившего материалы на основе доменных шлаков и раствбри-мого стекла прочностью до 20 МПа. Активизируя шлаки слабыми.

— II растворами едких щелочей 5−1,5% концентрации или смесями солей щелочных металлов с известью получал вянущее АД).Пурдон /9/. Однако в этом вяжущем щелочь, вследствие её незначительного содержания, выполняла роль катализатора, оставаясь в свободном состоянии и поэтому А.0.Пурдон, как и Г. Н.Сивер-цев, твердение исследуемых композиций относил полностью за счёт соединений кальция* АЖюль /10/.затворял растворами едкого калия стекловидный цементный клинкер с целью определения возможности его твердения без образования кристаллов.

Гидравлические свойства вяжущего на основе шлака и жидкого стекла впервые отмечаются в работе /3/. Дальнейшие исследования А/ позволили установить, что гидравличность шлако-щелочного вяжущего на жидком стекле повышается по мере уменьшения силикатного модуля стекла или увеличения его основности. Это позволило разработать шлакощелочные гидравлические цементы на гранулированных шлаках и низкомодульных растворимых стеклах1- твердеющие в воде при тепловлажностной обработке. В последующих работах /II/ показано, что шлакоще-лочное вяжущее, обладающее гидравлической активностью, может быть получено не только путем затворения шлака низкомодульным жидким стеклом, но и другими соединениями щелочных металлов, дающих в воде щелочную реакцию.

Из работ /12,13/ следует, что шлакощелочные цементы — это гидравлические вяжущие вещества, твердеющие в воде и на воздухе, получаемые путем затворения молотого доменного или электротермофосфорного гранулированного шлака растворами соединений щелочных металлов, дающих щелочную реакцию. В качестве щелочных компонентов шлакощелочных цементов могут ис.

— 12 пользоваться едкие щелочи -/?0У, несиликатные соли слабых кислот «» и т< п*> силикатные соли типа (??542^) ЗсО^, алюминатные соли типа ^?0 х $?2 Оз. Содержание щелочного компонента в шлакощелочных цементах составляет в пересчете на ^.?0 2,5−7,5%9 на К^О -3,4−10% от массы шлака. В продуктах гидратации шлакощелочных цементов не содержится характерные для портландцемента новообразования — свободная известь, высокоосновные гидроалюминаты, гидросиликаты и гидросульфоалюминаты кальция. В связи’с этим они отличаются высокой прочностью, которая в зависимости от химической природы щелочного компонента достигает 140 МПа, что в 2 и более раза превосходит прочность высокопрочных портландцементов.

Наряду с высокой активностью шлакощелочные вяжущие и бетоны на их основе обладают рядом специфических свойств. Это плотная структура шлакощелочных бетонов, малая растворимость новообразований, замкнутая пористость, что делает их водостойкими, водонепроницаемыми и морозостойкими. Эти свойства позволяют получать бетоны, которые с успехом могут применяться для мелиоративного и гидротехнического строительства /14−18/.

Исследованиями коррозионной стойкости шлакощелочных бетонов установлено /19−22/, что они обладают высокой стойкостью в ряде коррозионных сред, в первую очередь в условиях магнезиальной и сульфатной агрессии, в водах с низкой гидрокарбонатной жесткостью.

Шлакощелочные бетоны по своим показателям тепловыделения относятся к низкотермичным, вследствие чего оказывается возможным их успешное применение при бетонировании массивных • сооружений /23/. С успехом шлакощелочные бетоны используются для зимнего бетонирования /24,25/ благодаря низкой температуре замерзания смеси, а также повышенной активности шла-кощелочных цементов и возможности прохождения реакций в твердых фазах, что объясняется /26/ наличием катионного обмена между карбонатами щелочных металлов и окисью кальция шлака, протекающего с образованием карбоната кальция и едких щелочей.

Теплопроводность бетонов на шлакощелочных цементах примерно на 15% меньше, чем на портландцементе, что делает возможным использование их при изготовлении стеновых материалов для жилых зданий /26/. 1.

Шлакощелочные композиции обладают стойкостью при воздействии на них высоких температур, на их основе могут быть получены растворы и бетоны повышенной жаростойкости /26,27/.

Сроки схватывания шлакощелочных цементов несколько короче, чем у портландцемента, они могут регулироваться водовя-жущим отношением, содержанием щелочного компонента и др. /23,26/. Характерной особенностью шлакощелочных цементов является также высокая интенсивность твердения в раннем возрасте, в связи с чем они могут применяться для получения быстротвердеющих бетонов /26,28/.

В железобетонных конструкциях обеспечивается хорошая сохранность арматуры в среде шлакощелочного бетона /29,49/. Установленочто при всех режимах хранения арматура в шла-кощелочном бетоне корродирует значительно меньше, чем в бетоне на портландцементе. Скорость карбонизации свободной.

— 14 извести в цементном бетоне с течением времени возросла в полтора раза" в то время как в шлакощелочном практически не изменилась.

Таким рбразом, шлакощелочные цементы могут с успехом применяться для получения высокопрочных, быстротвердеющих, эффективных при термовлажностной обработке', с пониженной теплопроводностью, гидротехнических, стойких в условиях коррозионных сред, твердеющих при отрицательных температурах, жаростойких бетонов. Отличительной особенностью шлакощелочных бетонов является то, что они, как правило, обладают всеми перечисленными качествами одновременно.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Анализ исследований прочностных и деформативных свойств высокопрочных шлакощелочных бетонов на отходах горнообогатительной промышленности, а также особенностей работы предварительно-напряженных элементов и конструкций из таких бетонов позволяет сделать следующие выводы и рекомендации:

1. На шлакощелочном вяжущем, состоящем из доменного гранулированного шлака, измельченного до удельной поверхности 300−320 м^/кг и силиката натрия возможно получение тяжелых бетонов прочностью 60−80 Ша с использованием в качестве мелкого заполнителя отходов ГОК.

2. Применение в качестве заполнителя отходов ГОК положительно сказывается на свойствах шлакощелочного бетонапрочность такого бетона выше, показатели деформативное&trade- -ниже по сравнению с бетоном на речном песке.

3. При подборе составов шлакощелочного бетона соотношение между мелким заполнителем — отходами ГОК и шлаком рекомендуется принимать в пределах 1,01−2,0.

Максимальные значения прочности шлакощелочного бетона могут быть получены при условии введения в состав бетонной смеси жидкого стекла в количестве не более 15% по отношению к шлаку (в пересчете на сухое вещество).

5. Стеклошлаковое отношение при подборе составов шлакощелочного бетона следует назначать, учитывая как требуемую подвижность бетонной смеси, так и плотность применяемого жидкого стекла, не превышая при этом критического значения его сухого вещества 15 $.

— 145.

6. С целью получения высокопрочного шлакощелочного бетона, обладающего более низкими показателями деформативности, подбор состава бетонной смеси следует производить при возможно низких с теклошлаковых отношениях.

7. Прочность шлакощелочного бетона марок 600−800, составы которого подобраны с учетом выше изложенных рекомендаций, с течением времени возрастает, основной показатель деформативности — начальный модуль упругости практически остается неизменным.

8. При длительном действии нагрузки характерным для указанных бетонов является затухание деформаций усадки и ползучести. Значения усадочных деформаций и меры ползучести ниже нормативных значений для обычных цементных бетонов.

9. Полученные высокопрочные шлакощелочные бетоны могут быть рекомендованы для изготовления предварительно-напряженных элементов конструкций. Прочность, деформативность и тре-щиностойкость таких элементов находятся в пределах действующих норм.

10. Выпуск предварительно-напряженных элементов конструкций из полученного высокопрочного шлакощелочного бетона можно производить на оборудовании существующих заводов ЖБИ после незначительной их реконструкции, связанной с организацией системы приготовления и подачи жидкого стекла в бетоносмеситель.

11. В результате внедрения шлакощелочного бетона в производство получен экономический эффект в сумме 40,48 тыс*руб-лей при общем объеаае внедрения 13 тыс. м3 изделий из шлакощелочного бетона.

— 146.

12. Результаты исследований использованы при разработке нормативных документов «Плиты тротуарные из шлакощелочного бетона на основе кальцинированной соды» ТУ 204 УССР-П-79, «Камни бортовые из шлакощелочного бетона, на основе кальцинированной соды» ТУ 204 УССР-19−79, «Блоки фундаментные из шлакощелочного бетона? ТУ 204 УССР-147−80, «Камни бортовые из шлакощелочного бетона» ТУ 67 УССР-284−81, «Блоки фундаментные из шлакощелочного бетона» ТУ 67 УССР-287−81, «Смеси шлакощелочные бетонные» ТУ 67-ЗПт82, «Плиты фундаментные из шлакощелочного бетона» ТУ 67 УССР-312−82, «Сборные железобетонные поддоны санузлов» ТУ 67 УССР-313−82.

— 147 ~.