7.4 Оптимизация состава декоративного шлакового вяжущего

Подбор состава вяжущего осуществлялся на образцах из раствора при соотношении компонентов вяжущее : заполнитель – 1:3 по массе. В качестве заполнителя использовался песок доменного гранулированного шлака фр. < 5 мм, с М_кр =3,35. Компоненты вяжущего: доменный гранулированный шлак ЗСМК (таблицы 7.10, 7.11, 7.12), отработанная формовочная смесь литейного цеха ЗСМК (таблица 7.5), газоочистная пыль известкового хозяйства ЗСМК (таблица 7.7).

Для оптимизации состава бесклинкерного шлакового вяжущего применен метод математического планирования [25, 39, 43]. Факторы сырьевых компонентов и уровни их изменения приведены в таблицах 7.15, 7.16. Для исследования составов были изготовлены образцы – балочки 4416 см, которые подвергались тепловлажностной обработке (ТВО) по режиму (3+8+3) ч при температуре 95 С. Подвижность смеси по расплыву конуса на встряхивающем столике после 30 встряхиваний составила 115 см, что соответствует нормальной густоте цементного теста 26…27 %. После ТВО часть образцов была помещена в воду для водонасыщения и определения открытой пористости (формула 7.5). Затвердевшие образцы испытали на прочность при сжатии и изгибе. Определена водостойкость по коэффициенту размягчения (формула 7.6), средняя плотность и коэффициент конструктивного качества (формула 7.7). Результаты испытаний приведены в таблице 7.17. Подсчёт результатов испытаний выполнен на программе обработки результатов экспериментов [27].

, (7.5)

где В₀ – открытая пористость, %;

m_м – масса образца в водонасыщенном состоянии, г;

m_сух – масса образца в сухом состоянии, г;

V – объем образца, см³.

К_р= , (7.6)

где К_р – коэффициент размягчения;

R_м – прочность на сжатие водонасыщенного образца, МПа;

R_сух – прочность сухого образца, МПа.

, (7.7)

где R_сж – прочность при сжатии, МПа;

γ_о – относительная средняя плотность, (γ_о=γ / p_вод);

γ – средняя плотность, г/см³;

p_вод – плотность воды, г/см³.

Таблица 7.15 - Факторы варьирования и их значения

Наименование	Ед. измерения	Обоз.	Значения факторов варьирования на уровнях
			1	2	3	4	5
Газоочистная пыль известкового хозяйства	%	Х1	10	15	20	25	30
Отработанная формовочная смесь (ОФС )	%	Х2	0	3	6	9	12
Гипс	%	Х3	0	3	6	0	0

Из графиков, приведенных на рисунках 7.17, 7.18, 7.19 следует, что оптимальный расход известковой пыли составляет 15…20%, дальнейшее ее увеличение несколько снижает прочность при сжатии, однако прочность при изгибе наоборот – увеличивается на 20…25 %.

Содержание ОФС в составе вяжущего от 3 до 6 % оказывает положительный эффект на рост прочности, дальнейшее ее увеличение резко снижает прочность при сжатии. Следует отметить, что ОФС отрицательно действует на прочность при изгибе. Сульфатная добавка в виде гипса приводит к быстрому набору прочности и является ускорителем твердения. Кроме того, известковая пыль и гипс снижают открытую пористость и водопоглощение бетона на 30…40 %. Содержание ОФС более 6 % приводит к росту открытой пористости. Коэффициент размягчения колеблется от Таблица 7.16 - Расчетные данные для выполнения эксперимента

№ п/п	Известковая пыль			ОФС			Гипс			Молотый граншлак
	Х1	%	Г	Х2	%	Г	Х3	%	Г	%	Г
1	1	10	50	1	0	0	1	0	0	90	450
2	2	15	75	5	12	60	1	0	0	73	365
3	3	20	100	4	9	45	1	0	0	71	355
4	4	25	125	3	6	30	1	0	0	69	345
5	5	30	150	2	3	15	1	0	0	67	335
6	1	10	50	4	9	45	2	3	15	78	390
7	2	15	75	3	6	30	2	3	15	76	380
8	3	20	100	2	3	15	2	3	15	74	370
9	4	25	125	5	12	60	2	3	15	60	300
10	5	30	150	1	0	0	2	3	15	67	335
11	1	10	50	2	3	15	3	6	30	81	405
12	2	15	75	4	9	45	3	6	30	70	350
13	3	20	100	5	12	60	3	6	30	62	310
14	4	25	125	1	0	0	3	6	30	69	345
15	5	30	150	3	6	30	3	6	30	58	290

Таблица 7.17- Результаты испытаний образцов

№ состава	В сухом состоянии		После насыщения водой		Плотность p, г/см2	Пористость Поткр,%	Кразм	ККК
	Rсж, МПа	Rизг, МПа	Rсж, МПа	Rизг, МПа
1	5,93	0,37	4,46	0,57	2,09	21	0,75	2,84
2	4,12	0,57	3,3	0,37	1,978	13,7	0,8	2,08
3	4,62	0,97	4,87	0,83	1,999	13,7	1,05	2,31
4	8,23	0,92	7,13	0,83	2	13,7	0,87	4,12
5	7,09	1,09	7,67	1,26	5,051	9,77	1,08	1,4
6	12,76	1,61	4,2	1,08	2,07	13,7	0,73	6,16
7	22	2,48	14,29	2,5	2,09	9,77	0,75	10,53
8	16,76	2,9	13,14	2,55	2,161	7,81	0,78	7,76
9	21,1	2,35	20,43	2,14	2,123	7,81	0,97	9,94
10	18,29	3,04	15,86	2,34	2,187	7,81	0,87	8,36
11	22,57	2,53	17,14	3,33	2,122	7,817,8	0,76	10,64
12	24,13	2,44	14,57	2,45	2,142	7,8	0,7	11,27
13	21,3	2,45	16,86	2,03	2,122	7,8	0,79	10,04
14	18,3	2,78	19,43	2,05	2,142	7,8	1,06	8,54
15	20,87	2,5	15,71	1,91	2,181	9,8	0,75	9,57

0,75 до 1, что свидетельствует о том, что полученный бетон на данном вяжущем является водостойким. Средняя плотность бетона колеблется от 2 до 2,2 г/см², что говорит о плотной структуре. Обработка результатов осуществлена по методу Стьюдента [27].

Рисунок 7.17 – Оптимизация по прочности при сжатии

Рисунок 7.18 – Оптимизация по прочности при изгибе

Рисунок 7.19 – Оптимизация по открытой пористости

Установлен оптимальный состав шлакового вяжущего: известковая пыль – 15…20%; ОФС – 3…6%; гипс – 3%; граншлак – 71…79%.

Расчет состава шлакового вяжущего можно произвести, исходя из значения коэффициента основности доменного гранулированного шлака. Необходимо рассчитать, какое количество известкового компонента нужно добавить в шлак для повышения К_осн до 1,6. Химический состав сырьевых компонентов приведён в таблицах 7.9 и 7.7 (доменный граншлак и известковая пыль ЗСМК). Коэффициент основности силикатов доменного гранулированного шлака К_осн=0,99.

Сырьё с К_осн>1/ Сырьё с К_осн<1=

,

,

,

,

.

Расчетом установлено, что на 1 часть доменного граншлака необходимо добавить 0,24 части известкового компонента, т.е. на 1 кг шлака – 240 г известкового компонента или 19%. Эти данные подтверждены лабораторным экспериментом.

Испытание вяжущего на равномерность изменения объёма. Испытание полученного вяжущего проводилось по ГОСТ 310-85. Установлено, что оно выдержало испытание на равномерность изменения объема. Было замечено, что повышенное содержание оксида магния (MgO=10,52) не вызывает изменение объёма при испытании вяжущего в автоклаве. Объяснить это можно тем, что в шлаковом вяжущем содержаться алюминаты и алюмоферриты кальция, в состав которых входит оксид магния в виде твёрдого раствора, что снижает количество остающегося свободного оксида магния в виде периклаза. При грануляции шлака, т.е. при быстром охлаждении, оксид магния связывается в устойчивое соединение – окерманит. Обеспечивается мелкая кристаллизация периклаза и насыщение стекловидной фазы оксидом магния. Поэтому гидратация не вызывает больших локальных напряжений. При использовании в качестве щелочного компонента молотой извести все образцы с добавкой газоочистной известковой пыли выдержали испытание без деформаций.

Исследование шлакового вяжущего на водоотделение. Исследование проводилось по методике регламентируемой ГОСТ 310.6-85. Сущность опыта состоит в фиксировании скорости осаждения цементного теста (В : Ц = 1 : 1) в воде и подсчете коэффициента водоотделения по формуле 7.8, %:

, (7.8)

где а – первоначальный объём цементного теста, мл;

в – объём осевшего цементного теста, мл.

Были исследованы следующие вяжущие: ШПЦ, молотый граншлак, шлаковое вяжущее оптимального состава и декоративное шлаковое вяжущее с пигментом в количестве 5%.

Установлено (рисунки 7.20, 7.21), что сложное вяжущее обладает большей водоудерживающей способностью (К_вод=15%), чем молотый граншлак без добавок (К_вод=39%). Введение пылевидных добавок – извест­ковой пыли, ОФС и пигмента, замедляет процесс водоотделения более, чем в два раза. Молотый граншлак без добавок начинает сразу же отдавать воду, процесс идет в течение 50 минут. Шлаковое вяжущее в течение 20 минут практически не отдаёт воду (К_вод=15%), это важно для применения его в сухих смесях. Процесс стабилизируется через 40 минут. Декоратив­ное шлаковое вяжущее также, в течение 20 минут, не отдаёт воду (К_вод=12,6), а процесс стабилизации идет быстрее, в течение 30 минут. По сравнению со ШПЦ (К_вод=10,6) водоотделение шлаковых вяжущих нахо­дится на том же уровне.

Рисунок 7.20 – Зависимость водоотделения от вида вяжущего

Рисунок 7.21 - Значения коэффициента водоотделения вяжущих

Определение основных характеристик бесклинкерного шлакового вяжущего осуществлялось, в соответствии с ГОСТ 310-85. Для определения активности цемента были изготовлены балочки размером 4416 см, одна часть которых была испытана через 28 суток нормального твердения, а другая была подвергнута ТВО по режиму 3+8+3ч. Результаты эксперимента приведены в таблице 7.18 [42]. На состав и способ изготовления декоративного шлакового цемента (ДШЦ) получен патент № 2232139 от 10.07.2004.

Таблица 7.18 – Характеристика шлакового вяжущего

Характеристики	Ед. изм.	Свойства
Марка	кг/см2	250
Состав вяжущего: Граншлак	%	71…79
Известковая пыль	%	15…20
ОФС	%	3…6
Гипс	%	3
Тонкость помола: остаток на сите №008	%	3
Удельная поверхность	см2/г	4000…4500
Водопотребность	%	25…27,5
Истинная плотность	г/см3	2,6…2,8
Насыпная плотность в рыхлом состоянии	кг/м3	980…1000
Насыпная плотность в уплотнённом состоянии	кг/м3	1300…1350
Начало схватывания	мин	20…25
Конец схватывания	час	1-40
Прочность при естественном твердении 7 суток : - при растяжении на изгиб - при сжатии	МПа МПа	1,72 10,1
Прочность при естественном твердении 28 суток : - при растяжении на изгиб - при сжатии	МПа МПа	2,26 22
Прочность после ТВО t=90...95°С, режим (3+8+3) час: - при растяжении на изгиб - при сжатии	МПа МПа	2,48 27,4

Влиние добавок и пигмента на свойства мелкозернистого шлакобетона. Для получения декоративного мелкозернистого шлакобетона были применены в качестве заполнителя – доменный шлак и отработанный формовочный песок литейного производства (ОФС); в качестве добавок: суперпластификатор С-3 и лигносульфанат технический – ЛСТ, в качестве пигмента – красный порошок – отход метизного производства. Характеристики компонентов приведены ниже.

Суперпластификатор С-3 изготавливают на основе продуктов поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида [37]. Основное действие добавки С-3 – сильный пластифицирующий эффект, который обеспечивает снижение трудовых затрат, а так же затрат на оборудование и энергию при укладке и уплотнении бетона. В связи с тем, что при введении С-3 можно отказаться от вибрирования, улучшаются условия труда. Применение С-3 обеспечивает увеличение прочности, улучшение гидрофизических свойств, повышенную долговечность материала, а так же достаточно длительную сохранность бетонной смеси высокой подвижности.

Суперпластификатор С-3 – жидкость темно-коричневого цвета или не слеживающийся темно-коричневый порошок, легко растворимый в воде. Не имеет запаха, не выделяет при хранении вредных газов и паров, малотоксичен. Растворы пожаро- и взрывобезопасны. Водные растворы не изменяют своих свойств при нагревании до 85 С и замораживания до -40С [38]. При выпадении осадка перед применением добавки рекомендуется растворить ее подогревом или разбавлением горячей водой, после чего тщательно перемешать раствор. Рекомендуемая дозировка 0,5…0,7 % от массы цемента (в расчете на сухое вещество). Дозировка увеличивается с увеличением в цементе С₃А, активной минеральной добавки, тонкости помола.

Поставляется суперпластификатор С-3 в металлических бочках и цистернах в виде 30…39 %-ного водного раствора или в бумажных мешках в виде порошка. Добавку можно хранить при высоких и низких температурах. Гарантийный срок хранения - один год с момента изготовления.

Лигносульфонаты технические (ЛСТ) – добавки, которые являются продуктом переработки отходов основного производства целлюлозно-бумажных комбинатов. Представляют собой кальциевые соли лигносульфоновых кислот, содержащие активные функциональные группы разной полярности (-SO₃H-OHC=O), перемежающихся с неполярными радикалами [38].

Для улучшения свойств вяжущего используются поверхностно-активные вещества (ПАВ), они вводятся как при помоле, так и непосредственно при приготовлении бетонной смеси. Рекомендуемая дозировка добавки ЛСТ – 0,1…0,6 % от массы цемента. Расчетное количество ЛСТ вводят в бетонную смесь с водой затворения. Повышенная дозировка (0,3…0,6 %) замедляют схватывание и твердение бетона в ранние сроки. ЛСТ производится в виде жидких и порошкообразных концентратов. Вязкая темно-коричневая жидкость (ЛСТ марки от А до У) или темно-коричневая твердая масса (ЛСТ марки Т) хорошо растворимы в воде.

ЛСТ применяют в бетонах для увеличения прочности бетонов и подвижности бетонных смесей, сокращения расхода цемента и получения морозостойких бетонов. Применение ЛСТ должно осуществляться в соответствии с «Руководством по применению химических добавок в бетоне». Важно отметить, что изделия с этой добавкой следует пропаривать по мягкому режиму. При повышении рекомендуемой дозировки на 0,05 % от массы цемента или при применении жестких режимов пропаривания прочность получаемого материала может снизиться на 40…50 %. Физико-химические свойства ЛСТ приведены в таблице 7.19.

Таблица 7.19 – Физико-химические свойства ЛСТ

Наименование показателя	Нормы для марок
	В	Т
Массовая доля сыпучих веществ, % не менее	50,0	76,0
Массовая доля золы к массе сухих веществ, % не менее	20,0	18,0
Массовая доля нерастворимых в воде веществ, % не более	0,8	1,1
рН 20% раствора, не менее	4,5	4,5
Предел прочности при растяжении высушенных образцов, МПа не более	0,4	0,4

Лигносульфонаты технические жидкие транспортируются в железнодорожных цистернах. Допускается транспортировка в железных бочках и автоцистернах. В зимний период, в случае загустения лигносульфонатов, разогрев их в цистернах осуществляется глухим паром. Твердый и порошкообразный концентрат поставляют в бумажных мешках. Хранить продукт следует в условиях исключающих увлажнение.

Гарантийный срок хранения ЛСТ - один год с момента изготовления.

К преимуществам мелкозернистых бетонов относятся их удобоукладываемость, хорошая формуемость, что особенно важно при изготовлении тонкостенных и густоармированных конструкций [44].

К недостаткам – относится высокая удельная поверхность заполнителя, что вызывает повышенный расход цемента. Повышенный же расход цемента и цементного теста ухудшает свойства затвердевшего бетона, в частности, повышает его усадку, снижает трещиностойкость, ухудшает деформативные характеристики и др. Эти неблагоприятные факторы исключаются при изготовлении мелкозернистых смесей с добавкой суперпластификаторов.

Введение суперпластификаторов (СП) в мелкозернистые бетонные смеси позволяет придать им повышенную подвижность при невысоком В/Ц и расходе вяжущего. При введении СП в цементно-песчанную смесь, водопотребность ее снижается на 25…45 % [38]. Использование СП в мелкозернистых бетонах и строительных растворах позволяет получить следующие эффекты:

• разжижать бетонную смесь с ОК=3…5 см до ОК=18…24 см;

• снизить расход воды на приготовление бетонной смеси на 10…20%;

• сократить расход цемента на приготовление бетонной смеси на 20…30 кг/м³;

• повысить прочность бетона на 10…15%.

При проектировании состава следует учитывать, что при условии присутствия СП в виде С-3 в мелкозернистых бетонных смесях, водопотребность песка снижается, в зависимости от следующих факторов:

• увеличения дозировки СП;

• увеличения крупности песка (в смеси состава Ц:П=1:3 при увеличении модуля крупности песка от 1,56 до 3,13 его водопотребность снижается примерно в 2 раза);

• увеличения количества цемента в составе бетонной смеси (при увеличении количества цемента на 20…33% по массе, водопотребность песка снижается в 1,1…2,4 раза, в зависимости от его крупности).

Для определения влияния добавок на свойства мелкозернистого шлакобетона были изготовлены образцы размерами 4416 см, которые подвергали тепловлажностной обработке по режиму 3+8+3 ч, испытания проводились через 1 сутки. Содержание компонентов и физические характеристики образцов приведены в таблице 7.20.

Таблица 7.20 – Исследование влияния добавок

Наименование компонентов		№ состава
		1	2	3
Шлаки, % масс	Фракция доменного шлака	60	60	60
	ОФС	15	15	15
Цемент, % масс	ШПЦ М300	10	10	10
Добавки, % от массы цемента	ЛСТ	-	0,4
	С-3	-	-	0,5
Отклики	Предел прочности на сжатие, МПа	25,24	27,82	28,52
	Открытая пористость, %	2,7	2,5	2,3

Определение влияния пигмента. В качестве красящего пигмента изучен отход метизного производства (ОМП), который представляет собой красный порошок с S_уд до 700 м²/кг. По химическому составу отход метизного производства представлен гематитом (Fe₂O₃).

Отход образуется в результате нейтрализации кислых железосодержащих сточных вод и отработанных травильных растворов, образуется осадок – шлам [47]. После сушки красный шлам исследован и рекомендован как пигмент в декоративный бетон. Установлено влияние ОМП на свойства шлакобетона (рисунки 7.22, 7.23).

В таблице 7.21 приведены свойства растворов на декоративном шлаковом вяжущем.

Итак, установлено, что введение ОМП в качестве пигмента в декоративные растворы в количестве > 5% вызывает снижение прочности, оптимальное количество ОМП – 2…3 %.

Рисунок 7.22 – Влияние добавки ОМП на прочность при сжатии и изгибе

Рисунок 7.23 – Влияние добавки ОМП на открытую пористость и среднюю плотность

Подбор состава шлакобетона осуществлялся на образцах-балочках ( )при соотношении компонентов [шлаковое вяжущее : заполнитель] – [1 : 3 и 1 : 3,5] по массе. В качестве заполнителя использовался доменный гранулированный шлак фр. 5…10 мм. После изготовления методом виброуплотнения, образцы пропаривались в пропарочной камере. После остывания образцы испытывались на прочность при сжатии. Результаты показали, что изделия имеют маку 100,и 150 (таблица 7.22).

Опытно-промышленные испытания подтвердили лабораторные исследования. Выпущена партия стенового модульного шлакового кирпича ( ) мм. Марка кирпича составила – 150, морозостойкость F-50, средняя плотность 1700 кг/м³. Изделие получено на установке Рифей-4 методом вибропрессования [45].

Таблица 7.21 – Состав и свойства декоративных растворов

Заполнитель	Кол-во пигмента (ОМП), %	Цвет	Нормальная густота (НГ),%	Прочность после ТВО, МПа	Марка
граншлаковый песок	0	серый	25…27	22	200
вольский песок	0	бежевый	25…27	14,5	150
шлаковый песок (фракция)	0	серый	25…27	27,4	250
шлаковый песок (фракция)	2 5 10 15	розовый кирпичный кирпичный кирпичный	25…27 27…29 27…29 27…29	19,98 15,08 8,5 6,13	200 150 75 50

Таблица 7.22 - Составы и свойства шлакобетона на шлаковом вяжущем

Расход материалов, кг				Средняя плотность бетонной смеси, кг/м3	Средняя плотность бетона после пропаривания, кг/м3	Прочность после ТВО, Rсж, МПа	Марка
Соотношение В : З	Шлаковое вяжущее	Граншлак	Вода
1 : 3,5	497	1740	200	1905	1830	11,5	100
1 : 3	568	1705	200	1938	1852	16,2	150