Материал на основе отходов хлопчатника центральной африки
На правах рукописи
САРА ГАЛЕБУЙ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ХЛОПЧАТНИКА
ЦЕНТРАЛЬНОЙ АФРИКИ
Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново 2013
Работа выполнена во Владимирском государственном университете
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
| Научный руководитель | доктор технических наук, профессор Жив Александр Семенович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор |
| Акулова Марина Владимировна Ивановский государственный архитектурно-строительный университет, заведующая кафедрой «Производство строительных материалов» кандидат технических наук, доцент Яворский Андрей Андреевич Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, доцент кафедры «Технология строительного производства» | |
| Ведущая организация | ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» |
Защита диссертации состоится 22 февраля 2013 г. в 10 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.060.01 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 150037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, ауд. Г-204.
Факс: (4932) 300-074, e-mail: [email protected]. http://www.igasu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного архитектурно-строительного университета.
(г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20).
Автореферат диссертации разослан « » января 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент Н. В. Заянчуковская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В строительной индустрии Центральной Африки применяют широкий спектр теплоизоляционных материалов. Одной из стратегически важных задач развития страны является создание и обеспечение строительной отрасли новыми эффективными строительными материалами. Согласно этому в основных направлениях социально-экономического развития страны отражена необходимость использования промышленных и сельскохозяйственных отходов в производстве строительных материалов, расширения ассортимента и объема поставки высококачественной продукции для нужд республики.
В связи с постоянным ростом объемов строительства требуется все больше строительных материалов и изделий. Наблюдается тенденция к снижению массы строительных конструкций, в частности ограждающих, за счет применения легких бетонов на основе органических заполнителей растительного происхождения, характеризующихся низкой плотностью (550 – 650 кг/м) и довольно высокой прочностью (3,0 – 7,0 МПа) при минимальном расходе сырьевых материалов.
К таким строительным материалам относится арболит, состоящий из подобранной смеси вяжущего, органических заполнителей растительного происхождения, воды и различных химических добавок. В качестве органических заполнителей используются отходы деревообрабатывающей отрасли, лесозаготовок и однолетних сельскохозяйственных культур: солома и шелуха риса, отходы сахарного тростника, костра льна, отходы хлопчатника.
В Центральной Африке, испытывающей недостаток в древесине и пористых заполнителях, практически невозможно организовать производство арболитовых изделий на основе отходов деревообрабатывающей отрасли в масштабах, необходимых для дальнейшего развития строительства, поэтому практическое применение находит использование отходов сельского хозяйства и растительности (отходы хлопчатника, сахарного тростника, солома и шелуха риса, измельченные стебли камыша) в качестве заполнителей для получения арболитовых материалов и изделий. В Центральной Африке ежегодно требуют утилизации около 5 млн т отходов хлопчатника и сахарного тростника.
Вышесказанное свидетельствует о целесообразности исследования возможности получения эффективных строительных материалов, в частности арболита различных марок и технологий изготовления, изучения его основных строительно-технических свойств и внедрения в производство в Центральной Африке.
Степень разработанности проблемы. Анализ технической литературы стран СНГ и зарубежья, касающейся теоретических исследований в области арболита на основе органического заполнителя и минеральных вяжущих и технологии изготовления, показал, что вопросами разработки и совершенствования арболита занимались такие ученые, как А. А. Акчабаев, Г. А. Батырбаев, Г. А. Бужевич, И. К. Касимов, Е. Д. Маев, И. Х. Наназашвили, Р. Б. Сироткина, И. А. Рыбьев, В. И. Савин, Н. И. Склизков, А. С. Щербаков и др.
Было установлено, что качество арболита зависит в основном от правильного выбора составляющих компонентов и их соотношения, а также оптимального фиксирования сырьевых материалов как структуры абсолютных изделий.
Известно, что экстрактивные вещества органических заполнителей (древесины, костры льна и др.) замедляют твердение портландцемента. Механизмы влияния экстрактивных веществ заполнителя на структурообразование и затвердение портландцемента и его составляющих (клинкерные минералы C3S и C2A) изучались путем введения моносахаридов (глюкозы, сахарозы и др.) в тесто вяжущего и покрытием последним поверхности заполнителя.
Таким образом, анализ информации отдельных вопросов выбранного направления показывает, что арболит, полученный на измельченных отходах хлопчатника, как теплоизоляционный стеновой материал требует дальнейшего исследования технологии производства и его строительно-эксплуатационных свойств с целью оптимизации параметров состава и способа изготовления и повышения качества строительных материалов и изделий.
Цель работы. Получение теплоизоляционного арболита классов В0,35 – В1 средней плотностью не более 500 кг/м3 на основе измельченных отходов хлопчатника путем совершенствования состава и способа изготовления и изучение его строительно-эксплуатационных свойств для возможного применения в строительстве малоэтажных зданий в странах Центральной Африки.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики подбора состава арболита на измельченных отходах хлопчатника с применением теории искусственных строительных конгломератов и математических методов планирования эксперимента.
2. Оптимальный подбор измельчительных машин для дробления отходов хлопчатника и разработка технологической схемы процесса производства арболита на основе отходов хлопчатника.
3. Изучение механизма влияния экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику роста прочности цемента и его составляющих с добавками и без добавок.
4. Разработка оптимальных составов арболита на измельченных отходах хлопчатника с применением смешанных и комбинированных добавок и наполнителей (отходов промышленности).
5. Изучение влияния способов гидрообработки заполнителя, поризации сырьевой смеси и релаксации после уплотнения арболитовой смеси на физико-механические свойства и оптимизацию технологических параметров изготовления.
6. Экспериментальное изучение физико-механических и деформативных свойств арболита при различных сжимающих напряжениях с целью применения его в ограждающих конструкциях зданий.
7. Разработка технологии изготовления конструкционного арболита на измельченных отходах хлопчатника классов В2 и В2,5 с использованием наиболее эффективных технических решений и нормирование рецептурно-технологических параметров.
8. Технико-экономическая оценка предложенной технологии производства арболита на измельченных отходах хлопчатника при изготовлении стеновых блоков на комбинате строительных конструкций в Бонгоре (Республика Чад).
Объектами исследования выступают цементный камень, цементное тесто и арболит на основе измельченных отходов хлопчатника и композиционном вяжущем – портландцементе, а также смешанные и комбинированные добавки и наполнители (отходы промышленности).
Предмет исследования – воздействие механизма влияния экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику роста прочности цемента и его составляющих с добавками и без добавок.
Область исследования. Содержание диссертации соответствует паспорту научной специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия, по теме «Теплоизоляционный материал на основе отходов хлопчатника Центральной Африки».
Теоретическая и методологическая основа исследования. Теоретическую основу исследования составили научные труды российских и зарубежных ученых, внесших заметный вклад в изучение таких научных вопросов, как: твердение цемента, образование структуры арболитовых композитов, направленное воздействие на процессы структурообразования в цементном камне, гидратация цемента, структура воды.
Методологической основой послужили следующие факторы:
- методики подбора состава арболита на измельченных отходах хлопчатника с применением математических методов планирования эксперимента при установлении оптимальных параметров с использованием смешанных и комбинированных добавок и наполнителей (отходов промышленности), а также подбор измельчительных машин для дробления отходов хлопчатника с изучением процесса измельчения;
- влияние экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику роста прочности цемента и его составляющих с добавками и без добавок;
- влияние способов гидрообработки заполнителя, поризации сырьевой смеси и релаксации после уплотнения арболитовой смеси на физико-механические свойства и оптимизацию технологических параметров изготовления;
- изучение физико-механических и деформативных свойств арболита при различных сжимающих напряжениях с целью применения его в ограждающих конструкциях для малоэтажных зданий;
- общенаучные методы теоретического и эмпирического познания, такие как анализ и синтез, наблюдение, сравнение.
Достоверность и обоснованность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным применением общенаучных и специальных методов, используемых в строительной науке; репрезентативным объемом информационного массива, обсуждением основных положений диссертации на конференциях разного уровня, положительной апробацией результатов исследования.
Научная новизна исследования. Основные результаты, полученные автором и составляющие научную новизну, заключаются в следующем:
- научно обоснована и экспериментально подтверждена разработанная методика технологических решений по изготовлению арболита на основе измельченных отходов хлопчатника и новые конкурирующие направления развития технологии его производства;
- опытным путем выявлены механизмы влияния экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику твердения цемента и клинкера;
- экспериментально и методом регрессионного анализа разработаны новые составы и способы изготовления арболита на основе измельченных отходов хлопчатника с более высокими прочностными и строительно-эксплуатационными характеристиками;
- обоснованы опытные данные, полученные на образцах из арболита при длительном действии нагрузки, и механизм формирования прочности.
Теоретическое значение диссертационной работы заключается в развитии теории гидратации и твердения портландцемента с различными добавками, выявлении роли структуры и состояния вяжущих в процессе направленного воздействия на свойства арболита на основе измельченных отходов хлопчатника.
Практическая значимость результатов исследования состоит в разработке способа получения арболита на основе измельченных отходов хлопчатника с более широкими функциональными возможностями при снижении материалоемкости и энергоемкости производства. Арболит на основе измельченных отходов хлопчатника и вяжущих систем с различными смешанными и комбинированными добавками отличается меньшей себестоимостью, улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами по сравнению с арболитом, полученным по традиционной технологии.
Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования нашли практическое применение на Бонгорском комбинате строительных конструкций (письмо № 542/АТМ/А/2011) и в учебном процессе на инженерно-строительном факультете Энамского государственного университета Республики Чад.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Итоги строительной науки» (Владимир, 2010, 2011).
Научные публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, в том числе четыре статьи в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 86 наименований. Общий объем работы – 126 страниц машинописного текста, в том числе 47 таблиц и 34 рисунка.
Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, сформулированы его цель и задачи, дана характеристика объекта и предмета исследования, представлены основные результаты, обладающие научной новизной, отмечена теоретическая и практическая значимость работы.
В первой главе проведен анализ состояния проблемы и обоснована целесообразность изучения возможности получения эффективных строительных материалов, в частности арболита, различных марок и технологий производства на органических заполнителях, для применения его как местного строительного материала для стран Центральной Африки.
Во второй главе описывается методика исследования выбранного направления по изготовлению арболита на основе измельченных отходов хлопчатника. В экспериментальных исследованиях использовался органический заполнитель, полученный путем измельчения отходов хлопчатника в Республике ЧАД на измельчительном оборудовании марки FJ60-1500.
В третьей главе рассмотрено влияние основных составляющих компонентов арболита на его прочностные свойства и изложены методы экспериментальных исследований.
В четвертой главе показаны разработки оптимальных составов заполнителей, исследование свойств и технология получения арболита на основе измельченных отходов хлопчатника.
В пятой главе рассмотрены производственные особенности и технико-экономическая эффективность применения исследуемого арболита. На Бонгорском комбинате строительных материалов совместно с Энамским университетом была разработана типовая технологическая линия цеха по выпуску арболита на основе измельченных отходов хлопчатника производительностью 12 тыс. м3 применительно к местным условиям. Экономическая эффективность от использования арболита на основе измельченных отходов хлопчатника рассчитывалась при применении его как местного строительного материала для стран Центральной Африки и сравнивалась с экономической эффективностью, полученной при использовании других легкобетонных материалов.
В общих выводах подведены итоги работы, приведены результаты, достигнутые в процессе исследования, сформулированы основные выводы и рекомендации.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
- Научно обосновано и подтверждено, что одним из путей повышения эффективности производства и улучшения свойств арболита является целенаправленное изменение реологии арболитовой смеси и структуры самого материала.
Арболит, как известно, это разновидность искусственного строительного конгломерата, изготовляемого на основе портландцемента, органических заполнителей, различных добавок и воды. В составе арболита органический заполнитель занимает наибольший объем. Поэтому одними из факторов, влияющих на качество арболита, являются структурные характеристики, физические, механические и химические свойства используемого заполнителя. Последнее включает сбор, пакетирование, транспортирование и хранение отходов хлопчатника, устранение вредного воздействия на твердение вяжущего (растворение и частичная промывка экстрактивных веществ заполнителя по отношению к портландцементу).
Таким образом, качество арболита зависит в основном от правильного выбора составляющих компонентов и их соотношения, а также оптимального фиксирования сырьевых материалов как структуры абсолютных изделий.
Известно, что экстрактивные вещества органических заполнителей (древесины, костры льна и др.) замедляют твердение портландцемента. Механизмы влияния экстрактивных веществ заполнителя на структурообразование и твердение портландцемента и его составляющих (клинкерные минералы С3S и С3A) изучались путем введения моносахаридов (глюкозы, сахарозы и др.) в тесто вяжущего и покрытием последним поверхности заполнителя.
Учеными стран СНГ разработан состав арболита на отходах хлопчатника с ускорителем твердения – хлоридом кальция CaCl2. Марка полученного арболита М1 (класс В0,75) при плотности 600 кг/м3.
Эти данные указывают на необходимость совершенствования исследований по введению добавок в состав арболита на основе измельченных отходов хлопчатника и изучения механизма влияния экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику роста прочности арболита.
Анализ информации показал, что одним из путей повышения эффективности производства и улучшения свойств арболита является целенаправленное изменение реологии арболитовой смеси и структуры самого материала. Это достигается поризацией арболитовой смеси предварительно подготовленной пеной в пеногенераторе или воздухововлекающими добавками в различных бетоносмесителях.
В Центральной Африке, испытывающей недостаток в древесине и пористых заполнителях, практически невозможно организовать производство арболитовых изделий на основе отходов деревообрабатывающей отрасли в масштабах, необходимых для дальнейшего развития строительства. Практическое применение находит использование отходов сельского хозяйства и растительности (отходы хлопчатника, сахарного тростника, солома и шелуха риса, стебли камыша) в качестве заполнителей для получения арболитовых материалов и изделий. В Республике Чад ежегодно утилизируют около 5 млн т отходов хлопчатника и сахарного тростника.
Сказанное свидетельствует о целесообразности изучения возможности получения эффективных строительных материалов, в частности арболита, различных марок и технологий производства, изучения его основных строительно-технических свойств с внедрением в производство.
2. Определена методика исследования и подобрано измельчительное оборудование по изготовлению арболита на основе отходов хлопчатника для стран Центральной Африки.
В работе описывается методика исследования выбранного направления по изготовлению арболита на основе измельченных отходов хлопчатника. При проведении экспериментов применялся органический заполнитель, полученный путем измельчения отходов хлопчатника в Республике ЧАД на измельчительном оборудовании марки FJ60-1500. Были использованы портландцемет марки 400 и 500 Сархского цементного завода (Республика Чад) и синтезированные клинкерные минералы: трехкальциевый и двухкальциевый силикаты C3S и C2S, трехкальциевый алюминат C3A, четырехкальциевый алюмоферрит C4AF, приготовленные на опытном оборудовании завода.
В качестве наполнителей и добавок применялись фильтрационный осадок Кумринского сахарного завода (Республика Чад) и шламовый отход Сархского асбестоцементного комбината средней плотности.
3. Установлено, что расход нейтрализующих добавок зависит от удельной поверхности заполнителя и количества сахара, содержащегося на поверхности измельченных отходов хлопчатника, а расход ускорителей твердения зависит от количества цемента и расхода нейтрализующих добавок. Однако при применении этих смешанных добавок необходимо, чтобы кинетика нарастания прочности арболита соответствовала нормативным требованиям и даже их превышала.
Проведены исследования влияния основных составляющих компонентов арболита на его прочностные свойства. Установлено, что с увеличением содержания заполнителя возрастает водоцементное отношение. Величина водоцементного отношения в свежеприготовленной арболитовой смеси составляет от 1,2 до 1,8 и оно зависит от времени вымачивания заполнителя и плотности вводимых в водный раствор добавок (табл. 1).
Таблица 1
Влияние удельного расхода вяжущего на свойства арболита
| Удельный расход вяжущего Ц/З | Водоцементное отношение В/Ц | Средняя плотность, кг/м3 | Предел прочности при сжатии, МПа | Толщина цементного теста, мм |
| 0,9 1,14 1,36 1,59 1,81 | 1,8 1,63 1,5 1,37 1,15 | 470 530 600 650 700 | 0,6 1,1 1,5 2,0 2,5 | 36,3 45,9 54,8 64,1 73,0 |
Анализ данных, полученных в наших исследованиях, показал, что измельченные отходы хлопчатника выступают в арболите как армирующий заполнитель. При сравнительно высоком их содержании они упрочняют цементный камень, несмотря на воздействия экстрактивных веществ заполнителя (количество моносахарида менее 0,1 % от массы цемента). При содержании заполнителя выше 7 % по массе влияние негативных факторов, в первую очередь экстрактивных веществ заполнителя, на прочность цементного камня и арболита становится более значительным и прочность на сжатие быстро снижается.
Разработан метод проектирования оптимального состава арболита, сходный с общим методом проектирования составов искусственных строительных конгломератов.
Установлено, что эффективным решением для изготовления арболитовых изделий на основе отходов хлопчатника является применение смеси на фракции заполнителя, полученного при измельчении отходов через решето с диаметром отверстий 20 мм и смешанной добавкой (жидкого стекла и хлорида кальция CaCl2 или жидкого стекла и сернокислого алюминия Al2(SO4)3) при виброуплотнении под давлением 0,35 МПа. При проектировании расхода измельченных отходов хлопчатника и портландцемента для класса арболита со средней плотностью не более 650 кг/м3 был применен метод математического планирования эксперимента.
Расчетные расходы компонентов на 1 м3 изделия следующие: измельченные отходы хлопчатника – 210 кг, портландцемент – 350 кг.
Этот состав можно использовать в производстве и в заводских условиях. Установлено, что введение в состав арболита смешанных добавок из жидкого стекла и CaCl2 или жидкого стекла и Al2(SO4)3 приведет к появлению новых гидратных соединений, т.е. при их присутствии повышается степень гидратации цемента в арболите на измельченных отходах хлопчатника.
Основную прочность арболиту придает наличие клинкерного минерала C3S с введением нейтрализующих добавок (жидкого стекла и Al2(SO4)3) и ускорителя твердения CaCl2. Наиболее оптимальными фракциями для конструкционного арболита являются измельченные отходы хлопчатника, полученные при применении решета с диаметром отверстий 15…18 и 20 мм. Изучение кинетики нарастания прочности арболита в малых образцах на различных клинкерных минералах без добавок дало возможность выяснить, какие минералы цементного клинкера способны гидратироваться в составе арболита.
Из рис. 1 видно, что арболиты на C3S и C2S в начальные сроки незначительно набирают прочность, в 7-суточном возрасте прочность их достигает: на C3S – 0,4 МПа; на C2S – 0,08 МПа. При поздних сроках твердения нарастание их прочности не наблюдается. Арболиты на C3A и C4F показывают, что кинетика набора их прочности довольно высокая: в возрасте 56 сут с момента затвердения смеси прочность их составила соответственно 2,8 и 2,0 МПа. Отсюда видно, что степень гидратации минералов C3A и C4F в арболите довольно высокая.
Данные эксперимента по изучению кинетики нарастания прочности арболита на цементном тонкомолотом клинкере и цементе показывают, что без добавок очень низки прочностные показатели, а при введении добавок из жидкого стекла и хлорида кальция CaCl2 прочность повышается в несколько раз. Можно сделать вывод, что расход нейтрализующих добавок зависит от удельной поверхности заполнителя и количества сахара, содержащегося на поверхности измельченных стеблей хлопчатника, а расход ускорителей твердения – от количества цемента и расхода нейтрализующих добавок.
Рис. 1. Нарастание прочности арболита на основе клинкерных минералов и смешанных добавок из жидкого стекла и хлорида кальция: 1 – арболит на трехкальциевом силикате, 2 – то же на двухкальциевом силикате, 3 – то же на трехкальциевом алюминате, 4 – то же на четырехкальциевом алюмоферрите
4. Установлено, что введение в арболитовую смесь смешанной добавки, содержащей 0,8 % Al2(SO4)3 и 1,6 % CaCl2 от массы цемента, является наиболее эффективной добавкой. Необходимо отметить, что прочность арболита больше зависит от вида (состава) добавок, их количества и способа введения в состав смеси. Одним из способов увеличения объёма цементного камня и улучшения адгезионно-когезионных процессов является введение в состав арболита в сочетании со смешанными и комбинированными добавками активных или инертных наполнителей вяжущего.
При использовании шламового отхода цементного завода качество арболита повышается, и предел прочности достигает от 0,6 до 1,0 МПа к 28-суточному возрасту твердения по сравнению с ранее известным цементным арболитом. Установлено, что с увеличением массы пригруза при вибрировании, т.е. с увеличением удельного давления уплотнения, повышается предел прочности при сжатии арболита. Производство изделий из арболита на измельченных отходах хлопчатника можно осуществлять по стендовой или полуконвейерной технологии.
Показаны разработки оптимальных составов, исследование свойств и технология получения арболита. Известно, что добавки в технологии изготовления арболита применяются с целью повышения прочности и ускорения его твердения – нейтрализация вреднего воздействия экстрактивных веществ отходов хлопчатника на процессы структурообразования и затвердевания цемента в арболите. Этим достигаются хорошая адгезия между заполнителем и цементным камнем и когезия последнего в арболите.
Результаты опытных работ показали, что водные вытяжки измельченных отходов хлопчатника имеют водородный показатель 6,2 и 6,3 через 48 ч при холодной экстракции, а при горячей – 6. В эти водные вытяжки вводились следующие смешанные добавки (в виде водных растворов), которые повышали рН до 10,1…11,31 (1,8 % Ж. С. и 0,5 % Al2(SO4)3; 0,8 % Al2(SO4)3 и 1,6 % CaCl2; 0,8 % Al2(SO4)3 + 1 % NH4NO3; 1,6 % CaCl2 + 0,9 % Na2SO4; 1,6 % CaCl2 и FeSO4). Кроме того, влияние добавок на химическую агрессивность вытяжек из отходов хлопчатника изучалось и на процессах структурообразования и затвердевания цемента в арболите, что оценивалось по прочности при сжатии образцов-кубов, испытанных через 7 и 28 сут. Эталонными являлись контрольные образцы-кубы из арболитовой смеси без добавок и с добавкой жидкого стекла и хлорида кальция CaCl2 в количестве 1,8 и 1,6 % масс. цемента.
В табл. 2 приведено влияние индивидуальных и смешанных добавок на предел прочности при сжатии арболита.
Таблица 2
Влияние индивидуальных и смешанных добавок на предел прочности
при сжатии арболита
| № п/п | Расход цемента, % по массе, и наименование добавок | Предел прочности при сжатии, МПа, через сутки | |
| 7 | 28 | ||
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | Без добавок 1,8 % Ж. С. 1,6 % CaCl2 0,8 % Al2(SO4)3 2,0 % NH4NO3 1,8 % Ж. С. + 1,6 % CaCl2 1,8 % Ж. С. + 0,5 % Al2 (SO4)3 0,8 % Al2 (SO4)3 + 1,6 % CaCl2 0,8 % Al2 (SO4)3 + 1,0 % NH4NO3 1,6 % CaCl2 + 0,9 % Na2SO4 1,6 % CaCl2 + 1,0 % FeSO4 | 0,22 0,9…1,1 0,7 0,5 0,7 0,3 1,22... 1,64 1,7 1,3 0,65 0,67 | 0,65 1,6…1,8 1,2 0,9 1,02 0,7 1,6... 2,14 2,7 2,03 1,75 1,45 |
Из приведенных данных следует, что индивидуальные добавки не ускоряют твердение арболита и повышают его марочную прочность по сравнению с эталонными составами. В результате поиска эффективных ускорителей твердения арболита, способных повышать кинетику нарастания прочности, были использованы смешанные добавки, состоящие из различного сочетания двух добавок – электролитов.
Установлено, что введение в арболитовую смесь смешанной добавки, содержащей 0,8 % Al2(SO4)3 и 1,6 % CaCl2 от массы цемента, является наиболее эффективной.
Экспериментальные данные по изучению влияния смешанных добавок на скорость твердения показали, что наиболее эффективными являются добавки 1,8 % Ж. С. и 0,5 % Al2(SO4)3 в начальные сроки твердения. Такое содержание смешанной добавки в арболите на портландцементах марок 400 и 500 позволяет достигать прочности в течение одних суток соответственно 0,7 и 1,0 МПа, а через 3, 7 и 28 сут – 1,0; 1,4; 2,1 и 1,4; 1,9; 2,9 МПа.
Изучение влияния плотности добавок показало, что с уменьшением плотности вводимых в необходимом количестве (в пересчете на сухое вещество) добавок увеличивается влажность арболитовой смеси (это повышает В/Ц смеси) и снижается прочность материала, при увеличении плотности водных растворов добавок также снижается прочность изделий.
Анализируя результаты исследований, можно отметить, что те добавки, которые при проверке их действия на вытяжку отходов хлопчатника повышали рН, положительно повлияли на прочность арболита по сравнению с контрольными образцами без добавок. Обобщая полученные данные, необходимо отметить, что прочность арболита больше зависит от вида добавок, их количества и способа введения в состав смеси.
Оптимальная дозировка шламового отхода Палского цементного производства (г. Пала, Республика Чад) и других составляющих цементного арболита на измельченных отходах хлопчатника показали, что в 28-суточном возрасте достигается прочность изделий 1,8…3,0 МПа. Повышение прочности также объясняется большой щелочностью шламового отхода. Последнее способствует значительной гидратации клинкерных минералов цемента, что и повышает прочность арболита.
Тонкомолотую золу сухого отбора Бонгорской ТЭС вводили в состав арболитовой смеси, предварительно перемешивая ее с портландцементом в соотношении 1:10 – 1:12, после минерализации заполнителя. Влияние золы на физико-механические свойства арболита изучали на шести составах. Результаты эксперимента (табл. 3 и 4) показали, что с увеличением содержания золы повышаются прочность, средняя плотность и коэффициент теплопроводности арболита при относительно небольшом расходе цемента.
Таблица 3 Состав арболитовой смеси, содержащий золу сухого отбора
| Наименование компонентов | Составы, % масс. | |||||
| І | ІІ | ІІІ | ІV | V | VІ | |
| Измельченные отходы хлопчатника Портландцемент Стекло натриевое жидкое Зола сухого отбора Хлорид кальция Вода | 21,6 28,1 0,9 2,8 0,7 46,5 | 20,9 27,2 0,8 4,3 0,7 46,1 | 20,3 26,4 0,8 6,1 0,7 45,7 | 18,6 27,9 0,7 8,4 0,7 43,7 | 17,9 26,9 0,7 10,8 0,6 43,1 | 17,9 26,0 0,7 13,0 0,7 42,4 |
Таблица 4
Физико-механические свойства арболита, содержащего золу сухого отбора
| Свойства | Результаты испытаний составов | |||||
| І | ІІ | ІІІ | ІV | V | VІ | |
| Предел прочности при сжатии, МПа, сроки твердения: 7 сут 28 сут Средняя плотность, кг/м3 Коэффициент теплопро-водности, Вт/(мК) | 0,8 1,2 500 0,08 | 1,0 1,5 510 0,09 | 1,2 1,8 520 0,09 | 1,5 2,5 530 0,10 | 1,6 2,7 540 0,105 | 1,6 2,9 550 0,11 |
Таким образом, экспериментальные работы по использованию отходов промышленности в качестве наполнителей в арболите на измельченных отходах хлопчатника дали положительные результаты (рис. 2). При применении шламового отхода цементного завода качество арболита повышается и предел прочности достигает от 0,6 до 1,0 МПа к 28-суточному возрасту твердения по сравнению с ранее известным цементным арболитом. Введение в состав арболита золы сухого отбора Бонгорской ТЭС не только повысило прочностные характеристики арболита, но привело и к снижению расхода цемента.
Известно, что одним из физических способов устранения вредного влияния органических заполнителей и повышения устойчивости технологического процесса изготовления арболита является водная обработка (вымачивание) заполнителей. Основные факторы вымачивания, которые следует учитывать, – гидромодуль (отношение заполнителя к воде по массе), продолжительность выдержки заполнителя в воде, температура и среда. Количество вытекаемой воды после гидрообработки за определенное время зависит от фракционного состава измельченных отходов хлопчатника, содержания очесов и хлопка.
Рис. 2. Влияние наполнителей на прочность цементного арболита на измельченных отходах хлопчатника: 1 – фильтрационный осадок Кумринского сахарного завода; 2 – шламовый отход Сархского цементного завода; 3 – зола-унос Бонгорской ТЭС
Нами проведены исследования арболита на основе измельченных отходов хлопчатника плотностью до 550 кг/м3 при различных сжимающих напряжениях.
Экспериментальные исследования проводили на образцах в 28-дневном возрасте. При длительных испытаниях постоянную нагрузку на образцы создавали с помощью специально изготовленных пружинных установок.
Величина максимальной нагрузки была ограничена (60 – 120 кН), что определялось предельным уровнем загружения образцов, равным 0,75Rbn. Всего было испытано три основных серии образцов из арболита и для сравнения три серии из керамзитобетона. Поскольку ползучесть керамзитобетона, как показали исследования НИИЖБ, вызывается в основном ползучестью геля, входящего в состав цементного камня, то предполагалось, что эти закономерности можно будет распространить и на арболит. Данные испытаний позволили построить кривые нарастания прочности легких арболитобетонов во времени (рис. 3, 4). Загружение призм-образцов осуществляли при уровнях напряжений 0,15Rbn, 0,44 Rbn, 0,74 Rbn.
Исследования на призмах показали, что деформации, возникающие при приложении нагрузки, растут ей пропорционально. Пропорциональная зависимость упругих мгновенных деформаций от напряжений наблюдалась в работах и другими экспериментаторами, отклонения от этой закономерности для легких арболитобетонов были выявлены только при высоких сжимающих напряжениях.
Рис. 3. Кривые нарастания прочности арболита
для I – III серий: – серия I, x – серия II, – серия III
Рис. 4. Кривые нарастания прочности керамзитобетона
для IV – VI серий: – серия IV, – серия V, – серия VI
Анализ роста деформаций призм во времени указывает на некоторые отклонения от закономерности. Деформации приз из арболита, загруженных при уровне напряжений 0,15 Rbn росли медленней, чем такие же деформации, но загруженные при более высоких уровнях напряжений. В образцах из керамзитобетона таких отклонений не наблюдалось. Это, по-видимому, объясняется большой неоднородностью арболитобетона, приготовленного на отходах хлопчатника.
Таким образом, скорость нарастания деформаций ползучести во времени зависит не только от уровня напряжений, но и от того, сколько времени прошло с момента загружения. На основе полученных экспериментальных данных по составам и способам производства, а также с учетом рекомендаций других исследователей, предлагается следующая технология производства арболита на основе измельченных отходов хлопчатника для Республики Чад.
Производство изделий из арболита на измельченных отходах хлопчатника можно осуществлять по стендовой или полуконвейерной технологии. Влияние кинетики изменения сорбционной влажности на предел прочности при сжатии показало, что при нормальных условиях значительно повышается прочность материала, а при относительной влажности 38 % прочность материала ниже по сравнению с высушенными образцами до равновесной влажности при нормальных условиях.
Таким образом, при высокой относительной влажности воздуха (96 %) существенно снижается прочность при сжатии, поэтому стеновой материал из этого арболита рекомендуется применять в среде, где относительная влажность воздуха не более 70 %.
5. Расчеты показали, что себестоимость 1 м3 стены из арболита на основе измельченных отходов хлопчатника класса В1,5 при мощности предприятия 12 тыс. м3 стеновых блоков в год составила 32 и 37 дол. США соответственно при стоимости 1 т стеблей хлопчатника 90 и 115 дол. США.
На Бонгорском комбинате строительных материалов совместно с Энамским университетом была разработана типовая технологическая линия цеха по выпуску арболита на основе измельченных отходов хлопчатника производительностью 12 тыс. м3 применительно к местным условиям.
Данной технологической линией была выпущена опытная партия арболитовых стеновых блоков с использованием портландцемента марки 500 и смешанных добавок. Предел прочности при сжатии разработанных арболитовых изделий в 28-суточном возрасте составил 2,8, 3,0, 3,1 и 2,1 МПа.
Экономическая эффективность от применения арболита на основе измельченных отходов хлопчатника рассчитывалась при применении его как местного строительного материала для стран Центральной Африки и сравнивалась с экономической эффективностью, полученной при использовании других легкобетонных стеновых материалов (табл. 5).
Сравнение показателей говорит в пользу разработанного материала. Кроме того, в отличие от керамического кирпича арболит создает благоприятную экологическую атмосферу, хорошо гвоздится, несгораем, обладает достаточной прочностью, имеет доступную стоимость. Применение арболита на основе измельченных отходов хлопчатника и местных органических заполнителях для малоэтажного жилищного строительства в Республике Чад представляется перспективным.
Таблица 5
Экономическая эффективность от применения арболита на основе измельченных отходов хлопчатника
| Виды легкобетонных изделий | Показатели | |||
| Толщина стен, см | Себестоимось, $ | Годовая эффективность от применения 120 тыс. м3 легкобетонных изделий, $ | ||
| 1. Ячеистобетонные блоки 2. Кирпич: керамический силикатный 3. Арболитовые блоки: при стоимости 1 т отходов хлопчатника 90 $ 115 $ | 30 38 38 20 20 | 55 48 43 32 37 | 95 130 168 268 245 | |
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основными результатами исследования являются следующие положения, развивающие теорию изготовления арболита на основе измельченных отходов хлопчатника:
1. Для стран Центральной Африки перспективным видом заполнителя для изготовления арболитобетонов являются измельченные отходы хлопчатника. Использование их в производстве легких бетонов позволит расширить сырьевую базу, снизить стоимость бетонов и будет способствовать оздоровлению окружающей среды за счет перехода на безотходное производство.
2. Анализ полученных данных показал, что измельченные отходы хлопчатника выступают в арболите как армирующий заполнитель. При сравнительно высоком их содержании они упрочняют цементный камень, несмотря на воздействие экстрактивных веществ (количество моносахаридов менее 0,1 % от массы цемента) заполнителя.
3. Установлено, что эффективным решением для изготовления арболитовых изделий на основе отходов хлопчатника является применение смеси на фракции заполнителя, полученного при измельчении отходов хлопчатника через решето с диаметром отверстий 20 мм со смешанной добавкой (жидкого стекла и хлорида кальция CaCl2 или жидкого стекла и сернокислого алюминия Al2(SO4)3, и уплотненной под давлением 0,35 МПа.
4. Согласно методу математического планирования экспериментов расчетные расходы компонентов на 1 м3 изделия составляют: измельченные отходы хлопчатника – 210 кг, портландцемент – 350 кг.
5. Установлено, что введение в состав арболита смешанных добавок из жидкого стекла и CaCl2 или жидкого стекла и Al2(SO4)3 приведет к появлению новых гидратных соединений, т.е. при их присутствии повышается степень гидратации цемента в арболите.
6. Влияние смешанных добавок на сроки твердения показывает, что наиболее эффективными добавками в начальные сроки являются 1,8 % Ж. С. и 0,9 % Al2(SO4)3. Прочность материала в этом случае в суточном возрасте составляет 0,7 и 1,0 МПа, а в 28-суточном возрасте достигает 2,1 и 2,9 МПа. Наибольшую прочность 2,7 и 3,7 МПа в 28-суточном возрасте при использовании марок цемента 400 и 500 показала добавка 1,6 % CaCl2 и 0,8 % Al2(SO4)3.
7. Использование золы сухого отбора Бонгорской ТЭС в составе арболита привело к повышению прочности его на 1,1 МПа и снижению расхода цемента до 20 % масс.
8. Показано, что с увеличением удельного давления прессования уменьшается релаксация смеси, повышаются прочность и средняя плотность арболита. Оптимальным давлением прессования при уплотнении арболитовой смеси на измельченных отходах хлопчатника является 5…10 кг/см2, что способствует получению конструкционного арболита класса В1,5 при расходе на 1 м3 изделий 300...310 кг цемента.
9. Опытным путем установлено, что анализ роста деформации призм из арболита во времени указывает на некоторые отклонения от закономерности. Деформации призм, загруженных при уровне 0,15Rbn, росли медленнее, чем такие же деформации призм при более высоких уровнях загружения. В образцах из керамзитобетона таких отклонений не наблюдалось. Это объясняется большей неоднородностью арболита, приготовленного на отходах хлопчатника.
10. Прочность поризованного арболита пористого строения формируется в одну фазу, разрушение происходит одноступенчатое – по кольматированному органическому заполнителю, и им определяется в основном прочность материала.
11. Расчеты показали, что себестоимость 1 м3 стены из арболита на основе измельченных отходов хлопчатника класса В1,5 при мощности предприятия 120 тыс. м3 стеновых блоков в год составила 32 и 37 дол. США соответственно при стоимости 1 т отходов хлопчатника 90 и 115 дол. США.
12. По сравнению с керамическим кирпичом арболит создает благоприятную экологическую атмосферу, хорошо гвоздится, несгораем, обладает достаточной прочностью, имеет доступную стоимость.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК
1. Галебуй, Сара. Поризованный арболит на местных отходах сельскохозяйственного производства в Республике Чад / Сара Галебуй // Приволжский научный журнал. 2011. № 4. С. 79 – 85.
2. Жив, А. С. Разработка оптимальных составов поризованного арболита методом математического планирования экспериментов / А. С. Жив, Сара Галебуй, Б. Р. Исакулов // Механизация строительства. 2012. № 9. С. 22 – 26.
3. Галебуй, Сара. Исследования ползучести поризованного арболита при сжимающих напряжениях / Сара Галебуй // Механизация строительства. 2011. № 9. С. 18 – 20.
4. Галебуй, Сара. Механизм формирования прочности и разрушения поризованного арболита на стеблях хлопчатника / Сара Галебуй // Механизация строительства. 2011. № 10. – С. 23 – 24.
Публикация в сборнике научно-практической конференции
5. Галебуй, Сара. Теоретические основы механизма формирования прочности и разрушения поризованного арболита на стеблях хлопчатника / Сара Галебуй ; Владим. гос. ун-т // Итоги строительной науки : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. 26 – 28 окт. г. Владимир. Владимир : ВИТ-принт, 2010. С. 28 – 32. – ISBN 978-5-9902312-5-2.
Автор выражает глубокую благодарность к. т. н., доц. Б.Р. Исакулову за научные консультации при проведении экспериментов и обсуждении результатов работы.
Подписано в печать 21.01.13.
Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз.
Заказ
Издательство
Владимирского государственного университета
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.
600000, Владимир, ул. Горького, 87.
