Сырьевая смесь для производства легкого золобетона
Владельцы патента RU 2738072:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» (RU)
Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к производству стеновых блоков. Сырьевая смесь для производства легкого золобетона включает, мас.%: портландцемент М500 Д0 22,50-23,75, песок речной 76,25-77,50, золу сжигания осадка сточных вод 5,0-10,0 (от массы указанного цемента), воду затворения до В/Ц 0,5. Технический результат - повышение прочности легкого золобетона, утилизация отходов. 4 табл., 5 пр.
Изобретение относится к производству строительных материалов в области использования отходов сжигания в качестве наполнителей для бетона, позволяет эффективно утилизовать многотоннажные отходы, например, золу сжигания осадка сточных вод, с перспективой использования полезной продукции в условиях городской среды, в частности, для производства стеновых блоков.
Известна сырьевая смесь для приготовления золощелочного бетона (патент РФ № 2554966, опубл. 10.07.2015 г.), включающая заполнитель и вяжущее, причем вяжущее состоит из золы-уноса II поля с истинной плотностью ρи = 2590-2800 кг/м3 и потерями после прокаливания 3,1-4,9%, полученной от сжигания бурого угля КАТЭКа на Иркутской ТЭЦ-7, и жидкого стекла с силикатным модулем n = 0,9-1,4 и плотностью ρ = 1,36-1,38 г/см3, изготовленного из техногенного отхода Братского ферросплавного завода - микрокремнезема с истинной плотностью ρи = 2120-2280 г/см3, а в качестве заполнителя используется отсев от дробления диабазовых масс на щебень с истинной плотностью ρи = 2850-3120 кг/м3, прочностью по дробимости 10,4-13,1% при соотношении зерен фракций, мас.%:
| фр. 5 мм | 55,0 |
| фр. 2,5 мм | 27,3 |
| фр. 1,25 мм | 2,75 |
| фр. 0,63 мм | 4,64 |
| фр. 0,315 мм | 3,62 |
| фр. 0,14 мм | 6,69 |
и модулем крупности 4,47 при следующем соотношении компонентов сырьевой смеси, мас.%:
| Указанная зола-унос II поля | 21,74-22,22 |
| Указанное жидкое стекло | 11,12-13,04 |
| Указанный отсев от дробления диабаза | 65,22-66 |
Недостатком данного состава является использование в качестве вяжущего золы-уноса II поля ТЭЦ, поскольку данный отход ограничен в применении лишь рассматриваемой ТЭЦ.
Известна сырьевая смесь для изготовления мелкозернистого бетона (патент РФ № 2613065, опубл. 15.03.2017 г.), которая содержит портландцемент, золу от сжигания угля, отличающаяся тем, что дополнительно содержит суперпластификатор С-3, молотое и просеянное через сито №063 силикатное стекло, просеянный через сито №5 электрокорунд при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Портландцемент | 28,0-30,0 |
| Зола от сжигания угля | 55,3-58,5 |
| Суперпластификатор С-3 | 0,5-0,7 |
| Молотое и просеянное через сито №063 силикатное стекло | 9,0-12,0 |
| Просеянный через сито №5 электрокорунд | 2,0-4,0 |
| При водоцементном отношении | 0,4-0,5 |
Недостатком данной смеси является необходимость дополнительной подготовки большого числа составляющих компонентов, а также невысокие прочностные показатели мелкозернистого бетона, изготавливаемого из данной сырьевой смеси.
Известна сырьевая смесь для изготовления легкого бетона (патент РФ № 2259976, опубл. 10.09.2005 г.), которая в качестве компонентов содержит малоклинкерный шлакопортландцемент, гранулированный доменный шлак, каменноугольную золу электростанций, пенообразующее поверхностно-активное вещество, химическую добавку и воду, дополнительно содержит каменноугольную золу с насыпной плотностью 350...500 кг/м3, состоящую из стекловидных частиц в виде полых микросфер, а в качестве поверхностно-активного вещества и химической добавки - оксиэтилен при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Малоклинкерный шлакопортландцемент | 20...25 |
| Гранулированный доменный шлак | 19...33 |
| Каменноугольная зола | 24...35 |
| Оксиэтилен | 0,02...0,07 |
| Вода | Остальное |
Недостатком данной смеси является использование химической добавки (оксиэтилена), которая отличается повышенной огне- и взрывоопасностью, а также характеризуется высокой токсичностью.
Известна бетонная смесь (патент РФ № 2463271, опубл. 10.10.2012 г.), включающая цемент, активированную золу ТЭЦ, песок, крупный заполнитель и воду, отличающаяся тем, что используют золу уноса, при этом бетонная смесь дополнительно содержит мелкую фракцию до 3 мм и крупную фракцию от 5 мм до 20 мм асфальтобетонного гранулята при следующем соотношении компонентов в материале мас.ч.:
| Цемент | 356 |
| Зола уноса | 89 |
| Песок | 561 |
| Крупный заполнитель | 685 |
| Асфальтобетонный гранулят (мелкая ф. до 3 мм) | 50 |
| Асфальтобетонный гранулят (крупная ф. 5 мм-20 мм) | 468 |
| Вода | 180 |
Недостатками данного состава являются необходимость активации золы ТЭЦ, а также потребность смеси в больших объемах крупного заполнителя.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является сырьевая смесь для получения зольных бетонов (патент РФ № 2355657, опубл. 20.05.2009 г.), принятая за прототип, включающая жидкое стекло из микрокремнезема плотностью 1,38 г/см3, золу - зола гидроудаления Омской ТЭЦ-5, полученная от сжигания Экибастузского угля, песок речной и дополнительно – портландцемент М400 и воду, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Портландцемент М400 | 24,10-24,15 |
| Песок речной | 73,00-73,07 |
| Указанное жидкое стекло (от массы указанного портландцемента) |
1,50-1,52 |
| Указанная зола (от массы указанного портландцемента) |
9,8-10,0 |
| Вода | до В/Ц 0,5 |
Недостатками данной сырьевой смеси являются необходимость затворения смеси жидким стеклом из микрокремнезема, а также недостаточное обоснование соответствия свойств указанной золы гидроудаления как компонента зольного бетона нормативной документации.
Техническим результатом является создание состава с высокими прочностными свойствами.
Технический результат достигается тем, что используют портландцемент М500 Д0, в качестве золы используют золу сжигания осадка сточных вод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| портландцемент М500 Д0 | 22,50-23,75 |
| песок речной | 76,25-77,50 |
| зола сжигания осадка сточных вод (от массы указанного цемента) |
5,0-10,0 |
| вода затворения | до В/Ц 0,5. |
Сырьевая смесь для производства легкого золобетона включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие:
- портландцемент М500 Д0 по ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия» (введ. 01.01.1987). Нормированный портландцемент не содержит активных минеральных добавок. Его применение в указанной дозировке 22,50-23,75 мас.% при использовании марки М500 увеличивает прочность конечного продукта;
- песок речной для строительных работ крупно- или среднезернистый по ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия» (введ. 04.01.2015). Применение песка в качестве мелкого заполнителя при соотношении цементного и песчаного компонентов как 1:3 обеспечивает оптимальную плотность упаковки бетона;
- вода затворения по ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия» (введ. 10.01.2012) до водоцементного соотношения В/Ц 0,5. Требуемое количество воды затворения уточняется в ходе исследования нормальной густоты цементного теста согласно ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема» (введ. 01.01.1978) с использованием прибора Вика.
- зола сжигания осадка сточных вод. Отход образуется в результате деятельности заводов сжигания осадка сточных вод. На сжигание в печах псевдоожиженного слоя направляется кек – обезвоженная смесь сырого осадка первичных отстойников и избыточного активного ила с илоуплотнителей. Внешне отход представляет собой коричневый тонкодисперсный порошок. Результаты испытаний золы представлены в таблице 1. Отход охарактеризован как кислая (кремниевая) легкая зола. Коэффициент неоднородности гранулометрического состава Кн = 0,45; дисперсность (по остатку на сите 0045) соответствует 3-му классу. Зола удовлетворяет основным требованиям по химическому составу (содержанию оксидных форм CaO, включая содержание свободного CaO, MgO, SO3, Na2O), а также входит в допустимый диапазон значений влажности, плотности и крупности. Для кислых зол суммарное содержание SiO2+Fe2O3+Al2O3 не должно быть меньше 65% масс. Установленное значение (61,87% масс.) несколько ниже требуемого показателя. Ввиду того, что метод РФА является полуколичественным, результат можно считать удовлетворяющим требованию. Применение золы в допустимо, если при проведении дальнейших испытаний будут обеспечиваться требуемые показатели золобетона.
Таблица 1 - Результаты испытаний состава и свойств отхода как компонента сырьевой смеси.
| № п/п | Показатель | Значение | Требование | Соответствие требованию | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 1 | Ci, % масс. |
SiO2 | 34,66 | ≥ 25% | + |
| 2 | Fe2O3 | 13,93 | см. SiO2+ Fe2O3+ Al2O3 | ||
| 3 | Al2O3 | 13,28 | |||
| 4 | SiO2+Fe2O3+Al2O3 | 61,87 | ≥65% для единичного результата | +* | |
| 5 | CaO | 8,68 | < 10% | Кислая зола | |
| ≤ 10% | + | ||||
| 6 | MgO | 3,53 | ≤ 5% | + | |
| 7 | SO3 | 1,86 | ≤ 5% | + | |
| 8 | Na2O | 1,35 | ≤ 3% | + | |
| 9 | Влажность, % | 0,46 | ≤ 1% | + | |
| 10 | Остаток на сите 008, % | 43 | ≤ 30% | Допускается больший остаток на сите | |
| 11 | Остаток на сите 0045, % | 60 | > 40% | 3 класс дисперсности | |
| 12 | Истинная плотность, г/см3 | 2,64 | > 2 г/см3 | Заполнитель плотный | |
| 13 | Модуль кислотности | 1,83 | > 1 | Кислая зола | |
| 14 | CaO свободный, % | 0,56 | ≤ 1% | + | |
| 15 | Насыпная плотность, г/см3 | 0,62 | < 0,8 г/см3 | Легкая зола | |
| ≤ 1,3 г/см3 | Для легких бетонов |
*метод РФА является полуколичественным, поэтому полученное значение считается удовлетворяющим требованию.
Для получения сравнительных данных о прочностных характеристиках золобетона в одинаковых условиях подготовлены образцы-балочки из предлагаемой сырьевой смеси. Золоцементное тесто приготовлено ручным способом, с использованием чаши и лопатки. Испытания прочности образцов при изгибе (с помощью приспособления к прессу ПИ) и при сжатии (с использованием пресса гидравлического настольного) выполнены в стандартном возрасте 28 суток хранения в камере нормального твердения при температуре 20±2°С и относительной влажности 95% по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» (введ. 07.01.2013), ГОСТ 12730.1-78 «Бетоны. Методы определения плотности» (введ. 01.01.1980).
По результатам испытаний образцам золобетона присвоены класс или марка по следующим параметрам: плотность (марка D), прочность на изгиб (класс Btb) и на сжатие (класс B, марка М) в соответствии с ГОСТ 25820-2014 «Бетоны легкие. Технические условия» (введ. 07.01.2015).
Композиция сырьевой смеси с использованием предлагаемых компонентов в указанных диапазонах соотношений, мас.% (таблица 2), позволяет обеспечить следующие свойства смеси, приведенные в таблице 3.
| Таблица 2 – Состав испытуемых образцов золобетона. | |||||
| № п/п | Портландцемент | Зола сжигания осадка сточных вод | Песок речной | Суммарное содержание цементного и песчаного компонентов | В/Ц |
| Мас.% | Мас.% (от массы цемента) |
Мас.% | Мас.% | ||
| Контроль | 25 | 0 | 75 | 100 | 0,5 |
| 1 | 23,75 | 5 | 76,25 | 100 | 0,5 |
| 2 | 22,5 | 10 | 77,5 | 100 | 0,5 |
| 3 | 21,25 | 15 | 78,75 | 100 | 0,8 |
| 4 | 20 | 20 | 80 | 100 | 1 |
| 5 | 18,75 | 25 | 81,25 | 100 | 1,2 |
| 6 | 17,5 | 30 | 82,5 | 100 | 1,4 |
| 7 | 12,5 | 50 | 87,5 | 100 | 1,4 |
| Таблица 3 - Результаты испытаний образцов золобетона. | ||||||||
| № п/п | Мас.% цемента, замененный золой | Плотность | Прочность на изгиб | Прочность на сжатие | ||||
| г/см3 | Марка D | МПа | Класс Btb | МПа | Класс B | Марка М | ||
| Контроль | 0 | 1,35 | 1300 | 2,16 | 2 | 19,50 | 15 | 200 |
| 1 | 5 | 1,33 | 2,05 | 16,84 | ||||
| 2 | 10 | 1,31 | 2,00 | 15,69 | ||||
| 3 | 15 | 1,28 | 1200 | 1,42 | 1,2 | 10,25 | 10 | 150 |
| 4 | 20 | 1,28 | 1,23 | 9,40 | 7,5 | 100 | ||
| 5 | 25 | 1,25 | 1,17 | 0,8 | 7,29 | 5 | 75 | |
| 6 | 30 | 1,20 | 1,11 | 7,25 | ||||
| 7 | 50 | 1,10 | 1100 | 0,73 | 0,4 | 3,74 | 3,5 | 50 |
По итогам испытаний подтверждена сохранность прочностных свойств бетона при замене золой до 10% цемента по массе в составе цементно-песчаной смеси, что характеризуют установленные класс и марки золобетона (D1300/Btb2/B15/M200).
Анализ полученных данных показывает, что легкий золобетон на основе предлагаемой сырьевой смеси характеризуются достаточно высокими показателями прочности, соответствующими прочностным показателям бетона по прототипу. При этом предлагаемая сырьевая смесь более технологична, чем известные аналоги, так как при использовании в качестве вяжущего золы сжигания осадка сточных вод не требуется дополнительной обработки компонента и внесения добавок.
Состав поясняется следующими примерами (таблица 4):
Пример №1.
Для производства стеновых блоков из золобетона требуется 1000 кг сырьевой смеси на основе золы сжигания осадка сточных вод, при этом соотношение цементного и песчаного компонентов установлено как 1:3, водоцементное соотношение В/Ц 0,5, а зола заменяет собой 10 мас.% цемента. Плотность строительного материала составит 1,31 г/см3, показатель прочности на сжатие 15,69 МПа.
Пример №2.
Для производства стеновых блоков из золобетона требуется 450 кг сырьевой смеси на основе золы сжигания осадка сточных вод, при этом соотношение цементного и песчаного компонентов установлено как 1:3, водоцементное соотношение В/Ц 0,5, а зола заменяет собой 6 мас.% цемента. Плотность строительного материала составит 1,33 г/см3, показатель прочности на сжатие 16,5 МПа.
Пример №3.
Для производства стеновых блоков из золобетона требуется 212 кг сырьевой смеси на основе золы сжигания осадка сточных вод, при этом соотношение цементного и песчаного компонентов установлено как 1:3, водоцементное соотношение В/Ц 0,5, а зола заменяет собой 7,5 мас.% цемента. Плотность строительного материала составит 1,32 г/см3, показатель прочности на сжатие 16,1 МПа.
Пример №4.
Для выполнения работ по стяжке пола на площади 100 м2 требуется 2200 кг сырьевой смеси на основе золы сжигания осадка сточных вод, при этом соотношение цементного и песчаного компонентов установлено как 1:3, водоцементное соотношение В/Ц 0,5, а зола заменяет собой 9,5 мас.% цемента. Плотность строительного материала составит 1,31 г/см3, показатель прочности на сжатие 16 МПа.
Пример №5. Для выполнения работ по стяжке пола на площади 315,25 м2 требуется 6935,5 кг сырьевой смеси на основе золы сжигания осадка сточных вод, при этом соотношение цементного и песчаного компонентов установлено как 1:3, водоцементное соотношение В/Ц 0,5, а зола заменяет собой 8,3 мас.% цемента. Плотность строительного материала составит 1,31 г/см3, показатель прочности на сжатие 16 МПа.
Таблица 4 - Результаты расчетов состава сырьевой смеси.
| № п/п | Портландцемент | Зола сжигания осадка сточных вод | Песок речной | Суммарное содержание цементного и песчаного компонентов | В/Ц | ||||
| Масса, кг | Мас.% | Масса, кг | Мас.%(от массы цемента) | Масса, кг | Мас.% | Масса, кг | Мас.% | ||
| 1 | 237,50 | 23,75 | 23,75 | 10 | 762,50 | 76,25 | 1000 | 100 | 0,5 |
| 2 | 105,75 | 23,5 | 6,35 | 6 | 344,25 | 76,5 | 450 | 100 | 0,5 |
| 3 | 48,76 | 23 | 3,66 | 7,5 | 163,24 | 77 | 212 | 100 | 0,5 |
| 4 | 500,50 | 22,75 | 47,55 | 9,5 | 1699,50 | 77,25 | 2200 | 100 | 0,5 |
| 5 | 70,93 | 22,5 | 5,89 | 8,3 | 244,32 | 77,5 | 315,25 | 100 | 0,5 |
Предлагаемая сырьевая смесь для производства легкого золобетона обладает значительным ресурсосберегающим эффектом за счет снижения потребности в цементе для производства бетона. Также преимуществом при внедрении строительного материала является полезная утилизация отходов путем вовлечения их в хозяйственный оборот с перспективой применения в целях ремонта автомобильных дорог, производства стеновых блоков, благоустройства городских территорий.
Сырьевая смесь для производства легкого золобетона, включающая золу, портландцемент, песок речной и воду, отличающаяся тем, что используют портландцемент М500 Д0, в качестве золы используют золу сжигания осадка сточных вод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| портландцемент М500 Д0 | 22,50-23,75 |
| песок речной | 76,25-77,50 |
| зола сжигания осадка сточных вод | |
| (от массы указанного цемента) | 5,0-10,0 |
| вода затворения | до В/Ц 0,5 |
