1. Введение

Утилизация техногенных отходов производств, например, таких как зола-унос, в составе строительных материалов является актуальной экологической и экономической задачей [1], [3], [4], [5]. Одним из перспективных направлений применения зол-уноса является производство с их использованием неавтоклавных пенобетонов. [6][7][8][9][7][10][11][12][8][9][10][13][9][14][7][15]

Целью данной работы является повышение агрегативной устойчивости и прочностных характеристик неавтоклавного цементно-зольного пенобетона с использованием волокнистых добавок.

2. Методы и принципы исследования

В работе использовались следующие материалы:

– портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Н (ООО «Топкинский цемент», Кемерово), химический состав, мас. %: CaO – 63,02; SiO2 – 19,29; Al2O3 – 4,63; Na2O – 0,37, K2O – 0,47; MgO – 1,86; TiO2 – 0,28; Fe2O3 – 3,91; SO3 – 3,98, P2O5 – 0,07, MnO – 0,05, ППП – 2,25, истинная плотность – 3160 кг/м3, насыпная плотность – 1056 кг/м3;

– основная зола-унос от сжигания бурых углей Бородинского разреза Канско-Ачинского угольного бассейна (ТЭЦ-5, Новосибирск), химический состав, мас. %: SiO2 – 49,47; Al2O3 – 7,36; Fe2O3 – 7,51; CaO – 27,53; MgO – 4,52; Na2O – 0,23; K2O – 0,28; SO3 – 1,24; BaO – 0,38, P2O5 – 0,03, TiO2 – 0,44, ППП – 0,52, насыпная плотность – 1342 кг/м3, истинная плотность – 2489 кг/м3, удельная поверхность – 240 м2/кг, влажность – 0,4%.

Удельная активность естественных радионуклидов золы составляет 113 Бк/кг, такой материал может использоваться для строительства жилых и общественных зданий [16].

По данным рентгенофазового анализа в составе золы обнаруживаются кварц (3,35, 1,82, 1,54)×10-1 нм, муллит (3,35, 2,11, 2,40, 2,28, 2,12, 1,54) ×10-1 нм, мусковит (3,35, 1,98, 2,40, 2,12, 1,69, 1, 54) ×10-1 нм, ортоклаз (3,35, 1,81, 4,26, 3,5, 2,77, 2,46,2,12, 1,98) ×10-1 нм.

По содержанию оксида кальция зола содержит более 10 %, в соответствии с ГОСТ 25818-2017

«Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия» [17]Зола-унос соответствует требованиям ГОСТ 25818-2017.

Модуль основности для исследуемой золы составляет 0,56, коэффициент качества равен 1,04. Такие золы обладают свойством самостоятельного твердения, могут применяться для производства изделий на их основе. По требованиям межгосударственного стандарта [18] в качестве вяжущего компонента в ячеистых бетонах можно использовать высокоосновную золу с содержанием оксида кальция не менее 40%. Т.к. исследуемая зола данному параметру не соответствует, было решено ее использовать в качестве заполнителя.

В средней и крупной фракциях встречаются частицы неправильной формы с открытой пористостью. Также обнаруживаются агрегированные частицы, когда на поверхности более крупных располагаются мелкие микросферы (рис. 2). Это может приводить к увеличению водопотребности смеси.

Для приготовления пены использовались отечественные пенообразователи, состоящие из протеинов (белков) – биополимеров Rospena (ТУ 24.66.47.142-001-0139620869-2019) и Эталон (ТУ 2483-003-13420175-2015).

В качестве армирующих компонентов применяли минеральную и органическую фибру: базальтовую, полипропиленовую и асбестовую. Использовались базальтовые волокна (CEMMIX), содержащие SiO2, Al2O3. Длина фибры – 12 мм, диаметр – 17 мкм, обладают химической стойкостью. Прочность при растяжении – 3000 МПа. Полипропиленовое волокно (ООО ПК Альянс) с длиной волокон 6 мм, диаметром 40 мкм. Волокна обладают химической стойкостью. Прочность при растяжении – 570 МПа. Асбест хризотиловый Киембаевского месторождения марки А-6К-30 (АО «Оренбургские минералы») с длиной волокон менее 16 мм, диаметром менее 0,5 мкм. Прочность при растяжении – 3200 МПа.

Пенобетон естественного твердения готовился по двухстадийной технологии на турбулентной установке со скоростью вращения рабочего органа 940-1500 об/мин. Твердение образцов происходило в нормальных условиях, на 28-е сутки проводились их испытания.

3. Основные результаты

Для приготовления пенобетона было определено оптимальное количество порообразователя, которое составило 3% для пенообразователя Эталон, для Rospena – 7%. На пенообразователе Эталон возможно получить низкократную пену (16), а на пенообразователе Rospena – среднекратную (25). Добавки вводились в воду для их равномерного распределения в объеме материала, чтобы исключить агрегирование волокон.

В таблице 1 представлены результаты испытаний пенобетона на основе пенообразователя Эталон. Для контрольного образца плотность составляет 603 кг/м3. Базальтовые волокна значительно повышают плотность по сравнению с контрольным составом (на 30%). При введении асбестовых и полипропиленовых волокон плотность меняется незначительно по сравнению с контрольным образцом.

При сравнении ККК можно отметить, что введение асбестовых волокон снижает его на 12%, наблюдается увеличение ККК при введении полипропиленовой (23) и базальтовой фибры (89).

Механизм действия волокнистых добавок заключается в армировании материала и препятствии распространению трещин в композите. Использование в составе пенобетона фибры позволяет увеличить его трещиностойкость (Rизг/Rсж) на 34-75%. Увеличение трещиностойкости материала при введении волокон может быть связано с их характеристиками. С повышением прочности при растяжении используемой фибры наблюдается рост трещиностойкости полученного пенобетона (табл. 1).

Также волокнистые добавки повышают стойкость пены в растворной смеси на 6-15% (рис. 3).

За счет своей протяженной формы волокна более эффективно удерживают воздух в пенобетонной смеси. Наиболее значительное влияние оказывает асбестовая фибра (15%), возможно это связано с наилучшим распределением волокон в объеме материала. Волокна могут закупоривать каналы Плато, что также положительно сказывается на агрегативной устойчивости пенобетонной смеси.

По сравнению с контрольным образцом ККК увеличивается при введении полипропиленовых волокон на 9,5%. Наблюдается значительное повышение трещиностойкости для хризотил-асбестовых волокон (в 2,5 раза). Для пенобетона Rospena трещиностойкость также увеличивается при использовании фибры с более высокими значениями прочности при растяжении (табл. 2).

При введении хризотил-асбестовых волокон плотность пенобетона снижается до 310 кг/м3, но при этом падает и прочность (табл. 2), ККК уменьшается практически в 2,5 раза. ККК несколько снижается при использовании базальтовых волокон, трещиностойкость при этом увеличивается на 35%. Коэффициент теплопроводности пенобетона с базальтовой фиброй составляет 0,150 Вт/(м°С) при определении методом теплового зонда [19], что позволяет использовать данный материал как теплоизоляционный.

Для пенобетона Rospena стойкость пены в растворной смеси увеличивается на 4-8% (рис. 4).

За счет своей протяженной формы частицы повышают вязкость смеси, а также позволяют эффективно проводить воздухововлечение в смесь. 

Предполагается

[20][21]

На рисунках 5-6 представлены ренгтенограммы образцов пенобетона на пенообразователях Rospena и Эталон соответственно. Можно отметить, что для пенобетона Rospena интенсивность линии, соответствующих Са(OH)2 выше, чем у образцов пенобетона Эталон, что может объяснять их более высокую прочность при сжатии.

При сравнении рентгенограмм пенобетона с волокнистыми добавками наблюдаются различия в интенсивностях линии, соответствующих Са(OH)2. Наибольшая интенсивность относится к пенобетону Rospena с полипропиленовой фиброй и снижается при введении базальтовой, наименьшая соответствует пенобетону с асбестовыми волокнами. Таким образом, можно предположить, что волокна выполняют роль подложки для новообразований, увеличивают степень гидратации цемента, при этом повышается прочность при сжатии и ККК пенобетона (табл. 2). Для пенобетона Эталон интенсивность линий уменьшается в следующем порядке: при введении базальтовой фибры, полипропиленовой, асбестовой. Что также согласуется с уменьшением прочности и ККК фибропенобетона (табл. 1). Наименьшее влияние на прочность и ККК для обоих пенообразователей оказывает асбестовая фибра.

4. Заключение

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Исследуемая зола относится к среднекальциевой, может быть использована в качестве заполнителя для получения неавтоклавного пенобетона.

2. Для пенообразователя Эталон характерна низкократная пена, для Rospena – среднекратная. Стойкость пены Rospena в цементно-зольной смеси выше на 9% по сравнению с пеной Эталон. Более полная гидратация цемента происходит при использовании пенообразователя Rospena, также такой пенобетон имеет более высокий ККК.

3. Использование в составе цементно-зольного пенобетона волокнистых добавок позволяет увеличить его трещиностойкость на 34-75%, данный показатель возрастает при использовании фибры с более высокой прочностью при растяжении.

4. Стойкость пены в растворной смеси увеличивается на 4-17%, за счет дополнительного воздухововлечения снижается средняя плотность материала. Наибольшее воздухововлечение обеспечивает хризотил-асбестовая фибра.

5. Полипропиленовые волокна увеличивают ККК, средняя плотность меняется незначительно, трещиностойкость повышается на 20-34% в зависимости от пенообразователя.

6. Введение базальтовой фибры позволяет снизить среднюю плотность пенобетона Rospena до D500, ККК при этом составляет 3,29, коэффициент теплопроводности 0,150 Вт/(м°С), что позволяет использовать материал как теплоизоляционный.

Средняя плотность пенобетона Эталон значительно возрастает при использовании базальтовых волокон, ККК повышается. Что может быть связано с трудностью равномерного распределения данного вида фибры.

7. Наибольшая прочность и ККК пенобетона с фиброй соответствует образцам с более полной гидратацией цемента. Наименьшие значения определены для пенобетона с асбестовыми волокнами.

The additional file for this article can be found as follows: