Оптимизация составов гипсошлакового вяжущего

УДК 666.97
Дворкин О.Л., д.т.н., проф., Кундос М.Г., инж. (Национальный университет
водного хозяйства и природопользования)
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ ГИПСОШЛАКОВОГО ВЯЖУЩЕГО
Приведены результаты исследований влияния факторов состава
гипсошлакового вяжущего на его свойства. Показана возможность
существенного улучшения свойств гипсошлакового вяжущего при
применении химических добавок – модификаторов свойств и
оптимизации его составов.
The investigation results of gypsum-slag binding composition influence on it's
properties are given. Possibility of gypsum-slag binding properties essential
improvement with use of chemical admixtures and composition modifying is
shown.
В
связи
со
значительной
энергоемкостью
производства
портландцемента, все более актуальной становится проблема использования
в строительстве низкоэнергоемких вяжущих веществ и бетонов на их основе.
К таким вяжущим веществам можно отнести и гипсошлаковые вяжущие,
твердения которых основано на сульфатной активизации доменного шлака
гипсом.
Исследования гипсошлаковых вяжущих (ГШВ) начались достаточно
давно, еще в 30 годах прошлого столетия, однако потенциал этих вяжущих
нельзя считать исчерпанным и изученным в достаточной мере.
Новые возможности улучшения свойств ГШВ открываются при
использовании современных химических добавок - модификаторов свойств
вяжущих и бетонов.
В качестве исходных материалов для получения гипсошлакового
вяжущего использовали строительный гипс марки Г5 и Криворожский
гранулированный доменный шлак. В исследуемые составы вяжущего
дополнительно вводили портландцемент марки М500 Здолбуновского
цементно-шиферного комбината в количестве 5% от массы вяжущего.
Изготовляли и испытывали для определения прочности образцы раствора
состава - вяжущее : песок = 1:1.
С помощью методов математического планирования эксперимента
исследовали влияние гипсо-шлакового отношения, содержания добавок
ускорителей твердения ("Релаксол" и СаСl2), добавки суперпластификатора
С-3 и тонкости помола шлака на прочность и другие свойства растворов на
основе гипсошлакового вяжущего. Исследования проводили в соответствии с
двухфакторным трехуровневым планом проведения экспериментов.
Условия планирования экспериментов приведены в табл. 1.
№
1
2
3
4
Таблица 1
Условия планирования экспериментов
Фактор варьирования
Кодиро- Натуральный Уровни варьирования
ванный
вид
-1
0
+1
вид
Гипсо-шлаковое
Х1
Г/Ш
0,15 0,20
0,25
отношение
Добавка С-3, %
Д1
0
0,5
1,0
Добавка СаСl2, %
Д2
0,5
1,5
2,5
Х2
Тонкость помола шлака
R008
10
15
20
(остаток на сите №008)
В результате обработки экспериментальных данных были получены
математические уравнения прочности растворов на сжатие в возрасте 7 (R 7) и
28 (R28) суток. Общий вид уравнения регрессии следующий:
Y=b0+b1X1+b2X2+b12X1X2+b11X12+b22X22
Соответствующие коэффициенты приведены в табл.2.
Таблица 2
Таблица коэффициентов уравнений регрессии
Исследуемый
параметр (Y)
b0
b1
b2
b12
b11
b22
и факторы
варьирования
Y - R7
10,371 0,642 – 0,188 – 0,933
1,55
– 1,26
Х1 - Г/Ш
Х2 - добавка С-3
Y - R7
10,733 – 0,350 – 1,037 – 0,275 – 1,692 0,108
Х1 - Г/Ш
Х2 - добавка СаСl2
Y - R7
14,128 0,322
-0,582 -0,517
1,23
-2,50
Х1 - Г/Ш
Х2 - тонкость помола
Y - R28
20,209
0,453
– 0,84
– 0,733
1,752
– 3,578
Х1 - Г/Ш
Х2 - добавка С-3
Y - R28
Х1 - Г/Ш
Х2 - добавка СаСl2
Y - R28
Х1 - Г/Ш
Х2 - тонкость помола
12,532
– 0,917
0,27
– 1,33
3,59
– 0,43
13,35
– 0,08
– 0,697
2,095
0,543
0,193
R7, МПа
Анализ полученных математических уравнений позволяет определить
зависимость прочности от каждого из исследуемых факторов.
Влияние гипсошлакового отношения имеет экстремальный характер.
Оптимальное значение гипсошлакового отношения независимо от вида
добавок для данных материалов и условий проведения испытаний составляет
0,2 (рис.1).
Г/Ш
Рис.1 Влияние добавок на прочность образцов при сжатии в возрасте 7
сут при различном гипсошлаковом отношении.
1. 2% "Релаксол"; 2. 0,5% С-3; 3. Без добавок; 4. 2,5% СаСl2
Из исследуемых ускорителей твердения наиболее эффективным
оказался "Релаксол", являющейся смесью тиосульфатов и роданидов натрия.
Введения СаСl2 в основном диапазоне варьирования гипсошлакового
отношения не позволило значительно увеличить прочность. Лишь при
низких значениях Г/Ш данная добавка позволила увеличить прочность до
10%.
Зависимость прочности от водо-вяжущего отношения (В/Вяж) можно
представить уравнением, коэффициенты которого зависят от вида добавок.
Уменьшение водо-вяжущего отношения приводит к увеличению прочности.
R7, МПа
В/Вяж
Рис.2 График зависимости прочности при изгибе (Rиз) и сжатии (Rсж) в
возрасте 7 сут от водо-вяжущего отношения (В/Вяж) при Г/Ш=0,2.
1, 2 - соответственно Rсж и Rиз при введении 0,5% С-3 от массы
вяжущего; 3,4 - Rсж, Rиз без введения добавок
Влияние водо-вяжущего отношения в пределах В/Вяж = 0,3...0,5 (Г/Ш =
0,2, тонкость помола шлака R008 = 5%) на прочность образцов при сжатии
можно записать формулой общего вида:
- без добавок:
R7 = 36,44 – 60,59·В/Вяж
- при введении 0,5% С-3:
R 7= 40,54 – 66,23·В/Вяж
где R7 – прочность при сжатии в возрасте 7 сут.
Зависимость прочности при изгибе и сжатии от водо-вяжущего
отношения при постоянном Г/Ш приведена на рис.2.
Расплыв конуса, мм
Добавка С-3 позволяет значительно снизить водо-вяжущее отношение без
уменьшения пластичности раствора, измеряемого расплывом конуса (рис.3).
В/Вяж
Рис.3. График зависимости пластичности смеси (расплыва конуса) от
водо-вяжущего отношения (Г/Ш = 0,2)
Введение С-3 в количестве 0,5% от массы вяжущего уменьшает водовяжущее отношения с 0,38 до 0,3 и позволяет соответственно увеличить
прочность.
В проведенных исследованиях уменьшение водо-вяжущего отношения
ниже 0,3 при достаточной текучести смеси, ведет к уменьшению прочности,
что можно объяснить возникновением напряжений в твердеющем растворе
на основе гипсошлакового вяжущего при заполнении пор гидратными
образованиями.
Тонкость помола шлака имеет значительное влияние на прочность
раствора, так снижения остатка на сите №008 с 20% до 5% позволило
R7, МПа
увеличить прочность на 35% при Г/Ш= 0,2; на 30% при Г/Ш=0,25 и на 18%
при Г/Ш=0,15 (рис.4).
Изучения влияния условий твердения исследуемого вяжущего на его
свойства показало, что твердение во влажных условиях положительно влияет
на прочность. Прочность образцов, твердевших во влажных условиях на
20...30% больше чем твердевших на воздухе.
R008, %
Рис.4 Графики зависимости прочности образцов в возрасте 7 сут от тонкости
помола доменного шлака (R008, %) :
1 - Г/Ш = 0,2; 2 - Г/Ш = 0,15; 3 - Г/Ш = 0,25
Кинетика твердения образцов приведена на рис.5. Прочность в возрасте 7
сут составляет 60…75% от 28 суточной.
Коэффициент размягчения для растворных образцов на основе ГШВ
равен 0,75...0,85.
Прочность образцов изготовленных на основе гипсошлакового
вяжущего с оптимизацией состава вяжущего и за счет введения добавокмодификаторов составляет 20...25МПа в возрасте 28 сут, что позволяет
изготавливать разнообразные строительные изделия.
Прочность, %
Возраст, сут
Рис.5 Кинетика твердения растворных образцов, изготовленных без
введения добавок-модификаторов (Г/Ш=0,2, тонкость помола шлака
R008=5%)
1. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. – Санкт-Петербург: ООО
"Стройбетон", 2006 – 692 с. 2. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Высшая
школа, 1987. – 449 с. 3. Баженов Ю.М., Вознесенский В.А. Перспективы применения
математических методов в технологии сборного железобетона. - М.: Стройиздат.– 192
с. 4. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. - М.: Стройиздат,
1998 - 768с. 5. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.Д. Минеральные
вяжущие вещества. -М.: Стройиздат, 1979. – 476 с.