Шлакоопилкобетон на основе бесцементного вяжущего и отходов

Шлакоопилкобетон на основе бесцементного вяжущего и отходов промышленности.
Белозеров Е.И., belozerov_egor@mail.ru
Научный руководитель – Горяева Г.Н.,
г. Ухта. Ухтинский государственный технический университет
Для сохранения тепла в зданиях существует большое количество различных видов
теплоизоляционных материалов и изделий, которые обладают низкой теплопроводностью.
Наиболее действенным способом повышения энергоэффективности зданий является
применение современных конструктивных решений с использованием теплоизоляционных
материалов. При относительно небольших материальных вложениях, применение
теплоизоляционных материалов позволяет существенно повысить уровень комфортности,
тепло- и звукоизоляцию жилых и общественных зданий. Кроме того, это позволит сократить
эксплуатационные расходы, то есть добиться весомой экономии топливных ресурсов [1, 2].
Области применения теплоизоляционных материалов весьма широки. Это утепление
наружных ограждающих, кровельных конструкций, полов и подвалов зданий, различных
видов коммуникаций и трубопроводов.
Такие факторы эксплуатации строительных и инженерных конструкций, как
температурный и влажностный режим, наличие нагрузок, деформационных воздействий,
агрессивных химических агентов, предъявляют разные требования к теплоизоляционным
материалам [3, 4]. В соответствии с этими требованиями и осуществляется выбор типа
материала. Учитывая то, что отходы древесной промышленности могут представлять
экологическую опасность, и в то же время могут быть использованы в строительстве в
качестве заполнителя. Наиболее эффективным решением проблемы промышленных отходов
является внедрение безотходной технологии.
Перед нами была поставлена задача изучить свойства бетона и гипсоопилкобетона с
добавлением в качестве эффективного заполнителя щѐлока (обезвоженного остатка),
который был взят с предприятия Сыктывкарского ЛПК. На данный момент щѐлок (лигнин)
не имеет ни какого полезного применения и просто свозится в шлаконакопители, где его уже
скопилось более трех миллионов тонн, и он может, представляет опасность для окружающей
среды. Щелок представляет собой тонкие древесные волокна, которые возможно улучшат
физико-механические показатели материала за счет армирующего действия и уменьшат
теплопроводность, так как у древесины невысокий коэффициент теплопроводности, 0,12 –
0,35 Вт/м2оС [5, 6].
В связи с вышеуказанным, были проведены исследования по разработке и подбору
состава теплоизоляционного материала с применением щелока и опилок в качестве
эффективных компонентов, способных улучшить структуру, облегчить вес и повысить
теплотехнические показатели бетона на основе бесцементного вяжущего. Взамен дорогого,
дефицитного и не всегда качественного портландцемента нами предложен новый состав
комбинированного бесцементного вяжущего, которое состоит из нескольких местных, а
значит и сравнительно недорогих компонентов, таких как: известь, гипс, жидкое стекло и
молотый шлак.
Был проведен опыт с различными составами исследуемого материала, составы
представлены в таблицах 1, 2, 3, 4, в которых указанно процентное содержание в числителе,
а в знаменателе – масса, в граммах.
В таблице 1 представлен состав бесцементного вяжущего, в который входит известь
(20%), гипс (6%), жидкое стекло (10%). В качестве заполнителя применены щелок (30%) и
мелкий песок (34%). Для сравнения заформованы эталонные образцы на цементе, составы
которых представлены в таблице 2.
Так же были заформованы образцы на извести (24%), гипс (9%), жидкое стекло (15%)
в качестве заполнителя были взяты опилки (30%) и мелкий песок (47%), состав представлен
в таблице 3. Для сравнения изготовлены эталонные образцы на цементе, составы
представлены в таблице 4.
Таблица 1.Состав бесцементного вяжущего c лигнином
Марка
образцов
Вяжущее, %/г
Заполнители
Известь негашеная Гипс (Г7) Жидкое стекло
ИВ1
20/300
6/90
10/150
Щелок
(лигнин)
Песок
30/450
34/510
Таблица 2. Состав эталонных образцов на цементе
Вяжущее, %/г
Марка образцов
Заполнители
Цемент
Щелок (лигнин)
Песок
20/300
33/500
47/700
ЦВ1
Таблица 3. Состав бесцементного вяжущего (опилкобетон)
Марка образцов
Вяжущее, %/г
Заполнители
Известь негашеная
Гипс (Г-7)
Жидкое стекло
Опилок
Песок
24/360
9/135
15/225
30/250
22/330
ИВ2
Таблица 4. Состав эталонных образцов на цементе (опилкобетон)
Марка образцов
ЦВ2
Вяжущее, %/г
Заполнители
Цемент
Опилок
Песок
23/299
30/390
47/611
Таблица 5. Теплотехнические свойства полученного материала из опыта 1 и 2
Параметры образца
Коэффициент
Марка
Масса,
Объем
теплопроводности,
Длина Ширина Высота
образца
mе, г
V, см3
λ, Вт/м2оС
l, см
b, см
h, см
Опыт 1
На цементе
ЦВ1-1
315
16
4
4
256
0,528
ЦВ1-2
310
16
4
4
256
0,518
На извести
ИВ1-1
240
16
4
4
256
0,375
ИВ1-2
230
16
4
4
256
0,355
Опыт 2
На цементе
ЦВ2-1
300
16
4
4
256
0,497
ЦВ2-2
297
16
4
4
256
0,491
ЦВ2-3
300
16
4
4
256
0,497
На извести
ИВ2-1
205
16
4
4
256
0,304
ИВ2-2
205
16
4
4
256
0,304
ИВ2-3
210
16
4
4
256
0,314
В первом эксперименте изучены и проанализированы физико-механические и теплотех
нические свойства заформованных образцов, которые представлены в таблицах 5, 6, 8.
Образцы на бесцементном вяжущем с щелоком обладают плотностью 930кг/м3 и имеют
среднюю влажность 8,5%.
Таблица 6.Физические свойства материалов на щелоке (опыт 1)
Марка
Средняя плотность
Влажность
Коэффициент теплопроводности,
3
образца
W
,
%
λ, Вт/м2оС
ρо, г/см
m
ИВ1-1
0,93
8,33
0,375
ИВ1-2
0,93
8,7
0,355
ЦВ1-1
1,23
7,94
0,528
ЦВ1-2
1,21
8,1
0,518
Таблица 7.Физические свойства материалов на опилке (опыт 2)
Марка
Средняя плотность
Влажность
Коэффициент теплопроводности,
образца
Wm, %
λ, Вт/м2оС
ρо, кг/см3
ИВ2-1
0,8
7,31
0,304
ИВ2-2
0,8
4,9
0,304
ИВ2-3
0,82
14,3
0,314
ЦВ2-1
1,17
10,0
0,497
ЦВ2-2
1,17
6,06
0,491
ЦВ2-3
1,17
11,66
0,497
имеют среднюю влажность 8,5%. Заформованные для сравнения образцы на цементе
обладают плотностью 1220 кг/м3 и имеют среднюю влажность 8% по массе.
Во втором эксперименте изучены и проанализированы физические, механические,
теплотехнические свойства опилкобетона, которые представлены в таблицах 5, 7, 9. У
образцов на бесцементном вяжущем с опилками средняя плотность меньше, чем на лигнине
(щелоке) и составляет 810кг/м3, что легче в 1,2 раза. Средняя влажность образцов составила
9% по массе. Внешний вид полученных образцов представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Внешний вид опилкобетона.
Эталонные образцы на цементном вяжущем и опилках имеют плотность 1170кг/м3.
Таким образом, введение цемента увеличивает среднюю плотность в 1,5 раза. Влажность
указанных образцов составила 9,3%.
Предварительно проведенные опыты на бесцементном вяжущем с отходами
лесообрабатывающих комбинатов (щелоке) показали, что данные образцы имеют
небольшую прочность при сжатии, как пропаренных, так и не пропаренных образцов.
Таблица 8. Механические свойства материалов с лигнином
Нагрузки
Предел прочности при
Марка
Р, кН
изгибе
образца
Rизг, МПа
1 пол
2 пол
ЦВ 1-1
7
2,67
ЦВ 1-2
7
ИВ 1-1
0
1,26
ИВ 1-2
3
-
Предел прочности при
сжатии
Rсж, МПа
1
-
Связано это с тем, что лигнин плохого качества и в виде заполнителя для
теплоизоляционного материала не рекомендуется в отличие от опилок, поэтому в
дальнейших экспериментах будут определены теплоизоляционные свойства бетона с
опилками, поскольку такие отходы на территории Республики Коми имеются в
неограниченных количествах.
В образцах с известью происходит выщелачивание, в связи с чем было решено
заменить ее на небольшое количество цемента для выяснения образования высолов на
поверхности бетона.
Были заформованы образцы - кубики размером 70х70х70 мм. Через 2 суток образцы
были распалублены, взвешены для определения водопоглощения, испытаны в морозильной
камере для определения морозостойкости [рисунок 2]
Рисунок 2. Шлакоопилкобетон на бесцементном вяжущем.
Таблица 9. Механические свойства материалов с опилками
Нагрузки
Предел прочности при
Марка
Р, кН
изгибе
образца
Rизг, МПа
1 пол
2 пол
ИВ 2-1
0
3,91
1,88
ИВ 2-2
4
1,13
1,22
ИВ 2-3
0
1,33
ЦВ 2-1
10
1,66
1,42
ЦВ 2-2
9
4,99
4,03
ЦВ 2-3
10
4,35
4,55
Предел прочности при
сжатии
Rсж, Мпа, (ср).
0,66
2,1
Поскольку для теплоизоляционных материалов наиболее важными показателями
являются теплотехнические, был рассчитан коэффициент теплопроводности для
заформованных образцов.
Анализ результатов позволяет сделать вывод, что первые образцы на стеклоизвестково-гипсовом вяжущем с лигнином имеют коэффициент теплопроводности λ=0,35
Вт/м2оС, на эталонных образцах с цементом λ=0,51 Вт/м2оС, что говорит о том, что на
извести данный коэффициент меньше в 1,4 раза. Для второго эксперимента на стеклоизвестково-вяжущем с опилками среднее значение λ=0,3, на цементе λ=0,5, что в 1,7 раз
меньше. Таким образом, полученный опилкобетон соответствует таким материалам с
коэффициентом теплопроводности, как: газобетон – 0,26, пенобетон – 0,3, керамзитобетон –
0,33 и перлитобетон – 0,3 [7].
Полученные
положительные
результаты
по
снижению
коэффициента
теплопроводности позволяют резюмировать, что на предложенном нами смешанном
бесцементном вяжущем и заполнителе из опилок, могут быть получены материалы с
коэффициентом теплопроводности равным 0,26 – 0,3 Вт/м2оС, которые можно применять в
качестве теплоизоляционных ограждающих конструкций в малоэтажном строительстве
гражданских зданий. Макроструктура полученного шлакоопилкобетона видна на рисунке 3.
Рисунок 3. Макроструктура шлакоопилкобетона.
Библиографические ссылки
1.
Цепаев В.А. Легкие конструкционные бетоны на древесных заполнителях /
В.А. Цепаев, А.К. Яровский, Ф.И. Хадонова – Орджоникидзе: Ир, 1990.– С.135.
2.
«ДЕРЕВО.RU» 5/2009 «Структура и объем использования древесных отходов».
– С 142-145.
3.
Коратаев Э. И. Строительные материалы и изделия из древесных отходов / Э.
И. Коратаев, М. И. Клименко – М.: Лесная промышленность, 1999.
4.Власов В.В. Безавтоклавные изделия на перлито-известково-гипсовом вяжущем.М.МИСИ, 1999.
5. Горяева Г.Н. Отделочные бетоны на основе стекло-известково-гипсового
вяжущего.-М: МГУП, 1992.
6. Промышленные отходы и их утилизация. ЭКОТОК экологические технологии
альтернативная энергетика. [Электронный ресурс] // URL :
http://www.ecotoc.ru/waste_processing/purification_recycli/d64/
7. Промышленные отходы и их утилизация. Реферат по курсу: Технологические
особенности отраслей промышленности, на тему: «Отходы промышленных предприятий и
методы их утилизации и переработки на примере предприятий строительного комплекса».
[Электронный ресурс] // URL : http://www.ref.by/refs/97/22074/1.html