Шлакощелочные материалы в дорожном строительстве Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»
Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Чазов Александр Вениаминович, Шишмакова Марина Сергеевна
Рассматривается вопрос использования отходов материалов металлургической промышленности для усиления оснований дорог. Производились опыты, доказывающие возможность использования вместо щебня и цемента местные грунты и щлакощелочные смеси. Доказана технико-экономическая целесообразность использования последних при возведении оснований дорог.
Slag alkali materials at highway engineering
The article is dedicated to the problem of using metallurgy industry material’s abatement to road base strengthening. The question of use of a waste of materials of an iron and steel industry for strengthening of the bases of roads is considered. Were experimented, uses proving possibility instead of rubble and cement local priming coats and slag alkali mixes. The technical and economic expediency of use of the last is proved at erection of the bases of roads.
Текст научной работы на тему «Шлакощелочные материалы в дорожном строительстве»
A.B. Чазов, М.С. Шишмакова
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ШЛАКОЩЕЛОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Рассматривается вопрос использования отходов материалов металлургической промышленности для усиления оснований дорог. Производились опыты, доказывающие возможность использования вместо щебня и цемента местные грунты и щлакощелочные смеси. Доказана техникоэкономическая целесообразность использования последних при возведении оснований дорог.
Ключевые слова: шлак, щелочной металл, дорожное строительство, основание, шлакощелочные материалы.
Учитывая то, что проблема капитального строительства является одной из самых острых проблем нашего народного хозяйства, надо стремиться строить быстро, надежно и дешево. Для выполнения этих требований, повышения эффективности и качества строительства потребуется значительное количество строительных материалов и конструкций, которые подчас являются дефицитными и перевозка которых на большие расстояния сильно удорожает стоимость строительства и требует использования большого количества грузового автотранспорта. Кроме того, производство их в первую очередь настроено на удовлетворение нужд промышленного и гражданского строительства в крупных городах и промышленных центрах, что в равной степени относится и к сельскому строительству в Пермском крае.
Дорожно-строительные объединения, расположенные в Б.-Сос-новском районе, не имеют асфальтобетонных заводов, поэтому возникает проблема транспортировки каменных материалов, что влечет за собой огромные трудовые и материальные затраты, а также увеличение стоимости строительства. Было предложено использовать для оснований дорог местные материалы и вяжущие на основе шлаков и соединений щелочных металлов.
Доставленные местные материалы (супесь, суглинки) из притрассового карьера перед использованием пропускали через решетки бункеров для удаления крупных комьев.
Смеси готовили на молотом шлаке Чусовского металлургического завода с добавкой щелочного компонента. Плотность щелочного раствора р = 1,24 г/см3[1].
Проектом предусматривалось строительство автодороги IV категории с переходным типом покрытия и интенсивностью движения до 500 автомобилей в сутки.
Расход материалов на 1 м3 шлакогрунтовой смеси:
Шлак молотый (5 = 3800 г/см2) 260 кг
Суглинок с 10 % гравия дресвяного 1830 кг
За состоянием опытных участков дороги, построенных с применением грунта, укрепленного шлакощелочными вяжущими, проводилось систематическое наблюдение в пятилетний период. Во время наблюдений выполнялись следующие работы:
1. Проводился визуальный осмотр дороги, выявлялся характер деформаций, нарушения обочин, откосов.
2. На участках дороги с ПК 74 определяли фактическую прочность дорожной одежды с помощью рычажного прогибометра.
На обследуемых участках дороги (ПК 74, ПК 79, ПК 84) не было обнаружено трещин после первого года эксплуатации, на полотне дороги отсутствуют деформации верхнего слоя основания. Испытания, проводившиеся на «образцах-вырубках» основания показали, что после 3 лет прочность шлакогрунта, укрепленного щелочными вяжущи-
ми, возросла в 1,3—1,4 раза. Данные проведенных экспериментов доказывают и подтверждают, что укрепленные грунты набирают прочность в течение длительного времени. Цифровые данные наблюдений за опытными участками дороги Савочкины Ключи — Урочище Грань сведены в таблицу.
Годовые периоды контроля Предел прочности на сжатие «образцов-вырубок», МПа
Участок № 2 (ПК 79) 6,9 7,6 7,8 9,1 10,3 11,3
Участок № 3 (ПК 84) 7,9 7,9 8,0 9,7 11,1 12,4
Исчисленные средние значения модулей упругости, полученные по результатам изменения прогибов в нескольких точках у пикетов 74; 79; 84, превышают расчетные значения.
По истечении 5 лет с момента устройства опытного участка дороги произвели очередной осмотр и опробование его. Результаты осмотра показали хорошее состояние основания, а шлакогрунт «вырубок» (в 5 местах) имел среднюю прочность при сжатии 10,4 МПа. Данные таблицы подтверждают результаты лабораторных исследований грунтов, укрепленных шлакощелочными вяжущими [2].
В результате производственной проверки стойкости шлакогрун-тов в основаниях дорог установлена возможность использования шлакощелочных вяжущих в условиях Западного Урала, доказана техникоэкономическая целесообразность использования последних при возведении оснований дорог.
A.V. Chazov, M.S. Shishmakova SLAG ALKALI MATERIALS AT HIGHWAY ENGINEERING
The article is dedicated to the problem of using metallurgy industry material’s abatement to road base strengthening.
The question of use of a waste of materials of an iron and steel industry for strengthening of the bases of roads is considered. Were experimented, uses proving possibility instead of rubble and cement local priming coats and slag alkali mixes. The technical and economic expediency of use of the last is proved at erection of the bases of roads.
Keywords: slag, alkali metal, highway engineering, slag alkali materials.
Применение шлакощелочных вяжущих в строительстве Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»
Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Абу Махади Мохаммед Ибрагим, Безбородов Александр Викторович
APPLICATION SLAG-ALKALI BINDER IN CONSTRUCTION
Текст научной работы на тему «Применение шлакощелочных вяжущих в строительстве»
Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования
RUDN Journal of Engineering researches
2017 Том 18 № 2 212-218
DOI 10.22363/2312-8143-2017-18-2-212-218 УДК 691.5
ПРИМЕНЕНИЕ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
М.И. Абу Махади, А.В. Безбородов
Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198
В данной статье представлена информация о шлакощелочных вяжущих и опыте их применения в строительстве на территории России. Здесь отражены составы, виды и свойства шлакощелочного бетона, а также преимущества шлакощелочных вяжущих над портландцементом. В конце статьи сделаны выводы по результатам обзора применения материалов на основе шлакощелочных вяжущих на различных строительных объектах и анализа свойств шлакощелочных бетонов.
Ключевые слова: шлакощелочные вяжущие, портландцемент, бетон, шлак, отходы промышленного производства
В настоящее время в строительстве многих стран, в том числе и в Российской Федерации, основным материалом для производства различных видов бетонов служит, как правило, портландцемент.
С развитием человеческого общества увеличивается объем строительного производства, что ведет к повышению использования портландцемента.
Однако производство портландцемента связано с высоким потреблением природных минеральных сырьевых и энергетических ресурсов и сопровождается высокими объемами выбросов в окружающую среду.
Одним из основных направлений развития строительной отрасли является сохранение природных ресурсов за счет увеличения объемов использования отходов промышленного производства.
Таким образом, актуален вопрос поиска материалов, альтернативных портландцементу.
Примером таких материалов могут служить шлакощелочные вяжущие, основа которых — гранулированные шлаки — отходы металлургического производства.
Цель статьи заключается в привлечении внимания к шлакощелочным вяжущим при производстве строительных материалов и замене портландцементов, в связи с высокими ценами на цемент, а также отрицательным воздействием на окружающую среду при его производстве.
В России выпуск шлакощелочного бетона был налажен в 1973 году в регионе Западного Урала. На заводах изготовлялись фундаментные блоки, детали очистных сооружений, плиты покрытия площадей, сваи.
В 1975—1980 годах на строительных предприятиях Тульской области был осуществлен выпуск предварительно напряженных аэродромных плит размерами
2×6 м, которые были уложены в дорожное полотно аэродрома г. Тулы, бордюрных камней, тротуарных плит, кирпича, блоков стен подвалов.
Также конструкции из шлакощелочного бетона были использованы для устройства подъездных путей к химическим предприятиям в Тульской области, вмонтированы в полы Новомосковского завода органического синтеза и отделения электролиза хлорного производства ПО «Азот».
С 1973 года производилось укрепление грунтов шлакощелочными вяжущими для использования их в основаниях дорожных одежд.
Институтом «УралНИИстрой» в течение многих лет проводились испытания по использованию шлаков в производстве строительных материалов. Были разработаны составы жаростойкого бетона на шлакощелочном вяжущем для футеровки печных вагонеток керамической промышленности.
В Челябинске в 1980-е годы шлакощелочные вяжущие были внедрены в тресте «Челябметаллургстрой». Шлакощелочной бетон использовался при изготовлении фундаментных блоков, надоконных перемычек и плит перекрытия.
В 1973 году Омский асфальтобетонный завод наладил выпуск железобетонных дорожных плит из шлакощелочного бетона марки 300 и бордюрных камней. Указанные изделия укладывали на магистральных дорогах и при благоустройстве г. Омска. Исследования, проведенные через 4 года эксплуатации, показали, что все конструкции находятся в хорошем состоянии.
В 1984 году шлакощелочной бетон был использован при строительстве спецдороги под многотоннажные БелАЗы в г. Магнитогорске.
В 1988 году предварительно напряженные бетонные шпалы из шлакощелочного бетона были уложены на действующей железной дороге Санкт-Петербург — Москва.
Примером успешного использования шлакощелочного бетона в ограждающих и несущих конструкциях является возведение высотного жилого дома в Липецке в 1988—1989 годах. Двадцатиэтажное здание выполнено в сборно-монолитном варианте, вся подземная часть и стены — монолитные, а плиты перекрытий, лестничные марши и площадки — из сборного шлакощелочного бетона.
Исследования, проходившие в 2012 году, показали, что все конструкции данного дома находятся в хорошем состоянии.
Шлакощелочной бетон — искусственный камень, образующийся при твердении смеси шлакощелочного цемента, заполнителей и воды.
Результатами исследований в период с 1960—1990-х годов стали разработка нормально-, быстро-, особо быстротвердеющих составов ШЩВ и технологий производства изделий из них.
К шлакощелочным бетонам применима общая классификация бетонов — по структуре и плотности, виду и крупности заполнителей, условиям твердения, назначению и наиболее характерным свойствам.
Ориентировочный состав тяжелых бетонов:
— молотый гранулированный шлак — 15—30%;
— щелочной компонент — 0,5—1,5%;
Помимо традиционных заполнителей (щебня, гравия, песка) в шлакощелоч-ных бетонах могут быть использованы многие дисперсные природные материалы и попутные продукты различных отраслей промышленности.
В качестве заполнителей используют мелкие пески, супеси, лессы, гранулированные и отвальные шлаки, горелые породы, отсев камнедробильных производств, хвосты горнообогатительных комбинатов, гравийно-песчаные и глино-гравийные смеси [1].
В отличие от цементных бетонов, где содержание дисперсных и загрязненных заполнителей недопустимо, в шлакощелочных бетонах содержание глинистых частиц может достигать 5%, а пылеватых — 20%.
Применение дисперсных заполнителей с повышенным содержанием пылевидных и глинистых примесей не ухудшает физико-механические свойства шла-кощелочных бетонов.
Это объясняется их химическим взаимодействием с щелочным затворителем, в результате чего образуются дополнительные цементирующие новообразования — щелочные гидроалюмосиликаты.
В естественных условиях образование указанных минералов, относящихся в основном к группе цеолитов, происходит медленно, оно существенно ускоряется при пропаривании и автоклавной обработке, а также при предварительном обжиге.
В 1980—1990-е годы были утверждены нормативные требования к сырьевым компонентам, составам и свойствам ШЩВ, ШЩБ, бетонных и железобетонных изделий и конструкций из них, технологии их производства и применения [2; 3].
В зависимости от назначения получают бетоны плотной, крупнопористой, поризованной и ячеистой структур.
По зерновому составу заполнителей подразделяют на мелко- и крупнозернистые, по плотности — на тяжелые и легкие.
Тяжелые бетоны на шлакощелочном вяжущем относят к конструкционным бетонам, легкие бетоны разделяют на конструкционные, конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные.
Конструкционные легкие шлакощелочные бетоны классов В15—В50 (М200— М600) со средней плотностью 1500—1800 кг/м3 изготовляют на керамзите, доменном гранулированном шлаке, аглопорите, известняке-ракушечнике, шлаковой пемзе, отходам древесины. Эти же заполнители применяют для конструкционно-теплоизоляционных бетонов со средней плотностью 500—1400 кг/м3, которые характеризуются прочностью при сжатии 3,5—40 МПа и теплопроводностью 0,17—0,4 Вт/(м-°С).
Теплоизоляционные шлакощелочные материалы средней плотности 170— 450 кг/м3, прочностью при сжатии от 0,25—2 МПа и теплопроводностью 0,059— 0,13 Вт/(м-°С) разработаны на основе вспученного перлита.
Прочность щлакощелочных бетонов регулируют, главным образом, изменением плотности щелочного компонента, степенью влияния которой зависит от его природы. Наиболее ощутимо сказывается на повышении прочностных характеристик применение растворимых силикатов натрия. Бетоны на их основе высокопрочные.
Наибольшей прочности при сжатии (120 МПа) характеризуются пропаренные бетоны на основе нейтральных шлаков и низкомодульных (Мс = 1—2) жидких стекол.
Мелкозернистые бетоны представляют собой искусственный камень, получаемый после отвердения рационально подобранной смеси молотого шлака, раствора щелочного компонента и мелкого заполнителя, в качестве которого служат мелкие пески и грунты в виде супесей и легких суглинков.
Мелкозернистые шлакощелочные бетоны выпускают классов В10—В60. Их свойства практически определяются теми же факторами, что и свойства тяжелых шлакощелочных бетонов на крупнозерновом заполнителе.
Жаростойкие бетоны на основе шлакощелочного вяжущего способны выдерживать температуры от 200 до 1500 °С.
Достоинства этих бетонов следующие:
1) отказ от предварительной сушки перед началом монтажа, что обусловлено низкой влажностью изделий после автоклавной обработки;
2) для большинства изделий нет снижения прочности в интервале температур 600—900 °С;
3) высокая прочность после разогрева на рабочую температуру.
Применение данного вида бетонов может быть очень эффективным при строительстве стартовых площадок на космодроме «Восточный».
Для получения шлакощелочных пенобетонов с низкой плотностью и высокоразвитой пористостью, обеспечивающей материалу достаточно высокие звукопоглощающие свойства, используют молотый электротермофосфорный шлак с удельной поверхностью 350—400 м2/кг и щелочные растворы.
Способ поризации и стабилизации поровой структуры предусматривает приготовление устойчивой пеномассы с последующим введением в нее тонкомолотого шлака.
В качестве пенообразователей используют омыленный древесный пек, смолу древесную омыленную, белковые протеиносодержащие продукты и ряд других отходов производства.
Применение шлакощелочных вяжущих в строительстве в настоящее время крайне ограничено и составляет не более 2—3 % от общего количества портландцемента, несмотря на то что физико-механические свойства шлакощелочных бетонов близки к свойствам цементных бетонов, а в ряде случаев они могут быть и существенно выше.
Прочность шлакощелочных бетонов может достигать значений выше 100 МПа. Наибольшую прочность имеют бетоны на основе основных и нейтральных шлаков в условиях тепловлажностной обработки. В результате проведенных испытаний [1] установлено, что за период эксплуатации все шлакощелочные бетоны повысили свою проектную прочность в 1,5 — 2,5 раза.
Увеличение расхода шлака от 300 до 600 кг/м3 приводит к увеличению прочности бетона, особенно при твердении в нормальных воздушно-влажных условиях [4].
При постоянной плотности щелочного раствора увеличение растворошлако-вого отношения (Р/Ш) уменьшает прочность, однако значительно менее существенно, чем водоцементное отношение для портландцементных бетонов.
При нормальных условиях твердения и длительном водонасыщении шлако-щелочной бетон характеризуется большей интенсивностью набора прочности на изгиб по сравнению с цементным.
Было выявлено, что ШЩБ устойчивы в минерализованных, сульфатных, магнезиальных водах, морской воде, растворах солей и неорганических кислот, что обусловлено отсутствием в продуктах твердения ШЩВ свободной извести и высокоосновных новообразований, характерных для портландцементного камня [4].
ШЩБ по сравнению с портландцементными способны твердеть как при невысоких положительных (+5—0 °С), так и при отрицательных (—5—15 °С) температурах, обладают низким тепловыделением при твердении, что обеспечивает возможность использования его для бетонирования массивных конструкций.
Морозостойкость шлакощелочных бетонов изменяется в пределах 300— 1300 циклов и более. Она увеличивается при увеличении плотности раствора щелочного компонента, применении жестких бетонных смесей, твердении бетона в нормальных условиях, использовании заполнителей оптимального гранулометрического состава.
Высокая морозостойкость шлакощелочных бетонов обусловлена особенностями их структуры — меньшей общей пористостью, повышенным содержанием мелких замкнутых пор, высокой плотностью и прочностью контактной зоны.
Особенности поровой структуры шлакощелочных бетонов, повышенная водо-удерживающая способность и седиментационная устойчивость бетонных смесей предопределяют высокую водонепроницаемость бетонов.
Как показали результаты испытаний [1], водонепроницаемость шлакощелоч-ных бетонов после их длительной эксплуатации значительно повышается, что связано с уплотнением структуры бетона с течением времени.
Для шлакощелочных бетонов характерно образование плотной и прочной контактной зоны «вяжущее — заполнитель» из щелочных и щелоче-щелочеземельных гидроалюмосиликатов.
Истираемость шлакошелочных бетонов, по данным работы [1], находится в пределах истираемости гранитов (0,21—0,47 г/см2).
Обзор применения материалов на основе шлакощелочных вяжущих на различных строительных объектах в России; анализ свойств бетонов на основе шла-кощелочных вяжущих позволил сделать следующие выводы:
1) многолетний опыт применения бетонов на основе шлакощелочных вяжущих доказывает эффективность и высокие эксплуатационные качества данного вида вяжущего при строительстве сооружений специального назначения, а также при возведении жилых домов;
2) шлакощелочные вяжущие обладают высокими физико-механическими характеристиками, такими как: высокая плотность, стабильный и постоянный рост прочности, коррозионная устойчивость, стойкость к воздействию агрессивных сред, а также высокая морозостойкость;
3) шлакощелочные бетоны можно отнести к разряду материалов со специальными свойствами и рекомендовать к использованию в специальных видах строительства.
[1] Глуховский В.Д., Пахомов В.А. Шлакощелочные цементы и бетоны. Киев: «Буд1вельник», 1978. 184 с.
[2] ГОСТ 3476—74. Шлаки доменные и электротермофосфорные гранулированные для производства цементов, Госстрой СССР. М.: Изд-во стандартов, 1988.
[3] Рекомендации по изготовлению шлакощелочных бетонов и изделий на их основе, НИИЖБ Госстроя СССР, 1986.
[4] Глуховский В.Д. Шлакощелочные вяжущие и мелкозернистые бетоны на их основе. Ташкент, 1978. 485 с.
© Абу Махади М.И., Безбородов А.В., 2017
Дата поступления в редакцию: 9 марта 2017 Дата принятия к печати: 17 марта 2017
Абу Махади М.И., Безбородов А.В. Применение шлакощелочных вяжущих в строительстве // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Инженерные исследования». 2017. Т. 18. № 2. С. 212-218.
Сведения об авторах:
Абу Махади Мохаммед Ибрагим, кандидат технических наук, доцент департамента «Архитектуры и строительства» инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: механика грунтов, основания и фундаменты, строительные материалы. Контактная информация: e-mail: moham_d@mail.ru
Безбородов Александр Викторович, магистрант департамента «Архитектуры и строительства» инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: повышение качества строительных материалов, эффективные методы закрепления слабых грунтов под основания сооружений. Контактная информация: e-mail: avbezb@mail.ru
APPLICATION SLAG-ALKALI BINDER IN CONSTRUCTION
M.I. Abu Mahadi, A.V. Bezborodov
Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University) Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198
Information about slag-alkali binders and the experience of their application in construction of Russia is provided in this article. Structures, types and properties of slag-alkali concrete, and also a benefit the slag-alkali binders over a portland cement are reflected. At the end of article conclusions by results of using materials based on slag-alkali binders in various construction objects and the analysis of properties the slag-alkali binders concrete are drawn.
Key words: slag-alkali binder, portland cement, concrete, slag, industrial waste
[1] Glukhovskiy V.D., Pakhomov V.A. Shlakoshchelochnye tsementy i betony. Kiev: Budivel’nik, 1978. 184 s.
[2] GOST 3476—74. Shlaki domennyye i elektrotermofosfornyye granulirovannyye dlya proizvodstva tsementov, Gosstroy SSSR. M.: Izdatel’stvo standartov, 1988.
[3] Rekomendatsii po izgotovleniyu shlakoshchelochnykh betonov i izdeliy na ikh osnove, NIIZHB Gosstroya SSSR, 1986.
[4] Glukhovskiy V.D. Shlakoshchelochnye vyazhushchiei melkozernistye betony na ikh osnove. Tashkent, 1978. 485 s.
Received: 9 March 2017 Accepted: 17 March 2017
Abu Маhadi М.I., Bezborodov А.V. (2017) Application slag-alkali binder in construction. RUDN Journal of Engineering Researches, 18(2), 212—218.