Использование промышленных отходов в производстве строительных конструкций, изделий и материалов

Расчетно-графическая работа

на тему: Использование промышленных отходов в производстве строительных конструкций, изделий и материалов

Одесса

2010

 

Введение

 

Дисперсные минеральные добавки рекомендуются вводить в бетон и бетонные смеси для достижения следующих основных целей:

- Обеспечение экономии цемента, повышение однородности, связанности, удобоукладываемости бетонной смеси и обеспечения специальных свойств. - Обеспечение специальных свойств бетона - сульфатостойкости, жаростойкости, водостойкости, сопротивляемости щёлочной коррозии, уменьшение тепловыделении; снижение стоимости бетона.

Эффективность действия минеральных добавок зависит от их водопотребности и активности, состава бетона, наличия пластификатора, условий выдерживания и режима ТВО. Эффективность возрастает со снижением класса бетона по прочности, а также при переходе от подвижных к жестким смесям и при использовании песков с повышенной пустотностью. Эффективность применения конкретных видов добавок следует устанавливать опытным путем в процентах подбора состава бетона.

 

Характеристика некоторых видов добавок

Доменные шлаки

Одним из важнейших компонентов шлаковых цементов является доменный шлак, получаемый при выплавке чугуна; так как в исходной железной руде содержатся глинистые примеси и в коксе — зола, для их удаления в доменную шихту вводят флюсы — карбонаты кальция и магния. В процессе плавки, вступая в химическое взаимодействие с примесями, они образуют шлак, представляющий собой силикатный и алюмосиликатный расплав. Плотность доменных шлаков в два с лишним раза меньше, чем чугуна, поэтому шлаки в горне домны располагаются над слоем расплавленного чугуна и их периодически удаляют через отдельную шлаковую летку. Небольшая часть шлака, захватываемая расплавленным чугуном, также периодически выпускается, но уже через чугунную летку. На 1 т выплавляемого чугуна приходится примерно 0,6—1 т шлака. Основные оксидные составляющие шлака те же, что и у портландцементного клинкера, по соотношения между ними другие. Шлаки в зависимости от агрегата, в котором происходит переплавка того или иного чугуна на сталь, называются шлаками бессемеровского или мартеновского чугуна; шлаки специальных чугунов разделяются на фер-рохромовые, ферромаргапцевые и др. Чугуны разделяются на литейные, передельные и специальные. Каждому виду чугуна соответствует шлак определенного состава; при высоком содержании серы в коксе повышают содержание извести в шлаке; для ускорения процесса плавки в состав шихты вводят марганцевую руду, доломит и др., что влияет на химический состав шлака. Обычно шлак выпускается из домны с температурой 1673—1773 К, при которой он становится жидкотекучим и минимально вязким. Возможность использования шлака для цемента зависит от характера его переработки по выходе из домны. При медленном охлаждении на воздухе в шлаковых отвалах он превращается в плотный камень, причем в зависимости от состава он может постепенно рассыпаться в порошок вследствие так называемого силикатного распада в результате перехода |3-C2S в Y-QS. Распад может вызываться и гидратацией CaS, FeS и MnS (известковый, железный и марганцевый). Нерассыпающиеся медленно охлажденные шлаки дробят и в кусках применяют в дорожном и других видах строительства; для проверки стойкости шлаков во времени используют специальные методы контроля.

Зола-унос

Зола-уноса (далее — зола) представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий, как правило, из частичек размером от долей микрона до 0,14 мм. Зола образуются в результате сжигания твердого топлива на ТЭС, и улавливается электрофильтрами, после чего в сухом состоянии отбирается с помощью золоотборника на производственные нужды, либо вместе с водой и шлаком отправляется на золоотвал.

Строение и состав золы зависит от целого комплекса одновременно действующих факторов: вида и морфологических особенностей сжигаемого топлива, тонкости помола в процессе его подготовки, зольности топлива, химического состава минеральной части топлива, температуры в зоне горения, времени пребывания частиц в этой зоне и др. При значительном содержании карбонатов в минеральной части исходного топлива под воздействием высоких температур в процессе горения образуются силикаты, алюминаты и ферриты кальция – минералы, способные к гидратации. Такие золы при затворении водой способны к схватыванию и самостоятельному твердению. В них, как правило, содержатся окись кальция и окись магния в свободном состоянии.

В соответствии с ГОСТ 25818-91 все золы по виду сжигаемого угля подразделяют на:

- антрацитовые, образующиеся при сжигании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля (А);

- каменноугольные, образующиеся при сжигании каменного, кроме тощего, угля (КУ);

- буроугольные, образующиеся при сжигании бурого угля (Б).

В зависимости от химического состава золы подразделяют на типы:

кислые (К) — антрацитовые, каменноугольные и буроугольные, содержащие оксид кальция до 10 %;

основные (О) — буроугольные, содержащие оксид кальция более 10 % по массе.

Золы в зависимости от качественных показателей подразделяют на 4 вида:

I — для железобетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов;

II — для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов, строительных растворов;

III — для изделий и конструкций из ячеистого бетона;

IV — для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы и др.).

 

Топливные гранулированные шлаки

Гранулированные шлаки представляют собой механическую смесь зерен размером 0,14-20 мм. Химический состав шлаков, может изменяться в широком диапазоне - от сверхкислых (М₀<0,1) до основных (М₀>1). Многие топливные шлаки характеризуются значительным количеством (20 % и более) оксидов железа, содержащихся преимущественно в закисной форме. Содержание стекловидной фазы составляет 85-98%, у основных шлаков оно может быть значительно ниже. В кристаллической фазе возможно наличие муллита, геленита, псевдоволластонита, двухкальциевого силиката и других минералов.

Химический состав гранулированных шлаков, полученных из одного и того же топлива, но с применением различных способов удаления, несколько различается. В топках топливо сжигают в условиях избытка воздуха, т. е. в слабо окислительной среде, в результате чего в кусковых шлаках образуются соединения трехвалентного железа. При жидком шлакоудалении ион Fе₃+ восстанавливается до Fе₂+ вследствие непосредственного взаимодействия Fе₂O₃ с углеродом.

Содержание кислых стеклообразующих оксидов (SiO₂ + Аl₂O₃) в гранулированных шлаках находится обычно в пределах 70-85%. Только шлаки из угля Канско-Ачинского бассейна являются слабокислыми (М₀ = 0,6-0,9), а шлаки из сланцев - основными (М₀>1).

Гранулированные шлаки устойчивы к силикатному и железистому распаду, не вступают в реакцию с оксидами щелочных металлов в цементе, несмотря на наличие в них значительного количества аморфного SiO₂.

Растворимый кремнезем предопределяет пуццолановый характер взаимодействия шлаковых зерен с цементным камнем. Реакционная способность повышается с увеличением количества СаО в стеклофазе и снижается при увеличении количества Fе₂O₃.

Непосредственное влияние на гидравлическую активность шлаков имеет их фазовый состав. Структура зерен шлака зависит от условий охлаждения. Так, шлаковые зерна, полученные при непосредственном попадании расплава в воду, т. е. при отсутствии условий кристаллизации, состоят из однородного алюможелезистосиликатного стекла. В воздушных условиях шлаковый расплав характеризуется более медленным режимом охлаждения, что способствует образованию зародышей кристаллов, вследствие чего структура шлака отличается закристаллизованностью.

Гранулированные шлаки от сжигания углей с низкокальциевой минеральной частью относятся к труднокристаллизующимся даже при относительно медленном охлаждении, содержат не более 10-15 % кристаллических компонентов.

Физико-механические характеристики шлака, его структура зависят от вида сжигаемого топлива и способа его удаления. Среди общей массы шлака можно выделить плотные и пористые зерна с различным количеством открытых и закрытых пор. Средняя плотность таких зерен может колебаться от 2,6 до 1,5 г/см³, в редких случаях встречаются зерна со средней плотностью до 1 г/см³. Истинная плотность шлака в основном 2,3-2,7 г/см³, насыпная находится в пределах 1100-1700 кг/м³.

Меньшая механическая прочность гранулированных шлаков по сравнению с отвальными объясняет их улучшенную размалываемость. На тонкое измельчение гранулируемых шлаков требуется в 1,3-1,5 раза меньше энергии, чем на измельчение отвальных шлаков.

Таблица 1

Содержание добавки, кг/м3 при классе бетона
	В10 150	В15 200	В20 250	В22,5 300	В25 50	>В30 400
Гранулированные, доменные и электротермофосфорные шлаки	250-300	200-250	150-200	100-150	50-100	25-50
топливные золы и гранулированные шлаки	150-250	75-225	50-150	25-100	0-50	-
Вулканические горные породы	150-250	75-225	50-150	25-100	0-50	-

Примечание:

Данные таблица 1 приведены для смесей марок п₁ и ж₁ приготовленных на основе песков средней крупности М_крп=2

Расчёт и подбор номинального состава бетона на первом этапе принимают средний расход добавки Д₁ из рекомендуемого диапазона в зависимости от класса бетона и вида добавки.

Расход воды в составе с добавкой принимают с учётом повышенной водопотребности минеральных смесей с минеральными добавками

В₁= В₀+ ∆В

В₀ – расход воды бетонной смеси без добавки

∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки

 

Таблица 2. Увеличение водопотребности бетонной смеси, приведение различных минеральных добавок

добавки	Расход добавки, кг/м3	Увеличение водопотребности бетонной смеси при расходе цемента, кг/м3
		<200	200-300	>300
доменные и электротермофосфорные шлаки	<100 100-200 200-300	0 0-5 5-10	0-5 5-10 10-20	5-10 10-20 20-35
топливные золы и гранулированные топливные шлаки	<100 100-200 200-300	0 0-10 5-20	0-5 5-20 15-40	5-15 10-30 –

Применяем средний расход добавки по таблице 1

Д₁= 225 кг/м³

Расход воды определяем по таблице 2

В₁= В₀+ ∆В

В₀ – расход воды бетонной смеси без добавки

1.  ∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки В₁=195+25=220 л/м³ Рассчитывает расход цемента

Ц_0, П₀ – расход цемента и песка в составе без добавки

Ц_1, Д₁ – расход цемента и добавки в составе с добавкой

Расход крупного заполнителя в составе с добавкой принимают такие же как и бездобавочных бетонов Щ₁=Щ₀ Щ₁=1215 кг/м³

Расход мелкого заполнителя определяют по формуле

 

2.  Определение цементно-водное отношение

(Ц/В)₁ = Ц₁/В₁=240/220=1,09

3.  Рассчитанные в пунктах 2-6 начальный состав бетона с добавкой проверяют на опытном замесе для уточнения и корректировки удобоукладываемости бетонной смеси.

Таким образом для опытного замеса используется следующий состав(N2)

Ц₁=240 кг/м³; В₁=220 л/м³ ; Д₁= 225 кг/м³ ; Щ₁= 1215 кг/м³; П₁=531 кг/м³

 

4.  Дополнительные составы бетона с добавкой определяют назначая расходы добавки равные границам диапазонов приведённых в таблице 1, рассчитывая и корректируя составы бетона соответственно с пунктами 2-7.

Всего принимают не менее девяти составов бетона(три основных и шесть дополнительных) различающихся значениями Ц/В на 0,3–0,5 расхода добавки для каждого из которых определяют удобоукладываемость, плотность бетонной смеси и фактически изготавливают контрольные образцы.

Применяем ещё два расхода добавки 200 кг и 250 кг аналогичным путём рассчитываем начальные составы бетона(N₁, N₃) и осуществляем их корректировку.

Фактические расходы материала на замес устанавливают по формулам 1–5, а расход добавки определяют:

– суммарная масса всех материалов в замесе

5.  – расход минеральной добавки Из корректированных составов бетона изготавливают образцы. По результатам испытаний бетонов, строят базовые зависимости

R_б = f(Ц/В)

R_б = f(Ц)

6.  По которым определяем требуемое значение Ц/В расхода и добавки обеспечивающие заданным показателям бетона. На основании фактической плотности бетонной смеси расхода цемента, воды, добавки и крупного заполнителя рассчитывают количество мелкого заполнителя.

 

Состав бетона

Номер состава	Расходы компонентов, кг					Ц/В	Плотности, кг/м3
	Ц	В	Д	Щ	П
0	305	195	–	1215	675	1,56	2390
1	238,82	205	200	1215	528,54	1,16	2387,36
2	240	220	225	1215	531	1,09	2431
3	226,73	225	250	1215	501,78	1,01	2418,51

 

Применяем расход добавки N₁ по таблице 1

Д₁= 200 кг/м³  Расход воды определяем по таблице 2

В₁= В₀+ ∆В

В₀ – расход воды бетонной смеси без добавки

1.  ∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки В₁=195+10=205 л/м³ Рассчитывает расход цемента

Ц_0, П₀ – расход цемента и песка в составе без добавки

Ц_1, Д₁ – расход цемента и добавки в составе с добавкой

 

Расход крупного заполнителя в составе с добавкой принимают такие же как и бездобавочных бетонов Щ₁=Щ₀ Щ₁=1215 кг/м³ Расход мелкого заполнителя определяют по формуле

 

Определение цементно-водное отношение

(Ц/В)₁ = Ц₁/В₁=238,82/205=1,16 

Рассчитанные в пунктах 2-6 начальный состав бетона с добавкой проверяют на опытном замесе для уточнения и корректировки удобоукладываемости бетонной смеси.

Таким образом для опытного замеса используется следующий состав(N₁)

Ц₁=238,82 кг/м³; В₁=205 л/м³ ; Д₁= 200 кг/м³ ; Щ₁= 1215 кг/м³; П₁=528,54

Дополнительные составы бетона с добавкой определяют назначая расходы добавки равные границам диапазонов приведённых в таблице 1, рассчитывая и корректируя составы бетона соотвецтвенно с пунктами 2-7.

1.  Применяем ещё один расхода добавки 150 кг аналогичным путём рассчитываем начальные составы бетона(N₃) и осуществляем их корректировку. Д₁= 250 кг/м^{3 .} Расход воды определяем по таблице 2

В₁= В₀+ ∆В

В₀ – расход воды бетонной смеси без добавки