Отходы ильменитового шлама как добавка для повышения морозостойкости устойчивого бетона
Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Абстрактные
Устойчивое развитие ведет к производству строительных материалов, более безопасных для окружающей среды. Одним из способов достижения устойчивости материалов является добавление промышленных отходов и побочных продуктов, особенно в бетон. Однако добавление отходов в бетон часто снижает его долговечность, и приходится снижать степень агрессивности среды, в которой используется бетон. Сделать устойчивый бетон, который к тому же долговечен в более агрессивных средах, довольно сложно. В статье представлены результаты испытаний бетона, содержащего ильменитовый шламотход производства диоксида титана, который подвергался морозной агрессии с применением противогололедных солей и без них. Результаты показали, что можно изготовить прочный и морозостойкий бетон. После 200 циклов замораживания-оттаивания прочность на сжатие испытанных бетонов снизилась менее чем на 4 %. Бетоны обладали высокой устойчивостью к образованию накипи, и после 112 циклов замораживания-оттаивания в воде с противогололедной солью масса накипи составила менее 0.02 кг/м 2 . Также было проанализировано распределение воздушных пустот. Результаты соответствовали требованиям к морозостойкому бетону и были аналогичны результатам, полученным для эталонного бетона с летучей золой. Исследование микроструктуры с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) не выявило каких-либо потенциальных рисков, которые могли бы повлиять на долговечность бетона. Частицы отходов тщательно соединились в вяжущем, и некоторые его составляющие, по-видимому, являются активной частью цементной матрицы. Длительные испытания на усадку (360 дней) не показали чрезмерных значений, отличающихся от эталонного бетона с золой-уносом. Представленные результаты показали, что устойчивые бетоны, содержащие ильменитовые шламовые отходы производства диоксида титана, также могут быть устойчивы к морозной агрессии.
1. Введение
Согласно седьмому пункту Основных требований к строительным работам CPR-EU 305/2011, опубликованным в марте 2011 г., Европейский Союз объявляет «устойчивое использование природных ресурсов» приоритетом [1,2]. В соответствии с этим положением, поощряя развитие, количество природных ресурсов, используемых в производстве строительных материалов, должно уменьшаться, а количество используемых побочных продуктов и промышленных отходов должно увеличиваться. Вторым аспектом устойчивого развития является более эффективное использование природных источников путем производства более качественных материалов с использованием того же количества компонентов, только с улучшением их качества; например, повышение реакционной способности связующего путем измельчения его до более мелких частиц [3,4]. Третий способ сделать строительные материалы более устойчивыми — использовать переработанные строительные материалы после сноса [5]. Другой аспект заключается в том, что строительные материалы и целые конструкции будут более устойчивыми, если время использования будет продлено более чем на 50 лет, что является сроком службы большинства бетонных конструкций [6].
Добавление промышленных отходов или побочных продуктов может снизить долговечность бетона. Во многих случаях это так, и новый материал должен быть предназначен для менее агрессивных сред. Таким образом, по крайней мере, некоторые части отходов повышают ценность, чтобы использовать меньше природных источников [7]. Если можно и безопасно использовать промышленные отходы в качестве добавки к бетону, предназначенному для более агрессивных сред, то проще использовать их в большем количестве. Одним из самых агрессивных явлений для бетона в умеренном климате является мороз. Бетоны, предназначенные для таких условий, должны содержать большее количество цемента, что делает их еще менее экологически чистыми материалами. Вот почему важно также использовать отходы в этих типах бетонов.
Мировое производство диоксида титана в 2019 г. оценивалось в 7.2 млн т [8]. TiO2 в основном производится двумя способами — сульфатным и хлоридным. Около 45% мирового производства осуществляется сульфатным методом, при котором образуется различное количество различных видов побочных продуктов и отходов. Каждая тонна TiO2 произведенный этим методом, дает около 2.3 тонны FeSO.4· 7H2O, 1.5 тонны FeSO4∙Ч2O, 0.7 т красного гипса и 0.35 т ильменитового шламового отхода [9,10,11]. Сульфат железа является побочным продуктом, используемым в основном в качестве восстановителя хрома (VI) при производстве цементного клинкера и в качестве флокулянта на очистных сооружениях. Красный гипс используется в производстве гипсовых штукатурок [10,11,12]. О потенциальных способах валоризации ильменитовых шламовых отходов имеется всего несколько публикаций [13,14,15,16], но даже в случае их успеха они не могли использовать большие объемы, имея в виду, что мировое производство этих отходов исчисляется на уровне 1.1 млн т в год [8,17,18].
Целью данной статьи является проверка теории о том, что отходы, такие как ильменитовый шлам, могут быть использованы в качестве добавки к бетону, устойчивому к морозостойкой коррозии. Это потенциально может повысить ценность этих промышленных отходов и сделать бетон более устойчивым и, следовательно, более экологичным. Поскольку ильменитовый шлам содержит некоторое количество невыщелоченного TiO2 бетон, содержащий эти отходы, может также иметь фотокаталитический эффект, помогающий снизить уровень NOx в воздухе [19,20]. Отходы, вероятно, также содержат некоторое количество частиц нанокремнезема, которые могут повлиять на реологию цементного теста [21,22]. Существует два основных способа сделать бетон устойчивым к морозу. Оба они требуют относительно большого количества цемента (более 320 кг/м 3 ) и низкого водоцементного отношения, но один из способов, предпочтительный по стандарту EN 206 [23], требует также введения воздуха в бетонную смесь. Воздушные пустоты предотвращают повреждение структуры затвердевшего бетона увеличивающимся объемом замерзающей воды [24,25,26,27,28]. Другим способом повышения устойчивости бетона к морозу является уплотнение его структуры, что предотвращает проникновение воды в бетон и его повреждение при замерзании. Этого можно добиться, используя еще большее количество цемента (более 380 кг/м 3 ) и низкое водоцементное отношение (0.30 или даже меньше) и не используя воздухопроницаемые агенты. Этот способ защиты бетона от морозного воздействия является более дорогим и трудным, как показывают результаты испытаний, проведенных Portland Cement Association [29] и другими [30], так как этот тип бетона имеет высокую автогенную усадку и может иметь раннее разрушение. склонность к возрастной усадке и растрескиванию [31]. Этот вид морозостойкого бетона используется при производстве сборных железобетонных изделий в виде брусчатки и плит, изготавливаемых по вибропрессованной технологии [32,33,34].
В данной статье представлен новый способ валоризации ильменитовых шламоотходов в качестве добавки к морозостойким бетонам. Предыдущие статьи [21,35] показали, что отходы ильменитового бурового раствора могут быть полезным материалом в качестве добавки для типичных дешевых бетонов с низким классом сжатия и изготовленных из обычных материалов. В этой статье представлены результаты испытаний, выполненных для более высоких классов прочности на сжатие, которые выдерживают более экстремальные условия, включая воздействие мороза с противогололедными солями.
Морозостойкость и пористая структура бетона с добавками резиновых заполнителей и нано-SiO2
Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Связанные данные
Данные содержатся в статье.
Абстрактные
Данная статья направлена на разработку морозостойких бетонов, исследование их пористой структуры и механизма разрушения при замораживании-оттаивании. Морозостойкие бетонные смеси разработаны с использованием частиц каучука и нано-SiO.2 частично заменить пески. Измеряются и анализируются длины хорд, удельные площади поверхности, содержание и коэффициенты расстояния между порами в разработанных бетонах. Результаты показывают, что бетонная смесь с добавлением 5 % силанизированного каучука и 3 % нанокремнезема демонстрирует хороший синергетический эффект, учитывая как потерю массы, так и относительный динамический модуль упругости (RDME). Степень разрушения бетона при замерзании и оттаивании может быть снижена за счет добавления частиц высокоэластичной резины за счет заполнения и ограничения пор, что приводит к более равномерному распределению пор и меньшему коэффициенту расстояния между порами. Кроме того, проанализированы и предложены корреляции между морозостойкостью и пористостью.
1. Введение
Морозостойкость является одним из основных показателей долговечности бетона, который можно повысить введением в состав бетона воздухововлекающей добавки [1]. С развитием науки и техники и охраной окружающей среды морозостойкость бетона можно значительно повысить за счет добавления в бетон отходов резины [2,3]. В то же время из-за малого размера частиц и большой удельной поверхности нано-SiO2, добавив такое же количество нано-SiO2 вместо цемента в бетон может дать преимущество его мелкодисперсному наполнению, хорошему пуццолановому и нуклеационному эффектам, улучшению структуры переходной зоны, плотности и прочности, особенно ранней прочности и морозостойкости [4].
Однако из-за значительной разницы физико-химических свойств между органическим каучуком и неорганическим цементным бетоном процесс их объединения часто бывает сложным, что приводит к плохим характеристикам сжатия [5]. Добавление силанового связующего агента способствует смачиванию неорганических материалов и химическому связыванию между углеродными функциональными группами в силановом связующем агенте и органическими функциональными группами в полимере. Два материала с разными свойствами можно хорошо комбинировать за счет химического связывания, что может повысить прочность сцепления граничного слоя композита, улучшить сжатие и морозостойкость композита, а также снизить стоимость.
Повреждение бетона от замораживания и оттаивания является важной научной темой с 1940-х годов, и были предложены и исследованы некоторые гипотезы и теории повреждения от мороза [6]. Некоторые исследователи в основном исследуют относительные макрохарактеристики морозостойких бетонов и анализируют макроскопические явления по свойствам на мезомасштабном и микромасштабном уровнях [7,8]. В настоящее время исследованиям микроструктуры уделяется большое внимание в области исследований морозостойких бетонов. Бетонная матрица и микроструктура в основном определяются заполнителями, вяжущими гидратообразованиями и межфазной переходной зоной (ИТЗ, толщина 10–50 мкм). Свойства заполнителей (например, плотность, форма, пористость и т. д.) оказывают большое влияние на механическую прочность бетона, а также на модуль упругости, плотность и стабильность объема [9]. Продукт гидратации цемента, включающий твердую фазу, влагу и пористость, влияет на усадку и ползучесть [10]. ITZ обычно является самой слабой частью бетона, который имеет относительно более высокую пористость и больше микротрещин и обогащен эттрингитом и Ca (OH).2 [11].
Для повышения морозостойкости бетона были исследованы некоторые возможные меры, такие как использование гидрофобных покрытий, добавление воздухововлекающих добавок и оптимизация матрицы с помощью модифицированного сырья [12,13,14]. Доказано, что резиновые заполнители снижают степень повреждения при замораживании-оттаивании [15]. Однако оптимальное содержание каучука и слабая межфазная связь между каучуком и матрицей до сих пор недостаточно изучены или решены. В то же время резиновые заполнители, как правило, снижают механическую прочность бетона [16]. Использование нанокремнезема может эффективно улучшить микроструктуру и механическую прочность благодаря их пуццолановому эффекту, эффекту наполнителя и эффекту зародышеобразования [17]. Следовательно, необходимо разработать морозостойкий бетон в сочетании с резиновыми заполнителями и нанокремнеземом и проанализировать механизм его морозо-оттаивания.
Морозостойкость и механические свойства зависят от пористой структуры, такой как морфология пор и распределение пор по размерам [18]. Тогда морозостойкость и механические свойства будут влиять на срок службы бетонной конструкции. Однако поровая структура бетона очень сложна и описывается многими ключевыми параметрами, такими как пористость, диаметр, длина хорды, удельная поверхность, коэффициент заполнения и т. д. [19]. Таким образом, вопрос о том, как анализировать морозостойкость по этим ключевым параметрам пористости, остается весьма актуальным, и необходимо предложить возможные взаимосвязи между структурой пор и морозостойкостью бетона. В данной работе исследуются морозостойкость и пористая структура бетонов с добавлением каучуковых заполнителей и нано-SiO.2.
2. Экспериментальная программа
2.1. Сырье и пропорция смеси
Смеси разработаны в составе следующих материалов: цемент ПЦ 32.5Р, зола унос, нанокремнезем, песок речной, крупный заполнитель, резиновая крошка, пластификатор и вода. Физические и химические свойства цемента приведены в таблице 1 . Свойства нано-SiO2 перечислены в таблице 2 . Размер частиц крупного заполнителя составляет от 5 мм до 20 мм, а его удельная плотность составляет 2.71 г/см 3 . Частицы каучука получают из переработанных старых покрышек, средний размер частиц составляет 140 мкм, а удельная плотность составляет 1.11 г/см 3 . Для улучшения связи между каучуком и матрицей в этой статье используются и исследуются как нормальные, так и силанизированные частицы каучука соответственно.
Влияние добавок самоуплотняющихся бетонов на морозостойкость и прочность на сжатие — соизмеримость критериев морозостойкости
Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Связанные данные
Данные, представленные в этом исследовании, доступны по запросу от соответствующего автора.
Абстрактные
В статье представлены результаты оригинальных и актуальных испытаний с точки зрения применения самоуплотняющихся добавок в бетон, особенности их совместимости с цементом и взаимной совместимости в случае использования нескольких добавок в одной смеси. Исследование способствует признанию влияния непреднамеренно воздухововлекающих суперпластификатора (СП), антипенных (АФА), модифицирующих вязкость (ВМА) и воздухововлекающих (АЭА) добавок на внутреннюю морозостойкость и прочность на сжатие самоуплотняющийся бетон. Положительные и нежелательные эффекты комбинированного применения нескольких добавок в этой области до сих пор не были предметом обширных анализов и публикаций. Суперпластификатор, непреднамеренно вводивший в бетонную смесь большое количество воздуха, отрицательно сказался на прочности бетона и положительно сказался на морозостойкости. Введение АФА в такие бетоны не изменило прочности, но ухудшило значения показателей, оценивающих морозостойкость. Добавка АЭА привела к снижению прочности бетона, но способствовала изменению тенденции к ослаблению морозостойкости, наблюдаемой в бетоне без воздухововлечения. В статье также рассматривается проблема соответствия критериев морозостойкости, оцениваемых по различным показателям. Может вызвать беспокойство тот факт, что определение морозостойкости по одному критерию не всегда означает морозостойкость по другому критерию. Расхождения могут быть значительными и вводящими в заблуждение.
Ключевые слова: добавки в бетон, неразрушающий контроль, методы внутренней морозостойкости, критерии морозостойкости, прочность на сжатие
1. Введение
Морозостойкий бетон, в том числе самоуплотняющийся бетон (СУБ), должен иметь соответствующую структуру пористости. Преднамеренная аэрация достигается применением воздухововлекающих добавок. Воздухововлекающие вещества обладают пенообразующим действием и, прежде всего, стабилизируют вводимый воздух, придавая микропузырькам воздуха соответствующую структуру (распределение и размер). Пузырьки действуют как камеры компенсации напряжения. Замерзая в капиллярах, вода может вдавливаться в пустые пузырьки, что предотвращает разрыв бетонной конструкции. Микропузырьки прерывают непрерывность капилляров в бетоне, что препятствует капиллярному и осмотическому переносу воды. В результате упомянутые выше механизмы делают бетон устойчивым к разрушительному воздействию мороза. К сожалению, другие добавки, помимо воздухововлекающих, необходимые для получения надлежащей консистенции бетона SCC или антисегрегационные, такие как добавки, изменяющие вязкость (VMA) [1,2], не являются безразличными из-за получаемого содержания воздуха. В настоящее время существует множество производимых добавок и большая вариабельность их свойств в пределах одного вида, понимаемого как группа химических продуктов, влияние которых на то или иное свойство или несколько свойств бетонной смеси и/или затвердевшего бетона известно. Однако невозможно предсказать все эффекты примесей или нежелательные эффекты. В числе прочих в публикациях [3,4,5,6,7] анализируется влияние добавок, в основном воздухововлекающих, на морозостойкость бетона.
Побочным эффектом применения некоторых суперпластификаторов может быть введение в бетонную смесь значительного количества воздуха. Промышленно выпускаемые суперпластификаторы этого типа часто содержат значительное количество непрореагировавшего макромономера (около 10%). Следовательно, обычен механизм образования существенной пены. Чрезмерное воздухововлечение в основном вызвано снижением поверхностного натяжения жидкой фазы в цементном тесте. Стандартные требования [8,9] к химическим добавкам к бетону ограничивают увеличение содержания воздуха в смеси из-за добавления суперпластификатора до 2% по сравнению со смесью без добавки. Результаты испытаний из Ref. [10] подтверждают, что новые поколения суперпластификаторов обладают отрицательным воздухововлекающим эффектом. Поры в затвердевшем бетоне достигают диаметра более 1 мм. Такое непреднамеренное воздухововлечение бетона может быть связано как с положительными, так и с отрицательными последствиями. Количественное влияние этого типа суперпластификаторов (СП) на анализируемые параметры твердеющего бетона в литературе широко не описано. Существует анализ влияния «воздухововлекающих» ПП на свойства бетона, отличные от рассмотренных в данной статье [11,12,13,14].
Самоуплотняющаяся бетонная смесь должна обладать хорошей текучестью и в то же время вязкостью, препятствующей расслоению заполнителя во время и после укладки смеси. Возможно использование добавки в виде модификатора, регулирующего внутреннюю консистенцию бетонной смеси, общеизвестного как добавка, модифицирующая вязкость (ВМА), которая повышает вязкость цементного теста без необходимости снижения содержания воды или увеличить содержание пылевой фракции [15,16]. ВМА обычно представляют собой водорастворимые полисахариды, образующие сеть длинноцепочечных частиц, поддерживающих однородность бетонной смеси [1,2]. Высокая эффективность этих добавок затрудняет их использование, связанную с дозировкой и побочными эффектами, такими как возможность увеличения содержания воздуха в смеси из-за менее эффективной деаэрации. Согласно статье [17], добавки, модифицирующие вязкость (ВМА), могут увеличить потребность в воздухововлекающих добавках, позволяя достичь оптимального количества воздуха в бетонной смеси. Повышенное содержание VMA увеличивает количество воды, которое может быть связано с полимером. В результате для AEA доступно меньше свободной воды, и по мере увеличения количества VMA требуется больше AEA.
Результаты испытаний [18] подтвердили увеличение содержания воздуха наряду с увеличением количества ВМА. Увеличение количества воздуха, вызванное ВМА, составило 1.4, 2.5, 3.5 и 4.0 % соответственно при 0.01, 0.0275, 0.045 и 0.08 % вносимой добавки по отношению к количеству воды в м 3 смеси. Кроме того, добавки ВМА небезразлично влияют на прочность бетона, что также связано с его морозостойкостью.
Влияние добавки ВМА на прочность бетона на сжатие описано в [19]. В бетонах с добавлением ВМА сообщалось о снижении прочности через 28 дней (до 5%) по сравнению с бетонами без модификатора вязкости.
В других испытаниях [20] была получена несколько более высокая прочность на сжатие бетонов, содержащих ВМА. По сравнению с бетоном без модификатора прочность бетона с ВМА выше на 15 %. Более высокое содержание ВМА означало, что прочность на сжатие также была выше, чем в случае бетона без ВМА, но прирост был меньшим — до 8 %.
Антивспениватель (AFA) можно использовать для уменьшения избыточного содержания воздуха в самоуплотняющемся бетоне. АФА вызывает дестабилизацию, разрывает поверхность пузырьков воздуха на пену и вызывает коалесценцию. АФА влияет на структуру и распределение пор в бетоне [21,22]. Однако при использовании АФА возникает проблема совместимости системы суперпластификатор–антипенная добавка [23].
Экспериментальные исследования, представленные в данной статье, были направлены на определение эффекта применения химических добавок различного действия в самоуплотняющихся бетонах и их взаимного взаимодействия. Исследования касались двух видов суперпластификаторов (СП), в том числе вызывающего непреднамеренное воздухововлечение бетонной смеси, антипенных (АПВ), воздухововлекающих (АЭА) и модифицирующих вязкость (ВМА) добавок. Анализируемыми свойствами бетона были внутренняя морозостойкость и прочность на сжатие. Также была проверена информация [24] о морозостойкости высокопрочного, самоуплотняющегося, невоздухововлекающего бетона. Кроме того, результаты испытаний внутренней морозостойкости тремя методами побудили авторов обсудить эквивалентность критериев оценки этого параметра. Авторы намеревались проверить, можно ли неразрушающим методом оценить морозостойкость невоздухововлекающих и воздухововлекающих бетонов, модифицированных различными дополнительными добавками.
Кроме того, был задан вопрос, согласуется ли влияние дополнительных добавок на пористость бетона с результатами его морозостойкости, определяемыми разрушающим и неразрушающим методами? Для этого определяли пористость самоуплотняющихся воздухововлекающих и воздухововлекающих бетонов, модифицированных дополнительными добавками АФА и ВМА, и затем сравнивали их с морозостойкостью бетона, оцененной указанными выше методами. Наконец, было проверено, позволяет ли неразрушающий метод количественно оценить морозостойкость самоуплотняющихся бетонов, модифицированных несколькими одновременно применяемыми добавками.
2. Материалы и методология испытаний
2.1. Испытанные бетоны
Были испытаны семь видов самоуплотняющихся бетонов. Их основной состав сведен в Таблицу 1 . Отдельные бетоны различались типами добавок, используемых для приготовления смесей. Конкретные символы, используемые в дальнейшем описании результатов испытаний, типы добавок и объяснение их действия приведены в таблице 2. В табл. 3 приведены сведения о дозировках используемых добавок. Консистенция бетонных смесей и содержание воздуха, определенные в соответствии с требованиями соответствующих стандартов, представлены в таблице 4.
