Неорганические вяжущие материалы
Для укрепления естественных и техногенных грунтов применяют следующие основные минеральные вяжущие материалы:
- портландцемент, шлакопортландцемент, известково-шлаковый цемент, а также другие виды цементов марок не ниже 300;
- известь молотую негашеную, известь гидратную, известь гидрофобизированную 1-го и 2-го сортов.
В качестве вяжущих или их компонентов используют следующие неорганические отходы и побочные продукты производства:
- гипсошлаковые и портландцементошламовые вяжущие;
- золы уноса сухого отбора;
- золошлаковые смеси гидроудаления;
- пыль уноса цементных заводов;
- нефелиновый шлам и бокситовый шлам;
- фосфополугидрат кальция по ТУ 6-08-412-80;
- комплексные вяжущие марок по прочности в 90-суточном возрасте, определяемой, не менее 100.
Комплексное вяжущее состоит из основного компонента и активатора твердения. В качестве основного компонента следует использовать слабоактивные и активные шлаки черной металлургии и шлаки фосфорные, основные золы уноса, бокситовые и нефелиновые шламы; в качестве активаторов твердения - портландцемент, шлакопортландцемент марок по прочности не ниже 400, известь строительную 1-го и 2-го сортов, гипс строительный марок не ниже Г10, содощелочной (содосульфатный) плав с содержанием Na2C03 не менее 95 % по массе и NaOH не менее 2 % по массе, жидкое стекло с кремнеземистым модулем 1,7 - 1,8 и плотностью от 1,15 до 1,25 г/см3.
Перечень отходов производства, используемых в качестве минеральных вяжущих для укрепления грунтов, постоянно пополняется по мере накопления результатов их исследований.
К числу гипсосодержащих отходов, применяемых в качестве медленнотвердеющих вяжущих, относятся и побочные продукты производства фтористого водорода - фторангидрит и ангидрито-силикатное вяжущее по ТУ 6-00-05807990-88-92. Получение фтористого водорода основывается на обработке тонкоизмельченного плавикового шпата 90 - 98 %-ной кислотой при температуре выше 200°С: CaF2 + H2S04 = 2HF + CaS04, Выгружаемый из печей материал содержит более 80 % CaS04, 0,5 - 5 % CaF2, 1,5 % Si02 и другие химические соединения. Перед отправкой в отвал или хранилище этот материал нейтрализуют введением тонкоизмельченного известняка или шлака сухим либо мокрым способом.
Фторангидрит представляет собой порошкообразный материал, включающий твердые гранулометрические частицы и характеризующийся показателем рН > 9,5.
Применение фторангидрита особенно эффективно при укреплении песчано-гравийных и золошлаковых смесей. В таких смесях фторангидрит выполняет функции как вяжущего, так и гранулометрической добавки. Укрепление песчано-гравийной смеси 4 - 6 % цемента в сочетании с 30 - 40 % фторангидрита позволяет получить материал марки по прочности М20 - М40, марки по морозостойкости F15. Введение в золошлаковую смесь, укрепленную 4 - 6 % цемента, 5 - 20 % фторангидрита позволяет также получить материал марки по прочности М10 - М40, марки по морозостойкости F25. Фторангидрит из отвалов (фторгипс) в комплексе с 30 - 50 % фторангидрита является прекрасным материалом (марка по прочности М40 - М60, марка по морозостойкости F25) для устройства оснований дорожных одежд .
Одним из перспективных направлений применения фторангидрита является использование его в составе ангидрито-силикатного вяжущего (АСВ). АСВ производит посредством смешения кислого фторангидрита и самораспадающегося ферросплавного шлака. Отличительной особенностью АСВ является то, что при его использовании упрочнение материала происходит за счет образования гидросиликатов кальция, в то время как при применении фторангидрита, нейтрализованного известью, упрочнение осуществляется за счет новообразований гипса. Это обстоятельство и определяет более высокие показатели водо- и морозостойкости конгломератов на основе АСВ в сравнении с материалами, укрепленными фторангидритом, нейтрализованным известью.
2.2.3 Определение тонкости помола по остатку по сите
Аппаратура:
Сито с сеткой № 008 по ГОСТ 6613.
Сетка должна быть хорошо натянута и плотно зажата в цилиндрической обойме. Сетку сита периодически осматривают в лупу. При обнаружении каких-либо дефектов в сетке (дырки, отход ткани от обоймы и т. д.) ее немедленно заменяют новой.
Прибор для механического или пневматического просеивания цемента.
Указанные приборы должны отвечать требованиям соответствующих технических условий.
Проведение испытаний.
Пробу цемента, подготовленную по ГОСТ 310.1, высушивают в сушильном шкафу при температуре 105-110°С в течение 2,ч. и охлаждают в эксикаторе.
При использовании прибора для механического просеивания отвешивают 50 г цемента с точностью до 0,05 г и высыпают его на сито. Закрыв сито крышкой, устанавливают его в прибор для механического просеивания. Через 5-7 мин от начала просеивания останавливают прибор, осторожно снимают донышко и высыпают из него прошедший через сито цемент, прочищают сетку с нижней стороны мягкой кистью, вставляют донышко и продолжают просеивание.
Операцию просеивания считают законченной, если при контрольном просеивании сквозь сито проходит не более 0,05 г цемента.
Контрольное просеивание выполняют вручную при снятом донышке на бумагу в течение 1 мин.
Тонкость помола цемента определяют как остаток на сите с сеткой № 008 в процентах к первоначальной массе просеиваемой пробы с точностью до 0,1 %.При использовании приборов для пневматического просеивания испытания выполняют в соответствии с инструкцией, прилагаемой к прибору.
При отсутствии в лаборатории приборов для механического или пневматического просеивания цемента допускается производить ручное просеивание.[6]
2.2.4 Определение тонкости помола по удельной поверхности
Определение тонкости помола цемента по удельной поверхности выполняется факультативно.
Аппаратура:
Прибор Ле-Шателье (чертеж).
Прибор для определения удельной поверхности методом воздухопроницаемости типа ПСХ, выпускаемый по соответствующим техническим условиям.
Определение плотности цемента
Прибор Ле-Шателье, закрепленный в штативе, помещают в стеклянный сосуд с водой так, чтобы вся его градуированная часть была погружена в воду. Необходимо, чтобы при отсчетах уровня жидкости в приборе температура воды в сосуде соответствовала температуре, при которой производили градуировку прибора.
Прибор наполняют обезвоженным керосином до нижней нулевой черты по нижнему мениску. После этого свободную от керосина часть прибора (выше нулевой черты) тщательно протирают тампоном из фильтровальной бумаги.
Рисунок 2.4 Прибор для определения плотности цемента
От пробы цемента отвешивают с точностью до 0,01г 65 г цемента и высыпают его в прибор ложечкой через воронку небольшими равномерными порциями до тех пор, пока уровень жидкости в приборе не поднимется до одного из делений в пределах верхней градуированной части прибора.
Для удаления пузырьков воздуха прибор с содержимым вынимают из сосуда с водой и поворачивают его в наклонном положении в течении 10 мин на гладком резиновом коврике. После чего прибор снова помещают в сосуд с водой не менее чем на 10 мин и производят отсчет уровня жидкости в приборе.[7]
Плотность цемента ( g ц ), г/см3, вычисляют по формуле
где m ц - навеска цемента, г;
V - объем жидкости, вытесненный цементом, см3.
Плотность испытуемого цемента вычисляют с точностью до 0,01 г/см3 как среднее арифметическое значение результатов двух определений, расхождение между которыми не должно превышать 0,02 г/см3.[7]
Допускается использование других методов определения плотности, обеспечивающих в соответствии с действующими для них инструкциями точность не менее ±0,01 г/см3.
Определение удельной поверхности цемента
Удельную поверхность цемента определяют в соответствии с инструкцией, прилагаемой к прибору.
2.2.5 Методы определения водоотделения
Аппаратура:
Фарфоровый стакан вместимостью 1 дм3.
Металлический шпатель.
Весы квадрантные ВЛКТ-2 кг-М.
Градуированный стеклянный цилиндр вместимостью 500 см3 по ГОСТ 1770.
Общие условия проведения испытания и точность отвешивания материалов должны соответствовать требованиям ГОСТ 310.1.
Отвешивают 350 г цемента и 350 г воды. Воду выливают в фарфоровый стакан, затем в стакан в течение 1 мин высыпают навеску цемента, непрерывно перемешивая содержимое металлическим шпателем. Полученное цементное тесто перемешивают еще 4 мин. и осторожно переливают в градуированный цилиндр. Цилиндр с цементным тестом ставят на стол и тотчас же отсчитывают объем цементного теста. В течение всего времени испытаний цилиндр должен стоять неподвижно и не подвергаться толчкам и встряхиванием.
Объем осевшего цементного теста (в см3) отмечают через 2 ч после первого отсчета и через каждые 30 мин при дальнейших наблюдениях. При совпадении двух последних отсчетов дальнейшее наблюдение прекращают, а содержимое цилиндра выливают.
Коэффициент водоотделения (объемный) (Кв) в процентах вычисляют по формуле,
где а - первоначальный объем цементного теста, см3;
в - объем осевшего цементного теста, см3.
Производят два параллельных определения. Водоотделение определяют как среднее из двух определений. Отклонение в результатах параллельных определений не должно превышать 1 %.
2.2.6 Определение нормальной густоты цементного теста
Аппаратура:
Прибор Вика с иглой и пестиком.
Кольцо к прибору Вика.
Мешалка для приготовления цементного теста.
Прибор Вика имеет цилиндрический металлический стержень 1, свободно перемещающийся в обойме станины 2. Для закрепления стержня на требуемой высоте служит стопор-нос устройство 3. Стержень снабжен указателем 4 для отсчета перемещения его относительно шкалы 5, прикрепленной к станине. Шкала имеет цену деления 1 мм.
При определении нормальной густоты цементного теста в нижнюю часть стержня вставляют металлический цилиндр-пестик 6.
При определении сроков схватывания пестик заменяют иглой 7.
Пестик должен быть изготовлен из нержавеющей стали с полированной поверхностью. Игла должна быть изготовлена из стальной жесткой нержавеющей проволоки с полированной поверхностью и не должна иметь искривлений. Поверхность пестика и иглы должна быть чистой.
Рисунок 2.5 Прибор Вика 1 - цилиндрический металлический стержень; 2 - обойма станины;3 - стопорное устройство; 4 - указатель; 5 - шкала; 6 - пестик; 7 - игла
Массу перемещающейся части прибора сохраняют взаимной перестановкой пестика и иглы. Отдельные детали перемещающейся части прибора подбирают таким образом, чтобы их общая масса находилась в пределах (300±2) г.
Кольцо к прибору Вика и пластинка, на которую устанавливают кольцо, должны быть изготовлены из нержавеющей стали, пластмассы или другого не впитывающего воду материала. Мешалка для приготовления цементного теста должна отвечать требованиям соответствующих технических условий.
При отсутствии в лаборатории механизированной мешалки для приготовления цементного теста применяют чашу сферической формы, изготовленную из нержавеющей стали.
Лопатку для перемешивания цементного теста изготовляют из упругой нержавеющей стали.
Нормальной густотой цементного теста считают такую консистенцию его, при которой пестик прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо.
Нормальную густоту цементного теста характеризуют количеством воды затворения, выраженным в процентах от массы цемента.
Пробу цемента подготавливают по ГОСТ 310.1 .
Перед началом испытания проверяют, свободно ли опускается стержень прибора Вика, а также нулевое показание прибора, соприкасая пестик с пластинкой, на которой расположено кольцо. При отклонении от нуля шкалу прибора соответствующим образом передвигают.
Кольцо и пластинку перед началом испытаний смазывают тонким слоем машинного масла.
Для ручного приготовления цементного теста отвешивают 400 г цемента, высыпают в чашу, предварительно протертую влажной тканью. Затем делают в цементе углубление, в которое вливают в один прием воду в количестве, необходимом (ориентировочно) для получения цементного теста нормальной густоты. Углубление засыпают цементом и через 30 с после прилипания воды сначала осторожно перемешивают, а затем энергично растирают тесто лопаткой.
Продолжительность перемешивания и растирания составляет 5 мин с момента приливания воды.
Цементное тесто на механической мешалке готовят в соответствии с прилагаемой к мешалке инструкцией.
После окончания перемешивания кольцо быстро наполняют в один прием цементным тестом и 5-6 раз встряхивают его, постукивая пластинку о твердое основание. Поверхность теста выравнивают с краями кольца, срезая избыток теста ножом, протертым влажной тканью. Немедленно после этого приводят пестик прибора в соприкосновение с поверхностью теста в центре кольца и закрепляют стержень стопорным устройством, затем быстро освобождают его и предоставляют пестику свободно погружаться в тесто. Через 30с с момента освобождения, стержня производят отсчет погружения по шкале. Кольцо с тестом при отсчете не должно подвергаться толчкам. При несоответствующей консистенции цементного теста изменяют количество воды и вновь затворяют тесто, добиваясь погружения пестика на глубину. Количество добавляемой воды для получения теста нормальной густоты определяют с точностью до 0,25 %.
2.2.7 Определение сроков схватывания
Перед началом испытания проверяют, свободно ли опускается стержень прибора Вика, а также нулевое отклонение прибора. Кроме того, проверяют чистоту, поверхности и отсутствие искривлении иглы. Иглу прибора доводят до соприкосновения с поверхностью цементного теста нормальной густоты, приготовленного и уложенного в кольцо. В этом положении закрепляют стержень стопором, затем освобождают стержень, давая игле свободно погружаться в тесто. В начале испытания, пока тесто находится в пластичном состоянии, во избежание сильного удара иглы о пластинку допускается слегка ее задерживать при погружении в тесто. Как только тесто загустеет настолько, что опасность повреждения, иглы будет исключена, игле дают свободно опускаться. Момент начала схватывания определяют при свободном опускании иглы.[7]
Иглу погружают в тесто через каждые 10 мин, передвигая кольцо после каждого погружения для того, чтобы игла не попадала в прежнее место. После каждого погружения иглу вытирают.
Во время испытания прибор должен находиться в затененном месте, где нет сквозняков, и не должен подвергаться сотрясениям.
Началом схватывания цементного теста считают время, прошедшее от начала затворения (момента прилипания воды) до того момента, когда игла не доходит до пластинки на 2-4 мм. Концом схватывания цементного теста считают время от начала затворения до момента, когда игла опускается в тесто не более чем на 1-2 мм.
Сроки схватывания цементного теста на приборе с автоматической записью определяют в соответствии с инструкцией, прилагаемой к прибору.
2.2.8 Определение равномерности изменения объема
Аппаратура:
Автоклав с рабочим давлением не менее 2,1 МПа.
Бачок для испытания кипячением.
Ванна с гидравлическим затвором.
Бачок для испытания кипячением с регулятором уровня воды. Внутри бачка помещают съемную решетчатую полку для лепешек, которая находится на расстоянии не менее 5 см от дна бачка. Уровень воды в бачке должен перекрывать лепешки на 4-6 см в течение всего времени кипячения. Бачок с водой нагревают на любом нагревательном приборе, обеспечивающем доведение воды в бачке до кипения за 30-45 мин.
Ванны с гидравлическим затвором для хранения образцов (Рисунок 2.7) изготавливают из стойкого к коррозии материала (оцинкованная сталь). В ваннах устанавливают решетки для размещения на них образцов. Под решеткой всегда должна быть вода.
Рисунок 2.6 Ванна с гидравлическим затвором
Для испытания на равномерность изменения объема цемента готовят тесто нормальной густоты.
Две навески теста массой 75 г каждая, приготовленные в виде шариков, помещают на стеклянную пластинку, предварительно протертую машинным маслом. Постукивают ею о твердое основание до образования из шариков лепешек диаметром 7-8 см и толщиной в середине около 1 см. Лепешки заглаживают смоченным водой ножом от наружных краев к центру до образования острых краев и гладкой закругленной поверхности.
Приготовленные лепешки хранят в течение (24±2) ч с момента изготовления в ванне с гидравлическим затвором, а затем подвергают испытанию кипячением.
По истечении времени хранения две цементные лепешки вынимают из ванны, снимают с пластинок и помещают в бачок, с водой на решетку. Воду в бачке доводят до кипения, которое поддерживают в течение 3 ч, после чего лепешки в бачке охлаждают и производят их внешний осмотр немедленно после извлечения из воды. [8]
Цемент соответствует требованиям стандарта в отношении равномерности изменения объема, если на лицевой стороне лепешек не обнаружено радиальных, доходящих до краев, трещин или сетки мелких трещин, видимых невооруженным глазом или в лупу, а также каких-либо искривлений и увеличения объема лепешек. Искривления обнаруживают при помощи линейки, прикладываемой к плоской поверхности лепешки, при этом обнаруживаемые искривления не должны превышать 2 мм на краю или в середине лепешки. Допускается в первые сутки после испытаний появление трещин усыхания, не доходящих до краев лепешек, при условии сохранения звонкого звука при постукиваний лепешек одна о другую. Образцы лепешек, выдержавших и не выдержавших испытание на равномерность изменения объема. [8]
В случае, когда содержание оксида магния Mg О в клинкере, из которого был изготовлен испытуемый цемент, составляет более 5 %, следует дополнительно провести испытание равномерности изменения объема в автоклаве. Это испытание проводят только для цементов, выдержавших испытание.
Лепешку из теста, приготовленную и хранимую, вместо кипячения подвергают обработке в автоклаве по следующему режиму: подъем давления от атмосферного до 2,1 МПа -в течение 60-90 мин, выдержка при давлении 2,1 МПа -в течение 3 ч, снижение давления от 2,1 МПа от атмосферного -около 60 мин. После этого лепешку извлекают из автоклава, охлаждают до температуры помещения и немедленно ее осматривают.
Лепешки, выдержавшие испытания на равномерность изменения объема
Рисунок 2.7 Образец выдержавшие испытания на равномерность изменения объема
Лепешки, не выдержавшие испытания на равномерность изменения объема
Разрушение Радиальные трещины
Лепешки, не выдержавшие испытания на равномерность изменения объема.
Искривление Лепешки, выдержавшие испытания на
равномерность изменения объема
Трещины усыхания
Рисунок 2.8 Образец не выдержавшие испытания на равномерность изменения объема.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ накопленных данных научных исследований и практический опыт использования отходов фосфорной промышленности в нашей стране и за рубежом показал технико-экономическую целесообразность более широкого использования отходов в дорожном строительстве Как показывает мировой опыт, дорожное строительство является одним из наиболее материалоёмких производств, требующих расширения ассортимента применяемого сырья и материалов. Расширение сырьевой базы дорожного строительства, насыщение рынка строительными материалами низкой себестоимости можно осуществить путем замены природного сырья отходами фосфорной промышленности (фосфогипс, фосфорные шлаки, вскрышные породы). Утилизация исторических многотоннажных отходов фосфорной промышленности будет способствовать улучшению экологической обстановки и удешевлению дорожного строитльства Жамбылского региона.
Экономические преимущества комплексного использования природного сырья и отходов проявляются в следующем:
- достигается экономия капитальных вложений и снижение издержек в отраслях, производящих строительные материалы;
- использование отходов повышает рентабельность производства;
- переработка отходов позволяет стабилизировать экологическую обстановку в стране;
- комплексное использование природного сырья и отходов приводит к повышению уровня обеспеченности народного хозяйства материалами и изделиями, рациональному размещению производительных сил, уменьшению различных статей затрат и, следовательно, обеспечивает повышение эффективности капитальных вложений в народное хозяйство.
На основании изученных материалов и опыта работы некоторых предприятий можно с уверенностью сказать, что накопленные за многие годы отходы промышленности в Казахстане и других странах СНГ являются ценнейшим материалом для дорожного строительства, а их промышленная утилизация не только способствует улучшению экологической обстановки в стране, но и делает строительство дорог более рентабельным, а значит, способствует стабилизации общей экономической обстановки в стране.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Мирсаев, Р.Н. Фосфогипсовые отходы химической промышленности в производстве строительных изделий/ Р.Н. Мирсаев. – М.: Химия, 2004.
[2] Эвенчик, С.Д. Фосфогипс и его использование/ С.Д. Эвенчик, А.А. Новиков. - М.: Химия, 1990.
[3] Twirpx.com Учебно-методическая и профессиональная литература для студентов и преподавателей
[4]Совершенствование теоретических основ укрепления грунтов комплексными вяжущими с целью получения высокопрочных дорожных конструкций / Росдорнии, Союздорнии. - М., 2002.
[5]Фурсов С.Г. Уплотнение грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими // Наука и техника в дор. отрасли. - 2006. - № 4.
[6] ГОСТ 310.2-76 Методы определения тонкости помола.
[7] ГОСТ 310.6-85 Методы определения водоотделения.
[8] ГОСТ 310.3-76 Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема.