Противоморозные добавки в бетон при холодном бетонировании – Конструктор

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.

Противоморозные добавки к бетону при холодном бетонировании

Традиционные химические добавки в бетон для холодной погоды

В обычном бетоне в качестве ускоряющей добавки использовался хлорид кальция, чтобы компенсировать замедляющий эффект медленной гидратации бетона при низких температурах. Эта добавка не эффективна при температурах ниже нуля. Обнаружено, что это является недостатком традиционной формы примесей. Следовательно, для арктических погодных условий необходимы специальные добавки. Одним из таких являются примеси антифриза.

Противоморозные добавки для бетона

Незамерзающие добавки влияют на физическое состояние воды замеса, используемой при бетонировании. Они могут значительно снизить температуру замерзания воды и могут использоваться при температурах ниже -30 градусов по Цельсию. Это может позволить продлить период строительной деятельности.

Химический состав и действие примесей к антифризам

Различают две группы присадок к антифризам, обеспечивающие характеристики антифриза и свойства ускоренного схватывания и затвердевания. Они есть: 1. Первая группа: Сюда входят химикаты, слабые электролиты, нитрит натрия, хлорид натрия и неэлектролитические органические соединения, которые снижают температуру замерзания воды, используемой в бетоне. Но эти группы действуют как слабые ускорители, способствующие схватыванию и затвердеванию. 2. Вторая группа К ним относятся бинарные, а также тройные добавки, которые содержат калий и добавки на основе хлорида кальция, нитрита натрия, хлорида кальция с нитритом натрия, нитрит кальция-нитрат-мочевина и другие химические вещества. Они обладают эффективными антифризными свойствами и ускоряющими свойствами, что способствует схватыванию и затвердеванию. Они используются в больших дозах по сравнению с обычными добавками. Одним из таких примеров является использование 8% нитрита натрия для поддержания температуры жидкости -15 градусов по Цельсию. Эти добавки снижают температуру замерзания жидкой фазы и ускоряют гидратацию цемента при температуре замерзания. В зависимости от дозировки в смеси, не содержащая хлоридов добавка позволяет укладывать смесь (бетон или раствор) при температурах ниже точки замерзания. Это, следовательно, снижает потребность в защитных мерах, необходимых во время работ по холодному атмосферному воздействию. Этот метод улучшает качество бетона и, поскольку он способствует раннему схватыванию, также может быть выполнен ранний демонтаж опалубки. Это помогает повторно использовать форму в течение небольшого промежутка времени и, следовательно, ускоряет строительство. Таблица 1 показывает значительную разницу в приросте прочности через 3, 7 и 28 дней для обычного бетона и бетона с антифризной добавкой.

Таблица 1: Прочность бетона на сжатие с добавлением антифриза и без него

(По Ратинову и Розенбургу)

Возможно включение других добавок, содержащих суперпластификаторы, в смеси с антифризами. Основное преимущество такой комбинации в том, что в сумме будет происходить уменьшение количества воды. Уменьшение количества воды уменьшит содержание замерзающей свободной воды в смеси. Это замерзающее содержание воды служит теплоотводом для тепла, высвобождаемого в результате начальных реакций гидратации. Это, следовательно, уменьшит количество примесей антифриза.

Подбор присадок к антифризам

1. Тип структуры
2. Условия эксплуатации
3. Методы защиты, применяемые при зимнем бетонировании
4. Марка цемента и виды заполнителей

Применение и преимущества присадок к антифризам

Противоморозные добавки технологически просты и выгодны при бетонировании в холодную погоду. Добавка помогает улучшить сцепление, свести к минимуму образование холодных швов, образование полос песка и пластичность. По оценкам, они обеспечивают большую экономию средств, чем другие методы отверждения паром или бетонные ограждения. Комбинация антифризов с реагентами, снижающими содержание воды или воздухововлекающими агентами, поможет повысить стойкость бетона к действию мороза и коррозии. Подробнее: Бетон в погодных условиях, под водой и агрессивных грунтах Какие бывают виды бетона? Каковы их приложения? Типы усадок в бетоне и их предотвращение