Описана технология модификации керамзитобетона вторичным поливинилхлоридом. Результаты испытания полученных образцов. Описана технология приготовления легкой бетонной смеси и режимы ее термообработки.
Модификация бетонов высокомолекулярными соединениями - распространенный и достаточно изученный способ улучшения их деформативно - прочностных свойств, коррозионной стойкости и морозостойкости. Введение твердых отходов термопластов в состав бетонной смеси малоизученный прием модификации легких бетонов, так как имеющиеся в наличии твердые полимерные отходы перерабатываются, как правило, до 50 % в те же изделия, что и товарный продукт: пленку, трубы, окна и двери, профильные изделия и предметы ширпотреба.
Для модификации структуры керамзитобетона был использован вторичный поливинилхлорид (ПВХ) - мелко измельченный отход производства дренажных гофрированных труб фракции 0,006-0,15 мм, более 90 % которых составляет ПВХ. Для снижения хрупкости композиции, обеспечения равномерности перемешивания и снижения температуры плавления ПВХ предварительно смешивается с дибутилфталатом (ДБФ), выдерживается не менее 6 часов, после чего вводится в состав бетонной смеси на стадии перемешивания заполнителей.
Для равномерного распределения отходов ПВХ в бетонной смеси и последующего оплавления при термообработке приняли наиболее распространенный и доступный пластификатор - дибутилфталат (ДБФ) ДБФ - эмпирическая формула С16Н22О4.
Для приготовления керамзитобетона, в качестве крупного заполнителя применялся керамзитовый гравий крупностью зерен 5-20 мм, марки по насыпной плотности 600 кг/м3.
В качестве мелкого заполнителя была применена смесь дробленого и обжигового керамзитового песка в соотношении по объему 1:3, песок кварцевый (речной) и карбонатный. При этом модуль крупности составлял соответственно 1,9:1,5:1,4. Насыпная плотность песков: дробленого керамзитового, кварцевого и карбона составляла соответственно 950, 1400, 1310 кг/м3, насыпная плотность обжигового керамзитового песка - 650 кг/м3. Бетонные смеси приготовляли на портландцементе марки 400 Воскресенского цементного завода. В экспериментальных работа применялись также традиционные для легких бетонов добавки, воздухововлекающая - СДО и пластифицирующая ЛСТМ-2.
Были исследованы основные физико-механические свойства керамзитобетона с добавкой измельченного вторичного поливинилхлорида, вводимого в бетонную смесь при ее приготовлении.
Для правильной оценки влияния модифицирующей добавки необходимо, придерживаться стабильного состава исходного бетона, несмотря на различие в видах песка. Целесообразно, также, оценить возможное снижение расхода цемента в модифицированных бетонах для равномарочных бетонов. Все эксперименты выполнялись на бетонных смесях равной пластичности в интервале 1,5-2,0 осадки
конуса.
Экспериментально оптимизирована следующая последовательность приготовления бетонов модифицированных отходами ПВХ:
1. Загрузка и перемешивание заполнителей совместно с композицией «ПВХ+ДБФ» и 1/3 воды.
2. Введение цемента с пластифицирующей добавкой и 1/3 воды.
3. Оставшаяся часть воды с воздухововлекающей добавкой. Общее время перемешивания составляющей 5-7 мин.
Введение пастообразной композиции «ПВХ+ДБФ» вместе с заполнителем обеспечивает равномерное распределение ее по объему изделия, при этом необходимо увеличивать время перемешивания на этой стадии на 1-1,5 мин, что приводит к полному разрушению «комков» ПВХ с агрегированными по поверхности частицами песка.
После формирования образцы подвергались термообработке по различным температурно-временным режимам: тепловлажностной обработке по режиму: 4 часа предварительная выдержка, 3 часа подъем температуры, 5 часов изотермическая выдержка при Т = 75 °С, 8 часов естественное остывание (4-3-5-8); сухой прогрев при Т = (140-150) °С по режиму 4-1,5-4,5-8.
Цель варьирования тепловых режимов - добиться оптимальных условий для плавления ПВХ, превращения его формы и омоноличивания дефектов структуры цементно-песчаной матрицы бетона.
При этом были определены следующие характеристики: кубиковая прочность, средняя плотность, призменная прочность, прочность на растяжение, начальный модуль упругости, коэффициент Пуассона, предельные деформации, ползучесть и усадка, а также коэффициент теплопроводности, исследовалась морозостойкость.
В качестве объекта модификации выбраны керамзитобетоны М75...М100 (В5...В75) на различных песках: кварцевом, карбонатном и дробленном керамзитовом. Выбор различных типов песков обусловлен необходимостью расширить номенклатуру модифицированных бетонов. Контрольные составы бетонов плотной и поризованной структуры приведены в таблице.
|
М |
Бетон |
Цемент, кг |
Керамзит по фр., л |
Песок, л |
Вода, м |
Добавки, % |
||
|
10-20 мм |
5-10 мм |
СДО |
ЛСТ |
|||||
|
1 |
Плотный М100 (В7, 5) |
260 |
360 |
540 |
500 |
190-250 |
- |
- |
|
2 |
Поризован-ный М75 (В5, 0) |
250 |
400 |
600 |
350 |
170-180 |
0,2 |
0,2 |
Высокотемпературная сушка образцов - наиболее эффективный способ термообработки для контрольных и модинфицированных образцов, как на кварцевом, так и на карбонатном песках. Следует отметить значительное возрастание прочности бетона после модификации и ярко выраженное уплотняющее действие композиции «ПВХ+ДБФ».
Опытные формовки, проведенные на различных видах песков показали, что введение отходов ПВХ свыше 35 кг/м3 в состав бетонной смеси нецелесообразно, так как это не приводит к существенному увеличению прочности керамзитобетона (рисунок).
Соотношение объемов ДБФ и ПВХ в период подготовки модифицирующей композиции должно быть близко к 0,3-0,5, так как снижение этой величины менее 0,3 приводит к комкуемости ПВХ в бетономешалке и неравномерности перемешивания по объему бетонной смеси.
При модификации отходами ПВХ керамзитобетона на пористом керамзитовом песке, что на керамзитобетоне плотной структуры без воздухововлекающих добавок эффект значительно снижается. Так, например, для поризованного керамзитобетона увеличение прочности после модификации составляет 100 %, а для керамзитобетона плотной структуры 20 %. Это обстоятельство связано, с возможностью заполнения поровой структуры бетона расплавленной композицией ПВХ, увеличивающейся в объеме в несколько раз по сравнению с объемом исходного, полимера. Кроме того, выделение летучих их веществ при ТО в большей степени разрыхляет структуру плотного бетона, чем поризованного.
Зависимость прочности при сжатии и плотности бетона от содержания отходов ПВХ
Изменение плотности бетонов на кварцевом и керамзитовом песках при увеличении содержания ПВХ в целом также характеризуется экстремальными зависимостями с максимумом, приходящимся на содержание ПВХ в количестве 35 кг/м3 или около 60 л/м3 (рисунок б).
При этом следует отметить, что при увеличении плотности бетонов менее чем на 200 кг/м3, прочность при сжатии практически удваивается. Снижение плотности бетона при увеличении концентрации ПВХ вызвано разуплотнением структуры бетона выделяющимися в большом объеме газообразными продуктами
С практической точки зрения большой интерес представляет поверхностная модификация бетонов полимеризующимися составами. Для такого рода изделий и конструкций, например, плит полов, стеновых камней и др. эксплуатирующихся в условиях одностороннего воздействия агрессивной, водной, воздушной среды или механического воздействия (абразивный износ, ударные нагрузки) достаточно провести поверхностную (1,0-1,5), а не объемную модификацию. Кроме того, ПВХ расплавляясь в структуре бетона во время термообработки стремится под действием силы тяжести к нижней поверхности изделия и концентрация его, а значит, и модифицирующее воздействие должно быть выше с нижней (во время термообработки) поверхности.
Для оценки этих предположений были изготовлены образцы - кубы и плиты из керамзитобетона с добавкой ПВХ (по объему) в интервале до 200 л/м3 по насыпному объему. После термообработки при 150 °С в течение 5 часов образцы испытывались на истираемость по нижней и по верхней граням - «лицом вниз» и «лицом вверх».
Для определения технологических особенностей поверхностной модификации бетонных изделий были отформованы образцы - призмы из керамзитобетона на карбонатном песке бетонного слоя с ПВХ по одной из граней от I до 3 см. После термообработки по режиму 150 °С в течение 5 часов призмы испытывались на прочность при растяжении. Разрушение образцов происходило по не модифицированному бетону, ни каких дефектов в контактной зоне до и после испытаний не наблюдалось. Значение прочности при растяжении при этом составляет 0,9-1,1 МПа.
Таким образом, послойное формование изделий можно успешно применять при модификации одной из граней различных плит полов, тротуарных плит, стеновых блоков, поверхности архитектурных элементов.
Для модифицированного оптимальной добавкой ПВХ бетона линейный классический вид зависимости сохраняется, но на более высоком уровне. Из представленных зависимостей следует, что при экстраполяции прямых в область более высших значений расхода цемента эффект введения ПВХ для одномарочных бетонов, например, MI50 (BI2,5) будет эквивалентен снижению расхода цемента на 60-70 кг/м3.
Выводы
1. Установлено, что введение мелкодисперсных отходов ПВХ в оптимальных дозировках - 50-100 л в насыпном виде или 35-70 кг/м3 способствует увеличению прочности керамзитобетона на различных песках в 1,5-2 раза.
2. Введение отходов ПВХ в бетонную смесь возможно только после совмещения с пластификатором в соотношении I: (0,3-0,5) по объему и выдержки композиции не менее 6 часов.
3. Установлено, что на керамзитобетоне плотной структуры без воздухововлекающих добавок эффект модификации композицией «ПВХ+ДБФ» значительно снижается. Для поризованного керамзитобетона увеличение прочности после модификации составляет 100 %, а для керамзитобетона плотной структуры 20 %.
4. Экспериментально обосновано, что высокотемпературная cyшка образцов при температуре 140-150 °С в течение 4-5 часов наиболее эффективный способ термообработки с ПВХ на всех видах мелких заполнителей.
5. Доказано, что эксплуатационные качества поверхности модифицированных образцов зависят от их пространственного расположения во время термообработки, вследствие оплавления ПВХ и перемещения под воздействием собственной массы.
6. В интервале расхода цемента от 180 до 260 кг/м3 для керамзитобетона с ПВХ и без него прочность при сжатии изменяется по линейному закону, но на более высоком уровне для модифицированных бетонов. Установлено, что для равнопрочных бетонов эффект модификации эквивалентен экономии расхода цемента 60-70 кг/м3.
7. Экспериментально подтверждена возможность поверхностной модификации бетонных изделий методом послойной укладки бетонных смесей с ПВХ и без него. Отслоений и дефектов в контактном слое не наблюдается. При испытаниях на прочность при растяжении граница разрушения проходит по не модифицированному слою.