Высокоплотные бетоны для консервации токсичных веществ

Для консервации токсичных веществ целесообразно использовать высокоплотные бетоны повышенной долговечности.

Одним из путей создания высокоплотного бетона является использование высокоэффективных добавок нового типа. Добавкой такого рода является, например, золь – коллоидная добавка, содержащая дисперсии наноразмера (от 1 до 100 нм), которая должна способствовать образованию высокоплотных структур.

В качестве зольсодержащей добавки рассмотрен золь ортокремниевой кислоты, содержащий наночастицы оксида кремния (H4SiO4).

Золь (H4SiO4) получен путем катионирования раствора натриевого

жидкого стекла при разбавлении 1 : 20.

При оценке эффективности действия золя (H4SiO4) установлено, что оптимальное количество золя составляет 0,6 % от массы цемента, которое обеспечивает повышение прочности при сжатии на 28 %. В раннем (3 сут) и в проектном (28 сут) возрасте прочность при сжатии повышается на 18 % по сравнению с контрольным образцом.

Экспериментально установлено, что эффективность золя (H4SiO4) усиливается при модификации его гексацианоферратом калия К4[Fe(СN)6]. Полученной зольсодержащей композиции дано техническое название Hardness–M. В оптимальном количестве, равном 0,75 % от массы цемента, она обеспечивает повышение прочности при сжатии образцов из цементной пасты, твердеющих в нормальных условиях, в раннем возрасте (3 сут)

на 85 % и в проектном возрасте (28 сут) – на 46 %.

Физико-химические исследования показали, что использование зольсодержащей композиции Hardness–M усиливает гидратационные процессы цемента по сравнению с контрольными образцами, и образцами, активированными золем (H4SiO4). В качестве основных продуктов гидратации обнаружены тоберморитоподобные гидросиликаты. Усиление степени гидратации и появление новых фаз подтверждается и данными дифференциально-термического анализа, согласно которым у образцов искусственного камня с добавкой Hardness–M увеличивается содержание химически связанной воды. Повышение гидратационной активности цемента в присутствии зольсодержащей композиции подтверждается и данными ИК–спектроскопии, согласно которым на ИК–спектрах наблюдается увеличение полос поглощения, соответствующих деформационным и валентным колебаниям гидроксильных групп.

Результаты калориметрических исследований показали, что скорость тепловыделения и общее количество тепла, выделяющееся при гидратации, выше в образцах активированного цемента, чем в контрольных образцах.

Влияние композиции Hardness–M на физико-механические характеристики тяжелого бетона оценивали при максимальных расходах цемента до 900 кг/м3. Для этого в исследованиях был использован портландцемент ПЦ400 Д20 Пикалевского объединения «Глинозем», гранитная крошка размером 1,25–2,5 мм и песок для строительных работ с М = 2,1. Твердение образцов бетона осуществлялось в нормальных условиях при t = 20 ± 2 °С и влажности > 95 %. Испытания проводились по стандартным методикам. Для каждого вида испытаний изготавливались образцы в соответствии с требованиями ГОСТ. Полученные результаты представлены в табл.1.

Таблица 1

Физико–механические характеристики бетона с зольсодержащей композицией Hardness–M

Номер образца	Расход материала на 1 м3							В/Ц					Прочность, МПа						Усадка, мм/м, в возрасте 90 сут		Водопоглощение, %	Морозостойкость, циклов	Водонепроницаемость, атм
													при сжатии		при изгибе
	Ц	П	Гранитная крошка с размером частиц 1,25...2,5 мм	Добавка, %		Вода, л
													Время, сут
													3	28	3		28
1	600	566	1006		—		216			0,36		39		55	6,2	6,6		3,7			5,5	300	10
2
		580	1028		0,75		192			0,32		63		76	11,5	13,6		0,3			2,5	700	16
3	950	174	987	—		295			0,32		38			76	7,2	14,4		3,9		2,9		800	18
4
		184	1049	0,75		223			0,23		62			106	13,0	22,2		0,35		2,5		900	20

 

Анализ данных табл. 1 показывает, что прочность при сжатии и изгибе превышает более чем на 40 % прочность контрольного образца, и со временем прочность увеличивается. Модифицированный бетон отличается также повышенной плотностью, о чем можно судить по показателям водопоглощения, которое понижается на 45–50 % и достигает значения, равного 2,5 %. При этом водонепроницаемость бетона увеличивается и достигает значения 20 атм. Модифицированный бетон с указанными выше характеристиками может быть отнесен к категории высокоплотного бетона, который характеризуется также и повышенной долговечностью, о чем можно судить по высоким значениям морозостойкости (700–900 циклов).

Формирование более плотной структуры в присутствии зольсодержащей добавки подтверждается и данными микроскопических исследований.

Общая пористость активированного образца уменьшается болеечемна 40 %, при этом размер пор модифицированного искусственного камня уменьшается и преобладают преимущественно капиллярные поры с размером 0,03 мм. Таким образом, проведенные исследования показали, что использование зольсодержащей композиции Hardness–M обеспечивает формирование особо плотной структуры бетона, который имеет повышенное значение прочности и повышенную долговечность. Как было указано в начале статьи, высокоплотные бетоны целесообразно использовать для консервации токсичных веществ.

На предприятиях Российских железных дорог уже накоплено огромное количество отработанных деревянных шпал (ОДШ), и с каждым годом эта цифра увеличивается. Характер «утилизации» заменённых деревянных шпал представлен на рис. 1, из которого ясно, что проблема утилизации ОДШ до сих пор очень актуальна, поскольку шпалы, пропитанные каменноугольным маслом [1], являются источником выделения токсичных веществ.

С целью их определения авторами были проведены исследования по изучению концентрации фенолов и нефтепродуктов в водных вытяжках из ОДШ. В результате исследований водных вытяжек из утилизируемых отработанных деревянных шпал получены следующие результаты.

1. Качественный анализ водных вытяжек из ОДШ в возрасте 7 сут. позволил обнаружить в них следующие соединения: 3–аминофенол; фенол; 4–нитрофенол; 3–нитрофенол; 2–нитрофенол; 4–хлорфенол; 3,5–диметолфенол; 2,4–диметолфенол; пентахлорфенол; 3,4–дихлорфенол.

2. Анализ вытяжек из шпал в возрасте 4 месяца и 1 год на нефтепродукты и на общее содержание фенолов (фенольный индекс) показал их содержание в концентрациях, многократно превышающих нормы ПДК.

Рис. 1. Складирование деревянных железнодорожных шпал после их замены

Толщина минимально допустимого слоя высокоплотного бетона, изолирующего воздействие каменноугольного масла от окружающей среды, должна составлять более 0,8 см.

Способность бетона удерживать в себе загрязнения оценивалась по анализам водных вытяжек из образцов с содержанием ОДШ по сравнению с контрольными образцами. Методика состояла в следующем: 1) брали образцы–балочки, содержащие в своём составе ОДШ, при этом оценивались вес и объём образцов; рассчитывалась площадь поверхности образцов; 2)образцы помещались в цилиндры объёмом 1,0 л; 3) образцы заливались дистиллированной водой в объеме 500 мл.

Анализ водных вытяжек на нефтепродукты и общее содержание фенолов (фенольный индекс) проводился в аккредитованной лаборатории ФГУ «Центр сертификации и испытаний» через 3, 7, 21 день, 1 и 4 месяца, 1 год.

Результаты лабораторных исследований показали, что в водных вытяжках образцов высокоплотного бетона в возрасте 1 год наличия нефтепродуктов и общих фенолов не обнаружено. Таким образом, высокоплотный бетон, полученный с композицией Hardness–M (H4SiO4) + К4[Fe(СN)6]) обеспечивает консервацию загрязнений, что способствует защите окружающей среды.

Библиографический список:

1. ГОСТ78–89. Шпалы деревянные для железных дорог широкой колеи

2.ГОСТ27006–86. Бетоны. Правила подбора состава

3.БаженовП. И.Технология автоклавных материалов. – Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1978