Оптимизация четырехкомпонентного вяжущего с золами аграрной и строительной промышленности Ирака

Введение. Исследование направлено на разработку и оптимизацию состава четырехкомпонентного вяжущего с использованием местного сырья Ирака. Целью являлось создание математической модели, описывающей влияние переменных факторов — соотношений компонентов добавок — на ключевые выходные параметры: прочность на сжатие и изгиб в возрасте 28 сут.

Материалы и методы. Материалами служили портландцемент ЦЕМ I 52,5Н, метакаолин (МК), зола-уноса (ЗУ) кирпичного производства и зола от сжигания финиковых косточек (ЗФК). Последний компонент представляет особый интерес для утилизации отходов в регионе. Образцы-балочки изготавливали из раствора по стандартной методике. Для оптимизации состава был применен метод рототабельного центрального композиционного планирования, позволивший построить уравнения множественной регрессии второго порядка.

Результаты. Получены адекватные регрессионные модели, связывающие прочности при изгибе Rизг и на сжатие Rсж с двумя факторами: соотношениями ЗУ/МК и ЗФК/МК. Анализ показал, что максимальная прочность достигается при частичной замене цемента (10 % массы) смесью активных минеральных добавок. Оптимальное соотношение компонентов в этой смеси составляет МК:ЗУ:ЗФК = (55–60):10:(30–35).

Выводы. Установлено, что наилучшие механические свойства (прочность на сжатие 72,4 МПа и на изгиб 7,58 МПа) демонстрирует состав: 90 % портландцемента, 6 % метакаолина, 1 % золы-уноса и 3 % золы финиковых косточек. Таким образом, работа подтверждает возможность эффективного использования местных промышленных и аграрных отходов Ирака для создания высокопрочного многокомпонентного вяжущего.

1. Британский патент № 5022. Усовершенствование способа производства искусственного камня / Аспдин Дж. 1824.

2. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М. : Высшая школа, 1973. 504 с.

3. Andrew R.M. Global CO2 emissions from cement production // Earth System Science Data. 2018. Vol. 10. Issue 1. Pp. 195–217. DOI: 10.5194/essd-10-195-2018

4. Танг Ван Лам, Нгуен Зоан Тунг Лам, Самченко С.В. Влияние добавки золошлакового отхода на свойства сульфоалюминатного портландцемента // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 8. С. 991–1003. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.8.991-1003. EDN RLRYCI.

5. Иноземцев А.С., Королёв Е.В., Доунг Т.К. Структурная модель течения пластифицированных цементно-минеральных смесей // Строительные материалы. 2020. № 4–5. С. 90–96. DOI: 10.31659/0585-430X-2020-780-4-5-90-96. EDN CVBCCH.

6. Scrivener K.L., John V.M., Gartner E.M. Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 114. Pp. 2–26. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.03.015

7. Provis J.L. Alkali-activated materials // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 114. Pp. 40–48. DOI: 10.1016/j.cemconres.2017.02.009

8. Gartner E. Industrially interesting approaches to "low-CO2" cements // Cement and Concrete Research. 2004. Vol. 34. Issue 9. Pp. 1489–1498. DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.01.021

9. Scrivener K., Martirena F., Bishnoi S., Maity S. Calcined clay limestone cements (LC3) // Cement and Concrete Research. 2008. Vol. 114. Pp. 49–56. DOI: 10.1016/j.cemconres.2017.08.017

10. Avet F., Scrivener K. Investigation of the calcined kaolinite content on the hydration of Limestone Calcined Clay Cement (LC3) // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 107. Pp. 124–135. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.02.016

11. Al-Hamamre Z., Saidan M., Hararah M., Rawajfeh K., Alkhasawneh H.E., Al-Shannag M. Wastes and biomass materials as sustainable-renewable energy resources for Jordan // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 67. Pp. 295–314. DOI: 10.1016/j.rser.2016.09.035

12. Gunarani G.I., Chakkravarthy S.P. Experimental studies on effect of Date Seed Ash (DSA) on strength properties of cement sand mortar // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 80. P. 012015. DOI: 10.1088/1755-1315/80/1/012015

13. Танг Ван Лам, Булгаков Б.И., Александрова О.В. Возможность использования золы-уноса и золы рисовой шелухи для получения геополимерных бетонов // Инновации и моделирование в строительном материаловедении и землеустройстве : мат. V Междунар. науч.-техн. конф. 2021. С. 126–131. EDN BYKMMG.

14. Танг Ван Лам, Ву Ким Дьен, Булгаков Б.И. Исследование сочетания летучей золы и доменного шлака для получения высокопрочного мелкозернистого бетона без цемента // Журнал строительства. 2021. № 10. С. 183–190.

15. Mehta P.K., Monteiro P.J. Concrete — Structure, Properties and Materials. University of California at Berkeley, 2006. 684 p.

16. Абомелик Т.П. Методология планирования эксперимента : учебное пособие. Ульяновск : УлГТУ, 2006. 37 с.

17. Образцов И.В. Оптимизация зерновых составов цементно-минеральных смесей для производства строительных композитов методами компьютерного моделирования : автореф. дис. … канд. техн. наук. Воронеж, 2014. 23 с. EDN ZPLQCP.

18. Шмигальский В.Н. Оптимизация состава цементобетонов. Кишинев : Штиинца, 1981. 123 с.

19. Танг В.Л., Булгаков Б.И., Александрова О.В. Математическое моделирование влияния сырьевых компонентов на прочность высококачественного мелкозернистого бетона при сжатии // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 9 (108). C. 999–1009. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.9.999-1009. EDN ZHKODP.

20. Tuyen Minh Nguyen. Planning of the experiment // Publishing of Science and Technology. Hanoi, 2007. 264 p.

21. Фарах А.А., Булгаков Б.И. Влияние замены части портландцемента на метакаолин на свойства мелкозернистого бетона // Актуальные проблемы строительной отрасли и образования – 2023 : сб. докл. IV Национ. науч. конф. 2024. С. 284–287. EDN GNKMDM.

22. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. М. : Высшая школа, 1977. 334 с.

23. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. M. : Наука, 1983. 416 с.