Литі високоміцні бетони з добавкою поліфункціонального модифікатору на основі суперпластифікатору та метакаоліну

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 691.327:666.952

ЛИТІ ВИСОКОМІЦНІ БЕТОНИ

З ДОБАВКОЮ ПОЛІФУНКЦІОНАЛЬНОГО МОДИФІКАТОРУ

НА ОСНОВІ СУПЕРПЛАСТИФІКАТОРУ ТА МЕТАКАОЛІНУ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛУШНІКОВА Наталія Валеріївна

Одеса - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

ДВОРКІН Леонід Йосипович,

Національний університет водного господарства та

природокористування, завідувач кафедри технології будівельних

виробів та матеріалознавства

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, доцент

КОВАЛЬ Сергій Володимирович, Одеська державна академія

будівництва та архітектури, професор кафедри процесів і апаратів в технології будівельних матеріалів

кандидат технічних наук

КУШНЕРУК Володимир Іванович,

ВАТ “Одеський домобудівельний комбінат”, голова наглядової ради

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”,

інститут будівництва та інженерії довкілля, кафедра будівельного

виробництва, Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “28” березня 2006 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 при Одеській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона 4.

Автореферат розісланий “27“ лютого 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент С.С. Макарова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

модифікатор поліфункціональний бетон

Актуальність теми. Протягом останнього десятиріччя в України та світі спостерігається тенденція зростання випуску монолітного бетону та залізобетону з підвищеними показниками міцності. В умовах виготовлення густоармованих конструкцій складної конфігурації застосування високорухливих та литих сумішей є найбільш економічним та гнучким. Отримання литих бетонних сумішей високої однорідності, життєздатності та високоміцних бетонів на їхній основі неможливе без використання поліфункціональних модифікаторів (ПФМ), найефективнішими з яких є комплекси на основі суперпластифікаторів (СП) та високодисперсних добавок типу мікрокремнезему. Однак завадою широкому використанню таких комплексів в Україні є відсутність постачальників мікрокремнезему з якістю, яка б забезпечувала стабільність та суттєве підвищення характеристик бетону.

Конкурентноздатною мінеральною добавкою для створення високоефективних ПФМ може бути метакаолін (МТК) у вигляді спеціально приготованого дисперсного продукту випалу збагачених каолінових глин. Аналіз матеріалів міжнародних симпозіумів показує широкі можливості використання ПФМ на основі МТК для регулювання структури та властивостей бетону. Велика кількість родовищ каолінових глин на території України є потенційною сировинною базою для виготовлення МТК, що створює широкі перспективи для його використання у технології бетону.

Незважаючи на наявність за кордоном широких досліджень впливу метакаоліну на властивості в'яжучих та бетонів різного призначення, актуальною є проблема адаптації ПФМ на основі метакаоліну та суперпластифікаторів до умов вітчизняної промисловості будівельних матеріалів. Особливо це важливо при одержанні високоміцних бетонів з литих бетонних сумішей (у тому числі для монолітно-каркасних споруд) у зв'язку з особливостями реології, кінетики гідратації та структуроутворення комплексно модифікованих цементних систем, впливом характеристик метакаоліну, виду суперпластифікатору, використовуваних вітчизняних цементів, заповнювачів тощо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, викладені в даній роботі, виконані у відповідності до держбюджетних науково-дослідних тем Міністерства освіти і науки України № І-11 “Нові ефективні будівельні матеріали з відходів промисловості та сировинних матеріалів Західноукраїнського регіону” (№ д/р 0102U006754) та № І-29 “Розробити нові ресурсозберігаючі модифікатори для мінеральних в'яжучих, розчинів і бетонів на основі місцевих сировинних матеріалів” (№ д/р 0105U001487).

Мета роботи - розробка складів литих високоміцних цементних бетонів з добавкою поліфункціонального модифікатору на основі суперпластифікатору та метакаоліну.

Для реалізації вказаної мети в роботі поставлені наступні задачі:

Обґрунтувати вибір компонентів ПФМ та встановити діапазон зміни властивостей бетонної суміші та бетону в залежності від особливостей характеристик суперпластифікатору та метакаоліну.

Встановити особливості впливу ПФМ на водопотребу цементних паст, ступінь гідратації та параметри структуроутворення цементного каменю.

Дослідити вплив ПФМ на технологічні властивості бетонних сумішей та будівельно-технічні властивості бетонів.

Визначити оптимальні склади бетону при використанні отриманих кількісних залежностей досліджуваних властивостей.

Виконати дослідно-промислову апробацію бетонів при виготовленні залізобетонних виробів.

Об'єкт досліджень: метакаолін, цементні пасти і цементний камінь, бетонні суміші та бетони з ПФМ на основі суперпластифікатору та метакаоліну.

Предмет досліджень: закономірності впливу ПФМ на структуроутворення цементних систем, технологічні властивості бетонних сумішей та будівельно-технічні властивості бетону.

Методи досліджень: Основні дослідження та встановлення багатофакторних залежностей здійснювалися при застосуванні методів математичного планування експерименту. Процеси гідратації та формування структури цементного каменю досліджувались за наступними методами: кінетики проходження електричного струму та ультразвукових хвиль, хімічного визначення кількості зв'язаної води. Параметри порової структури визначались за кінетикою водопоглинання. Властивості бетонних сумішей та бетонів вивчалися за допомогою стандартних та інших достатньо апробованих методик.

Наукова новизна отриманих результатів. Досліджено вплив комплексної добавки на водопотребу цементних паст і особливості структуроутворення модифікованого цементного каменю. Встановлено, що на стадії тужавлення спостерігається уповільнення процесів гідратації з наступним інтенсивним набором міцності в досліджувані строки.

Експериментально доведена ефективність ПФМ при отриманні литих бетонних сумішей та високоміцних бетонів на їхній основі. Встановлено позитивний вплив ПФМ на пластифікацію сумішей, збільшення показника збережуваності рухливості сумішей та підвищення міцності бетону.

Отримані кількісні залежності між основними технологічними факторами (водов'яжуче відношення, вміст в'яжучого, вміст метакаоліну у в'яжучому, модуль крупності піску) та властивостями бетонних сумішей і бетонів.

Практичне значення наукових результатів. Розроблено нові способи виготовлення литої бетонної суміші та високоміцного бетону з ПФМ на основі суперпластифікатору та метакаоліну (патенти України №53950А, №52993) та розроблено склади бетону класів В50...70 з використанням метакаоліну вітчизняного виробництва з заданими технологічними властивостями суміші та міцнісними характеристиками бетону. Серія розроблених складів бетону з ПФМ була апробована на заводі ЗБК ім. С. Ковальської (м. Київ) при виготовленні залізобетонних виробів (у тому числі, сходових маршів).

Особистий внесок здобувача полягає в:

одержанні нової матеріалознавчої інформації про вплив добавки ПФМ на основі суперпластифікатору та метакаоліну, у тому числі при зміні їхніх концентрацій та якісних характеристик компонентів (зокрема питомої поверхні метакаоліну), на властивості цементних паст, бетонних сумішей і бетонів;

отриманні комплексу експериментально-статистичних моделей, які характеризують вплив досліджуваних факторів на властивості цементних паст, бетонних сумішей і бетонів та їхній аналіз;

- визначенні раціонального складу ПФМ за умови досягнення заданої підвищеної міцності бетону при мінімізації витрати добавки.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення роботи оприлюднені на наступних конференціях та семінарах: “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, 2003), “Ibausil” ( Ваймар, Німеччина, 2003), “Дні сучасного бетону” (Запоріжжя, 2004), “Композиційні матеріали підвищеної довговічності для будівництва” (Макіївка, 2004), “Математические модели процессов в строительстве” (Луганськ, 2004), “Моделювання та оптимізація композитів - 44” (Одеса, 2005) “Fib Symposium 2005” (Будапешт, Угорщина, 2005), “Структура, свойства и состав бетона. Вопросы теории бетоноведения и технологической практики” (Рівне, 2003-2004 рр.), науково-практичних конференціях НУВГП (Рівне, 2002-2004 рр.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 16 робіт, в тому числі 3 - в збірниках наукових праць та 6 - в матеріалах наукових конференцій і семінарів, 5 статей - у фахових виданнях. Отримано 2 патенти України на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації 183 сторінки, з яких 115 сторінок основного тексту, 47 рисунків на 30 сторінках, 31 таблиця на 18 сторінках, список використаних джерел з 155 найменувань на 15 сторінках і 3 додатки на 5 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність, стан наукової проблеми одержання високоміцних бетонів з литих сумішей і передумови, що визначають актуальність даної роботи, наведено підстави та вихідні дані для розробки теми, виділено основні наукові результати та показано їхнє практичне значення.

У першому розділі наведений аналітичний огляд робіт, присвячених проблемам литих бетонів. Відзначено фактори, які ускладнюють використання литих бетонів, виготовлених за традиційною технологією, а саме, водовідділення та розчиновідділення, невисока життєздатність бетонних сумішей, понижена морозостійкість та високі усадочні деформації бетону порівняно із бетонами на основі сумішей меншої рухливості при зменшеному водовмісті. Для покращання властивостей запропонована оптимізація гранулометрії заповнювачів (Ю.М. Баженов, В.П. Сизов), використання тонкомолотих багатокомпонентних цементів та в'яжучих низької водопотреби (О.В. Волженський, М.А. Саницький, О.В. Ушеров-Маршак, Т.Ш. Бабаєв), введення поліфункціональних модифікаторів (В.Г. Батраков, Л.Й. Дворкін, С.В. Коваль, О.В. Кунцевич та ін.).

Доведена ефективність використання в якості компонентів ПФМ мінеральних добавок кремнеземистих та алюмокремнеземистих матеріалів, в тому числі шлаків, зол-виносу, мікрокремнезему. Створення органомінеральних ПФМ базується на досягненнях в області регульованого структуроутворення цементних систем з мінеральними добавками оптимальної природи, дисперсності та концентрації (В.Г. Батраков, Ю.М. Бутт, В.М.Вировий, Л.Й. Дворкін, С.С. Каприелов, П.Г. Комохов, Р.Ф. Рунова, V. Маlhotra, V. Ramachandran та ін.).

Однією з перспективних мінеральних добавок на рівні мікрокремнезему є метакаолін. Видалення хімічно зв'язаної води з каолініту (в інтервалі температур 600…8000С) згідно реакції: Al2O3•2SiO2?2Н2О> Al2O3•2SiO2+2Н2О супроводжується руйнуванням кристалічної ґратки, аморфізацією речовини та переходом її у метастабільний стан, що зумовлює високу реакційну здатність метакаоліну, особливо при високій дисперсності (s=700-2500 м2/кг), яка досягається шляхом помелу в спеціальних млинах. Це доведено при використанні МТК для шлаколужних в'яжучих і бетонів, сухих будівельних сумішей (П.В. Кривенко, К.К. Пушкарьова, Р.Ф. Рунова), жаростійких бетонів (М.А. Саницький).

В даний час практично відсутні спеціальні дослідження, метою яких є наукове обґрунтування одержання високоміцного цементного бетону з високорухливих та литих сумішей за рахунок комплексної добавки на основі суперпластифікатору та метакаоліну вітчизняного виробництва на основі вивчення особливостей реологічних властивостей, процесів гідратації та структуроутворення модифікованих цементних систем.

У другому розділі наведено характеристику матеріалів, які використовувались в експериментах, методику проведення досліджень та вибір вихідних матеріалів. Весь комплекс проведених досліджень можна поділити на 4 цикли в залежності від виду досліджуваних об'єктів дослідження властивостей метакаоліну, цементних паст і каменю, бетонних сумішей та бетонів.

Особливості фазового складу каоліну, метакаоліну та модифікованого цементного каменю досліджувалися за допомогою ряду методів фізико-хімічного аналізу (ДТА, ТГА, РФА, ЕМС). На основних етапах досліджень з метою максимальної формалізації отриманих експериментальних результатів, їхньої статистичної оцінки, побудови кількісних залежностей для розрахунку складів бетонів, аналізу впливу досліджуваних рецептурно-технологічних факторів та ефектів їхніх взаємодій використовували експериментально-статистичне моделювання (В.А. Вознесенський, Л.Й. Дворкін, О.Л. Дворкін).

З метою вибору вихідних матеріалів для серії основних досліджень було використано дві проби портландцементу ПЦ І-500 Д0 (ВАТ “Волинь-цемент”, м. Здолбунів та ТОВ “Цемент”, м. Одеса) та два види суперпластифікаторів: традиційний С-3 на нафталініформальдегідній основі та С-3, модифікований добавкою-антиспінювачем ПТВ-10; чотири проби метакаоліну, різні за питомою поверхнею: 1380 м2/кг, 1670 м2/кг та 1800 м2/кг (ТОВ “Георесурс”, м. Київ) та 2590 м2/кг (Metamax, компанія Enhelhard, США). Проведений аналіз проб метакаоліну фізико-хімічними методами засвідчив його аморфоподібний стан і відсутність хімічно зв'язаної (кристалічної) води.

В якості показників активності ПФМ на основі суперпластифікатору та метакаоліну було використано (за В.Г. Батраковим):

показник збільшення пластичності (за ГОСТ 310.4) цементно-піщаного розчину з ПФМ, визначений за формулою: Р=(Ро-Рк)·100/Рк, де Ро - діаметр розпливу суміші основного складу (з добавкою ПФМ і зменшеною на 10 % кількістю цементу за рахунок мінеральної добавки, Ц:ПФМ:П = 0,9:0,1:3), см; Pк - розплив суміші контрольного складу без добавок (Ц:П = 1:3), см;

2) показник збільшення міцності розчину на стиск у віці 28 діб при введенні ПФМ, визначений за формулою: К=(-)·100/, де - міцність на стиск зразків основного складу, МПа; - міцність на стиск зразків контрольного складу, МПа.

З точки зору забезпечення цих показників на рівні Р?60%, і К?10% для включення в ПФМ було обрано метакаолін, який має питому поверхню 1670 м2/кг, а також суперпластифікатор С-3, модифікований добавкою ПТВ-10, які показали найбільшу ефективність при використанні портландцементу ВАТ “Волинь-цемент”.

Третій розділ присвячений дослідженню процесів гідратації та структуроутворення цементних паст з добавкою ПФМ на основі суперпластифікатору та метакаоліну. Отримані розрахункові залежності коефіцієнту нормальної густоти К н.г та діаметру розпливу, визначеного кільцем приладу Віка, дозволяють охарактеризувати водопотребу (1) та консистенцію (2) цементних паст:

, (1)

Dp = (26,2СП2+60,5СП)-(1,1МТК -3,4), при В/В'яж=0,33. (2)

де - коефіцієнт нормальної густоти цементної пасти без добавок (контрольної), =0,24.

При збільшені вмісту СП водопотреба паст змінюється за параболічною залежністю, при збільшені вмісту МТК - зростає лінійно.

Гранична водоутримуюча здатність цементно-водних суспензій, %, (при В/Т=1) описується наступним рівнянням:

=100-(46+13СП-2МТК)·(1-1/5ф), (3)

де ф - час витримування суспензії, год.

Аналіз водоутримуючої здатності суспензій, виготовлених на основі в'яжучих з однаковою водопотребою (Кн.г=0,24), свідчить про те, що при збільшенні вмісту МТК гранична водоутримуюча здатність досягає (2,5...3,0)Кн.г, що зумовлено високою водоутримуючою здатністю метакаоліну і переводом частини вільної води у капілярно-зв'язаний стан. Наведені рівняння дійсні в діапазоні зміни витрати СП (0...1,5)% маси в'яжучого, МТК - (0...15)% маси в'яжучого.

Дослідження початкового структуроутворення цементних паст з добавкою ПФМ (при В/В'яж=0,33, Dp=20 см) за зміною швидкості проходження ультразвуку свідчить про подовження етапу коагуляційного структуроутворення порівняно із пастами без добавки внаслідок утворення на зернах твердої фази адсорбційних плівок СП, які перешкоджають гідратації (рис. 2, білими крапками позначений початок тужавлення паст). Етап кристалізаційного структуроутворення характеризується більш інтенсивним зміцненням паст з добавкою ПФМ, що може бути зумовлене більшою проникністю адсорбційного шару СП на зернах цементу і метакаоліну і взаємодією часток метакаоліну з портландитом, утвореним у початковий період гідратації цементу.

Аналіз параметрів пористості цементного каменю (показника однорідності розмірів пор б та середнього діаметру пор л) за кінетикою водопоглинання

свідчить про зменшення загального діаметру пор та покращання їхньої однорідності при використанні добавки ПФМ. Розрахунки за формулами О.Є. Шейкіна загальної (П3), гелевої (ПГ) та капілярної (ПК) пористості свідчать про перерозподіл пористості у бік зростання пор гелю. Це сприяє збільшенню міцності цементного каменю (табл. 1).

Таблиця 1

Параметри порової структури цементного каменю

№ пп	Склад ПФМ, % В'яж	б	л	Wm, %	W0, %	Відносна густина, d	Пористість
	СП	МТК						ПЗ, %	ПГ, %	ПК, %
1	0	0	0,494	1,889	9,80	19,39	0,724	27,59	18,98	8,61
2	0,32	0	0,417	1,847	9,61	18,72	0,744	25,58	20,64	4,94
3	0,46	5	0,491	1,690	7,44	14,55	0,752	24,77	21,31	3,46
4	0,64	10	0,476	1,663	7,52	14,01	0,760	24,03	21,92	2,11
5	0,95	15	0,451	1,401	7,06	13,20	0,751	24,95	21,17	3,78

Дані РФА свідчать про зменшення вмісту портландиту у цементному камені при зростанні кількості МТК у складі ПФМ. За даними електронної мікроскопії цементний камінь з добавкою ПФМ має дрібнокристалічну структуру, яка складається з частково закристалізованих гідросилікатів та гелеподібних новоутворень Це підтверджує гіпотези про активну роль метакаоліну у зміні балансу між гідратними новоутвореннями в бік зростання вмісту більш міцних дрібнокристалічних гідратів типу СSH(I), що зумовлює перерозподіл пористості та зростання міцності цементного каменю.

У четвертому розділі наведені результати досліджень технологічних властивостей литих бетонних сумішей з добавкою ПФМ на основі метакаоліну та суперпластифікатору, отриманих при реалізації експерименту за чотирьохфакторним трирівневим планом В4, умови планування якого наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Умови планування експерименту

Фактори	Рівні варіювання	Інтервал варіювання
	-1	0	+1
Водов'яжуче відношення (В/В'яж), Х1	0,34	0,37	0,40	0,03
Витрата в'яжучого (В'яж), кг/м3, Х2	450	500	550	50
Витрата метакаоліну, % від В'яж , Х3	5	10	15	5
Модуль крупності піску, Х4	1,6	2,0	2,4	0,4

На основі експериментальних даних було отримано рівняння регресії властивостей бетонних сумішей, адекватні при 95%-ій довірчій ймовірності.

Зміна показника збережуваності рухливості ф322-18, год, який для сумішей початкової марки за легкоукладальністю Р5 представляє собою час зменшення середньої рухливості суміші від 22 до 18 см (методика М.І. Бруссера), описується рівнянням:

ф322-18=2,35+0,22х1-0,18х2+0,19х3 +0,14х4 -0,11х12-

-0,07х22+0,06х42-0,05х2х3. (4)

Зростання вмісту метакаоліну у складі в'яжучого від 5 до 15% дозволяє збільшити збережуваність рухливості литих бетонних сумішей в часі порівняно із сумішами, в яких відсутній метакаолін, в середньому на 30…40 хв (рис. 3).

Для досягнення сумішами литої консистенції зміна витрати СП, % від маси в'яжучого, описується рівнянням:

СП=1,04-0,32х1-0,26х2+0,36х3-0,13х4-

-0,11х22+0,08х32-0,11х1х3-0,08х2х3. (5)

В якості показника розчиновідділення використовується тангенс кута внутрішнього тертя (методика НДІ “Гідропроект”), який визначається за осадкою та діаметром розпливу стандартного конусу: tgц=(30-ОК)/(0,5Dр). За даними Л.Й. Дворкіна для досягнення розчиновідділення Пр<5% (ГОСТ 10180) повинна виконуватися умова tgц>0,25.

tgц=0,32-0,06х1-0,03х2+0,04х3-0,04х4+0,02х12+0,03х32-

-0,02х1х2+0,02х1х4. (6)

Значення tgц для досліджуваних бетонних сумішей перевищує 0,25, що свідчить про відсутність ознак розшарування.

Зміна вмісту повітря в бетонних сумішах, %, характеризується наступним рівнянням регресії:

Vпов=1,58-0,40х1-0,30х2-0,30х3-0,40х4-0,19х12+0,09х22+0,28х32-

-0,26х42-0,06х1х2-0,06х3х4. (7)

Вміст повітря в сумішах з добавкою ПФМ є незначним, і коливається в межах 1...4%. Збільшення витрати метакаоліну у розглянутих межах знижує повітрявміст сумішей.

У п'ятому розділі наведені результати визначення міцнісних характеристик литих бетонів з добавкою ПФМ та властивостей, що визначають їхню тріщиностійкість і довговічність.

На основі експериментальних даних були отримані адекватні при 95%-ній довірчій ймовірності рівняння регресії, які характеризують вплив досліджуваних факторів на міцність бетону на стиск в інтервалі R28=50...90 МПа. Вплив чотирьох факторів на міцність бетону на стиск у віці 28 діб описує залежність:

R28=76,5-9,9х1+3,5х2+2,0х3+2,8х4-3,0х12-1,0х22-4,2х32-1,3х42-

-0,9х1х2+1,5х1х3+2,7х2х3. (8)

Оптимальний вміст метакаоліну з точки зору досягнення максимальної міцності знаходиться в межах 10...13% від маси в'яжучого і залежить від решти рецептурних факторів (рис. 4). При цьому для забезпечення литої консистенції сумішей витрата модифікованого суперпластифікатору повинна складати 1...1,5% від маси в'яжучого. При подальшому збільшенні вмісту МТК, внаслідок блокування процесів структуроутворення його частками метакаоліну, що не вступають у реакції, міцність бетону знижується.

Розрахунок коефіцієнту ефективності Ке метакаоліну проведено в кожній точці плану; він фактично представляє собою співвідношення міцності бетону з добавкою ПФМ до міцності бетону з добавкою СП, виготовлених із сумішей однакової рухливості. На основі розрахунків отримано рівняння регресії Ке:

Ке=1,37-0,11х1-0,02х2+0,03х3+0,05х4-0,06х12-0,09х32-

-0,05х1х3+0,04х2х3-0,02х2х4. (9)

Аналіз всієї області факторного простору дозволив віднести метакаолін до високоефективних мінеральних добавок (Ке=1,2…1,4).

Деформації бетонів визначали під час випробування призм розміром 10х10х40 см у віці 7 та 28 діб до рівня завантаження ~ 0,8Rp (Rp - руйнівне зусилля). В межах вимірювання практично відсутні збільшення відносних поздовжніх та поперечних деформацій швидконапливаючої повзучості. Причому, чим більше міцність бетону, тим більше лінеаризована графічна залежність у-е. Мала частка пластичних деформацій на висхідній гілці діаграми стану зумовлює переважно крихкий характер руйнування при стиску.

Слід відзначити, що введення до складу бетону метакаоліну призводить до зростання модуля пружності бетону Еб, визначеного при у=0,3Rp. Лінійні усадочні деформації е зразків бетонів з добавкою ПФМ на кінець дослідного періоду були в 1,5...3 рази менші, ніж з добавкою модифікованого суперпластифікатору С-3 (табл. 3).

Таблиця 3

Властивості бетону, що визначають його тріщиностійкість та довговічність

№	В/В'яж	Добавки, % В'яж / кг/м3	Еб·10-3, МПа	е·105	б	л	Морозо- стійкість, циклів	Водонепроникність, МПа
		СП	МТК
1	0,40	0,50 / 2,5		37,73	37,4	0,17	1,98	150	0,8
2	0,40	0,55 / 2,75	5 / 25	42,35	28,9	0,29	1,68	200	1,0
3	0,40	0,75 / 3,75	10 / 50	44,72	17,6	0,32	1,84	300	1,2
4	0,34	1,35/ 6,75	10 / 50	46,35	12,7	0,45	1,57	400	1,4

Такий ефект можна пояснити високою водоутримуючою здатністю метакаоліну, що перешкоджає швидкому поверхневому висиханню бетону, а також зниженням витрати цементу за рахунок заміни його метакаоліном. Наслідком цього є зменшення відкритої пористості бетону і відповідне зменшення інтенсивності вологообміну між бетоном та навколишнім середовищем.

Спостерігається також покращання морозостійкості та водонепроникності бетонів при введенні до їхнього складу метакаоліну, що зумовлене зменшенням середнього діаметру пор в бетоні і збільшенням їхньої однорідності (табл. 3).

Шостий розділ присвячений розробці методики підбору і оптимізації складів литого бетону з добавкою ПФМ на основі суперпластифікатору і метакаоліну та особливостям дослідно-виробничого отримання такого бетону.

Для всіх видів бетонів незалежно від умов роботи загальними вимогами є забезпечення необхідної легкоукладальності та міцності на стиск. При застосуванні литих сумішей в умовах монолітно-каркасного домобудування необхідно додатково забезпечити збережуваність рухливості сумішей, достатню для транспортування та вкладання сумішей у конструкцію.

Таким чином, задача оптимізації складу литих високоміцних бетонів з ПФМ на основі суперпластифікатору та метакаоліну полягає у мінімізації вартості бетону (за рахунок найбільш дорогих його компонентів - модифікаторів та цементу) за умови забезпечення необхідної збережуваності рухливості суміші та міцності бетону на стиск у віці 28 діб згідно залежностей (4) та (8):

(10)

де СЦ, ССП, СМТК - відповідно вартість, цементу, суперпластифікатору та метакаоліну, грн./кг;

Ц, СП, МТК - відповідно витрата цементу, суперпластифікатору та метакаоліну, кг/м3.

За залежністю цільової функції СВ'яж від витрати метакаоліну та діаграмами, отриманими за моделями типу (4) - (8) може бути знайдена мінімальна кількість метакаоліну та суперпластифікатору для конкретних умов виготовлення бетону (в тому числі при зміні модуля крупності піску) з урахуванням необхідної збережуваності рухливості суміші, міцності бетону та інших показників якості.

На основі результатів лабораторних досліджень були запропоновані склади ПФМ на основі модифікованого суперпластифікатору С-3 та метакаоліну, які прийняті до уваги при виготовленні добавки “Геокон-G” (ТОВ “Георесурс”, м. Київ). Дослідно-виробничу апробацію можливості та ефективності виробництва литого високоміцного бетону з добавкою “Геокон-G” здійснювали в умовах заводу залізобетонних конструкцій ім. С. Ковальської (м. Київ). Зокрема, з суміші дослідно-промислової партії виготовлено сходовий марш; проектний клас бетону - В45. Вміст модифікатору складав 10% від маси цементу (55 кг/м3); співвідношення складових: СП - 14% (мас.), МТК - 86% (мас.).

Зниження собівартості бетону при використанні добавки “Геокон” в порівнянні із бетоном з добавкою на основі суперпластифікатору С-3 та мікрокремнезему при виготовленні литих високоміцних бетонів складає 90 грн./м3

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтована та експериментально доведена можливість одержання високоміцних бетонів класів В50...70 з високорухливих та литих бетонних сумішей за рахунок введення раціонально складеного комплексного модифікатору на базі нафталінформальдегідного суперпластифікатору та високодисперсної активної мінеральної добавки метакаоліну вітчизняного виробництва при використанні традиційних цементів та заповнювачів.

2. Технологічна активність поліфункціонального модифікатору, що визначена по збільшенню показників пластичності та міцності цементно-піщаного розчину при зміні характеристик компонентів, залежить від модифікування складу суперпластифікатора С-3 (зокрема антиспінювачем ПТВ-10), а також величини питомої поверхні метакаоліну (що визначено при порівнянні чотирьох проб метакаоліну; як раціональний обрано метакаолін з sпит =1670 м2/кг ) та використовуваного портландцементу (при порівнянні двох цементів обрано ПЦ І-500 ВАТ “Волинь-цемент”).

3. Зі збільшенням у складі ПФМ концентрації метакаоліну (sпит= =1670м2/кг) водопотреба цементних паст зростає (за лінійною залежністю) на 5-20%, що компенсується раціональними дозуваннями суперпластифікатору; при цьому забезпечуються високі показники рухливості цементно-водних суспензій з граничною водоутримуючою здатністю в статичному стані до (2,5...3,0) Кн.г.

4. Первинна структурна міцність (на етапі коагуляційного періоду) модифікованої ПФМ цементної системи є нижчою порівняно із системою без добавок та з добавкою СП, але зростає більш інтенсивно в наступний (кристалізаційний) період, що свідчить про підсилення контактних взаємодій, зумовлене високою дисперсністю та хімічною активністю часток МТК. При зменшенні загального діаметру пор та покращанні їхньої однорідності відбувається перерозподіл пористості у бік зростання пор гелю, що є передумовою збільшення міцності цементного каменю та бетону.

5. Використання ПФМ з раціональними співвідношеннями модифікованого суперпластифікатору С-3 (1...1,5% від маси в'яжучого) та метакаоліну (10...13%) дозволяє зменшити водовміст, повітрявміст та підвищити збережуваність рухливості литих бетонних сумішей в часі порівняно із “життєздатністю” традиційних сумішей з С-3 (в середньому на 30...40 хв), що забезпечує одержання високоміцних бетонів з литих сумішей, зокрема для монолітного будівництва, та дозволяє віднести досліджуваний метакаолін до високоефективних мінеральних добавок за критерієм його ефективності (при В/В'яж<0,4, Ке>1,2).

6. Збільшення концентрації метакаоліну в бетоні призводить до зростання модуля пружності, що є позитивним для зменшення деформативності бетону. Лінійні усадочні деформації зразків бетонів з ПФМ на кінець дослідного періоду в 1,5...3 рази менші, ніж з добавкою СП. Зменшення середнього діаметру пор в бетоні і збільшення їхньої однорідності зумовлює зростання морозостійкості та водонепроникності бетонів при збільшенні вмісту МТК.

7. На основі класичних залежностей та експериментально-статистичних моделей властивостей бетонних сумішей і бетонів розроблено методику розрахунку складів литих високоміцних бетонів з ПФМ на основі суперпластифікатору та метакаоліну. Цільовою функцією розрахунку є досягнення мінімальної вартості 1м3 бетону (за рахунок мінімізації як вмісту цементу, так і кількості ПФМ) за умови одержання високоміцних бетонів з литих сумішей.

8. Проведено дослідно-виробничу апробацію результатів лабораторних випробувань з випуском партії бетону з комплексною добавкою “Геокон” на основі суперпластифікатору та метакаоліну. Склад добавки: 14% (мас.) - модифікованого СП С-3, 86% (мас.) - метакаолін. Очікуваний економічний ефект від використання добавки “Геокон” при виготовленні литих високоміцних бетонів складатиме близько 90 грн./м3 порівняно із бетонами відповідного класу з добавкою на основі суперпластифікатору С-3 та мікрокремнезему.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Дворкін Л.Й., Безусяк О.В., Лушнікова Н.В. Метакаолін - ефективна добавка до литих бетонів // Вісник УДУВГП: Зб. наук. праць. - Рівне, 2002. - Ч. 3., вип. 5 (18).-- С. 86-92.

2. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л., Безусяк А.В., Лушникова Н.В. Литые самоуплотняющиеся бетоны с добавкой обожженного необогащенного каолина (ОНК) // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. Зб. наук. праць. Рівне, 2003. - Вип. 9.-- С. 45-53.

3. Дворкин Л.И., Безусяк А.В. Лушникова Н.В. Статистические модели свойств литых бетонов с добавкой полифункционального модификатора на основе метакаолина //Зб. наук. праць Луганського національного аграрного університету.- Луганськ, 2004. - № 40 (52). - С. 212-217.

4. Дворкін Л.Й., Лушнікова Н.В. Властивості литих бетонних сумішей з добавкою ПФМ на основі метакаоліну та суперпластифікатору // Вісник НУВГП: Зб. наук. праць.- Рівне, 2004. - Ч. 2., вип. 4 (28).- С. 58-64.

5. Дворкин Л.И., Безусяк А.В. Лушникова Н.В. Литые высокопрочные цементные бетоны с добавкой полифункционального модификатора на основе продуктов обжига каолина // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип. №12. - Одеса: ВМК “Місто майстрів”, 2003. -С.107-110.

6. Дворкин Л.И., Безусяк А.В., Кириченко И.О., Лушникова Н.В. Свойства цементных паст с композиционной добавкой для производства литых высокопрочных бетонов //Вісник Донбаської державної академії будівництва та архітектури. - Макіївка: ДонДАБА, 2004. - Вип. №1(43). - Т.2: Композиційні матеріали для будівництва. - С. 45-49.

7. Пат. 52993 Україна, МПК 7 С04В28/02, 14/04. Спосіб отримання литої бетонної суміші./ Дворкін Л.Й., Дворкін О.Л., Безусяк О.В., Лушнікова Н.В. (Україна). - № 200201610; Заявл. 24.01.2002; Опубл. 15.03.2005; Бюл. №3.-3 с.

Пат. 53950А Україна, МПК 7 С04В28/02. Спосіб отримання надміцного бетону./ Дворкін Л.Й., Дворкін О.Л., Безусяк О.В., Лушнікова Н.В. (Україна). - № 2002032379; Заявл. 26.03.2002; Опубл. 17.02.2003; Бюл., №2.-2с.

Климов Ю.А., Гирштель Г.Б., Лушникова Н.В., Паладий В.В., Голубничий Г.А., Делас Н.И., Кириченко И.О. Перспективы использования литых бетонов с модифицирующими добавками для изготовления дорожных покрытий // Вісник НУВГП: Зб. наук. праць.-Рівне, 2004.-Ч. 2., вип.4(28).-С. 96-105.

Лушнікова Н.В., Скрипник І.Г. Особливості початкового структуроутворення цементних систем з добавкою ПФМ на основі метакаоліну та суперпластифікатору // Вісник НУВГП: Зб. наук. праць. - Рівне, 2004. - Ч. 2., вип. 4(28). - С. 137-145.

Дворкин Л.И. Лушникова Н.В. Прочностные и деформативные свойства литых высокопрочных бетонов с добавкой метакаолина // Минеральные и химические добавки в бетон / Под ред. А.В. Ушерова-Маршака. - Х.: Колорит, 2005. - С. 78-83.

Dvorkin L. J., Dvorkin O.L., Bezusyak O.V. Lushnikova N.V. Self-compacting concrete with metakaolin admixture // Ibausil - Internationale Baustofftagung, Tagunsbericht.- Weimar: Institut fьr Baustoffkunde, 2003. - Band 2. - S. 2-0503 - 2-0510.

Лушнікова Н.В. Визначення впливу добавки метакаоліну на властивості литих високоміцних бетонів // Структура, свойства и состав бетона. Материалы II научно-практического семинара. - Ровно, 2003. - С. 108-114.

Дворкин Л.И., Кириченко И.О., Лушникова Н.В. Свойства цементного камня с комплексной добавкой на основе метакаолина // Сборник докладов VI международной научно-практической конференции “Дни современного бетона”. - Запорожье: ООО “Релаксол”, 2004. - С. 215-219.

Лушникова Н.В., Дворкин Л.И. Экспериментально-статистические модели свойств литых высокопрочных бетонов с комплексной добавкой на основе метакаолина // Материалы международного семинара по моделированию и оптимизации композитов МОК'44. - Одесса: Астропринт, 2005. - С. 55.

Dvorkin L.Y., Bezusyak A.V., Lushnikova N.V., Klimov Y.A., Shcherbina S.P., Kirichenko I.O. Properties of High-performance concrete with composite metakaolin-based admixture // Keep Concrete Attractive: Proceedings of fib Symposium. - Budapest, 2005. - Vol. 1.- P. 286-291.

Особистий внесок здобувача в роботах [1-12, 14-16] - проведення експериментальних досліджень властивостей цементних паст, цементного каменю, литих бетонних сумішей та високоміцних бетонів на їхній основі, отримання експериментально-статистичних моделей властивостей, інтерпретація одержаних результатів та обґрунтування рекомендацій щодо використання ПФМ.

АНОТАЦІЯ

Лушнікова Н.В. Литі високоміцні бетони з добавкою поліфункціонального модифікатору на основі суперпластифікатору та метакаоліну. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби. - Одеська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України. Одеса, 2006.

Виявлено, що добавка ПФМ на основі суперпластифікатору С-3 та метакаоліну уповільнює етап коагуляційного структуроутворення цементних паст з наступним прискоренням процесів кристалізації.

Досліджено вплив водов'яжучого відношення, вмісту в'яжучого, частки метакаоліну в ньому та модуля крупності піску на показник збережуваності рухливості сумішей, їхню однорідність, коефіцієнт ефективності метакаоліну та кінетику твердіння бетонів.

Отримано ряд експериментально-статистичних моделей властивостей бетонних сумішей і бетонів на їхній основі, які використані при розробці методики проектування оптимальних складів бетонів.

Ключові слова: литі бетонні суміші, високоміцний бетон, метакаолін, суперпластифікатор С-3, експериментально-статистична модель.

АННОТАЦИЯ

Лушникова Н.В. Литые высокопрочные бетоны с добавкой полифункционального модификатора на основе суперпластификатора и метакаолина. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. - Одесская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Одесса, 2006.

Диссертация посвящена практическому решению задачи изготовления литых высокопрочных бетонов с использованием добавки полифункционального модификатора (ПФМ) на основе суперпластификатора С-3 и метакаолина - дисперсного продукта термической обработки обогащенного каолина.

В диссертации рассмотрены вопросы влияния метакаолина в составе ПФМ на процессы гидратации и структурообразования цементных систем. Исследование начального структурообразования цементных паст с добавкой ПФМ различными методами (в частности, с помощью ультразвукового метода) свидетельствует об увеличении длительности этапа коагуляционного структурообразования (схватывания) вследствие образования на зернах твердой фазы адсорбционных пленок суперпластификатора, препятствующих гидратации. В то же время наблюдается интенсификация процессов твердения на этапе кристаллизационного структурообразования, что может быть обусловлено большей проницаемостью адсорбционного слоя СП на зернах цемента и метакаолина и взаимодействием частиц метакаолина с портландитом, образующимся в начальный период гидратации цемента.

Анализ параметров пористости цементного камня позволяет сделать вывод об уменьшении общего диаметра пор и увеличении их однородности при введении ПФМ. Данные рентгенофазового анализа свидетельствуют об увеличении количества низкоосновных гидросиликатов кальция и соответствующем уменьшении количества портландита при увеличении количества метакаолина в составе ПФМ.

Исследовано влияние факторов состава (водовяжущего отношения, расхода вяжущего, содержания метакаолина в вяжущем, модуля крупности песка) на свойства бетонных смесей и бетонов. Установлено, что введение ПФМ позволяет повысить сохраняемость подвижности бетонных смесей на 30…40 мин в сравнении со смесями с добавкой суперпластификатора С-3. При этом улучшается однородность бетонных смесей. Воздухосодержание литых бетонных смесей с добавкой ПФМ является незначительным (1…4%); при увеличении содержания метакаолина наблюдается уменьшение воздухосодержания смесей.

Установлено, что оптимальное содержание метакаолина в бетоне из учета достижения максимальной прочности составляет 10…13% от массы вяжущего и зависит от общего содержания вяжущего в бетоне, водовяжущего отношения. При этом содержание суперпластификатора для получения смесей литой консистенции должно составлять (1…1,5)% от массы вяжущего. Расчет коэффициента эффективности метакаолина позволяет отнести его к высокоэффективным минеральным добавкам (Кэ>1,2).

Исследован также ряд свойств бетонов, определяющих его трещиностойкость и долговечность. Увеличение расхода ПФМ приводит к увеличению однородности бетона и увеличению модуля упругости. Наблюдается также уменьшение усадочных деформаций бетона при введении ПФМ (в 1,5…3 раза на конец опытного периода - 90 сут), что обусловлено высокой водоудерживающей способностью метакаолина, препятствующей быстрому высыханию поверхности бетона, а также уменьшением количества цемента при замене его метакаолином. Уменьшение отрытой пористости, среднего размера пор при введении ПФМ в бетонную смесь приводит к закономерному повышению водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

По результатам планированного эксперимента получен комплекс экспериментально-статистических моделей, характеризующих зависимость свойств бетонных смесей и бетонов от их состава.

Предложена методика подбора составов литых высокопрочных бетонов. Целевой функцией расчета является достижение минимальной стоимости 1м3 бетона при обеспечении необходимой сохраняемости подвижности бетонной смеси и проектной прочности бетона на сжатие.

Проведена опытно-производственная апробация результатов лабораторных испытаний с выпуском партии бетона с добавкой ПФМ состава: суперпластификатор С-3, модифицированный пеногасителем ПТВ-10 - 14% (масс.) метакаолин c удельной поверхностью sуд=1670 м2/кг - 86 % (масс.). Расчетный экономический эффект при использовании ПФМ в производстве литых высокопрочных бетонов составляет около 90 грн./м3 в сравнении с бетонами соответствующего класса с добавкой ПФМ на основе суперпластификатора С-3 и микрокремнезема.

Ключевые слова: литые бетонные смеси, высокопрочный бетон, метакаолин, суперпластификатор С-3, экспериментально-статистическая модель.

ANNOTATION

Lushnikova N.V. Cast high-strength concrete with polyfunctional modifier admixture on the basis of superplasticizer and metakaolin. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.23.05 - Building materials and articles. - Odessa state academy of civil engineering and architecture of Ministry of education and science of Ukraine, Odessa, 2006.

There was found out that PFM on the basis of superplasticizer С-3 and metakaolin retards coagulating structure forming of cement pastes with subsequent acceleration of crystallization process.

The influence of water-binder ratio, binder content, metakaolin content and sand fineness modulus on index of flowability preservation of the mixtures, uniformity, effectiveness index of metakaolin and hardening kinetics of cast high-strength concrete were researched out.

Keywords: cast concrete mixtures, high-strength concrete, metakaolin, superplasticizer C-3, experimental and statistical model.

Размещено на Allbest.ru

...