Висококонцентровані кварцові суспензії, отримані на основі нанотехнологічного підходу і колоїдно-хімічних закономірностей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Починаючи з останніх десятиліть минулого століття, у всіх найбільш розвинених країнах різко зросла проблема дефіциту енергоресурсів, що спричинило перехід на створення і впровадження енергозберігаючих матеріалів і технологій.

У промисловості будівельних матеріалів, зокрема цементній, почали впроваджуватися та проводитися відповідні дослідження по заміні в бетоні традиційного цементу його альтернативними видами (наприклад, з класу лужних алюмосилікатних в'яжучих), або частини цементу - добавками-мікронаповню-вачами, на основі різних активних мінеральних комплексів (пуцоланових добавок, шлаків, зол та ін.). Проте одержувані при цьому результати не завжди стабільні по міцності, що не дозволяє вважати проблему їх використання вичерпаною.

Недоліки, пов'язані з нестабільними фізико-механічними характеристиками безклінкерних і малоклінкерних цементів, можуть бути усунені, якщо при використанні вказаних мінеральних добавок застосовувати полідисперсні добавки оптимального складу більш високої щільності, зокрема висококонцентровані кварцові суспензії (ВКС).

Таким чином, актуальність роботи полягає в необхідності стабілізації і поліпшенні міцнісних характеристик бетонів, шляхом використання при їх приготуванні в якості в'яжучого або добавки-мікронаповнювача ВКС оптимального складу, отримувану на основі встановлених оптимізованих технологічних параметрів помелу.

Мета і завдання дослідження.

Метою дисертаційної роботи є одержання висококонцентрованих кварцових суспензій оптимального складу, а також розробка технологій їхнього виготовлення і застосування в будівництві на основі нанотехнологічних підходів і закономірностей сучасних колоїдної хімії і фізико-хімічної механіки дисперсних систем.

Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі були поставлені та вирішені наступні завдання:

- виконати аналітичний огляд існуючих уявлень про нанотехнології і наносистеми, дати оцінку їхньої обґрунтованості та достатності для використання при розробці теоретичних основ створення висококонцентрованих кварцових суспензій оптимального складу;

- виконати аналітичний огляд існуючих дослідних даних по технології одержання висококонцентрованих суспензій з оптимальними властивостями та вибрати найбільш відповідні способи для розробки технології одержання ВКС оптимального складу;

- розробити теоретичні основи створення ВКС оптимального складу;

- дослідити закономірності впливу умов подрібнення на основні властивості ВКС і ВКС-відливок;

- вивчити вплив складу подрібнюваних сумішей на основні властивості ВКС і ВКС-відливок;

- одержати ВКС оптимального складу, виходячи з установлених залежностей між умовами подрібнення, складу подрібнюваних сумішей і властивостями ВКС і ВКС-відливок;

- розробити методику отримання ВКС оптимального складу для пісків різних родовищ;

- розробити високоефективні будівельні матеріали з використанням ВКС оптимального складу;

- здійснити дослідно-промислове впровадження результатів дослідження на будівельних об'єктах.

1. Результати аналізу існуючих теоретичних уявлень і практичних аспектів отримання висококонцентрованих кварцових суспензій оптимального складу як з позицій нанотехнологічних положень, так і на основі традиційних принципів колоїдної хімії і фізико-хімічної механіки дисперсних систем

Загалом, встановлено, що в процесі отримання ВКС або при твердінні матеріалів з їх використанням можлива поява колоїдних (високодисперсних) систем або золів, тобто часток нанодисперсного рівня.

Але розробка і застосування нанотехнологічних підходів до виробництва даних матеріалів ускладнені тим, що теоретичні положення нанотехнологій ще тільки створюються. У основі багатьох з них лежать спроби розробки нових принципів і закономірностей, описи явищ і механізмів, на наш погляд, дуже часто помилкових і спірних.

На думку Ю.Д. Третьякова, негайна реалізація нанотехнологічних проектів навряд чи можлива, якщо вони ще не пройшли стадії фундаментально-наукового опрацьовування. Основи для цього були створені ще в СРСР відомими науковими школами найбільших вчених в області матеріалознавства - В.О. Каргіна, П.О. Ребіндера, Б.В. Дерягіна, І.В. Тананаєва, В.Б. Алеськовського, І.Д. Морохова, Ж.І. Алферова та ін. Все це вчені, на основі праць яких сформовані фізика твердого тіла, колоїдна хімія, фізико-хімічна механіка дисперсних систем і матеріалів та ін.

Не дивлячись на величезний досвід застосування, сучасні колоїдна хімія і фізико-хімічна механіка продовжують розвиватися. Великим кроком при цьому явилися розвинені А.М. Плугіним уявлення та їх кількісний опис процесів і механізмів електрогетерогенного (між протилежно зарядженими частками) і електрогомогенного (при високій концентрації твердої фази) твердіння цементних та інших, наприклад рідкоскляних в'яжучих, нових для дисперсних систем явищ - електроповерхневе латеральне відштовхування, електроповерхневий тиск та ін., а також створена на основі цих явищ, взаємодій і процесів кількісна теорія міцності портландцементу, оптимізації складів, способів і технологій приготування цементного каменя та бетону.

Відомими роботами з технології висококонцентрованих керамічних в'яжучих суспензій, до яких відносяться і ВКС, вважаються праці Ю.Е. Півінського. Значний внесок до розвитку теоретичних основ технології внесли роботи вчених: П.П. Буднікова, Б.В. Дерягіна, П.О. Ребіндера, І.Б. Ур'єва. Експериментально-теоретичну базу розвивали: В.А. Бевз, М.С. Золотов, Ф.С. Каплан, М.О. Трубіцин, П.Л. Мітякин, А.Г. Ромашин, І.І. Нємєц, М.Г. Передерєєв, B.Л. Тітов, А.В. Череватова та ін.

Проте аналіз існуючих теоретичних уявлень про механізми подрібнення і твердіння ВКС (представлених Ю.Е. Півінським), на основі яких і розробляються нанотехнологічні підходи виробництва подібних матеріалів, виконаний нами з позиції колоїдно-хімічних положень і закономірностей, дозволив виявити, що існуючі теоретичні основи нанотехнологій не можуть бути прийняті нами для розробки теоретичної бази досліджень, пов'язаних з розкриттям механізмів подрібнення і твердіння ВКС.

Розробка такої теоретичної основи може бути успішно здійснена з використанням положень і закономірностей сучасних колоїдної хімії і фізико-хімічної механіки дисперсних систем і матеріалів.

2. Методи та методики дослідження, характеристики вихідних матеріалів

Проведення досліджень ґрунтувалося на комплексному застосуванні теорії математичного планування експерименту. Для вирішення завдань дослідження по отриманню ВКС найбільш оптимальним був план Боксу, що поєднує прийнятну економічність і високу ефективність. При експериментальних дослідженнях будівельних матеріалів на основі ВКС, які являли собою суміші з різних речовин, їх склад задавався концентраціями компонентів, співвідношення яких варіювалися на симплексі.

У роботі використовувалися методи комп'ютерного матеріалознавства, засновані на концепції полів властивостей матеріалів, спрямованої на максимальний витяг з експерименту корисної інформації.

При вивченні електроповерхневих властивостей складових ВКС використовували методику розрахунку електроповерхневого потенціалу по стандартному водневому потенціалу.

ВКС отримували шляхом подрібнення вихідного матеріалу в лабораторному металевому кульовому млині. При цьому основні контрольовані характеристики суспензії, такі як пористість, питома поверхня твердої фази, вміст хімічно зв'язаної води визначали стандартними методами, в'язкість досліджували за допомогою віскозиметра Енглера, концентрацію передбачуваних наночасток або субмікроскопічних часток твердої фази ВКС - методом ультрацентрифугування. Заздалегідь розрахунковим шляхом було встановлено критичний розмір наночасток, що склав 30 нм, зверх якого їх реакційноактивні властивості затухають і наближаються до властивостей масивного тіла.

Характеристики матеріалу, отриманого з ВКС, вивчалися на зразках-відливках. Відливки - це необпалені вироби, виготовлені методом шлікерного литва. За стандартними методиками визначали їх основні фізико-механічні властивості: об'ємну масу, пористість, межі міцності при стисканні та при згинанні.

Проведені фізико-хімічні дослідження полягали:

- у визначенні розмірів часток і співвідношення між частками різних фракцій - по методиці статистичної оцінки об'єктів, зображених на ЕМЗ з додатковим збільшенням за допомогою сканера і ПЕОМ (методика УкрДАЗТ);

- у визначенні фазового складу ВКС за допомогою рентгенографічного і термографічного методів досліджень.

Досліди проводилося на пісках шести родовищ. За основний було прийнято пісок безлюдівського кар'єру. Показана можливість отримання ВКС на пісках різноманітної крупності та з різним вмістом кварцу.

В якості лужних добавок використано рідке натрієве скло та силікатний клей-зв'язка, який отримувався в результаті механохімічній обробки мікрокремнезему розчином їдкого натра в кульовому млині.

У дослідженні використано також цемент марки М400 виробництва ЗАТ «Балцем». При отриманні керамзитобетону на основі ВКС застосовані керамзитовий гравій і пісок виробництва ВАТ «Марганецький завод керамзитового гравію».

3. Розробка ВКС оптимального складу на основі нанотехнологічного підходу та колоїдно-хімічних закономірностей

Для вивчення можливості використання ВКС як добавки в бетони, виконана оцінка зернового складу традиційних для бетонів мікронаповнювачів. Встановлено, що зерновий склад ВКС відповідає вимогам, які пред'являються до мікронаповнювачів, поступаючись по дисперсності тільки каолініту і гідрослюді.

Дослідження характеру і можливого ступеня подрібнення кварцу при його помелі виконано на основі відомих експериментальних даних про дію на подрібнюваний матеріал (каолініт, гідрослюда) ультразвука згідно роботи М.М. Круглицького, де дані експериментів представлені високоінформативними електронно-мікроскопічними знімками.

Визначено, що частки нанорозмірів в складах каоліну і гідрослюди, що оброблялись ультразвуком, виявлені не були. Навіть навпаки, досягнувши певного мінімального розміру, або високодисперсні в початковому стані, частки при подальшій обробці укрупнювалися.

Надалі для розробки ВКС оптимального складу було вивчено характер і ступінь впливу умов подрібнення на характеристики суспензії. Для отримання значимих залежностей властивостей ВКС і ВКС-відливок від виробничих факторів останні змінювали в наступних межах: 0,22 0,28 - для водотвердого відношення (x1); 0,2 0,6 % - для кількості добавки рідкого скла (x2); 110 160 хв. - для тривалості подрібнення (x3).

Оскільки частки структурних елементів рідкого скла мають рівноважні (у складі ВКС) електроповерхневі потенціали, то визначені по методиці А.М. Плугіна, вони склали: для часток гелю кремнієвої кислоти H2SiO3 - ш р = -0,89 В, а для кристалічних часток силікату натрію Na2SiO3 - ш р = +0,12 В.

Існування протилежно заряджених структурних елементів в добавці до ВКС дозволило припустити, що механізм твердіння даного виду в'яжучого полягає у виникненні електрогетерогенних контактів (ЕГК) між ними та електрогетерогенної коагуляції суспензії із забезпеченням її міцності. Крім того, хімічний аналіз піску безлюдівського кар'єру, який використано для приготування ВКС, свідчив про невеликий вміст кількості вапна СаО - 0,58 %. За рахунок чого при сильно лужному середовищі рідкого скла у складі ВКС утворюються гідрооксиди Са(ОН)2 у вигляді кристалічних часток з середнім розміром близько 300 нм і позитивним електроповерхневим потенціалом, який дорівнює ш р = = +0,53 В. Також у складі ВКС могли бути присутні дисперсні частки колоїдного заліза Fe(OH)3, що утворюються в результаті намелу в кількості близько 1 ч 1,5 %. Ґрунтуючись на уявленнях електрохімії, виникнення цього намелу з утворенням гідроксиду заліза обумовлене не тільки механічним зносом мелючих куль, але і електрохімічною корозією металу, що посилюється у поєднанні з механічними навантаженнями, особливо динамічними. При цьому колоїдні частки заліза (КЧЗ) мають негативний елетроповерхневий потенціал і, отже, також можуть брати участь в утворенні електоргетерогенних контактів.

Про утворення Са(ОН)2 і колоїдного заліза свідчила виявлена в зразках хімічно зв'язана вода в кількості до 0,47 % при подрібненні протягом 160 хв. Виходячи з реакцій:

CaO + H2O = Са(ОН)2, (1)

Me + H2O > MeO + H2, (2)

відношення H2O до CaO складає - 0,32 (18 / (40 + 16) = 0,32), а H2O до Fe також - 0,32 (18 / 32 = 0,32). Отже, кількість хімічно зв'язаної води при кількості CaO = 0,58 % і намелу до 1 % складе:

0,580,32 + 10,32 = 0,5 (%), (3)

що відповідає експериментально отриманим величинам.

Згідно з експериментальними даними при помелі виникали реакційноактивні наночастки, які могли з'явитися в суспензії або як складова добавки (кремнегель), або за рахунок намелу у вигляді КЧЗ, оскільки розмір часток заліза при помелі може досягати 10 нм.

Відповідно до цього, для виявлення джерела виникнення наночасток у ВКС були проаналізовані залежності концентрації виявлених наночасток від кількості добавки і від тривалості подрібнення ВКС. При цьому встановлено, що головним джерелом виникнення наночасток у ВКС є утворення колоїдного заліза за рахунок намелу, про що свідчили відсутність залежності від кількості добавки і високий ступінь залежності від тривалості подрібнення.

При оцінці впливу концентрації наночасток на міцність відливок встановлено, що залежності міцності при стисканні Rст і при згинанні Rзг ВКС-відливок від даного параметра екстремальні, з максимумом при концентрації наночасток близько 1,3 %. При цьому набагато більша залежність спостерігалася для міцності при згинанні, що підтверджує визначальну роль ЕГК, як єдиних контактів, де сили електростатичного тяжіння є максимальними, та немає сил, що перешкоджають зближенню часток.

З урахуванням вищенаведеного, максимум міцності обумовлено виникненням максимальної кількості електрогетерогенних контактів між позитивно зарядженими частками гідроксиду кальцію Ca(OH)2 і негативно зарядженими частками колоїдного заліза.

Гідроксид кальцію Ca(OH)2 так само може утворювати ЕГК з негативно зарядженими частками кремнегеля, які вводилися в експериментальні зразки в різних кількостях разом з добавкою. Було встановлено, що при цьому утворюються гідросилікати кальцію, імовірно невисокої основності, проте ці продукти гідратації не були визначальними в міцності ВКС.

Істотне зменшення міцності ВКС при відхиленні від оптимального співвідношення кількості Ca(OH)2 до КЧЗ, обумовлено виникненням неміцних електрогомогенних контактів між однойменно зарядженими частками кремнегеля та феррогеля або кристалогідратними частками Ca(OH)2, між якими діють сили відштовхування дифузних подвійних електричних шарів. Це призводить також до зменшення концентрації міцних електрогетерогенних контактів.

Таким чином, експериментальні дослідження, які проведено на дослідних зразках, підтвердили, що міцність ВКС-відливок обумовлена виникненням електрогетерогенних контактів між позитивно зарядженими частками кристалогідратів Ca(OH)2 і негативно зарядженими частками гелю. При оптимальному співвідношенні між ними міцність досягає максимуму. Частки Ca(OH)2 утворюються з вапна СаО, що міститься в подрібнюваному піску, а частки гелів привносяться з добавкою, яка містить кремнегель, і утворюються при помелі у вигляді колоїдного заліза (або гідроксиду заліза Fe(OH)3). У зв'язку з їх набагато більшою кількістю, визначальний на міцність вплив роблять ЕГК, утворені з Ca(OH)2 і Fe(OH)3.

Оскільки було встановлено, що у ВКС, як основні по кількості і впливу на процес твердіння суспензії, були колоїдні частки заліза, вони були прийняті нами за основний технологічний фактор, що впливає на властивості ВКС. У зв'язку з цим надалі використовувався не термін наночастки, а тотожний йому термін - колоїдні частки заліза.

Вивчення закономірностей впливу умов подрібнення на основні властивості ВКС і ВКС-відливок дозволили отримати наступні експериментально-статистичні (ЕС) моделі повних полів властивостей:

Пористість ВКС:

с ВКС = 1946,689 - 44,4х1 - 10,2х2 - 3,111х12 + 3,889х22 - 12,611х32 , (кг/м3) (4)

В'язкість ВКС:

з = 4,16716 - 0,12х1 - 0,2х2 +0,5424х3 + 0,20356х12 + 0,40356х22 + 2,35556х32 - - 0,08х1х2 - 1,22х2х3 , (оЕ) (5)

Питома поверхня твердої фази суспензії:

Sпп = 5408 + 822х1 - 667х2 + 1477х3 - 385х32 , (см2/ г) (6)

Вміст хімічно зв'язаної води в ВКС:

Wхз = 0,307667 - 0,031x2 + 0,1301x3 , (%) (7)

Концентрація КЧЗ у твердій фазі суспензії:

сКЧЗ = 1,3538 - 0,072774х1 - 0,178214х2 + 0,737546х3 , (%) (8)

Об'ємна маса ВКС-відливки:

гвідл = 1995,378 + 3,8х1 + 9,5х2 - 18,2х3 - 19,222х12 -19,722х22 - 90,222х32 + +13х1х2 + 46х2х3 , (кг/м3) (9)

Пористість ВКС-відливки:

Пвідл = 25,72 + 4,37х32 - 1,95х2х3, (%) (10)

Усадка ВКС-відливки:

Ус = 8,59143 - 0,61х1 - 1,43х2 + 3,62х3 + 1,42143х12 + 10,07143х32 -5,2625х2х3, (%) (11)

Межа міцності при стисканні ВКС-відливки:

Rcт = 19,50711 + 0,3х1 + 0,5х2 - 1,356х3 - 0,50889х12 - 1,00889х22 - 5,88889х32 + 0,2х1х2 + 3,05х2х3, (МПа) (12)

Межа міцності при згинанні ВКС-відливки:

Rзг= 2,807143 + 0,095х2 - 0,142х3 - 0,157857х22 - 0,822857х32 + 0,4575х2х3 , (МПа) (13)

В результаті аналізу представлених ЕС - моделей встановлено, що основним фактором, який обумовлює в'яжучі властивості ВКС, є тривалість подрібнення, яка забезпечує різну концентрацію КЧЗ в твердій фазі суспензії.

Встановлено винятковий вплив концентрації КЧЗ на в'язкість ВКС і фізико-механічні властивості ВКС-відливок. Залежно від даної величини показники Rcт і Rзг змінюються майже в 3 рази, об'ємна маса - з 1783 кг/м3 до 1996 кг/м3, пористість - з 25 % до 33,5 %, в'язкість - з 4,2 оЕ до 9,1 оЕ. При цьому всі досліджені залежності були екстремальними, що дозволило визначити оптимальну концентрацію КЧЗ (сКЧЗopt = 1,27 %), при якій суспензія володіє мінімальною в'язкістю, а ВКС-відливки - найкращими експлуатаційними характеристиками.

Оскільки найбільший вплив на концентрацію КЧЗ в суспензії надає тривалість подрібнення, то визначено оптимальне значення t, що дозволяє отримати для різних В/Т і кількості добавки сКЧЗopt:

topt = - 0,12067 + 0,098223 x1 + 0,248366 x2, (хв.) (14)

Використовуючи вираз (14), отримані ЕС-моделі оптимальних полів для властивостей ВКС і ВКС-відливок (найбільш характерні графічно представлені на рис. 2 ч 4). І на основі аналізу цих моделей досліджено вплив основних факторів на набуття оптимальних властивостей суспензії і відливок.

Виходячи з того, що основними показниками якісних ВКС-відливок є: об'ємна маса і їх міцнісні характеристики, то оптимальний режим подрібнення було визначено на основі цих показників при мінімальній в'язкості ВКС з умовою мінімальної тривалості подрібнення.

Даний режим забезпечує досягнення оптимальної концентрації КЧЗ в суспензії і дозволяє отримати ВКС на основі безлюдівського піску з з = 4,128 оЕ, а ВКС-відливки з Rcт = 19,6 МПа, Rзг = 2,82 МПа, і визначається такими параметрами:

- оптимальна концентрація КЧЗ в суспензії - 1,27 %;

- В/Т = 0,253;

- кількість добавки рідкого скла - 0,44 %;

- тривалість подрібнення t = 134 хв.

Згідно дослідженням, в'язкість ВКС при помелі визначається вмістом негативно заряджених часток гелів з високою питомою поверхнею за рахунок створення ними сильного електростатичного розклинюючого тиску в прошарках між собою і в прошарках між частками та зернами піску. Проте, на початку подрібнення такі частки практично відсутні, оскільки виникнення колоїдних часток заліза та найдрібніших часток подрібнюваного кварцу вимагає значного часу. У зв'язку з цим, до складу ВКС вводилася добавка силікатний клей-зв'язка, що містила золь SiO2 (20 %) і рідке скло Na2SiO3 (80 %). Частки золя SiO2, які мають негативний електроповерхневий потенціал, компенсували недолік таких часток і забезпечили значне зниження в'язкості ВКС до зmin = 3,81 оЕ. Що у свою чергу призвело і до підвищення міцності ВКС-відливок.

Результати даного дослідження дозволили визначити наступні оптимальні умови подрібнення:

- кількість добавки силікатного клею-зв'язки - 0,55 %;

- тривалість подрібнення t = 116 хв.

На основі отриманих ВКС було виготовлено ВКС-відливки, випробування на міцність яких показали Rcт = 23,1 МПа, Rзг = 3,35 МПа.

Таким чином, введення даної добавки сприяло інтенсифікації процесу помелу ВКС. При цьому скоротився час подрібнення на 13,4 %, знизилася в'язкість на 7,6 % і підвищилася міцність зразків у середньому на 15 %.

В цілому, проведені дослідження дозволили удосконалити технологію отримання в'яжучих суспензій, ґрунтуючись на нанотехнологічному підході і колоїдно-хімічних закономірностях, шляхом оптимізації їх складу і технологічних параметрів.

Виконані фізико-хімічні дослідження підтвердили наявність речовин, що утворюються згідно розробленому механізму твердіння кварцових суспензій.

Із залученням електронно-мікроскопічного аналізу встановлена у складі ВКС наявність часток рівноважних кристалогідратів, які мають середній розмір близько 300 нм і покриті сферичними маленькими частками КЧЗ.

Аналіз рентгенограм досліджених зразків показав, що фазовий склад суспензії кварцового піску практично не змінювався в процесі твердіння, основною фазою так і залишився в-кварц. Про присутність Са(ОН)2 свідчила лише невелика лінія при d = 2,63 Е, що є найбільш інтенсивною для Са(ОН)2. Частки Fe(OH)3, що утворюються при помелі, на рентгенограмі не було виявлено через їх рентгеноаморфність.

Отримані криві диференціально-термічного аналізу ВКС і ВКС-відливок мали ідентичний характер, при цьому був виявлений ендотермічний ефект при t = 573 oС, який характеризував перехід в-кварц - б-кварц.

Основні результати експериментів, виконаних на безлюдівському піску, дозволили перейти до визначення можливості отримання ВКС оптимального складу на основі пісків різних родовищ. Для цього були використані піски Харківської області: червоноосколівський, куп'янський, старовірський; а також для порівняння з раніше проведеними експериментами по отриманню ВКС, використовували дніпровський і ямпольський піски.

В результаті проведених експериментальних помелів розроблена методика для отримання ВКС оптимального складу на основі різних матеріалів.

В цілому, встановлено, що отримані ВКС-відливки з використанням вдосконаленої технології на основі ямпольського і дніпровського пісків мали міцнісні характеристики на 8 ч 15 % вище, ніж вдавалося отримати раніше, при цьому тривалість подрібнення вихідного матеріалу скоротилася на 17 ч 23 %.

4. Розробка високоефективних будівельних матеріалів з використанням ВКС оптимального складу

У зв'язку з тим, що встановлено відповідність зернового складу ВКС вимогам, які пред'являються до мікронаповнювачів, в роботі була зроблена спроба введення ВКС як добавки в дрібнозернисті бетони на портландцементі.

Встановлено, що залежно від витрати цементу, ВКС надає різний вплив:

· при вмісті цементу більше 30 % введення та збільшення кількості ВКС призводить до зниження міцнісних показників;

· при вмісті цементу менше 30 % збільшення витрати ВКС від 0 до 20 % призводить до зростання міцності бетону, подальше ж введення ВКС виявляється неефективним.

Встановлено найбільш ефективний склад дрібнозернистого бетону: 15 % ВКС, 20 % цемент, 65 % пісок; при цьому фізико-механічні характеристики досягають значень Rст=28,9 МПа, Rзг=5,2 МПа, приріст міцності складає 60 % в порівнянні з бетоном без ВКС.

В цілому, при аналізі дії ВКС на цементні суспензії виявлено, що кварцові суспензії в цементних бетонах є добавкою, яка поліпшує реологічні властивості бетонної суміші а, отже, структуру і міцність бетону, і їх застосування ефективне і доцільно при виготовленні дрібнозернистих бетонів, особливо при малих витратах цементу.

Одним з методів отримання бетонів на основі ВКС є введення суспензії в каркас пористого заповнювача (керамзиту) і її структуризація, що досягається за рахунок поглинання кінетично вільної рідини суспензії в пористий заповнювач, у зв'язку з чим було досліджено отримання керамзитобетону на основі ВКС.

В результаті теоретичного обґрунтування і порівняльних дослідів методів формування керамзитобетону на основі суспензії кварцового піску встановлено, що найбільш ефективним є безвібраційний метод «висхідного розчину». Встановлено, що при використанні ВКС в якості в'яжучого при виготовленні керамзитобетонних виробів, поліфракційний склад заповнювача (керамзитовий пісок і гравій) забезпечує підвищення міцності, зниження об'ємної маси бетону і витрати ВКС, причому якнайкращі результати досягнуті при однаковій кількості піску і гравію. Об'ємна маса зразків склала г=1289 кг/м3 при Rст=19,1 МПа.

Подальші дослідження дозволили встановити, що крупнопористий керамзитобетон на основі ВКС є найбільш ефективним матеріалом. При витраті ВКС в межах 300 ч 400 кг/м3 отримано найбільш якісний бетон, який мав оптимальну структуру, тобто зерна заповнювача були рівномірно покриті плівкою висококонцентрованої суспензії, що сприяло її розподілу за всім об'ємом бетону.

Отже, застосування керамзитобетону, в тому числі і крупнопористого, на основі ВКС може бути рекомендовано в умовах сучасної будівельної індустрії. Найбільш перспективне виробництво дрібноштучних стінних виробів, марок: 150; 125; 100, при вмісті ВКС у межах 600 ч 650 кг/м3 - на основі щільного керамзитобетону, і марок: 50; 35; 25, при вмісті ВКС - 230 ч 340 кг/м3 - на основі крупнопористого, які можуть бути використаними для заповнення зовнішніх огороджень будівель каркасного типу, а, крім того, для котеджного будів-ництва.

У п'ятому розділі представлено: результати техніко-економічного обґрунтування виробництва ВКС оптимального складу і результати дослідно-промислового впровадження.

Результати дисертаційної роботи було впроваджено при відновновлювальному ремонті приміщень ВАТ «Дніпропетровського металургійного заводу ім. Петровського», де були зведені стіни і перегородки з керамзитобетонних блоків, виготовлених на основі ВКС. Загальний обсяг робіт склав 24 м3. Там же ВКС була застосована як добавка в дрібнозернисті бетони на основі портландцементу. Даний бетон класу В20 використовувався для відновлення бетонних підлог (обсяг робіт - 156 м3).

Проведений техніко-економічний розрахунок показав, що вартість керамзитобетонних блоків на основі ВКС менша, ніж на основі портландцементу. При цьому, економічний ефект склав 65,2 грн/м3. Дрібнозернисті бетони з добавкою ВКС так само дешевше, ніж на основі чистого портландцементу - економічний ефект склав 55,6 грн/м3.

Висновки

нанотехнологія кварцовий суспензія висококонцентрований

1. В результаті критичного аналізу встановлено, що властивості бетонів, а також стабільність їх міцнісних характеристик можуть бути значно покращені при їх приготуванні з використанням в якості в'яжучого або добавки-мікронаповнювача ВКС оптимального складу. Відповідно до цього в дисертаційній роботі поставлена мета - отримати висококонцентровані кварцові суспензії оптимального складу, а також розробити технології їх виготовлення і застосування в будівництві на основі нанотехнологічних підходів і закономірностей сучасних колоїдної хімії і фізико-хімічної механіки дисперсних систем.

2. Розроблено теоретичні основи створення ВКС оптимального складу на основі положень і закономірностей колоїдної хімії і фізико-хімічної механіки дисперсних систем.

3. Встановлено, що твердіння висококонцентрованих кварцових суспензій визначається виникненням міцних електрогетерогенних контактів між позитивно зарядженими кристалогідратними частками кальцію і негативно зарядженими колоїдними частками заліза і гелевими частками рідкого скла.

4. Отримано ВКС оптимального складу з використанням вдосконаленої технології виробництва, заснованої на нанотехнологічному підході і колоїдно-хімічних закономірностях. Експериментально встановлено, що ВКС-відливки, отримані з розробленої ВКС, мають міцнісні характеристики на 8 ч 15 % вище, ніж вдавалося отримати раніше, при цьому тривалість подрібнення вихідного матеріалу скоротилася на 17 ч 23 %.

5. Встановлено і досліджено закономірності впливу умов подрібнення на властивості ВКС і ВКС-відливок. Внаслідок чого виявлено, що основним фактором, обумовлюючим в'яжучі властивості ВКС, є тривалість подрібнення, яка забезпечує різну концентрацію колоїдних часток заліза в твердій фазі суспензії.

6. Встановлено вплив концентрації колоїдних часток заліза на реологічні властивості ВКС і фізико-механічні властивості ВКС-відливок. Виявлено, що характер даних залежностей є екстремальним, що дозволило визначити оптимальну концентрацію колоїдних часток заліза, при якій ВКС-відливки мають якнайкращі експлуатаційні характеристики.

7. Розроблена методика отримання ВКС оптимального складу на основі вдосконаленої технології виробництва для пісків різних родовищ.

8. Розроблено високоефективні будівельні матеріали з використанням отриманих ВКС:

- ВКС є ефективною добавкою у складі дрібнозернистого бетону на основі портландцементу, що підвищує його міцнісні властивості (приріст міцності до 60 %), і її застосування ефективне і доцільно при виготовленні дрібнозернистих бетонів (економія цементу понад 20 %);

- встановлено, що використання ВКС в якості в'яжучого найефективніше при виготовленні керамзитобетонних виробів.

9. Здійснено дослідно-промислове впровадження результатів дослідження при відновлювальному ремонті приміщень ВАТ «Дніпропетровського металургійного заводу ім. Петровського», економічний ефект у порівнянні з використанням традиційних рішень склав 10 238 грн.

Література

1. Золотов М.С. Использование помольного оборудования для измельчения исходного продукта высококонцентрированных кварцевых суспензий / М.С. Золотов, Т.В. Рапина // Науковий вiсник будiвництва. - Харкiв: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2006. - № 37. - С. 109-114.

2. Золотов М.С. Влияние способа измельчения исходного материала на основные параметры получения кварцевых суспензий / М.С. Золотов, Т.В. Рапина, А.С. Лапшин // Науковий вiсник будiвництва. - Харкiв: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2007. - № 40. - С. 100-107.

3. Золотов М.С. Размерный фактор наночастиц твердой фазы высококонцентрированной кварцевой суспензии / М.С. Золотов, Т.В. Рапина // Науковий вiсник будiвництва. - Харкiв: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2008. - № 45. - С. 119-124.

Размещено на Allbest.ru