Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет

Будівництва і архітектури

УДК 691.32

ПЛАСТИФІКОВАНІ ТОВАРНІ БЕТОННІ СУМІШІ І БЕТОНИ

НА ОСНОВІ ПУЦОЛАНОВИХ ЦЕМЕНТІВ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Шилюк Петро Степанович

Київ -2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології будівельних конструкцій і виробів Київського національного університету будівництва та архітектури (КНУБА) та в Державному науково-дослідному інституті в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д.Глуховського при КНУБА.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор Гоц Володимир Іванович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри технології будівельних конструкцій і виробів

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Барабаш Іван Васильович, директор Будівельно-технологічного інституту, завідувач кафедри „Міське будівництво та господарство” Одеської державної академії будівництва та архітектури; кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ірштель Генріх Борисович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України, м. Київ, завідувач лабораторії

Провідна установа - Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, м. Львів, кафедра будівельного виробництва

Захист відбудеться 18.10.2006 р. о 13⁰⁰ год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 „Основи та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва та архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий 16.09. 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доц. Блажіс Г.Р.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток спеціальних видів будівництва, а також принципові зміни конструкційних рішень в житловому будівництві викликало потребу в розширенні асортименту цементів. Крім того, значно відповідальніше стало відношення до цінових показників будівельних матеріалів, в тому числі бетонних сумішей.

Розробка багатокомпонентних в'яжучих систем є одним з приоритетних напрямків будівельного матеріалознавства, що розглядаються на світовому рівні. Підвищення ефективності використання таких цементів пов'язане з впровадженням поліфункціональних хімічних добавок. Такі добавки вирішують цілу низку технічних питань, але технологія отримання модифікованих бетонів потребує встановлення закономірностей структуроутворення матеріалу на основі багатокомпонентних цементів.

Впровадження пуцоланових цементів (ПЦЦ) в систему модифікованих бетонів з їх подальшим використанням в монолітному будівництві потребує вивчення вибіркової дії хімічних добавок на цементи в залежності від виду та вмісту пуцоланового компоненту, перш за все - у вигляді золи-винесення паливно-енергетичного комплексу (ЗВ), особливостей проходження процесів гідратацїі в присутності добавок, умов формування ранньої міцності і т. ін. Вирішенню цих питань присвячується дисертаційна робота, тема якої є актуальною в зв'язку з наведеним обґрунтуванням, а також різким загостренням проблеми енергозбереження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з приоритетними напрямками розвитку науки і техніки до 2006 року визначені в Законі України від 11 липня 2001 р. №2623-ІІІ „Про приоритетні напрямки розвитку науки і техніки” напрямок №6 „Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” та держбюджетною темою Міністерства освіти і науки України 4ДБ-2005 „Встановлення фізико-хімічних основ створення енергозберігаючих технологій лужних портландцементів, високонаповнених домішками штучного, природного та техногенного походження” (2005-2007 рр., № державної реєстрації 0105U001335).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності товарних бетонних сумішей за рахунок використання пуцоланових цементів та визначення вибіркової дії модифікуючих добавок на структуроутворення бетону на його основі.

Для досягнення поставленої мети вирішували такі задачі:

- визначити ефективність дії суперпластифікаторів (СП) на структуроутворення пуцоланових цементів;

- оптимізувати якісний та кількісний склад в'яжучої системи “портландцемент - зола-винесення - суперпластифікатор” за впливом на основні критерії якості бетону з регламентованим (модельним) складом;

- на основі комплексного аналізу розроблених математичних моделей запроектувати ефективні склади пластифікованих товарних бетонних сумішей на основі пуцоланових цементів;

- дослідити основні технологічні властивості пластифікованих товарних бетонних сумішей і бетонів на пуцоланових цементах, а також визначити вплив особливостей порової структури таких бетонів на показники довговічності;

- провести дослідно-промислове впровадження пластифікованих товарних бетонних сумішей з використанням золи-винесення, визначити особливості їх заводського виробництва і застосування на будівельних об'єктах, виконати економічне обґрунтування доцільності впровадження виконаної розробки.

Об'єктом досліджень є пластифіковані бетонні суміші і бетони для використання в якості товарних.

Предметом досліджень є сумісність хімічної природи суперпластифікаторів з пуцолановим цементом при регламентованому вмісті в ньому золи-винесення.

Методи досліджень: традиційні методики за діючими нормативними документами для вивчення фізико-механічних властивостей вихідних та отриманих матеріалів; методи математичної статистики та планування експерименту при оптимізації складів пуцоланових цементів в пластифікованих бетонних сумішах.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше експериментально розкриті закономірності структуроутворення бетону в залежності від якісних та кількісних співвідношень між пуцолановим компонентом пуцоланових цементів та суперпластифікаторами в бетонних сумішах, ефективність яких розглянуто за критеріями призначення в монолітно-каркасному будівництві - збереженості легкоукладальності товарних бетонних сумішей і ранньої міцності бетонів на їх основі.

Практичне значення одержаних результатів:

- на основі цементів досліджених складів, які віднесені до ПЦЦ IV/А-400Р і ПЦЦ IV/А-500, розроблена рецептура пластифікованих бетонів, що характеризуються відповідністю нормативним вимогам за повним комплексом експлуатаційних властивостей, в т.ч.:

· міцністю на стиск після 3 діб тверднення від 22 до 26,3 МПа;

· міцністю на стиск в проектному віці від 49,4 до 50,6 МПа;

· марками за водонепроникністю від W2 до W4;

· призменною міцністю від 30,8 до 43,7 МПа;

· міцністю на осьовий розтяг від 1,97 до 2,37 МПа;

· модулем пружності на стиск і розтяг від 34,4^.10^-3 до 37,5^.10^-3 МПа;

· коефіцієнтом Пуасона від 136^.10^-3 до 168^.10^-3;

- економічний ефект від впровадження розробки в системі ВАТ „ДБК-4” становить 44,32 грн. на 1 м³ бетону і досягається за рахунок скорочення витрат на цемент в межах 47%, що визначає зменшення собівартості сировинних матеріалів в 1 м³ бетонної суміші розробленого складу на 18,8% у порівнянні з базовим;

- проведені за участю автора нововведення, в т.ч. вжиття заходів екологічної безпеки, врахування особливостей використання золи-винесення при виробництві бетонних сумішей, забезпечення поопераційного контролю їх якості і статистичний контроль якості бетону стали передумовою 4-х кратного зростання об'ємів використання золи-винесення при виробництві бетонних сумішей низької енергоємкості, в т.ч. товарних, на заводі ЗБВ ВАТ „ДБК-4”: з 706 тон у 1998 р. до 2745 тон у 2005 р.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні розроблених матеріалів у виробництво. Особистий внесок здобувача в наукові роботи:

- проаналізовано стан проблеми відповідності існуючих технологій зведення багатоповерхових житлових будинків необхідному для забезпечення зростаючого об'єму будівництва в м. Києві [1];

- досліджено ефективність дії суперпластифікаторів нових типів з пуцолановими цементами, що вміщують різну кількість золи-винесення [2];

- досліджено вплив суперпластифікатора на нормальну густоту і строки тужавлення золовмісних пуцоланових цементів [3];

- досліджено ефективність суперпластифікатора „С-3” в пуцоланових цементах в залежності від кількості штучної пуцолани [4];

- проаналізовано ефективність дії сульфатовмісних і безсульфатних суперпластифікаторів у товарних бетонних сумішах на основі золовмісних пуцоланових цементів [5];

- досліджено вплив золи-винесення і пластифікуючих добавок на властивості бетонних сумішей і бетону, що визначають його довговічність [6];

- досліджено процеси гідратації і тверднення цементних систем з добавками суперпластифікаторів на основі акрилатів [7];

- досліджено вплив суперпластифікаторів різної хімічної природи на основні показники якості товарних бетонних сумішей і бетонів, що отримані на основі пуцоланових цементів [8];

- проведено експериментальне обґрунтування пропозицій щодо використання пластифікуючої добавки в товарній бетонній суміші на основі пуцоланового цементу в залежності від вмісту паливної золи-винесення [9];

- наведено аналіз ефективності використання пуцоланових цементів в товарних бетонних сумішах при спорудженні об'єктів житлового призначення за монолітно-каркасною технологією [10].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи було висвітлено в доповідях на 66-й науково-практичній конференції КНУБА (2005 р.), 6-й Міжнародній конференції “Дни современного бетона” (Запоріжжя, 2004 р.), науково-практичній конференції „Бетони, розчини, добавки. Технології виконання бетонних робіт в літніх умовах. Декоративні бетони” (Київ, 2004), науково-практичному семінарі „Добавки для бетонів та їх технології” (Київ, НДІБК, 2004), 2-й Всеросійській конференції по бетону та залізобетону „Бетон и железобетон - пути развития” (Москва, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 друкованих робіт, в тому числі 7 в фахових виданнях, 3 - у матеріалах та тезах доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 172 сторінки і включає 116 сторінок основного тексту, 45 рисунків, 30 таблиць, список використаних літературних джерел з 160 найменувань на 17 сторінках, а також 3 додатки на 10 сторінках.

суперпластифікатор бетонний пуцолановий цемент

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано їх практичне значення.

У першому розділі проведено аналітичний огляд стану проблеми та обґрунтовані напрямки досліджень.

З робіт Аітсона П.К., Едварда П., Наві Г. та ін. відомо, що загальною ознакою бетонних сумішей при отриманні високофункціональних бетонів є високі показники легкоукладальності при низьких значеннях В/Ц. Це передбачає використання модифікуючих добавок, представлених суперпластифікаторами.

Відомо, що до основних особливостей використання товарних бетонних сумішей належить необхідність забезпечення їх легкоукладальності впродовж транспортування. Однак, при використанні суперпластифікаторів проблема збереження рухомості бетонних сумішей ускладнюється із зменшенням значень В/Ц. Крім того, дослідженнями Спіратоса Н., Пейджа М., Малхотри В.М. показано, що суперпластифікатори можуть мати різну ефективність дії в залежності від їх витрати в складі бетонних сумішей, хімічного складу і типу цементу. В дослідженнях Коллепарді М., Каппола Л., Феррафі Г. та ін. вказано на те, що невизначеність у витраті суперпластифікаторів веде до невідповідності між збереженістю легкоукладальності бетонної суміші і тужавленням бетону, що в результаті негативно впливає на його довговічність.

Відомим з робіт Ліхтмана М.О, Ленінського М.Ю., Малхотри В.М., Джоші Р.К. регулятором збереження показника легкоукладальності товарної бетонної суміші є активні мінеральні добавки, серед яких особливу увагу доцільно звернути на золи-винесення як на найбільш доступний вид штучної пуцолани, з однієї сторони, і водночас найбільш масовий промисловий відхід, що потребує утилізації - з іншої. Вказане визначає перспективність використання пуцуцоланових цементів.

Від традиційного портландцементу такі цементи вигідно відрізняється ціною, енерговитратами на виробництво, значно меншими об'ємами впливу на навколишнє середовище. Крім того Волженським О.В., Хвангом К.Л. i Ліу Ж.Ж. показано, що пуцоланові цементи характеризуються підвищеною водоутримуючою здатністю, низьким тепловиділенням, знижують деформації і тріщиноутворення бетону, підвищують його водонепроникність. Однак, при всіх відомих перевагах, такі цементи характеризуються низькою ранньою активністю і проблематичною морозостійкістю, що констатується Волженським О.В., Сергеєвим А.М., Серсале Р., Рой Д.М., Саркар С.Л. Це обмежує область їх доцільного застосування.

Крім того, питання ефективності дії суперпластифікаторів різного складу в товарних бетонних сумішах на основі пуцоланових цементів, залишаються відкритими. Так, Охтою А. і Юомотою Т. показано, що раціональна витрата і хімічна природа суперпластифікатора має встановлюватися експериментально при будь-якій зміні складу багатокомпонентного цементу, співвідношення та дисперсності його інгредієнтів.

Враховуючи наведене, метою даної роботи є підвищення ефективності товарних бетонних сумішей за рахунок використання пуцоланових цементів та визначення вибіркової дії модифікуючих добавок на структуроутворення бетону на його основі.

Проведений аналіз літературних джерел вказує на можливість досягнення поставленої мети і дозволяє запропонувати наукову гіпотезу: внутрішні протиріччя між ефектом пластифікації і уповільненням формування ранньої міцності, які супроводжують виробництво та використання товарних бетонних сумішей, можна вирішувати з огляду на структурні та хімічні особливості золи-винесення, присутньої в складі пуцоланового цементу, що сприятиме покращенню легкоукладальності бетонної суміші та її збереженню при транспортуванні; в комплексі з хімічними добавками з групи суперпластифікаторів різної хімічної природи це забезпечить підвищення ефективності таких сумішей при отриманні високофункціональних бетонів для монолітного будівництва.

У другому розділі охарактеризовано вихідні матеріали і основні методи досліджень фізико-механічних властивостей вихідних та отриманих матеріалів за діючими нормативними документами. Для оптимізації складів пуцоланових цементів в пластифікованих бетонних сумішах застосовано методи математичної статистики та планування експерименту.

У дослідженнях для приготування пуцоланового цементу був використаний Здолбунівський портландцемент ПЦ I-500-Н, за пуцоланову складову використовували золу-винесення Ладижинської ДРЕС (табл. 1). Хімічний аналіз свідчить про приналежність золи-винесення до типових для України з групи кислих, що не можуть проявляти самостійної гідравлічної активності. При цьому значення її питомої поверхні і характеристики зернового складу близькі до потрландцементу, що дозволило готувати пуцолановий цемент шляхом сухого змішування компонентів. Прийом сухого змішування компонентів був прийнятий за аналогією з типовою технологією для заводського використання пуцоланового цементу при виробництві бетонної суміші і обґрунтований прискореною втратою властивостей таких цементів у порівнянні з бездобавочними при зберіганні.

Таблиця 1. Хімічний склад вихідних матеріалів

Компоненти ПЦЦ	Вміст оксидів, мас. %	в.п.п., %
	SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	FeO	MgO	CaO	Na2O	K2O	SO3
Клінкерна складова ПЦ I-500-Н	23,4	-	5,17	4,12	-	0,88	64,13	0,41	0,33	0,55	0,20
Зола-винесення	50,5	0,9	24,7	10,4	0,70	1,3	2,5	1,5	2,7	0,5	0,5 - 1

В роботі використовували суперпластифікатори всіх відомих на сьогодні чотирьох типів на основі: сульфованих нафталінформальдегідних поліконденсатів (тип „НФ”); сульфованих меламінформальдегідних поліконденсатів (тип „МФ”); поліакрилатів (тип „ПА”) і полікарбоксилатів (тип „ПК”).

За хімічною природою суперпластифікатори були розділені в дослідженнях на дві групи - такі, що вміщують сульфатні групи, і безсульфатні. Необхідність такої класифікації суперпластифікаторів пояснюється тим, що наявність сульфатної групи в структурі молекули є визначальною ознакою у властивостях суперпластифікаторів починаючи з механізму дії. Так, пластифікуючий ефект дії суперпластифікаторів сульфатвміщуючої групи типів „НФ” і „МФ” пояснюється електростатичним відштовхуванням між від'ємно зарядженими цементними частками з адсорбованими по поверхні молекулами полімеру. Натомість пластифікація бетонних сумішей суперпластифікаторами безсульфатної групи типів “ПА” і „ПК” ґрунтується на прояві принципово іншого стеричного механізму, що за Фалікманом В.Р., Вайнером А.Я., Башликовим Н.Ф. забезпечує збільшення тривалості зберігання бетонними сумішами вихідної консистенції у порівнянні з аналогами, які модифіковані сульфатвміщуючими суперпластифікаторами. Крім того в дослідженнях Хамади Д. та ін. ефект тривалого збереження рухомості бетонної суміші пояснюється рівномірною у часі швидкістю адсорбції суперпластифікаторів типів “ПА” і „ПК” на частинках цементу, а в дослідженнях Медера У., Тсукади К. та ін. - значно більшою довжиною ланцюгів полімеру.

Серед суперпластифікаторів відповідних типів і груп відібрані представницькі продукти відомих на ринку виробників:

· суперпластифікатори типу „НФ” представлені порошком торгівельної марки „С-3” Новомосковського заводу “Оргсинтез” (Росія),

· суперпластифікатори типу „МФ” і типу „ПК” представлені продуктами фірми “Degussa Construction Polymers GmbH” (Німеччина): суперпластифікатори типу „МФ” - порошком торгівельної марки “Melment F-10”, а суперпластифікатори типу „ПК” - добавкою торгівельної марки „Melflux 1641 F”,

· суперпластифікатори типу „ПА” представлені добавкою торгівельної марки „Dynamon SR2”, що є продуктом компанії “Mapei” (Італія).

В третьому розділі вивчено особливості структуроутворення пуцоланових цементів в присутності суперпластифікатора і проведено оптимізацію складу системи „портландцемент - зола-винесення - суперпластифікатор” за кртеріями ефективності дії в бетоні.

Методом акустичного резонансу виявлено, що структуроутворення пуцоланового цементу в присутності суперпластифікатора характеризується особливостями, які можуть бути використані при підвищенні ефективності товарних бетонних сумішей для отримання бетонів високої функціональності. По-перше, тривалість першої стадії структуроутворення системи „портландцемент - зола-винесення - суперпластифікатор” більш ніж в 2 рази подовжується порівняно з непластифікованим беззольним аналогом. Саме на цій стадії процеси гідратації протікають найбільш інтенсивно, що визначає інтерес до її тривалості. Для пластифікованого пуцоланового цементу з вмістом 21% золи-винесення перша стадія структуроутворення закінчується за 2 години 5 хвилин проти 45 хвилин для непластифікованого портландцементу і фіксується по різкому спаду амплітуди резонансу і зменшення його частоти. По-друге, структуроутворення пуцоланових цементів в присутності суперпластифікатора супроводжується отриманням штучного каменю, міцність якого, в т.ч. рання, не поступається міцності прийнятого аналога у вигляді непластифікованого портландцементу. Наведені результати досліджень дозволяють зробити припущення про те, що використання пуцоланових цементів в пластифікованих товарних бетонних сумішах високої життєздатності при достатньо високих показниках міцності бетону в ранньому і проектному віці є можливим за умови вирішення задачі оптимізації вмісту золи-винесення в складі цементу в залежності від витрати суперпластифікатора.

Це припущення було підтверджено результатами оптимізації системи „портландцемент - зола-винесення - суперпластифікатор” в бетоні прийнятого постійного складу (табл. 2).

Експериментальні дослідження виконували у відповідності з планом двохфакторного трирівневого експерименту. За фактори, що змінювалися, прийнято вміст золи-винесення у складі пуцоланового цементу (X₁) і витрату суперпластифікатора (X₂) (табл. 3). Мінімальний (21 %) і максимальний (55 %) вміст золи-винесення у складі пуцоланового цементу відповідає вимогам ДСТУ Б В.2.7-46 до цементів IV типу. Межі витрати суперпластифікаторів приймали у відповідності з рекомендаціями їх виробників.

Таблиця 2. Склад бетонних сумішей

Склад бетонної суміші, кг/ м3	Значення ОК відразу після замішування, см
Цемент	Пісок	Щебінь фракції, мм
		5...10	10...20
350	750	340	780	19

Таблиця 3. Інтервали варіювання факторів

Фактори, вид	Рівні варіювання	Шаг варіювання
кодований	натуральний	нижній	середній	верхній
		-1	0	+1
Х1	вміст ЗВ у складі пуцоланового цементу, % від маси цементу	21	38	55	17
Х2	витрата СП, % від маси цементу	група сульфатвміщуючих СП	тип „НФ”	0,5	0,75	1,0	0,25
			тип „МФ”	0,2	0,85	1,5	0,65
		група безсульфатних СП	тип „ПА”	0,8	1,15	1,5	0,35
			тип „ПК”	0,05	0,275	0,5	0,225

Примітка. Витрату СП типів „НФ”, „МФ” і „ПК” наведено в розрахунку на суху речовину; витрату СП типу „ПА” наведено в розрахунку на об'єм водного розчину 25%-ї концентрації.

Обрану систему оптимізовано за шістьма критеріями ефективності дії в бетоні, що розглянуті як функції відгуку. Для порівняння розглянутий контрольний склад бетонної суміші на основі портландцементу без добавки золи-винесення (табл. 4).

За першим критерієм зафіксовано зменшення водопотреби пластифікованих бетонних сумішей на основі пуцоланових цементів до 35% відносно контрольного складу і встановлена більша ефективність безсульфатних суперпластифікаторів у порівнянні з сульфатвміючими в бетонних сумішах на основі пуцоланового цементу при вмісті золи-винесення від 21 до 55%. Виявлений ефект досягається за рахунок комплексної дії золи-винесення і суперпластифікаторів.

Таблиця 4. Характеристика бетонної суміші і бетону контрольного складу

Технічні характеристики
бетонної суміші	бетону
водопотреба	значення ОК, см	міцність на стиск, МПа
	відразу після замішування	через 15 хв	Через 2 год	3 доби	28 діб
л/м3	В/Ц
233	0,67	19	18	10	17	27,3

За критерієм збереження рухомості пластифікованої бетонної суміші встановлено, що найменшою втратою рухомості - зменшення ОК не більше 5 см через 2 год - характеризуються бетонні суміші пластифіковані суперпластифікатором безсульфатної групи поліакрилатного типу при вмісті золи-винесення в складі цементу 35%, що не досягається при використанні суперпластифікаторів з групи сульфатвміщуючих нафталінового і меламінового типів.

За третім критерієм встановлений приріст ранньої міцності бетону на основі пластифікованого пуцоланового цементу в межах 50% в порівнянні з контрольним складом. При цьому найвищі показники - до 25 МПа через 3 доби тверднення - забезпечуються при використанні суперпластифікатора поліакрилатного типу при 35% золи-винесення в складі цементу.

За критерієм міцності в проектному віці встановлено, що бетон на основі пластифікованого пуцоланового цементу характеризується міцністю на стиск на 65% більшою у порівнянні з контрольним складом. Область максимальних значень міцності від 40 до 45 МПа зафіксована при вмісті золи-винесення від 23 до 35% в складі цементу і використанні суперпластифікатора поліакрилатного типу.

Ефективність пластифікованої пуцоланової системи в бетонних сумішах підтверджена підвищенням міцності бетону при довготривалих випробуваннях: приріст міцності бетону на стиск після 180 діб тверднення становить від 20 до 80%. Значення об'єму відкритих капілярних пор бетону (від 3,0 до 3,5%), показники середнього розміру цього виду пор (в межах 0,5) і їх однорідності за розміром в бетоні характеризують порову структуру бетону на основі пластифікованої пуцоланової системи як ефективну з точки зору забезпечення відповідних властивостей бетону, що розглянуті як критерії ефективності. Таким чином, дослідження показали ефективність використання пуцоланового цементу в усьому діапазоні регламентованого стандартом вмісту золи-винесення в комплексі з суперпластифікатором поліакрилатного типу. При цьому очевидно, що область вмісту золи-винесення від 23 до 35% забезпечує кращі результати за прийнятими критеріями оцінки функціональності для товарних бетонних сумішей.

В четвертому розділі проведено проектування та дослідження властивостей бетону на основі оптимізованого комплексу „пуцолановий цемент - суперпластифікатор”. На підставі випробувань було прийнято вважати раціональним для проектування пластіфікованих товарних бетонних сумішей склад пуцоланового цементу з вмістом золи-винесення від 23 до 35%. З метою забезпечення економічної ефективності бетону на цементі такого складу розглянута можливість скорочення витрати суперпластифікатора до мінімуму, який регламентується виробником добавки. Бетони запроектованих складів (табл. 5) досліджено з позиції адекватності їх властивостей критеріям функціональності і довговічності.

Встановлено, що за показником В/Ц всі запроектовані склади бетону є раціональними: в залежності від вмісту золи-винесення в цементі і його витрати в бетоні експериментальні значення В/Ц на 9...24% менше розрахункових значень. Це створює передумови для зменшення раціональної витрати суперпластифікатора поліакрилатного типу до нижньої нормованої виробником границі - 0,8% за об'ємом від маси цементу (табл. 6) і забезпечує бетонній суміші і бетону оптимізованого складу підвищення функціональності при використанні в монолітно-каркасному будівництві: при практичній відсутності зміни легкоукладальності бетонної суміші протягом 2 год, міцність бетону на стиск після 3 діб тверднення складає 22 МПа, що становить 50% регламентованого показника міцності бетону проектного класу В30. У проектному віці такий бетон характеризується міцністю 49,4 МПа.

Крім того, використання пуцоланових цементів визначає підвищення міцності пластифікованих бетонів запроектованих складів за часом - до 25% у річному віці.

Таблиця 5. Запроектовані склади товарних бетонних сумішей

Склад бетону №	Витрата матеріалів на 1 м3, кг
	ПЦЦ	Пісок	Щебінь фракцій, мм	СП “Dynamon SR2”
			5...10	10...20
1	450	700	330	770	5,6 л (1,24 %) - початковий
2					4,5 л (1,0 %) - додатковий
3					3,6 л (0,8 %) - додатковий
4	480	690	325	760	6,0 л (1,24 %) - початковий
5					4,8 л (1,0 %) - додатковий
6					3,8 л (0,8 %) - додатковий
7	480	690	325	760	6,0 л (1,24 %) - початковий
8					4,8 л (1,0 %) - додатковий
9					3,8 л (0,8 %) - додатковий

Примітка. Вміст золи-винесення в ПЦЦ для бетону складів: №1, №2, №3 - 103 кг (23%); №4, №5, №6 - 144 кг (30%); №7, №8, №9 - 168 кг (35%).

Таблиця 6. Оптимізований склад товарної бетонної суміші

Цемент	Витрата матеріалів на 1 м3, кг
Марка	Вміст ЗВ, %	Цемент	Пісок	Щебінь фракцій, мм	СП	Вода
				5...10	10...20
ПЦЦ IV/А - 400Р	35	466	669	315	737	3,7 л	201

Дослідженнями впливу вмісту золи-винесення на характер порової пластифікованого бетону показано, що найкращі показники забезпечуються при використанні цементу з 35% золи-винесення. Позитивну роль, яку відіграє зола-винесення у зменшенні об'єму і середнього розміру відкритих капілярних пор при збільшенні їх однорідності за розміром в бетонах на основі пуцоланових цементів можна пояснити більшою у порівнянні з портландцементом неоднорідністю її зернового складу з переважним вмістом часток, дрібніших 0,05 мм, що визначає формування щільної мікро-, мезо- і макроструктури бетону.

Ефективне застосування будь-якої в'яжучої системи в бетонах для монолітно-каркасного будівництва є можливим тільки за умови їх задовільної захисної дії по відношенню до сталевої арматури. Використання пуцоланових цементів забезпечує ефективну пасивацію металевої арматури в бетоні як в проектному віці, так і після 5 місяців випробування за режимом, що моделював реальні умови експлуатації.

Аналізом необхідного комплексу показників якості показано, що найбільш повно вимогам до бетонів найбільш поширеного проектного класу В30 для монолітно-каркасної технології будівництва відповідає склад на основі пуцоланового цементу з вмістом 35% золи-винесення при витраті суперпластифікатора поліакрилатного типу 0,8% за об'ємом від маси цементу (табл. 7). Висока функціональність цього складу визначається уповільненням зменшення легкоукладальності бетонної суміші в необхідних межах при забезпеченні повної відповідності експлуатаційних властивостей бетону нормативним вимогам. Це стало підставою для прийняття цього складу за номінальний при впровадженні розроблених товарних сумішей на об'єктах будівництва.

П'ятий розділ присвячено вирішенню питань, що пов'язані з впровадженням розроблених товарних бетонних сумішей в системі ВАТ „Домобудівний комбінат №4” ХК „Київміськбуд”.

Відмічено, що використанню золи-винесення в якості пуцоланової добавки до портландцементу ВАТ приділяло суттєве значення, починаючи з 1985 року. Це допомагало вирішувати перш за все економічні питання при виробництві традиційної продукції збірного домобудування, яке було організовано на заводі залізобетонних виробів - структурного підрозділу ВАТ. З метою нарощування об'ємів використання золи-винесеня на заводі за участю автора було модернізовано ряд технологічних вузлів. Так зберігання золи-винесення організовано у силосі поряд силосами для зберігання портландцементу, транспортування її до бетонозмішувача виконується пневмотранспортом з забезпеченням ефективного пиловлолювання. В результаті з 1998 року, зростання виробництва важкого бетону, в т.ч. товарних бетонних сумішей, супроводжувався 4-х кратним нарощуванням об'ємів використання золи-винесення.

Апробація розробки в системі ВАТ показала загальну підготовленість технологічних вузлів заводу до використання золи-винесення, що визначило відсутність додаткових витрат на модернізацію виробництва. При цьому досвід використання розробки на об'єктах будівництва ВАТ свідчить про наявність ряду особливостей в технологічному процесі бетонування, в т.ч. про можливість збільшення допустимого часу транспортування бетонної суміші при підвищених температурах літнього періоду (до 2,5 год при температурі навколишнього середовища до +35^оС), подовження допустимого часу перерви у бетонуванні (до 15 год), необхідність забезпечення більш прискіпливого догляду за бетоном, обмежене застосування в холодний період року.

Таблиця 7. Відповідність якості бетону розроблених складів нормативним вимогам

Показники якості	№№ запроектованих складів за табл. 5	Документ, що регламентує значення показника
	3	6	9
1. Зменшення значень ОК впродовж 2 год, см	Н	Не більше 5 см	Технологічний регламент
	Ф	2	1	0
2. Середня густина бетону, кг/м3	Н	В межах від 2200 до 2500	ДСТУ Б В.2.7-43
	Ф	2527	2517	2435
3. Міцність на стиск в ранньому віці (3 доби), МПа	Н	Не менше 50% проектної міцності - 19,7 МПа (В30)	Технологічний регламент
	Ф	26,3 (В40)	23,1 (В35)	22,0 (В30)
4. Міцність на стиск в проектному віці (28 діб), МПа	Н	39,3 (В30)	ДСТУ Б В.2.7-43
	Ф	50,6 (В35)	57,0 (В40)	49,4 (В35)
5. Морозостійкість (марка)	Н	F50 - F100	СНиП 2.03.01-84 (табл. 9, 10)
	Ф	Не менше F200	F150
6. Водонепроникність (марка)	Н	W2	СНиП 2.03.01-84 (табл. 9)
	Ф	W2	W4	W4
7. Призменна міцність, МПа	Н	22,0 (В30)	СНиП 2.03.01-84 (табл. 12)
	Ф	30,8 (В40)	44,3 (В60)	43,7 (В60)
8. Міцність на осьовий розтяг, МПа	Н	1,80 (В30)	СНиП 2.03.01-84 (табл. 12)
	Ф	1,97 (В35)	2,24 (В45)	2,37 (В50)
9. Модуль пружності на стиск і розтяг Ев.10-3, МПа	Н	32,5 (В30)	СНиП 2.03.01-84 (табл. 18)
	Ф	34,4 (В30)	38,1 (В45)	37,5 (В45)
10. Коефіцієнт Пуасона µ.10-3	Н	66,2 (В30)	СНиП 2.03.01-84 (табл. 18)
	Ф	136 (> В60)	168 (> В60)	155 (> В60)

Примітки:

1. Н - нормативне значення показника для бетону класу за міцністю В30; Ф - фактичне значення показника.

2. В дужках наведено клас бетону за міцністю на стиск якому відповідає значення показника.

Організація контролю якості на всіх етапах технологічного процесу забезпечило задовільні результати випробувань контрольних серій зразків бетону і їх відповідність результатам отриманим в лабораторії: середній розмах міцності бетону на стиск - 4,3 МПа, середня міцність на стиск бетону в проектному віці - 42,4 МПа, середній внутрішньосерійний коефіцієнт варіації міцності бетону на стиск - 5,9 %.

Скорочення витрат на цемент в межах 47%, як за рахунок загального зменшення витрати в'яжучої речовини, так і за рахунок використання дешевої техногенної сировини (золи-винесення), визначає зменшення собівартості сировинних матеріалів в 1 м³ бетонної суміші розробленого складу на 18,8% у порівнянні з базовим.

висновки

1. Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено, що внутрішні протиріччя між ефектом пластифікації бетонної суміші і затриманням ранньої міцності бетону, які супроводжують їх виробництво та використання, можна вирішувати з врахуванням структурних та хімічних особливостей золи-винесення, присутньої в складі пуцоланового цементу, що сприяє покращенню легкоукладальності та уповільненню її зміни при транспортуванні; в комплексі з визначеними за вибірковістю дії до пуцоланових цементів хімічними добавками з групи суперпластифікаторів різної природи це забезпечує підвищення ефективності таких сумішей при отриманні високофункціональних бетонів для монолітного будівництва.

2. Встановлено закономірності структуроутворення пуцоланових цементів в присутності суперпластифікатора і показано, що тривалість першої стадії більш ніж в 2 рази подовжується порівняно з непластифікованим беззольним аналогом; водночас, використання суперпластифікатора в системі “портландцемент - зола-винесення - суперпластифікатор” забезпечує її активність, в т.ч. ранню, що не поступається активності прийнятого аналога.

3. Показано, що раціональне використання пуцоланових цементів в пластифікованих товарних бетонних сумішах забезпечується за умови вирішення задачі оптимізації системи “портландцемент - зола-винесення - суперпластифікатор” за критеріями якості бетону - мінімальної водопотреби бетонних сумішей, їх життєздатності, міцності в ранньому і проектному віці. Кращі показники отримані при вмісті золи-винесення в складі цементу від 23 до 35% із використанням суперпластифікатора безсульфатної групи поліакрилатного типу. Такий склад пуцоланової системи визначає порову структуру бетону з мінімальним об'ємом відкритих капілярних пор (від 3,0 до 3,5%) при мінімальних значеннях показника їх середнього розміру (в межах 0,5) і максимальній однорідності за розміром, що створює 20...80% резерву для розвитку міцності за часом.

4. На основі оптимізованої пуцоланової системи запроектовано склади пластифікованих товарних бетонних сумішей, які характеризуються відповідністю легкоукладальності марці Р5 впродовж 2 год після замішування і значеннями В/Ц на 9...24% меншими розрахункових для забезпечення проектного класу бетону за міцністю В30, що створює передумови для зменшення витрати суперпластифікатора до нижньої нормованої виробником границі.

5. Цементи досліджених складів віднесені до ПЦЦ IV/А-400Р і ПЦЦ IV/А-500 і на їх основі розроблено рецептуру пластифікованих бетонів, що характеризуються відповідністю нормативним вимогам за повним комплексом експлуатаційних властивостей, в т.ч.:

· міцністю на стиск після 3 діб тверднення від 22 до 26,3 МПа;

· міцністю на стиск в проектному віці від 49,4 до 50,6 МПа;

· марками за водонепроникністю від W2 до W4;

· призменною міцністю від 30,8 до 43,7 МПа;

· міцністю на осьовий розтяг від 1,97 до 2,37 МПа;

· модулем пружності на стиск і розтяг від 34,4^.10^-3 до 37,5^.10^-3 МПа;

· коефіцієнтом Пуасона від 136^.10^-3 до 168^.10^-3.

6. Характер мікро-, мезо- і макроструктури бетону визначають зафіксовані показники його морозостійкості (марка не менше F150), кінетика зростання міцності на стиск (до 25% у річному віці), що разом з відповідними експлуатаційними властивостями є основою довговічності бетону на основі цементу, в якому зола-винесення виконує функції пуцолани та наповнювача.

7. Показано, що впровадження розробки в системі ВАТ „ДБК-4” дозволяє підвищити ефективність товарних бетонних сумішей і забезпечити високу функціональність бетонів на їх основі. Економічний ефект від впровадження розробки становить 44,32 грн. на 1 м³ бетону і досягається за рахунок скорочення витрат на цемент в межах 47%, що визначає зменшення собівартості сировинних матеріалів в 1 м³ бетонної суміші розробленого складу на 18,8% у порівнянні з базовим.

8. Показано, що вжиття заходів екологічної безпеки, врахування особливостей використання золи-винесення при виробництві бетонних сумішей, забезпечення поопераційного контролю їх якості і статистичний контроль якості бетону стали передумовою 4-х кратного зростання об'ємів використання золи-винесення при виробництві бетонних сумішей низької енергоємкості, в т.ч. товарних, на заводі ЗБВ ВАТ „ДБК-4”: з 706 тон у 1998 р. до 2745 тон у 2005 р.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У ПРАЦЯХ

1. Величко О.В., Старчук В.Н., Шилюк П.С. Нові залізобетонні конструкції та збірно-монолітні багатоповерхові житлові будинки для виконання соціальних програм в м. Києві // Тези доповідей науково-практичної конференції „Бетони, розчини, добавки. Технології виконання бетонних робіт в літніх умовах. Декоративні бетони”. - Київ, 2004. - С. 11-13.

2. Шилюк П.С., Гоц В.І., Рунова Р.Ф., Руденко І.І. Поліфункціональні добавки на основі поліакрилатів у пуцоланових цементах // Будівництво України. - 2004. -№7. - С.28-32.

3. Шилюк П.С., Гоц В.І., Руденко І.І. Використання суперпластифікатора С-3 в пуцоланових цементах // Строительные материалы и изделия. - 2004. - №3. - С.2-4.

4. Шилюк П.С., Гоц В.І., Руденко І.І. Використання суперпластифікатора С-3 в пуцоланових цементах // Материалы VI Международной научно-практической конференции “Дни современного бетона”. - Запорожье, 2004. - С. 224-228.

5. Шилюк П.С., Гоц В.І., Рунова Р.Ф., Руденко І.І. Використання пластифікованих пуцоланових цементів у товарних бетонних сумішах // Будівництво україни. - 2004. - №8. - С.23-27.

6. Рунова Р.Ф., Руденко И.И., Гоц В.И., Шилюк П.С. Снижение расхода цемента как путь обеспечения долговечности бетона // Міжвідомчий науково-технічний збірник „Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону”. - Київ, НДІБК. - Т. 2. - 2005. - С. 42-50.

7. Чистяков В.В., Гоц В.И., Гелевера А.Г., Дударь М.И., Шилюк П.С. Гидратация и структурообразование цементных систем с добавками акрилатов // Труды 2-й Всероссийской (Международной) конференции „Бетон и железобетон - пути развития”. - Москва, НИИЖБ. - Т.6. - 2005.

8. Рунова Р.Ф., Руденко И.И., Гоц В.И., Шилюк П.С. Эффективность действия суперпластификаторов в бетонных смесях на основе пуцоланового цемента // Збірник наукових праць „Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” Національного університету водного господарства та природокористування. - Випуск 13. - Рівне, 2005. - С.86-95.

9. Рунова Р.Ф., Руденко И.И., Гоц В.И., Шилюк П.С. Использование пуцоланового цемента для решения некоторых проблем технологии товарного бетона // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка: Наук.-техн. зб. - 2005. - № 20. - С. 15-19.

10. Шилюк П.С. Товарні бетонні суміші на основі пуцоланових цементів у товарних бетонних сумішах // Будівництво України. - 2006. - №2. - С.25-29.

Анотація

Шилюк П.С. Пластифіковані товарні бетонні суміші і бетони на пуцоланових цементах. - Рукопис.

Рукопис дисертації подано на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2006.

В дисертаційній роботі наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень, які присвячені підвищенню ефективності товарних бетонних сумішей за рахунок використання пуцоланових цементів та визначення вибіркової дії модифікуючи добавок на структуроутворення бетону на його основі. Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено, що внутрішні протиріччя між ефектом пластифікації бетонної суміші і затриманням ранньої міцності бетону, які супроводжують їх виробництво та використання можна вирішувати з врахуванням структурних та хімічних особливостей золи-винесення, присутньої в складі пуцоланового цементу, що сприяє покращенню легкоукладальності та уповільненню її зміни при транспортуванні; в комплексі з визначеними за вибірковістю дії до пуцоланових цементів хімічними добавками з групи суперпластифікаторів різної природи це забезпечує підвищення ефективності таких сумішей при отриманні високофункціональних бетонів для монолітного будівництва. На основі пуцоланових цементів розроблено рецептуру пластифікованих бетонів, що характеризуються відповідністю нормативним вимогам за повним комплексом експлуатаційних властивостей. Апробація розробки в системі ВАТ „ДБК-4” підтвердило ефективність товарних бетонних сумішей розроблених складів і високу функціональність бетонів на їх основі. Визначено економічний ефект від впровадження розробки, що досягається за рахунок скорочення витрат на цемент і, відповідно, зменшення собівартості сировинних матеріалів в складі бетонної суміші.

Ключові слова: пуцолановий цемент, зола-винесення, суперпластифікатор, товарна бетонна суміш, важкий бетон.

Аннотация

Шилюк П.С. Пластифицированные товарные бетонные смеси и бетоны на основе пуццолановых цементов. - Рукопись.

Рукопись диссертации представлена на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2006.

Защищается диссертационная работа, содержащая теоретическое и экспериментальное обоснование того, что внутреннее противоречие между эффектом пластификации бетонной смеси и замедленным развитием прочности бетона на ранних сроках твердения, которое сопровождает их производство и применение, можно исключить путем учета структурных и химических особенностей золы-уноса, применяемой в составе пуццоланового цемента и способствующей замедлению изменения удобоукладываемости бетонной смеси при транспортировке. Выявлено, что в комплексе с выбранными по избиратательности действия химическими добавками из группы суперпластификаторов различной природы это обеспечивает повышение еффективности таких смесей при получении высокофункциональных бетонов для монолитного строительства.

Установлены закономерности структурообразования пуццолановых цементов в присутствии суперпластификатора - длительность первой стадии структурообразования более чем в 2 раза больше в сравнении с непластифицированным беззольным аналогом. В то же время, использование суперпластификатора в системе “портландцемент - зола-уноса - суперпластификатор” обеспечивает ее активность, в т.ч. раннюю, не меньшую чем у принятого аналога.

Показано, что рациональное использование пуццолановых цементов в пластифицированных товарных бетонных смесях обеспечивается при условии проведения оптимизации системы “портландцемент - зола-уноса - суперпластификатор” по критериям качества бетона - минимальной водопотребности бетонных смесей, их жизнеспособности, прочности в раннем и проектном возрасте. Лучшие показатели установлены при содержании золы-уноса в составе цемента от 23 до 35% при использовании суперпластификатора полиакрилатного типа. Такой состав пуццолановой системы определяет поровую структуру бетона, характеризующуюся минимальным объемом открытых капиллярных пор (от 3,0 до 3,5%) при минимальных значениях показателя их среднего размера (в пределах 0,5) и максимальной однородности пор по размеру. В результате такой бетон характеризуется приростом прочности на 20…80% в отдаленные сроки твердения.

На основе комплексного анализа разработанных статистических моделей запроектированы эффективные составы пластифицированных товарных бетонных смесей, которые характеризуются соответствием удобоукладываемости марке П5 в течение 2 часов после приготовления и значениями В/Ц на 9…24% меньше расчетных при обеспечении проектного класса по прочности при сжатии В30. Показано, что разработанная на основе цементов ПЦЦ IV/А-400Р и ПЦЦ IV/А-500 рецептура обеспечивает бетонам соответствие нормативным требованиям по комплексу эксплуатационных свойств. При этом, зола-уноса выполняет функции как пуццоланы, так и наполнителя и способствует увеличению долговечности бетона за счет влияния на его микро-, мезо и макроструктуру.

Обеспечение мер экологической безопасности, учет особенностей использования золы-уноса в бетонных смесях, обеспечение контроля их качества и статистический контроль качества бетона создало предпосылки для 4-х кратного увеличения объемов использования золы-уноса в бетонных смесях низкой энергоемкости на заводе ЖБИ ОАО “ДСК-4”. Экономический эффект от внедрения разработки составляет 44,32 грн. на 1 м³ бетона и достигается за счет сокращения расходов на цемент в пределах 47%, что определяет уменьшение себестоимости сырьевых материалов в 1 м³ бетонной смеси разработанного состава на 18,8% по сравнению с базовым.

Ключевые слова: пуццолановий цемент, зола-уноса, суперпластификатор, товарная бетонная смесь, тяжелый бетон.

Anotation

Shiluk P.S. Plasticized ready-mix concretes based on puzzolan cements. - Manuscript.

Dissertation research for obtaining a scientific degree of candidate of technical sciences in specialty 05.23.05 - building materials and articles. - Kyiv National University of Construction and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2006.

It was theoretically substantiated and practically confirmed that the inconsistency between plasticization effect of concrete mixture and delayed development of strength of concrete on early terms can be excluded by the count of structural and chemical features of fuel fly ash used as a component puzzolan cement. In this case fly ash contributing both to increase of platicizing effect and retardation of slump loss. It was investigated that this method in complex with selected on action selectivity chemical additives from the group of superplasticizers of different nature provides increase of effectiveness of such mixes to obtain high-performance concretes for monolithic building. The basic results of laboratory experiments have been confirmed in the industrial conditions.

Keywords: puzzolan cement, fly ash, superplasticizer, ready-mix concrete, heavy weight concrete.

Размещено на Allbest.ru

...