Прессованные цементно-минеральные композиты для дорожного строительства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донской государственный технический университет

Прессованные цементно-минеральные композиты

для дорожного строительства

С.Н. Курилова

г. Ростов-на Дону

Аннотация

Представлена характеристика прессованных мелкоштучных дорожных изделий. Рассмотрено влияние рецептурных и технологических факторов на свойства изделий. Определены рациональные параметры исследуемых факторов. Подтверждено получение прессованных композитов для дорожного строительства с необходимыми эксплуатационными свойствами.

Ключевые слова: цемент, заполнитель, вода, прессование, давление, твердение, плотность, прочность, водопоглощение.

Прессованные мелкоштучные дорожные изделия, например, тротуарная плитка, брусчатка, бортовой камень, в соответствии с нормативными требованиями [ГОСТ 17608-91] должны иметь класс по прочности на сжатие от В 22,5 до В 30, класс по прочности на изгиб от B_tb3,2 до B_tb4,4, истираемость на более 0,5- 0,9 г/см², марку по морозостойкости не менее F200 и водопоглощение по массе не более 6%. Большое значение придается качеству изделий, а именно сохранению их четких граней и ребер и целостности.

Прессованные изделия для дорожного строительства являются многокомпонентными системами, состоящими из вяжущего вещества, одного или нескольких минеральных заполнителей песчаных фракций и небольшого количества воды. Для прессованных дорожных изделий необходимо использовать бездобавочный портландцемент марки М 500, а в качестве заполнителей мелкий кварцевый песок и отходы от дробления прочных горных пород, например гранита, сиенита, песчаника, известняка и др. [1, 2]. Водоцементное отношение формовочных смесей для таких изделий должно быть не более 0,4. Смеси засыпают в матрицу пресса и уплотняют под давлением 20-40 МПа и более [3]. Сразу после прессования изделия обладают необходимой распалубочной прочностью не менее 0,8 МПа для извлечения из матрицы и дальнейшего транспортирования на пост тепловлажностной обработки или естественного твердения.

Актуальной задачей в области прессованных мелкоштучных изделий для дорожного строительства является обеспечение нормативных свойств изделий, изготавливаемых на основе местного сырья и отходов промышленности. дорожный композит прессованный долговечность

Решение поставленной задачи возможно при правильном назначении рецептурно-технологических факторов в процессе изготовления изделий.

К рецептурным факторам относятся расход цемента, воды и минеральных заполнителей, а также зерновой состав смеси минерального заполнителя. К технологическим факторам относятся физико-механические свойства цемента и заполнителей, давление уплотнения формовочных смесей и условия твердения изделий.

Большую роль в формировании структуры изделий играют такие факторы, как активность и количество цемента, зерновой состав и количество минеральных заполнителей, зерновой состав смеси минерального заполнителя, количество воды, давление прессования и условия твердения. Чтобы управлять структурообразованием изделий, необходимо сначала оценить свойства исходных компонентов, подобрать удовлетворительный зерновой состав смеси минерального заполнителя, правильно назначить дозировку компонентов, назначить рациональное давление прессования и выбрать благоприятные параметры твердения изделий [4, 5].

Наиболее важным фактором в структурообразовании прессованных дорожных изделий является зерновой состав минерального заполнителя [6]. В результате ряда исследований был определен рекомендуемый зерновой состав смеси минерального заполнителя, в котором содержание фракции 1,25 - 5 мм - 5 - 8%, фракции 0,315 - 1,25 мм - 47 - 50% и фракции менее 0,315 мм - 32 - 35%. Обеспечение этого зернового состава позволяет получать дорожные изделия с нормируемыми эксплуатационными свойствами. О важности обеспечения рекомендуемого зернового состава смеси минерального заполнителя для прессованных мелкоштучных дорожных изделий свидетельствуют результаты эксперимента, в котором анализировались два состава: исходный состав (I) с неудовлетворительным зерновым составом минерального заполнителя и состав с рекомендуемым зерновым составом (II) смеси минерального заполнителя (таблица №1). В исходном составе минеральный заполнитель был представлен отсевом сиенита в количестве 70% от массы минеральных компонентов. В составе с рекомендуемым зерновым составом (II) минеральный заполнитель также составлял 70% от массы минеральных компонентов, но был представлен смесью отсева сиенита в количестве 82% от смеси минерального заполнителя и очень мелкого кварцевого песка в количестве 18% от смеси минерального заполнителя. Расход портландцемента в обоих составах составлял 30% от массы минеральных компонентов, а расход воды был 5% от массы сухих компонентов. Прессование образцов-цилиндров диаметром и высотой 0,07 м проходило при давлении 40 МПа. Образцы твердели в условиях тепловлажностной обработки (ТВО) по режиму (2+6+2) ч при температуре изотермической выдержки (85±2) °С, а затем хранились 27 суток в естественных условиях.

Таблица № 1 Составы прессованных дорожных изделий

Обогащение зернового состава отсева сиенита очень мелким кварцевым песком и обеспечение рекомендованного зернового состава минерального заполнителя позволило увеличить распалубочную прочность, прочность при сжатии, прочность на растяжение при раскалывании и снизить водопоглощение по массе затвердевших дорожных изделий (таблица №2).

Таблица № 2 Физико-механические свойства затвердевших дорожных изделий

Таким образом, назначение рекомендуемого зернового состава смеси минеральных заполнителей в прессованных мелкоштучных дорожных изделиях позволяет улучшить их свойства и обеспечить соответствие нормируемым свойствам.

Вторым по важности рецептурным фактором, который влияет на структурообразование и свойства прессованных мелкоштучных дорожных изделий является расход воды в формовочной смеси [7]. Влияние этого фактора рассмотрим на примере изделий, состоящих из портландцемента М 400, отсева от дробления сиенита, мелкого песка и воды. Зерновой состав смеси минерального заполнителя отсева сиенита и песка соответствовал рекомендованному зерновому составу для прессованных дорожных изделий. Содержание цемента в изделиях составляло 25% от массы минеральных компонентов, а расход воды варьировался от 3 до 13% от массы сухих компонентов с шагом 2,5%. Прессование изделий осуществлялось при давлении 40 МПа (таблица №3). Изделия твердели в условиях тепловлажностной обработки по режиму (2+6+2) ч при температуре изотермической выдержки (85±2) °С.

Таблица № 3 Влияние расхода воды на свойства прессованных дорожных изделий

Анализ представленных результатов показывает характерную особенность прессованных мелкоштучных дорожных изделий, которая заключается в наличии двух оптимумов водосодержания: одного для распалубочной прочности свежеотформованных изделий, а другого для прочности затвердевших изделий. В данном эксперименте максимальная распалубочная прочность изделий составляет 1,46 МПа при расходе воды 5,5%, а максимальная прочность на сжатие после тепловлажностной обработки (ТВО) - 66,2 МПа при расходе воды 8%. Отклонение от каждого из оптимумов в расходе воды приводит к существенному снижению прочности.

Распалубочная прочность свежеотформованных изделий с увеличением расхода воды сначала растет и при оптимальном водосодержании 5,5% достигает прочности 1,46 МПа (таблица №3). Это объясняется проявлением "стягивающего" эффекта капиллярных сил, наблюдаемого при низких водосодержаниях, [7] и сближением частиц материала с повышением его плотности и прочности. Увеличение расхода воды выше оптимального значения приводит к снижению распалубочной прочности прессованных изделий. Это объясняется проявлением "расклинивающего" эффекта капиллярных сил, наблюдаемого при утолщении водных оболочек, [7] удалением частиц материала друг от друга и разуплотнением системы. Также при расходе воды выше оптимального значения начинает проявляться роль защемленного воздуха. Так как при прессовании происходит мгновенное приложение давления, то при расходах воды выше оптимального она отжимается в открытые поры и сжимает воздух [8]. Наличие защемленного воздуха в порах приводит к разуплотнению системы и уменьшению количества контактов взаимодействия твердых частиц, что и снижает распалубочную прочность материала.

Прочность на сжатие прессованных изделий после тепловлажностной обработки (ТВО) с увеличением расхода воды также увеличивается, но достигает максимального значения 66,2 МПа при большем расходе воды 8% (таблица №3). Больший расход воды, соответствующий оптимальному водосодержанию, объясняется гидратацией клинкерных минералов портландцемента. С увеличением водосодержания выше оптимального значения прочность затвердевших изделий снижается. Это объясняется проявлением ''расклинивающего эффекта'' капиллярных сил [7] и разуплотнением системы.

Таким образом, расход воды существенно влияет на структурообразование и свойства прессованных дорожных изделий. Учитывая наличие двух оптимумов водосодержания для свежеотформованных и затвердевших изделий, необходимо назначать расход воды в прессованных изделиях так, чтобы обеспечивалась нормируемая прочность затвердевших изделий в сочетании с их необходимой распалубочной прочностью.

Важным фактором, влияющим на структурообразование и свойства прессованных мелкоштучных дорожных изделий, является расход цемента и его свойства. Это подтверждают результаты следующего эксперимента. В эксперименте для первой серии образцов (I) был использован портландцемент активностью 39,6 МПа с удельной поверхностью 2900 см ²/г. Для второй серии образцов (II) удельную поверхность цемента увеличили до 4350 см ²/г. Активность цемента при этом составила 59,4 МПа. Количество цемента в каждой серии было принято 8, 11 и 14% от массы минеральных компонентов. В качестве заполнителей использовались мелкий кварцевый песок и дробленный мел. Зерновой состав смеси минеральных заполнителей соответствовал рекомендуемому для прессованных дорожных изделий. Водосодержание формовочных смесей во всех составах было принято 6,5% сверх массы сухих компонентов (таблица №4). В каждом составе формовались образцы-цилиндры при давлении 25, 40 и 55 МПа.

Таблица № 4 Свойства цемента и составы прессованных дорожных изделий

Одна часть образцов в серии подвергалась тепловлажностной обработке (ТВО) по режиму (2+6+2) ч при температуре изотермической выдержки (85±2) ^оС, а потом твердела 27 суток в естественных условиях, а вторая часть образцов твердела только в естественных условиях.

Анализ результатов испытаний образцов (таблица №5) показывает, что независимо от условий твердения, с увеличением расхода цемента, повышением его активности и удельной поверхности плотность и прочность при сжатии прессованных дорожных изделий возрастает, а водопоглощение по массе - закономерно снижается. Это объясняется тем, что в формировании структуры цементного камня большую роль играет размер и количество частиц цемента. Чем меньше размер частиц и больше их количество, тем создаются более благоприятные условия для формирования бездефектных структурных агрегатов - "кластеров", а также "кластеров", в которых частицы цемента служат "подложкой", на которую за счет диффузии оседают продукты гидратации цемента [8]. В результате получается более плотная и прочная структура цементного камня. Также следует отметить, что чем меньше размер частиц цемента и больше их количество, тем больше реакций гидратации цемента с водой, больше продуктов гидратации цемента, больше кристаллизационных связей в образующемся кристаллическом сростке и, соответственно, получается более плотная и прочная кристаллизационная структура затвердевшего цементного камня. Это способствует повышению прочности прессованных дорожных изделий [9]. Естественные условия твердения по сравнению с тепловлажностной обработкой более благоприятны для прессованных дорожных изделий. Это связано с более благоприятными условиями для протекания реакций гидратации цемента с образованием большего количества продуктов гидратации, а также для формирования менее дефектной структуры цементного камня и прессованного материала за счет отсутствия тепломассообмена с окружающей средой [10].

Таблица № 5 Физико-механические свойства прессованных дорожных изделий

Примечание: ^* - в маркировке первая цифра обозначает номер состава, вторая - уровень расхода цемента, а третья - уровень давления прессования

Правильное назначение рецептурно-технологических факторов позволяет направленно управлять стуктурообразованием и физико-механическими свойствами прессованных мелкоштучных дорожных изделий. Умелое сочетание разных рецептурных и технологических факторов в комплексе дает возможность получать изделия с необходимыми нормируемыми свойствами.

Литература

1. M. Safiuddin, M.Z. Jumaat, M.A. Salam, M.S. Islam, R. Hashim. Utilization of solid wastes in construction materials. International Journal of the Physical Sciences. 2010. №10. pp. 1952-1963.

2. Berge B. The Ecology of Building Materials. [Architectural press]. Oxford, 2005. 474 p.

3. Р.Я. Попильский, Ф.В. Кондрашов. Прессование керамических порошков. - М.: Изд-во "Металлургия", 1968. 272 с.

4. Наумов А.А. Повышение качества кирпича полусухого прессования, изготовленного на основе глинистого сырья месторождения "Кагальник-3"//Инженерный вестник Дона, 2016, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3823/.

5. Мальцева И.В. Влияние глинистого вещества на реологию пеномасс с различной концентрацией твердой фазы// Инженерный вестник Дона, 2017, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3977/.

6. В.Н. Выровой. Физико-механические особенности структурообразования композиционных строительных материалов: Дис. …д-ра техн. наук. Одесса, 1987. 340 с.

7. Е.И. Шмитько, С.В. Черкасов. Влияние влажностного фактора на раннее структурообразование строительных изделий на основе минеральных вяжущих веществ. - Воронеж, 1997. 23 с.

8. П.П. Будников, А.М. Гинстлинг. Реакции в смесях твердых веществ.- М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. 476 с.

9. В.Н. Соломатов, В.Н. Выровой, В.С. Дорофеев, А.В. Сиренко. Композиционные строительные материалы и конструкции пониженной материалоемкости. - К.: Будивэльник, 1991. 144 с.

10. Кудинов А.А. Тепломассообмен. - М.: Инфра-М, 2012. 375 с.

Размещено на Allbest.ru