Высокопрочные легкие бетоны на основе тонкомолотых композиционных вяжущих с использованием золы террикоников

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Высокопрочные легкие бетоны на основе тонкомолотых композиционных вяжущих с использованием золы террикоников

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Ефременко Антон Сергеевич

Улан-Удэ - 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Урханова Лариса Алексеевна

Официальные оппоненты

Вавренюк Светлана Викторовна доктор технических наук, член-корреспондент РААСН, ФГБУ «Дальневосточный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт по строительству РААСН», зам. директора по научной работе

Убонов Алексей Валерьевич кандидат технических наук, главный инженер проекта ООО «Антарктида», г. Улан-Удэ

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ангарская государственная техническая академия»

Защита состоится «28» ноября 2013 г. в 14:00 ч. на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, стр. 1, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГУТУ.

Автореферат разослан «27» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совет

а Дамдинова Дарима Ракшаевна.



Общая характеристика работы

Актуальность: Последние десятилетия ознаменовались разработкой и освоением бетонов нового поколения, востребованных интенсивно развивающимся строительством монолитных и монолитно-каркасных зданий и сооружений, в том числе высотных.

Строительство в районах с суровым климатом и высокой сейсмической активностью, к которым относится и Иркутская область, характеризуется высокими требованиями по энергосбережению и долговечности. Возникает необходимость внедрения новых, прогрессивных технологий, обеспечивающих выпуск высококонкурентоспособных материалов, снижение материалоемкости, стоимости строительства и требуемое энергосбережение при эксплуатации зданий. Одним из перспективных путей снижения стоимости возведения ограждающих конструкций и соответственно стоимости строительства является возврат к конструкциям стен из легкого бетона. Длительный опыт эксплуатации зданий из легкого бетона подтвердил их высокую долговечность, экологическую безопасность и эксплуатационную надежность.

В связи с развитием высотного каркасного строительства возникает вопрос получения высокопрочных легких бетонов, получаемых из высокоподвижных бетонных смесей. Кроме того, в технологии монолитного домостроения возникает ряд проблем: расслоение бетонной смеси по высоте и нарушение однородности бетона, образование раковин при недостаточном уплотнении бетонной смеси и др., которые не позволяют обеспечить необходимые физико-механические характеристики конструкций. Эти негативные явления могут быть компенсированы за счет применения минеральных тонкодисперсных наполнителей, в частности золы-уноса, микрокремнезема и др.

В настоящее время в Иркутской области заскладированы тысячи тонн золы террикоников (ЗТ), которые образуются при добыче угля, а также ежегодно образуется более 1500 тыс. т золошлаковых отходов, которые могут быть использованы в технологии производства эффективных строительных материалов.

Работа выполнена в соответствии с программой научно-исследовательской работы Института архитектуры и строительства НИИрГТУ по теме № 2.436 «Использование различных добавок и промышленных отходов для получения строительных материалов».

Цель работы: разработка технологии получения высокопрочного легкого бетона на основе тонкомолотых композиционных вяжущих с применением золы террикоников.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1. Теоретическое обоснование и получение высокопрочного легкого бетона на основе тонкомолотых композиционных вяжущих (ТКВ) с использованием золы террикоников.

2. Исследование физико-механических и технологических свойств ТКВ с золой террикоников и легких бетонов на их основе.

3. Выполнение расчета строительных конструкций с использованием легкого бетона на основе ТКВ.

4. Подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Внедрение результатов исследований.

Научная новизна: Предложены принципы получения высокопрочных модифицированных легких бетонов на основе тонкомолотых композиционных вяжущих, полученных механоактивацией портландцемента и высокоактивного наполнителя - золы террикоников. Установлено, что механоактивация золы террикоников приводит к значительной ее аморфизации, повышая химическую активность механически обработанных систем, увеличению степени гидратации ТКВ и образованию устойчивых гидратных новообразований.

Установлен характер влияния состава тонкомолотых композиционных вяжущих и органоминеральной добавки с использованием золы террикоников, вида пластифицирующей добавки на процессы структурообразования бетонной смеси и свойства легкого бетона. Доказано, что использование золы террикоников в составе тонкомолотых композиционных вяжущих и органоминеральной добавки позволяет оптимизировать структуру легкого бетона на микро- и макроуровне.

Установлены зависимости деформативно-прочностных свойств высокопрочного легкого бетона от расхода тонкомолотого композиционного вяжущего с использованием золы террикоников, вида и количества органоминеральной добавки и вида заполнителя.

Практическое значение: разработаны составы ТКВ с использованием золы террикоников. Активность ТКВ с содержанием до 20 % золы террикоников почти в 1,5 раза больше активности обычного портландцемента, что является целесообразным с экологической и экономической точки зрения.

Разработаны составы органоминеральной добавки для бетона, включающие в себя золу террикоников, микрокремнезем и суперпластификатор, применение которых улучшает физико-механические и эксплуатационные свойства легкого бетона на основе тонкомолотого композиционного вяжущего. тонкомолотый терриконик бетон

Разработаны составы конструкционных легких бетонов на основе ТКВ с использованием золы террикоников, позволяющие получить легкобетонные изделия со средней плотностью 1600-1650 кг/м³, прочностью при сжатии 45-60 МПа, теплопроводностью 0,28-0,34 Вт/м•°С.

Проведены расчеты строительных конструкций с использованием разработанных легких бетонов, доказавшие, что применение легких бетонов позволит экономить арматурную сталь при строительстве многоэтажных железобетонный зданий, снизить вес конструкций, что приведет к повышению сейсмостойкости зданий, снижению теплопроводности зданий (увеличению их энергоэффективности) и повышению пожаростойкости конструкций.

Внедрение результатов исследований. Полученные составы высокопрочного легкого бетона апробированы в ЗАО «Иркутскпромстрой» (г. Иркутск). В производственных условиях получены бетоны с прочностью 58 МПа, плотностью 1670 кг/м³.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе Иркутского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство», бакалавров и магистров.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, региональных, межвузовских и областных научно-технических конференциях, в том числе: международной научно-практической конференции «Наука, технологии, инновации в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-коммунальном комплексе» (г. Иркутск, 2009); XV Академических чтениях РААСН - международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (г. Казань, 2010); международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г. Пенза, 2011), научно-практической конференции ВСГУТУ (г. Улан-Удэ, 2012), международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (г. Улан-Удэ, 2012).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 8 научных публикациях, в том числе в двух статьях в журналах по списку ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Содержит 158 страниц основного машинописного текста, включая 2 иллюстраций, 51 таблиц и 2 приложения. Список использованных источников включает 174 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту:

- теоретические и практические аспекты улучшения деформативно-прочностных свойств легкого бетона на основе ТКВ, модифицированного комплексной органоминеральной добавкой, содержащей микрокремнезем и ЗТ;

- закономерности структурообразования бетонной смеси на основе ТКВ с использованием золы террикоников;

- составы тонкомолотых композиционных вяжущих и оптимальные технологические режимы их производства;

- характер зависимости физико-механических свойств легкого бетона от расхода ТКВ, вида заполнителя, количества органоминеральной добавки;

- оптимальные составы и технология производства легкого бетона на основе ТКВ, расчет строительных конструкций. Результаты апробации.



Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, содержится краткое описание выполненной работы и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В разные годы вопросами технологии легких бетонов занимались такие ученые, как Л.П. Орентлихер, И.А. Ласман, Ю.М. Баженов, И.Н. Попов, В.М. Горин, С.В. Вавренюк, И.А. Иванов, В.М. Онацкий, Г.А. Бужевич, А.И. Звездов, Н.А. Корнев. Современное строительство требует применения нового подхода к созданию легкого бетона для монолитного домостроения, позволяющего обосновать и получить бетон нового поколения с улучшенными физико-механическими, теплотехническими и эксплуатационными свойствами, которые недостижимы при традиционной технологии.

Высокую прочность бетона можно достичь путем применения высокопрочных вяжущих веществ. И. Хайдер, В.В. Стольников, В.В. Кинд при изготовлении смешанных цементов отдавали предпочтение повторному помолу ПЦ с минеральными добавками.

Следующим путем получения высокопрочного бетона является использование самоуплотняющихся бетонных смесей, которые в России являются перспективной новинкой, а в мировой строительной практике используются уже 20 лет. Сегодня этим вопросом занимаются: И.Н. Рыжков, З.П. Трамбовецкий, О.Н. Болотских, Г.В. Несветаев, С.С. Каприелов, В.И. Травуш, Н.И. Карпенко, А.В. Шейнфельд, Г.С. Кардумян, М.Н. Ваучинский.

Прочность легкого бетона во многом зависит от прочности легкого заполнителя. В работах разных ученых представлены составы и технология производства искусственных пористых заполнителей, особенно с использованием отходов промышленности и техногенных отходов. Е.В. Быстренина, В.М. Витюгин занимаются вопросами влияния различных факторов на гранулируемость минеральных дисперсий.

Современный высокопрочный бетон невозможно представить без различных модификаторов. Использование микрокремнезема (МК), золы уноса, суперпластификаторов, метакаолина, различных нанодисперсных добавок и др. встречаются в работах В.С. Пустовгар, С.М. Капитонова, В.Ф. Степановой, С.С. Каприелова, А.В. Шейнфельда, П.И. Барыкина, Г.С. Кардумян, G.Y. Li, P.M. Wang, X. Zhao и др.

Таким образом, в развитии известных разработок в области получения легких бетонов, автором была сформулирована гипотеза о возможности создания высокопрочных легких бетонов на основе тонкомолотых композиционных вяжущих с использованием отходов промышлености и техногенных отходов. В Иркутской области имеются производства, образующие такие отходы, как микрокремнезем, зола террикоников и зола уноса, которые могут использоваться в технологии приготовления высокопрочного легкого бетона. Химико-минералогическая неоднородность золы террикоников требует детальной оценки состава и свойств этих отходов с целью оценки их пригодности в технологии тонкомолотых вяжущих и легких бетонов на их основе. На основании анализа литературных данных были определены пути повышения прочности легких бетонов, сформулированы цель и задачи диссертации.

В работе для получения ТКВ и легкого бетона на его основе применялись следующие материалы: портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н (ОАО «Ангарскцемент»), керамзит ООО «Керамзитовый завод» (г. Ачинск), кварц-полевошпатовый песок, суперпластификаторы С-3 и «Хидетал-ГП-9». В качестве наполнителя использовались: микрокремнезем ЗАО «Кремний» (г. Шелехов), зола террикоников с угольных отвалов (г. Черемхово Иркутской области), зола уноса Ново-Иркутской ТЭЦ.

В Черемховском районе Иркутской области имеются обожженные «пустые» породы, выброшенные в отвалы (терриконики) при добыче угля. Физико-механические свойства ЗТ и ее химический состав дают основание полагать, что она является подобием природной горелой породы, богатой дегидратированными глинистыми минералами. По генезису данный материал относится к продукту обжига при невысоких температурах (600-800 єС) угленосным пустым породам.

Химический состав золы террикоников показывает, что по петрографии зола представлена метакаолинитом и другими дегидратированными глинистыми минералами. Возможно присутствие в ней аморфных кремнезема и глинозема, обладающих хорошими адсорбционными свойствами. Фазовый состав ЗТ показывает большее содержание минералов с высокой химической активностью: метакаолинита, алюмината кальция.

В таблицах 1 и 2 приведены сравнительные данные химического и фазового составов золы террикоников и золы уноса.

Таблица 1 - Химический состав золы уноса и террикоников

Наименование оксида	Содержание оксида, мас. %, в
	золе уноса	золе террикоников
SiO2	57,37	74,4
TiO2	0,614	0,61
AL2O3	15,75	20,3
Fe2O3 общ.	7,14	11,3
MnO	0,109	0,034
MgO	2,916	2,9
CaO	13,471	4,8
Na2O+K2O	?0,945	2,91
SO3	0,56	0,36
SiC	-	-
Cсв.	-	-

Таблица 2 - Минералогический состав золы уноса и террикоников

Вид минерала	Содержание минерала, %
	зола уноса	зола террикоников
Кварц	30	8,67
Кристаболит	0	8,68
Метакаолинит	0	10,85
Окерманит	0	8,74
Алюминат кальция	0	12,1
Муллит	7	0
Силлиманит	2,7	0
Алит	3,5	0

Для золы террикоников характерны более высокое содержание оксидов кремния, алюминия, железа и почти в 3 раза меньшее содержание оксида кальция по сравнению с ЗУ. В составе ЗТ отмечается содержание более 10% метакаолинита и алюмината кальция, имеющих высокую способность поглощения оксида кальция.

Микрокремнезем является сертифицированным товарным продуктом, на который имеются технические условия ТУ 5743-048-02495332-96 «Микрокремнезем конденсированный». В работе применялся микрокремнезем марки МК-65.

Суперпластификаторы С-3 и «Хидетал-ГП-9» соответствуют ТУ 6-36-0204229-625 и ТУ 5745-009-57330160-07; «Хидетал-ГП-9» изготовлен на основе поликарбоксилатов.

Керамзит, используемый в качестве пористого заполнителя для производства легкого бетона, имел следующие основные характеристики: насыпная плотность - 630 кг/м³, пористость - 50 %, прочность при сжатии в цилиндре - 5,5 МПа; модуль крупности песка - 2,5, плотность - 1,3 т/м³.

Для исследования фазового состава и структуры получаемого бетона и цементного камня применялись современные физико-химические методы: рентгенофазовый анализ (РФА), электронно-микроскопический анализ (ЭМА), лазерная гранулометрия.

РФА исследуемых образцов проводили на дифрактометре ДРОН-7, съемка микрофотографий производилась с помощью растрового электронного микроскопа JSM-6510LV JEOL (Япония) с системой микроанализа INCA Energy 350, Oxford Instruments (Великобритания), лазерная гранулометрия производилась на установке MicroSizer 201, позволяющей непосредственно определять размеры частиц и процент их содержания в анализируемом материале.

Полученные результаты подбора оптимальных составов, параметров обработки, испытаний физико-механических свойств и т.п. обрабатывали с помощью методов математической статистики с применением ЭВМ.

Для активации и модифицирования смешанных вяжущих веществ использовали активаторы нового поколения: шаровая мельница 40 МЛ, планетарная мельница АГО-2С, истиратель чашечный (виброистиратель) ИВ 1. Механические воздействия на измельчаемый материал в исследуемых мельницах различны: удар и давление в шаровой мельнице, удар и трение в планетарной мельнице и на виброистирателе. Загрузка камеры мелющими телами и размалываемым материалом была постоянной для всех составов и осуществлялась согласно паспортным данным.

Качество композиционных вяжущих в значительной мере зависит от способа их имельчения, так как он оказывает существенное влияние на тонкость измельчения клинкерного компонента и минеральной добавки, что, в конечном счете, и определяет основные свойства вяжущих веществ.

Известно, что измельчение цемента составляет почти три четверти от общих затрат электроэнергии на его производство, поэтому снижение расхода электроэнергии на помол и повышение его эффективности являются приоритетной задачей получения тонкомолотых цементов, которая направлена на улучшение их свойств и может быть достигнута путем выбора ПАВ и его дозировки, оптимальной энергонапряженностью процесса помола, применением принципиально нового оборудования для измельчения.

Помол ТКВ проводился с заменой цементной составляющей золой (ЗТ, ЗУ) до 40 % в различных измельчителях с последующим добавлением ПАВ в воду затворения в количестве 0,6-1,5 % для С-3 и 0,3-0,6 % для Хидетал-ГП-9.

Анализ кинетики помола ТКВ (рис. 1) показал, что энергетически выгодно использовать ЗТ в качестве наполнителя вяжущих в сравнении с ЗУ, в составе которой больше содержание аморфной фазы, что подтверждается наибольшей начальной скоростью помола U_o=6,89 м²/кг•мин и малыми коэффициентами торможения к_t=0,0003 кг/м². Анализ кинетики помола ТКВ позволил определить оптимальное время помола вяжущих по достижении удельной поверхности 450-550 м²/кг: 5-6 ч на шаровой мельнице или 3-4 мин на виброистирателе и планетарной мельнице.

Помол ТКВ на виброистирателе более энергетически выгоден, так как обеспечивает снижение удельных энергетических затрат на 10-15% по сравнению с другими измельчителями.

Рисунок 1 - Зависимость прироста удельной поверхности ТКВ от времени помола и способа измельчения

Гранулометрический анализ (рис. 2) показал, что ТКВ имеют полимодальное распределение частиц с одним ярко выраженным пиком в интервале 20-100 мкм. Кривые гранулометрического состава ТКВ с использованием золы террикоников по сравнению с ТКВ с использованием золы уноса смещены в область мелких частиц.

При введении ПАВ в состав тонкомолотых вяжущих уменьшается В/В-отношение, улучшаются реологические свойства вяжущих, повышается их прочность (табл. 3). Появление на рынке строительных материалов нового класса эффективных ПАВ - суперпластификаторов на основе поликарбоксилатов - обеспечивает снижение водопотребности вяжущих веществ при их содержании 0,2-0,6% не менее чем на 20-25% при повышении прочностных показателей на 50-70%.

Введение в вяжущее добавки Хидетал-ГП-9 в количестве 0,6 % приводит к повышению прочности ТКВ по сравнению с исходным портландцементом на 45% и на 30% по сравнению с ТКВ с С-3. Добавка Хидетал-ГП-9 обладает большим водоредуцирующим эффектом по сравнению с добавкой С-3: наблюдается снижение В/В-отношения до 60%. При подборе составов легких бетонов добавки ПАВ - Хидетал-ГП-9 и С-3 использовали в количестве 0,6 и 1,5% соответственно.

ТКВ с ЗТ

ТКВ с ЗУ

ПЦ

Рисунок 2 - Распределение частиц ТКВ по объему, измельченного на виброистирателе

Таблица 3 - Влияние вида и количества ПАВ на водовяжущее отношение и прочность ТКВ с золой террикоников (20 мас. %)

Вид ПАВ	Количество ПАВ, %	В/В-отношение	Прочность на сжатие после 28 сут, МПа
-	-	0,45	44
С-3	0,6	0,4	48
С-3	0,9	0,36	52
С-3	1,2	0,34	55
С-3	1,5	0,32	57
Хидетал ГП-9	0,3	0,32	55
Хидетал ГП-9	0,4	0,28	60
Хидетал ГП-9	0,5	0,26	65
Хидетал ГП-9	0,6	0,24	73

С учетом полученных данных степени дисперсности, гранулометрического состава и физико-механических испытаний вяжущих предложены рациональные составы ТКВ (табл. 4), в составе которых содержание ЗТ составляет до 20 %: прочность при сжатии ТКВ с золой террикоников равна R_сж=57-73 МПа, а в случае использования золы уноса - R_сж=51-62 МПа, что превышает прочность исходного портландцемента в среднем на 25-45%. При этом следует отметить, что прочность вяжущих с ЗТ на 14-17% выше по сравнению с прочностью ТКВ с золой уноса. Повышение физико-механических характеристик ТКВ с ЗТ объясняется, на наш взгляд, содержанием в золе террикоников активной минеральной фазы - метакаолинита.

Таблица 4 - Составы и физико-механические характеристики ТКВ

Состав вяжущего	НГ,%	Сроки схватывания, ч-мин	Предел прочности, МПа, в возрасте, сут.
		Начало	конец	при изгибе	при сжатии
				3	7	28	3	7	28
ПЦ+С-3	22	1-55	2-45	0,5	4,4	7	2,5	42,3	55
ПЦ+ГП-9	18	1-22	2-25	4	6,5	7,2	32,4	51	59
ПЦ+ 20% ЗУ+С-3	30	1-52	2-38	0,7	4,8	7,3	2,1	38,6	51
ПЦ+ 20% ЗУ+ ГП-9	23	1-15	2-16	4,1	6,5	7,9	35,2	53,8	62
ПЦ+ 20% ЗТ+С-3	32	1-45	2-30	0,9	5,3	7,8	2,3	44,8	57
ПЦ+ 20% ЗТ+ГП-9	24	1-10	2-13	4,9	6,8	8,4	42,6	64,9	73

Введение золы террикоников в состав ТКВ и более тонкий их помол сокращают сроки схватывания вяжущих и ускоряют процессы структурообразования цементного камня. Результаты физико-химического анализа вяжущих композиций свидетельствуют о существенных изменениях в механоактивированных композициях. Фазовый состав затвердевшего искусственного камня предоставлен различными новообразованиями в зависимости от вещественного состава ТКВ и способа их механоактивации. РФА гидратных композиций показал, что состав цементирующих соединений в образцах тонкомолотых вяжущих с ЗТ представлен гидросиликатами кальция тоберморитового состава и более прочными фазами гидроалюмосиликатов кальция. Установлено, что за счет взаимодействия продуктов гидратации ПЦ и активного кремнезема и метакаолинита ЗТ, в ТКВ значительно повышается доля гидросиликатов кальция типа CSH (I) и гидроалюмосиликатов.

Учитывая, что ЗТ имеет в своем составе более 10% метакаолинита, который не требует дополнительного обжига для повышения химической активности, автор исследовал возможность получения расширяющейся добавки сульфатоалюминатного типа на основе ЗТ (табл. 5). Эффективность комплексного действия ЗТ, извести и гипса определяли на мелкозернистых бетонах состава 1: 1 (вяжущее: песок). Для сравнения использовался выпускаемый промышленностью напрягающий цемент НЦ 20.

Все бетоны с добавкой имели высокую прочность при сжатии в возрасте 28 сут - 52,5-96 МПа. Высокая прочность бетона обусловлена фазовым составом ЗТ, способствующим образованию продуктов гидратации более мелкодисперсной структуры.

Образцы с расширяющейся композицией из золы террикоников не показали эффекта расширения, но и не дали усадки, из чего следует, что содержание метакаолинита в золе террикоников недостаточно для расширения, но достаточно для компенсации усадочных деформаций.

Таблица 5 - Состав и свойства мелкозернистого бетона

Состав композиционного вяжущего, %	Свойства мелкозернистого бетона
ПЦ	ЗТ	Гипс	Известь	Напрягающий цемент НЦ 20	линейное расширение, %	прочность через 28 сут, МПа
80	13,3	6,7	-	-	±0	52,5
80	15	5	-	-	±0	79,5
80	16	4	-	-	±0	89,5
80	15,2	3,8	1	-	±0	96,1
-	-	-	-	100	0,02	64,7

Учитывая, что строительная индустрия Иркутской области нуждается в бетонах повышенной прочности, автором решалась задача получения эффективного легкого бетона двумя путями: использованием ТКВ высокой активности и введением органоминеральной добавки.

На основании анализа литературных источников и сырьевой базы Иркутской области проводились исследования по разработке состава органоминеральной добавки с использованием микрокремнезема и ЗТ, применение которой в составе легкого бетона позволит улучшить его строительно-технические свойства. На начальном этапе органоминеральная добавка включала микрокремнезем и ПАВ. С целью компенсации усадочных деформаций бетона и удешевления стоимости добавки часть микрекремнезема была заменена ЗТ (табл. 6). Для сравнения осуществлялся подбор бетона с органоминеральной добавкой, в составе которой часть МК заменялась золой уноса.

Таблица 6 - Влияние состава и количества органоминеральной добавки на свойства легкого бетона

Анализ результатов экспериментальных данных по подбору составов бетона показал, что оптимальное соотношение между компонентами добавки является МК:ЗТ = 1:1, при котором прочность бетона практически не уступает бетону с чистым МК. При этом прочностные свойства бетона с органоминеральной добавкой, в составе которой ЗТ, выше, чем прочность бетона с золой уноса. Применение золы террикоников в составе добавки ведет к повышению прочности бетона на 13% по сравнению с золой уноса и практически не уступает добавке с чистым микрокремнеземом. Очевиден резкий скачок прочности легкого бетона при использовании суперпластификатора ГП-9, что является следствием уменьшения водоцементного отношения при равноподвижных бетонных смесях.

Автором была разработана методика подбора состава легких бетонов, которая учитывает ряд факторов: продолжительность измельчения вяжущего, соотношение между заполнителем и вяжущим, содержание ТКВ и органоминеральной добавки, вид пористого заполнителя. В результате оперирования данными факторами можно выйти на качественную структуру и улучшенные строительно-технические и деформативные свойства легкого бетона.

Состав и количество органоминеральной добавки определяют технологические свойства бетонной смеси и физико-механические свойства легкого бетона (рис. 3). Следует отметить, что при увеличении содержания органоминеральной добавки улучшаются реологические свойства бетонной смеси. Этот эффект можно объяснить комплексным воздействием органоминеральной добавки: суперпластификатор на основе поликарбоксилатов обладает хорошим водоредуцирующим действием; МК и ЗТ, кроме повышения плотности бетонной смеси, увеличивает ее подвижность. Введение органоминеральной добавки в состав бетонной смеси эффективно при получении легких бетонов с прочностью до 45 МПа, где нет необходимости максимально уменьшать В/В-отношение, при этом появляется возможность получения высокоподвижных смесей. Были получены легкобетонные смеси с осадкой конуса до 25 см при В/В=0,32, которые могут использоваться с минимальным вибрированием в тонкостенных и сильно армированных и практически без вибрирования в малоармированных и объемных конструкциях.

Оптимальное содержание органоминеральной добавки лежит в пределах 10-20%. Увеличение содержания добавки целесообразно для получения бетонов с повышенными эксплуатационными свойствами (водостойкость, морозостойкость и др.).

Рисунок 3 - Прочность бетона в зависимости от расхода органоминеральной добавки

Рисунок 4 - Прочность легкого бетона в зависимости от расхода вяжущего

Вследствие содержания органоминеральной добавки в количестве 20% по массе (рис. 4), оптимальные значения ТКВ в составе легкого бетона удалось снизить до предела 500-550 кг/м³.

Использование золы террикоников в составе тонкомолотых композиционных вяжущих и органоминеральной добавки позволяет оптимизировать структуру легкого бетона на микроуровне (рис. 5).

а

б

в

Рисунок 5 - Микроструктура легкого бетона при увеличении до 10 000 раз: а - бетон на ПЦ без добавок, б - бетон на ПЦ с органоминеральной добавкой, в - бетон на ТКВ с органоминеральной добавкой

Легкий бетон на ПЦ характеризуется менее плотной структурой, хотя на поверхности зерен заполнителя и непрогидратированных зерен цемента наблюдаются гидратные новообразования, придающие прочность легкому бетону. Введение органоминеральной добавки в состав бетона, а также использование ТКВ приводят к изменению микроструктуры легкого бетона. Улучшение микроструктуры бетона обусловлено увеличением абсолютного объема новообразований и формированием более плотной и однородной структуры, модифицированной воздействием органоминеральной добавки на кристаллические новообразования с образованием более мелкодисперсной структуры, и изменением характера и величины пор. Наблюдается наличие гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция в виде нитевидных кристаллов и столбчатых новообразований на непрогидратированных частицах цемента. Увеличивается плотность контактной зоны между вяжущим и заполнителем.

Определение оптимального состава высокопрочного легкого бетона проводилось с использованием метода математического планирования эксперимента, в частности, полным факторным экспериментом (ПФЭ) по методу Бокса-Уилсона. При оптимизации устанавливали функциональную зависимость между оптимизируемым свойством - пределом прочности при сжатии образцов высокопрочного легкого бетона (Y), и входными параметрами - содержанием суперпластификатора «Хидетал-ГП-9» (X₁), в % мас. вяжущего; содержанием активной минеральной добавки (X₂), в % от мас. вяжущего и содержанием вяжущего в бетоне (X₃), в кг/м³.

После комплексного метода исследований, включающего системный анализ и экспериментальные исследования, математическое моделирование и методы математической статистики, было получено уравнение регрессии, количественно характеризующее влияние состава на прочность легкого бетона:

Y= 52,4 + 3X₁ + 7,7X₃ -2,3X₁X₂ +2,3X₂X₃.

Был подобран наиболее эффективный состав высококачественного легкого бетона:

- тонкомолотое композиционное вяжущее с золой террикоников - 500 кг/м³;

- органоминеральная добавка - 103,6 кг/м³, в том числе 50 кг микрокремнезема, 50 кг золы террикоников, 3,6 кг «Хидетал-ГП-9»;

- крупный заполнитель - 510 кг/м³ (керамзит фракции 2,5-5 мм);

- песок (М_к=2,5) - 250 кг/м³;

- вода - 180 л;

и определены его основные характеристики (табл. 7).

Результаты показывают, что прочность бетона на ТКВ выше прочности бетона на ПЦ почти на 20%.

Таблица 7 - Основные характеристики высокопрочного легкого бетона на основе ТКВ и ПЦ

Наименование показателя	Единица измерения	Бетон на основе ТКВ	Бетон на основе ПЦ
Прочность при сжатии	3 сут.	МПа	30,8	23,5
	28 сут.	МПа	56,5	47,2
	60 сут.	МПа	57,7	48,0
	90 сут.	МПа	58,9	48, 5
Призменная прочность	МПа	40,6	34,5
Коэффициент призменной прочности	-	0,72	0,73
Модуль упругости	МПа	28000	27900
Прочность на растяжение при изгибе	МПа	2,5	2,3
Усадка	мм/м	0	0
Теплопроводность	Вт/м*С	0,34	0,34
Водопоглощение	%, мас.	14	15
Плотность бетонного камня	кг/м3	1648	1651

Учитывая, что в Иркутской области керамзит является дефицитным заполнителем, а также - наличие техногенных отходов, в работе рассмотрена возможность получения эффективного пористого заполнителя с использованием ЗТ. При этом учитывалось, что согласно нормативным документам, минимальная прочность легкого заполнителя при производстве конструкционного легкого бетона должна быть не менее 5,5 МПа.

Получение заполнителя осуществлялось путем гидромеханохимической активации золы с добавкой силикат глыбы в лабораторной шаровой мельнице с получением активных гранулированных заполнителей размерами 0-10 мм. С использованием золы террикоников, силикат-глыбы и извести получен безобжиговый зольный гравий с насыпной плотностью 700-900 кг/м³, прочностью до 10-15 МПа, пористостью 60%. Разработанный гранулированный заполнитель позволяет исключить энергоемкую стадию обжига, что характерно для большинства искусственных заполнителей. Полученный безобжиговый зольный гравий вводили в бетонную смесь вместо керамзитового гравия. Получен легкий бетон на основе гранулированного заполнителя с прочностью 45-60 МПа, плотностью 1600-1800 кг/м³, общей пористостью до 60%, теплопроводностью 0,28-0,30 Вт/м·°С. Несмотря на то, что использование разработанного безобжигового зольного заполнителя с использованием ЗТ повышает плотность бетона в среднем на 10%, его использование улучшает теплоизоляционные свойства высокопрочного легкого бетона. Исследования показали, что теплопроводность легкого бетона с таким заполнителем в среднем на 15-20% ниже, чем при использовании керамзита. В золосодержащем гранулированном заполнителе формируются поры с уплотненными стенками и полифактурной поверхностью, которые снижают интенсивность тепловых потоков.

Для производства высококачественного легкого бетона на основе ТКВ была разработана принципиальная технологическая схема.

Определены стоимость высококачественного легкого бетона и экономический эффект от его применения на примере монолитного каркаса 14-этажного здания. Расчет коммерческой себестоимости бетонной смеси проводился при помощи составления калькуляции всех затрат на производство. В итоге рыночная стоимость 1 м³ высокопрочного легкого бетона составила 6428,33 руб. в ценах 2-го квартала 2011 г.

Были выполнены расчеты строительных конструкций с использованием легкого бетона на основе ТКВ. При расчетах приняты три различных конструктивных схемы монолитного 14-этажного здания с размерами в плане 19,26х24 м. Первая (исходная) имела тяжелый бетон класса В25, вторая - высокопрочные легкий бетон класс В45, и третья - высокопрочный легкий бетон класса В45 с уменьшением сечений конструкций (фундаментная плита на 20 см, колонны на 10 см, ригели на 10 см, плиты перекрытия на 2 см, диафрагмы жесткости на 2 см).

Для вышеперечисленных вариантов был проведен статический расчет каркаса с помощью систем автоматизированного проектирование SCAD.

Оценка эффективности предложенных конструктивных решений производится методом сопоставления технико-экономических показателей. Решающим критерием для окончательного выбора варианта конструкций является показатель приведенных затрат.

Таким образом, были просчитаны приведенные затраты по трем конструктивным решениям (рис. 6).

Рисунок 6 - Сравнение вариантов конструктивного решения для монолитного каркаса в целом

Применение высококачественного легкого бетона в монолитном каркасе многоэтажного здания имеет экономический эффект 4,3% при изменении сечений конструкций.



Общие выводы

1. Разработаны принципы получения высокопрочных легких бетонов на тонкомолотых композиционных вяжущих с использованием золы террикоников.

2. Установлены закономерности влияния процессов структурообразования композиционных вяжущих, полученных путем помола портландцемента и золы террикоников, заключающиеся в интенсификации гидратации системы за счет более развитой и дефектной структуры кремнеземсодержащего компонента и суперпластификатора, что приводит к синтезу более однородной структуры матрицы с минимальным содержанием пор и микротрещин.

3. Разработаны составы тонкомолотых композиционных вяжущих на основе портландцемента, золы террикоников и пластифицирующей добавки с пределом прочности при сжатии до 73 МПа. Введение в состав вяжущих золы террикоников позволило получить экономию ПЦ до 20%.

4. Доказана возможность получения высокопрочного легкого бетона за счет оптимизации микро- и макроструктуры путем использования тонкомолотых композиционных вяжущих и органоминеральной добавки. Оптимизация микроструктуры легкого бетона позволила получить бетон с пределом прочности до 60 МПа, плотностью до 1650 кг/м³.

5. Получены высокопрочные легкие бетоны с использованием тонкомолотых композиционных вяжущих и органоминеральной добавки, включающей микрокремнезем, золу террикоников и ПАВ для строительства монолитных конструкций с пределом прочности на сжатие до 60 МПа, плотностью 1650 кг/м³, теплопроводностью до 0,34 Вт/м•°С.

6. Исследование микроструктуры образцов легкого бетона, приготовленного на тонкомолотом композиционном вяжущем с органоминеральной добавкой, показало, что в процессе совместной гидратации цемента и добавок наблюдается равномерное распределение продуктов гидратации в объеме композита. Поры и пустоты в образце легкого бетона практически отсутствуют, высокая плотность конгломерата обеспечивается за счет использования тонкомолотого композиционного вяжущего и органоминеральной добавки.

7. Выполнен статический расчет конструкций из полученного легкого бетона с изменением сечений. Применение высококачественного легкого бетона в монолитном каркасе многоэтажного здания дает экономический эффект за счет изменения сечений конструкций. Экономический эффект составляет 4,3%.

8. Получен высокопрочный легкий бетон с использованием безобжигового зольного заполнителя из золы террикоников с пределом прочности на сжатие до 60 МПа, плотностью до 1800 кг/м³, теплопроводностью до 0,30 Вт/м•°С.



Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах

1. Ефременко, А. С. Пути совершенствования работ при возведении конструкций из легкобетонных искусственных камней / А. С. Ефременко // Наука, технологии, инновации: сб. тр. междунар. науч.- практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - С. 59-61.

2. Урханова, Л. А. Легкие бетоны с использованием отходов промышленности / Л. А. Урханова, А. С. Ефременко // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии: материалы XV акад. чтений РААСН - междунар. науч.-техн. конф. - Казань: Изд-во КазГАСУ, 2010. - Т. II. - С. 193-195.

3. Урханова, Л. А. Конструкционные легкие бетоны на безобжиговых пористых заполнителях / Л. А. Урханова, А. С. Ефременко // Вестник ИрГТУ. - 2011. - №1. - С. 100-103.

4. Урханова, Л. А. Модифицированный легкий бетон в Иркутской области / Л. А. Урханова, А. С. Ефременко // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. - 2011. - №1. - С. 137-141.

5. Ефременко, А.С. Ресурсосберегающие технологии вяжущих и бетонов с использованием отходов промышленности /А. С. Ефременко, Л. А. Урханова, В. Е. Розина // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Изд-во ПДЗ. - 2011. - С. 132-134.

6. Урханова, Л. А. Высокопрочный легкий бетон с использованием сырьевой базы Иркутской области / Л.А. Урханова, А. С. Ефременко // Инновационные технологии в науке и образовании: сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2011. - С. 62-64.

7. Урханова, Л. А. Применение золы террикоников в качестве активной минеральной добавки в легком высокопрочном бетоне / Л. А. Урханова, А. С. Ефременко // Строительные материалы - 2012. - №1. - С. 32-33.

8. Ефременко, А.С. Высокопрочный легкий бетон с использованием золы террикоников / А. С. Ефременко, Л. А.Урханова // Строительный комплекс России. Наука, образование, практика: сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. - С. 234-236.



Подписано в печать 25.10.2013. Формат 60х84 1/16.

Усл. п. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ № 325.

Размещено на Allbest.ru

...