Эффективные высококачественные бетоны для суровых климатических условий

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Эффективные высококачественные бетоны для суровых климатических условий

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

На правах рукописи

Баженова Софья Ильдаровна

Москва 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Алимов Лев Алексеевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Нисаев Игорь Петрович

- кандидат технических наук, доцент Суханов Михаил Александрович

Ведущая организация - Государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт Московского строительства «НИИМосстрой»

Защита состоится «29» __ июня___ 2010 года в часов на заседании диссертационного совета Д.212.138.02 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д.26, ауд. 106 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «_____» _____мая______ 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Алимов Л.А.

Общая характеристика работы

Актуальность. В настоящее время активно осваиваются восточные регионы России, богатые природными ресурсами и отличающиеся суровыми климатическими условиями. Развитие этих регионов связано со строительством дорог, коммуникаций, жилых и промышленных объектов. Основным строительным материалом в этих условиях может быть бетон и железобетон, отличающийся высокой эксплуатационной надежностью.

Решение указанной задачи связано с использованием высококачественных бетонов повышенной эффективности, обладающих одновременно высокими показателями прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, трещиностойкости. Технология высококачетвенных бетонов основывается на управлении структурообразованием бетона на всех этапах производства и эксплуатации.

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг

Цель и задачи. Основной целью работы является получение эффективных высококачественных бетонов для суровых климатических условий

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность повышения эффективности высококачественных бетонов на основе высокоподвижных бетонных смесей путем регулирования их структуры;

- разработать принципы управления структурообразованием бетона на всех этапах его производства и эксплуатации;

- обосновать способ получения наномодификаторов на основе отходов зол ТЭС и отсевов дробления известняковых пород;

- установить зависимости прочностных характеристик, морозостойкости, водонепроницаемости и трещиностойкости бетонов от их состава и структуры;

- установить влияние тепловлажностной обработки на формирование структуры и свойств высококачественных бетонов;

- разработать рекомендации по определению составов высококачественных бетонов;

- провести опытно-производственное опробование результатов исследования.

Научная новизна. Обоснована возможность получения высококачественных бетонов с комплексом эксплуатационных требований путем предварительной обработки заполнителей комплексной добавкой, включающей микрокремнезем и гиперпластификатор и позволяющей создать условия формирования более плотной и прочной контактной зоны за счет дополнительных новообразований и снижения капиллярной пористости, способствующей повышению прочности, морозостойкости, водо-непроницаемости и трещиностойкости бетонов.

Установлено с помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии, что предварительная обработка заполнителей комплексной добавкой при приготовлении бетонной смеси способствует образованию низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция и снижению капиллярных пор в контактной зоне между цементным камнем и заполнителем.

Установлено, что использование полидисперсных наполнителей, получаемых путем механохимической активации отходов промышленности, которая обеспечивает увеличение удельной поверхности отходов, изменение структуры частиц на поверхности, образование дополнительных дефектов в решетках минералов, способствует получению более плотной и прочной структуры цементного камня в результате заполнения порового пространства цемента и появления дополнительных новообразований.

Предложен фактор С1, представляющий собой отношение абсолютного объема цемента к сумме абсолютных объемов цемента, наполнителя и воды, характеризующий объемную концентрацию цемента в многокомпонентном цементном тесте. Это фактор С1 позволяет определить оптимальное количество наполнителя в высококачественном бетоне., учитывая требуемую прочность бетона, активность наполнителя и цемента.

Получены зависимости количества добавки «Полипласт СП СУБ» от содержания в цементе С3А и его нормальной густоты, необходимые для расчета состава бетона.

Получена трехфакторная квадратичная модель прочности бетона с заполнителем, предварительно обработанным комплексной добавкой, учитывающая содержание микрокремнезема, гиперпластификатора «Полипласт СП СУБ» и количество воды.

Установлена взаимосвязь прочности, морозостойкости и водонепроницаемости высококачественных бетонов с предварительно обработанными заполнителями с коэффициентом интенсивности напряжений, величиной дилатометрического эффекта, величиной и характером пор и получены зависимости, необходимые для оптимизации состава бетон и прогнозирования его свойств.

Получены с помощью метода планирования эксперимента квадратичные зависимости прочности высококачественных бетонов от времени предварительной выдержки, скорости подъема температуры, а также времени и температуры изотермической выдержки, необходимые для оптимизации режимов тепловлажностной обработки.

Практическое значение. Разработана технология по производству высококачественных бетонов для суровых климатических условий, включающая способ обработки заполнителей комплексной добавкой, который позволяет получить бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками.

Предварительная обработка заполнителей приводит к повышению прочности на 19-23% и трещиностойекости на 16-17% бетонов, а также к снижению коэффициента К (величина водопоглощения) на 16-20% и «приведенного удлинения» при замораживании на 17-20%.

Разработаны принципы оптимизации составов высококачественных бетонов высокой подвижности на основе установленных зависимостей свойств бетонных смесей и бетонов от главных факторов.

Новизна разработок подтверждена положительным решением по заявке №2009145031 «Способ приготовления бетонной смеси» от 07.12.09г.

Внедрение результатов исследований. Опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций по производству высококачественных бетонов осуществлялось в течении 2009 и 2010 гг. на предприятии ООО «ИНТРА-БАУ М»

Была выпущена партия 9000 м3

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ студентов МГСУ 2006-2010 гг., на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» проводилась в рамках реализации Федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» 2007-2010 гг., на Международной научно-практической конференции «Строительство-2008» в г.Ростов-на-Дону, на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы в г.Белгород.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 158 страниц машинописного текста, 32 рис., 18 таблиц.

На защиту диссертации выносятся:

- обоснование возможности получения высококачественных бетонов путем предварительной обработки заполнителей комплексной добавкой;

- способ приготовления бетонной смеси с предварительной обработкой заполнителей;

- зависимости изменения состава, структуры и свойств высококачественных бетонов от главных факторов;

- многофакторные зависимости морозостойкости, прочности, пористости, водонепроницаемости и трещиностойкости от характеристик состава и строения;

- закономерности изменения структуры и свойств высококачественных бетонов методами РФА, ДТА и электронной микроскопии;

- принципы оптимизации составов высококачественных бетонов;

- результаты опытно-промышленного опробования.

морозостойкость водонепроницаемость трещиностойкость бетон

Содержание работы

В настоящее время активно осваиваются восточные регионы России, богатые природными ресурсами и отличающиеся суровыми климатическими условиями. Основным строительным материалом в этих условиях является бетон и железобетон, отличающийся высокой эксплуатационной надежностью. Таким требованиям могут отвечать так называемые высококачественные бетоны, в которых одновременно сочетаются высокая прочность бетонов (60-120 МПа и выше), морозостойкость более F400, водонепроницаемость свыше W=12, истираемость менее 0.4 г/см2 и т.п.

В работе сформулирована концепция получения высококачественных бетонов заключающаяся в использовании сложившейся производственной базы и традиционных материалов для производства бетонных смесей и бетонов с широким диапазоном свойств, а также в применении комплексных добавок, включающих высокоэффективные разжижители нового поколения.

В настоящее время появился отечественный гиперпластификатор, разработанный компанией «Полипласт» на основе полинафталинсульфатного суперпластификатора. Добавка представляет собой комплексный продукт: смесь регулятора реологических свойств, регулятора структурообразования и стабилизатора. «Полипласт СП СУБ» является добавкой широкого спектра действия. Она может использоваться как обычный суперпластификатор для различных бетонов и как добавка для получения самоуплотняющихся бетонов при определенном составе бетона, включающем мелкодисперсный наполнитель.

Прочность и стойкость бетонов зависят главным образом от объема макропор в бетоне и их строения. При рассмотрении макроструктуры выделяют следующие основные элементы: крупный и мелкий заполнители, цементный камень и контактная зона между цементным камнем и заполнителем. Возникновение контактной зоны между цементным камнем и заполнителем связано с тем, что в бетонной смеси зерна заполнителя разделяют цементное тесто на микрообъемы. В связи с этим формирование структуры цементного камня и контактной зоны происходит в тонких слоях. Заполнитель оказывает существенное влияние на распределение воды в бетонной смеси и формы ее связи. Только незначительная часть воды (около 2%) связывается химически в результате взаимодействия с цементом. Большая часть воды (93-95%) в бетонной смеси связано механически и находится в межзерновом пространстве.

Под влиянием поверхности заполнителя за счет адсорбционных, молекулярных и капиллярных сил эти слои теряют подвижность. Толщина зоны взаимодействия зависит от свойств заполнителя и цемента и в среднем составляет около 10-15 мкм. По своему составу и свойствам контактная зона отличается от остального цементного камня. Сращивание зерна заполнителя с цементным камнем связано с миграцией гидроксида кальция, образующегося при гидролизе трех- и двухкальциевого силиката, к поверхности зерен. В результате на поверхности зерен заполнителя образуются кристаллы Са(ОН)2 и СаСО3. Прочность контактного слоя в бетоне плотной структуры в 5-7 раз ниже прочности цементного камня.

Таким образом, одним из эффективных способов повышения прочности и стойкости бетонов может стать, например, введение комплексных добавок на поверхность заполнителя, которые взаимодействуя с гидроксидом кальция изменяли бы характер и объем пор и заполняли бы контактную зону новообразованиями.

Введение супер- и гиперпластификатора при низких значениях В/Ц способствует образованию тонкозернистого геля, который быстрее и полнее заполняет меньшую первоначальную пористость твердой фазы при наличии тонкодисперсных добавок. Уменьшение размеров кристаллов цементного камня и его пор ведет к повышению прочности и стойкости материала. Гидратация цемента в стесненном и тонкораздробленном пространстве твердой фазы при низких значениях В/Ц и использовании тонкодисперсных наполнителей позволяет получать очень прочные бетоны, стойкие к различным внешним воздействиям. Использование наполнителей с размером частиц от 0.1 до 100 нм приводит не только к повышению плотности материала, но и в результате взаимодействия с новообразованиями цементного камня создают плотную и прочную контактную зону на поверхности частиц твердой фазы.

В высококачественных бетонах в качестве комплексных добавок традиционно применяют наполнители в основном техногенного происхождения. Техногенные отходы отличаются высокой неоднородностью, низкой химической активностью. Поэтому для получения эффективных наномодификаторов необходимо техногенные отходы следует подвергнуть обработке в активаторах нового поколения.

В результате механической активации возрастает реакционная способность наполнителей, повышается их однородность, ускоряются химические реакции, как между твердофазными компонентами, так и между твердыми и жидкими, наблюдаются изменения состава и строения измельченного вещества.

В связи с этим для оптимизации состава и прогнозирования свойств высококачественных бетонов на основе высокоподвижных бетонных смесей необходимо установить зависимости свойств бетонных смесей и бетонов от параметров структуры, состава и технологических факторов.

Для подтверждения высказанных положений в работе были использованы следующие материалы.

- портландцемент Воскресенского цементного завода марки М500, с нормальной густотой 27.5%, портландцемент Подольского завода марки М400, с нормальной густотой 27%. Характеристики используемых цементов приведены в табл. 1,2,3.

- добавка суперпластификатор С-3 - коричневый порошок, изготовлен на основе продуктов поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида (ТУ 6-36-020429-625-90), произведенный Новомосковским химическим комбинатом органического синтеза,

Таблица 1. Характеристики используемых цементов

№ п/п	Наименование цементов	Активность, МПа	Сроки схватывания, ч.-мин.	Удельная поверхность, см2/г	Нормальная густота, %
			начало	конец
1	Воскресенский	51,8	2ч.25мин	4ч.50 мин	3600	27,5
2	Подольский	44,1	2ч.35мин	5ч.10 мин	3200	27,0

Таблица 2. Химический состав клинкера

№ п/п	Наименование цементов	Содержание оксидов, %	ппп
		Si02	CaO	А12 0з	Fе2 Оз	MgO	S0з	R2 0
1	Воскресений	20,47	63,8	6,49	5,09	2,1	0,1	0,64	1,15
2	Подольский	18,7	67,2	4,64	4,11	2,23	2,23	1,54	1,66

Таблица 3. Минералогический состав клинкера

№ п/п	Наименование цементов	Содержание основных минералов, %
		СзS	C2 S	СзА	C4 AF
1	Воскресенский	54,23	18,36	9,12	15,43
2	Подольский	59	17	8	10

- добавка «Полипласт СП СУБ» - разработанный компанией «Полипласт» на основе полинафталинсульфатного суперпластификатора. Добавка представляет собой комплексный продукт: смесь регулятора реологических свойств, регулятора структурообразования и стабилизатора. «Полипласт СП СУБ» является добавкой широкого спектра действия. Она может использоваться как обычный суперпластификатор для различных бетонов и как добавка для получения самоуплотняющихся бетонов при определенном составе бетона, включающем мелкодисперсный наполнитель,

- песок Люберецкого карьера с модулем крупности МКР = 1,35 и содержанием пылевидной фракции (0 - 0,14 мм) в количестве 5%,

- микрокремнезем - отход ферросплавного производства с удельной поверхностью 2000 м2/кг, плотностью 2.2 г/м3, насыпной плотностью - 0.2 - 0.25 г/см3,

- гранитный щебень Токовского месторождения с насыпной плотностью 1290 кг/м3 , плотностью - 2,6 г/см3, водопотребностью - 3,1%;

- отсев дробления известнякового щебеня Ковровского карьера с насыпной плотностью 1260 кг/м3, плотностью - 2,63 г/см3, водопотребностью - 8,2%.

Для получения высококачественных бетонов на основе высокоподвижных бетонных смесей особое значение имеет использование модификаторов структуры бетонов на основе отходов промышленности. Экспериментально было установлено, что удельная поверхность наполнителей должна быть на 70-140 кг/м3 больше удельной поверхности цемента. Получение из отходов промышленности таких наномодификаторов возможно только при использовании активаторов нового поколения, способных осуществлять наномодификацию материалов, при этом отличаться высокой производительностью и низкими энергозаратами. С этой целью был выбран активатор серии АКРК (активатор с кольцевой рабочей камерой), отличительной особенностью которого является то, что частицы, находящиеся в вихревом потоке подвергаются соударениям при скорости около 80 м/с. Частицы в результате такой обработки переходят из нормального в возбужденное состояние и становятся активными центрами гидратации цемента. Таким образом, механохимическая активация отходов в активаторах серии АКРК ведет к полидисперсному увеличению удельной поверхности отходов, изменению структуры частиц на поверхности, образованию дополнительных дефектов в решетках минералов, которые ускоряют элементарные взаимодействия поверхностного слоя частиц, повышают их однородность и химическую активность.

Кроме того, для этих активаторов удельное энергопотребление составляет 2-5 кВт/ч на 1т, простота и надежность конструкции, малые габариты и масса. Мощность двигателя около 11-15 кВт, принцип работы - проточный, производительность 3-5т/ч.

В табл. 4 приведены вид активированного вяжущего и получаемые удельные поверхности материалов после проведенной активации.

Таблица 4

№ п.п.	Вид материала	Удельная поверхность, м2/кг
1	Портландцемент М500 ДО	320
2	ВНВ 100 - активированный ПЦ с 2,0% С-3	471
3	Исходная зола ТЭС	280
4	Активированная зола	330
5	Активированная зола с СП С-3 0,3%	445
6	Совместно активированные ПЦ и зола при соотношении (1:1)	371
7	Активированный отсев дробления известняка	420

Количество химически непрореагировавшего цемента в бетоне даже длительного твердения составляет в среднем около 50%. Следовательно, часть непрореагированного цемента можно заменить на тонкодисперсный наполнитель. Наполнитель в этом случае должен не только заполнять пустотность цемента, но и вступать во взаимодействие с его новооборазованиями, создавая более плотную структуру цементного камня. Количество наполнителя будет зависеть от его активности и активности цемента, от требуемой прочности бетона, продолжительности и условий твердения. В этом случае необходимо установить зависимость прочности бетона от структурно-технологического фактора С1, представляющего собой объемную концентрацию цемента в многокомпонентном цементном тесте.

С помощью метода планирования эксперимента была установлена зависимость Rб = f (С1). Бетонные смеси имели осадку конуса 27-28 см, при расплыве конуса 60-62 см, расход добавки «Полипласт СП СУБ» составил 1.2% от массы цемента при расходе воды 200-205 кг/м3.

В качестве факторов был выбран расход наполнителя (Х1) и цемента (Х2). В результате обработки экспериментальных данных получена двухфакторая квадратичная зависимость прочности бетона:

Rб = 52.5478 - 1.3336Х1 + 10.6688Х2 - 1.343Х12 + 3.657Х22 - 0.75Х1Х2

Обработка полученных результатов позволила установить критериальную зависимость прочности бетона от С1, где С1 = Ац /(Ац + Ан+В) , Ац и Ан - абсолютные объемы цемента и наполнителя, В - вода затворения: Rб = 232 С1 - 38.4. Следовательно, расход наполнителя (Н) составит

Н = ( Ац - С1 Ац - С1 В) / С1

где Ац - абсолютный объем цемента, равный Ц /?ц , Ц - расход цемента, ?ц - плотность цемента.

Анализ полученных зависимостей показывает, что чем выше требуемая прочность бетона, тем ниже расход тонкомолотого наполнителя.

Для определения оптимального расхода гиперпластификатора в высокоподвижных бетонных смесях были получены зависимости расхода ГП добавки «Полипласт СП СУБ» от содержания в цементе С3А и от нормальной густоты цемента (табл.5).

Таблица 5. Рекомендуемое количество суперпластификатора С-3 и гиперпластификатора «Полипласт СП СУБ»

Содержание С3А,%	Количество, % от массы цемента	Нормальная густота, %	Количество, % от массы цемента
	С-3	ГП		С-3	ГП
4	0.48	0.7	24	0.6	1.0
6	0.8	1.07	26	0.74	1.2
8	1.02	1.4	28	0.9	1.4

Аналитическое выражение этих зависимостей следующие:

Д = 0.129 С3 А + 0.172

Д = 0.1 НГ - 1.41

Из рекомендуемых значений в случае их несовпадения выбирается большее.

Установление расхода воды для обеспечения заданной подвижности бетонной смеси с добавкой определяли по формуле В = Вт К, где Вт- табличное значение расхода воды той же подвижности без добавки, К - коэффициент, учитывающий влияние оптимального количества добавки-суперпластификатора на подвижность бетонной смеси с учетом ориентировочного расхода цемента в бетоне без добавки, который имеет те же технологические и эксплуатационные характеристики: при расходе цемента: менее 300 кг/м3 значение К = 0.75; менее 400 кг/м3 - К = 0.7; менее 500 кг/м3 - К = 0.65; более 500 кг/м3 - К = 0.6.

Введение гиперпластификаторов не только уменьшает водопотребность бетонной смеси, но и смещает верхний предел в сторону больших расходов цемента, т.е. закон постоянства водопотребности бетонных смесей сохраняется до расхода цемента 600 кг/м3 и более.

Определение расхода цемента производили по зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения с учетом применения гиперпластификатора. Введение пластификатора несколько изменяет положение зависимости кривой прочности от Ц/В, расширяя область прямолинейного участка этой кривой. Для бетонов с гиперпластификаторами прямолинейная зависимость наступает при В/Ц более 4. Это влияние добавки на прочность бетона при высоких значениях Ц/В позволяет использовать при расчете расхода цемента в высококачественных бетонах формулы:

Ц/В = Rб / ( К2АRц + 0.5), Ц = В Ц/В,

Коэффициент К2 учитывает влияние добавки на изменение прочности за счет воздухововлечения или наоборот уплотнения.

На основании полученных зависимостей были подобраны составы высококачественных самоуплотняющихся бетонов классов по прочности В30 В70, представленные в табл.6.

Таблица 6

Составы и свойства самоуплотняющихся бетонов заданной прочности

Класс	Ц/В	Ц1 кг/м3	С1	Н кг/м3	Ц кг/м3	А зап	Щ кг/м3	П кг/м3	Rб МПа	По, %
В30	1.92	383	0.33	112	271	664	868	868	38.6	13.7
В35	2.14	428	0.36	102	326	651	851	851	44.9	13.5
В40	2.39	478	0.39	94	384	636	832	832	51.4	13.4
В45	2.64	529	0.42	77	452	621	812	812	58.8	13.0
В50	2.83	565	0.44	73	492	609	796	796	64.3	12.8
В60	3.3	660	0.5	32	628	584	763	763	77.1	12.2
В70	3.77	754	0.55	0	754	557	728	728	90	11.2

Из данных табл.6 следует, что в качестве высококачественных бетонов могут быть рассмотрены исследуемые бетоны на данных исходных материалах классов по прочности свыше В40.

Анализ структуры бетонов составов 3,4,5 и 6 (табл.6) были подвергнуты ускоренным испытаниям: на капиллярный подсос с целью определения капиллярной пористости как функции морозостойкости и определению температурно-влажностных деформаций с целью установления зависимости морозостойкости от «приведенного удлинения» в процессе замораживания и оттаивания.

Результаты исследований значений прочности бетонов, общей пористости, величины константы всасывания за 4 мин водопоглощения, и значения «приведенного удлинения» представлены в табл.7.

Таблица 7. Свойства бетонов

№составов из табл.6	Прочность бетона R,МПа	Общая пористость, По,%	Константа всасывания.	«приведенное удлинение» ?пр 10-5 см
3	51.4	13.4	9.92	10,2
4	58.8	13.2	9	10,5
5	64.3	12.8	8.41	10,4
6	77.1	12.2	7.84	9,6

Таким образом, из данных табл.7 можно сделать вывод, что испытанные бетоны, удовлетворяющие требованиям по прочности и удобоукладываемости, не соответствуют требованиям к высококачественным бетонам по морозостойкости (менее 400 циклов).

Для повышения всех изучаемых показателей свойств исследуемых бетонов был применен метод предварительной обработкой заполнителя комплексной добавкой. В качестве такой добавки был использовался порошкообразный микрокремнезем (МК) совместно с гиперпластификатором «Полипласт СП СУБ» следующим образом. Часть воды затворения, содержащей микрокремнеземом и добавку «Полипласт СП СУБ», в бетономешалке предварительно перемешивали с заполнителями, а затем добавляли цемент и остальную воду.

На образцах бетонов на необработанном и обработанном заполнителе после 28 суток нормального хранения были проведены исследования особенностей структуры и свойств их контактных зон. Для этого образцы раскалывали и исследовали контактную зону в виде порошков, соскобленных с поверхности цементного камня и заполнителя, которые изучали с помощью методов РФА и ДТА. Степень гидратации цемента определяли, исходя из степени гидратации C3S. Рентгенофазовый анализ показал, что степень гидратации проб из бетона на обработанном заполнителе составила 84%, в то время как бетона на необработанном заполнителе - 73%. В бетоне на необработанном заполнителе (рис.1) количество и степень окристаллизованности гидроксида кальция находится в прямой зависимости от степени гидратации C3S. В бетоне на обработанном заполнителе (рис.2) о количестве гидроксида кальция можно судить по интенсивности пика d= 4.902 A, т.к. он принадлежит только гидроксиду кальция. При сравнении дифрактограмм видно, что в бетоне на обработанном заполнителе количество гидроксида кальция меньше и имеются образования низкоосновных гидросиликатов кальция. В контактной зоне бетона с обработанным заполнителем наблюдаются образования карбоната кальция линии (d=3.03; 2.492; 2.283; 2.094; 1.909; 1.874; 1.628; 1.604; 1.525; 1.485 A).

Рис. 1 Рентгенограмма пробы контактной зоны бетона на необработанном заполнителе

Сравнивая дифрактограммы двух образцов можно сделать вывод о том, что количество карбоната кальция более высокое в бетоне на необработанном заполнителе, что связано очевидно с более рыхлой структурой контактной зоны.

На дериватограммах автоматически для каждого из исследуемых образцов зарегистрировано три кривые: температурная (Т), дифференциальная (ДТА) и термовесовая (TG). ДТА кривая содержит три основных эндотермических эффекта: при 110-250°С, 510(490)°С, 780(760)°С.

Первый самый глубокий при Т=110-250°С складывается из гидратации эттрингита при Т=140 °С, удаления адсорбционно связанной воды из тонкодисперсных новообразований и частичной перекристаллизации гипса. Процессы сопровождаются наибольшей потерей массы в количестве 7% для образцов на щебне из бетона и в количестве 4 % для образцов из бетона на необработанном заполнителе. Это указывает на то, что степень гидратации у этих образцов выше.

Рис. 2 Рентгенограмма пробы контактной зоны бетона на предварительно обработанном заполнителе

Второй эндоэффект при Т=490-510°С связан в основном с присутствием Са(ОН)2, дегидратация которого в бетоне на обработанном заполнителе сопровождается более низкой потерей массы ( 0,5 % и соответственно 0,75 %).

Эндоэффект при Т=760-780°С соответствует гидратации и разложению гидросиликата кальция. При температуре Т-820-850°С у образцов из бетона на обработанном заполнителе наблюдается экзотермический эффект, характеризующий присутствие тоберморита. На это указывают линии с d= 3.03 и 12.7 A.

В итоге можно заключить, что результаты ДТА подтверждают данные РФА и в какой то степени их дополняют, особенно в плане кристаллизации гидросиликатов кальция и карбонизации Са(ОН)2.

Микроскопические исследования контактных зон между цементным камнем и заполнителем также показали разницу в их структурах. На микрофотографиях, полученных при увеличении в 3000 раз, контактной зоны цементного камня с необработанным заполнителем видно разного рода микротрещины и достаточно высокая пористость. В образцах бетона на обработанном заполнителе трещин в зоне контакта не наблюдается, что свидетельствует о плотном и хорошем сцеплении цементного камня с заполнителем. Это подтверждается и исследованиями сцепления необработанного и обработанного заполнителей с цементным камнем. Сцепление изучалось на образцах размером 10x10x10 см, которые изготовлялись следующим образом: сначала форма заполнялась на половину высоты цементным тестом, в которое погружались зерна заполнителя заподлицо с поверхностью. Через сутки на поверхность отформованной части образца укладывалась промасленная пленка с отверстиями в местах расположения заполнителя. Затем приформовывалась вторая часть куба из цементного теста. Это обеспечивалось условие, при котором приформованная часть куба имела сцепление только с поверхностью заполнителя. После ТВО образцы испытывались на растяжение методом раскалывания.

Результаты испытаний показали, что разрушение образцов с необработанным заполнителем происходило по контакту в виде отслоения. Это свидетельствует о том, что цементный камень имел прочность выше, чем контактная зона. Разрушение образцов с обработанным заполнителем происходило по цементному камню. Это свидетельствует о том, что прочность контактной зоны выше прочности цементного камня.

Были проведены также исследования прочности, пористости, процесса капиллярного всасывания и дилатометрические исследования бетонов на обработанных заполнителях. Результаты исследований представлены в табл.8.

Исследования, представленные в табл.8 показали, что прочность исследуемых составов бетонов повысилась на 19-23%, снизился коэффициент К (величина водопоглощения) на 16-20% и снизилось «приведенное удлинение» бетонных образцов при замораживании и оттаивании на 17-20%.

Таблица 8. Свойства бетонов

№составов из табл.3.7	Прочность бетонов R, МПа	Общая пористость По, %	Константа всасывания	«Приведенное удлинение» ?пр 10-5 см
3	66.8	13.4	8.4	8.1
4	70.5	13.2	7.56	8.5
5	77.8	12.8	6.75	8.3
6	91.7	12.2	6.42	8.0

Все это свидетельствует о создании более прочной и плотной структуры бетона. Наряду с этими исследованиями были проведены также исследования по определению морозостойкости и водонепроницаемости бетонных образцов составов 3,4,5 и 6 (табл.6): морозостойкость по ГОСТ 10069.3-95 «Дилатометрический метод ускоренного определения морозостойкости», водонепроницаемость по ГОСТ 12730.5-84 «Методы определения водонепроницаемости». Эти исследования показали, что морозостойкость бетонов на обработанных заполнителях составила около 400 циклов, водонепроницаемость более W12.

Исследования трещиностойкости выбранных составов бетонов по значению вязкости разрушения показали, что коэффициент интенсивности напряжений Кс, бетонов с обработанным заполнителем, повысился на 16 17%, что свидетельствует о том, что бетоны, приготовленные на предварительно обработанных заполнителях, имеют более плотную структуру контактной

Таким образом, проведенные исследования подтвердили возможность получения высококачественных бетонов, имеющих одновременно высокие показатели прочности и стойкости, путем регулирования величины и характера пор контактной зоны и возникновения дополнительных мелкокристаллических новообразований низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.

На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по производству высококачественных бетонов для суровых климатических условий эксплуатаций, которые включают: общие положения, требования к материалам, особенности оптимизации составов и технологии приготовления высококачественных бетонных смесей с заданным комплексом свойств, охрану труда и технику безопасности.

Основные выводы

1. Обоснована возможность получения высококачественных бетонов с комплексом эксплуатационных требований путем предварительной обработки заполнителей комплексной добавкой, включающей микрокремнезем и гиперпластификатор и позволяющей создать условия формирования более плотной и прочной контактной зоны за счет дополнительных новообразований и снижения капиллярной пористости, способствующей повышению прочности, морозостойкости, водо-непроницаемости и трещиностойкости бетонов.

2. Разработана технология по производству высококачественных бетонов для суровых климатических условий, включающая способ обработки заполнителей комплексной добавкой, который позволяет получить бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками.

3.Установлено с помощью РФА, ДТА и электронной микроскопии, что предварительная обработка заполнителей комплексной добавкой при приготовлении бетонной смеси способствует образованию низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция и снижению капиллярных пор в контактной зоне между цементным камнем и заполнителем.

4. Установлено, что использование полидисперсных наполнителей, получаемых путем механохимической активации отходов промышленности, которая обеспечивает увеличение удельной поверхности отходов, изменение структуры частиц на поверхности, образование дополнительных дефектов в решетках минералов, способствует получению более плотной и прочной структуры цементного камня в результате заполнения порового пространства цемента и способности при химическом взаимодействии с новообразованиями цемента.

5. Предложен фактор С1, представляющий объемную концентрацию цемента в многокомпонентном цементном тесте, от которого получена зависимость, учитывающая требуемую прочность бетона, активность наполнителя и цемента для определения оптимального количества наполнителя в высококачественном бетоне.

6. Получены зависимости количества добавки «Полипласт СП СУБ» от содержания в цементе С3А и его нормальной густоты, необходимых для расчета состава бетона.

7. Получена трехфакторная квадратичная модель прочности бетона с заполнителем, предварительно обработанным комплексной добавкой, учитывающей содержание микрокремнезема, гиперпластификатора «Полипласт СП СУБ» и количества воды.

8. Установлена взаимосвязь прочности, морозостойкости и водонепроницаемости высококачественных бетонов с предварительно обработанными заполнителями с коэффициентом интенсивности напряжений, величиной дилатометрического эффекта, величиной и характером пор и получены зависимости, необходимые для оптимизации состава бетон и прогнозирования его свойств.

9. Получены с помощью метода планирования эксперимента квадратичные зависимости прочности высококачественных бетонов от времени предварительной выдержки, скорости подъема температуры, а также времени и температуры изотермической выдержки необходимые для оптимизации режимов тепловлажностной обработки.

10.Предварительная обработка заполнителей приводит к повышению прочности на 19-23% и трещиностойкости на 16-17% бетонов, а также к снижению коэффициента К (величина водопоглощения) на 16-20% и «приведенного удлинения» при замораживании на 17-20%.

11.Разработаны принципы оптимизации составов высококачественных бетонов на основе высокоподвижных бетонных смесей на основе установленных зависимостей свойств бетонных смесей и бетонов от главных факторов.

12. Исследование начального структурообразования высококачественных бетонных смесей показало, что исследуемые бетонные смеси, содержащие гиперпластификатор, отличаются удлиненным периодом формирования структуры, что особенно важно учитывать для многокомпонентных бетонов, подвергаемых тепловлажностной обработке.

13. Получены многофакторные модели влияния времени предварительной выдержки, скорости подъема температуры, времени и температуры изотермической выдержки и времени охлаждения на формирование структуры и свойств многокомпонентных высоко-качественных бетонов, необходимые для оптимизации процесса тепловлажностной обработки.

14 Разработаны рекомендации по производству высококачественных бетонов для суровых климатических условий эксплуатаций, которые были внедрены

15. Экономическая эффективность производства высококачественных бетонов разработанных в диссертации положений по повышению эффективности заключается в использовании активированных полидисперсных наномодификаторов на основе отходов промышленности, снижении расхода цемента, использовании отечественного гиперпластификатора и повышении эксплуатационных характеристик бетонов.

Список научных трудов, опубликованных по теме диссертации

1. Баженова С.И., Алимов Л.А. Модифицированный бетон повышенной морозостойкости. Сборник материалов научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов института строительства и архитектуры, Москва, МГСУ, 2006.

2. Баженова О.Ю., Баженова С.И. Научные и практические результаты совершенствования составов, свойств и технологии строительных материалов и изделий. Тематический межвузовский сборник научных трудов, г.Магнитогорск, МГТУ, 2007.

3. Алимов Л.А., Баженова С.И. Самоуплотняющиеся мелкозернистые бетоны. Збiрник тез доповiдей i повiдомлень VI Мiнародноi науковоi конференцii молодих вчених, аспiрантiв i студентiв, Макiiвка, ДонНАСА, 2007.

4. Баженова С.И. Исследование высокопрочных бетонов на самоуплотняющихся системах. Строительство - формирование среды жизнедеятельности. Юбилейная десятая международная межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных, докторантов и аспирантов, Москва, МГСУ, 2007.

5. Баженова С.И., Четвергова В.Д. Самоуплотняющиеся мелкозернистые бетоны для дорожного строительства. Строительство - формирование среды жизнедеятельности. Юбилейная десятая международная межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных, докторантов и аспирантов. Сборник трудов, Москва, МГСУ, 2007.

6. Алимов Л.А., Баженова С.И. Высокопрочные мелкозернистые бетоны на сырьевых материалах РФ. «Строительство-2008» Материалы международной научно-практической конференции, г.Ростов н/Д, РГСУ, 2008.

7. Алимов Л.А., Баженова С.И. Высокопрочные мелкозернистые бетоны. Строительство - формирование среды жизнедеятельности: научные труды Одиннадцатая международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. Научные труды, Москва, МГСУ, 2008.

8. Баженова С.И. Повышение долговечности бетона. Научно-тех. Ж. «Вестник МГСУ», Период.науч. изд. Спецвыпуск №1/2009, Москва, МГСУ, 2009.

9. Баженова О.Ю., Архангельский Е.А, Баженова С.И. Исследование свойств декоративных бетонов. Строительство - формирование среды жизнедеятельности: научные труды Двенадцатая международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. Научные труды. Москва, МГСУ, 2009.

10. Баженова С.И., Соколова А.А. Основные характеристики высококачественных бетонов. Научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательских работ студентов института строительства и архитектуры, Москва, МГСУ, 2010.

11. Алимов Л.А., Баженова С.И. Высококачественные бетоны с использованием отходов промышленности. Научно-тех. Ж. «Вестник МГСУ», Период.науч. изд. Выпуск №1/2010, Москва, МГСУ, 2010.

Размещено на Allbest.ur

...