Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Эффективные бетоны c использованием отхода производства минеральных удобрений

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

На правах рукописи

Григорьев Михаил Александрович

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 Орешкин Дмитрий Владимирович

- кандидат технических наук, доцент Суханов Михаил Александрович

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

Защита состоится «____» ______________ 2010 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 в ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, аудитория № ______.

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

Автореферат разослан «____» _______________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Алимов Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из перспективных направлений повышения эффективности бетонов является использование техногенных отходов.

В ряде регионов страны имеются значительные залежи многотоннажных отходов производства минеральных удобрений, в виде тонкодисперсных кремнезёмсодержащих порошков, которые не нашли применения в технологии бетона.

Решение проблемы эффективного использования отхода производства минеральных удобрений в технологии бетонов связано с повышением их однородности и химической активности, которые могут быть достигнуты путем механохимической активации.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «УМНИК-2007», государственный контракт № 4994-Р/7428 от 30.04.2007 г. и «УМНИК-2008», государственный контракт № 6149р/8699 от 22.07.2008.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка эффективных бетонов с органо-минеральной добавкой на основе отхода производства минеральных удобрений.

В связи с этим основными задачами работы являются:

- обоснование возможности повышения эффективности тяжелых бетонов, в том числе мелкозернистых бетонов, за счет использования отхода производства минеральных удобрений;

- исследование химического и минерального состава отхода производства минеральных удобрений;

- разработка составов органо-минеральных добавок на основе отхода производства минеральных удобрений;

- исследование структуры и свойств бетонных смесей и бетонов с органо-минеральной добавкой;

- разработка зависимостей прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, трещиностойкости тяжелых бетонов с органо-минеральной добавкой от главных факторов;

- проведение опытно-промышленных опробований результатов исследований.

Научная новизна. Обоснована возможность повышения эффективности и эксплуатационных свойств тяжелых и мелкозернистых бетонов путем использования отхода производства минеральных удобрений в виде органо-минеральной добавки, которая обеспечивает повышение плотности, прочности цементного камня, улучшение контактной зоны за счет снижения капиллярной пористости и дополнительных новообразований в виде высоко - и низкоосновных гидросиликатов кальция.

С помощью методов инфракрасной спектроскопии в отходе производства минеральных удобрений установлено наличие основных химических соединений в виде SiO2, Al2O3, AlF3.

Установлена зависимость удельной поверхности портландцемента и отхода производства минеральных удобрений от длительности механохимической активации.

Установлена зависимость процесса начального структурообразования мелкозернистого бетона от различного содержания органо-минеральной добавки.

С помощью метода РФА установлено, что механохимическая активация отхода производства минеральных удобрений способствует интенсивному взаимодействию частиц органо-минеральной добавки с цементом, образуя дополнительные высоко - и низкоосновные гидросиликаты кальция.

Установлена зависимость водопотребности и активности цементных паст, периода формирования структуры мелкозернистого бетона от различного содержания органо-минеральной добавки.

Получена зависимость прочности тяжелого бетона от количества органо-минеральной добавки на основе отхода производства минеральных удобрений и суперпластификатора С-3.

Установлена взаимосвязь морозостойкости, водонепроницаемости и прочности тяжелых бетонов с органо-минеральной добавкой с параметрами микротрещинообразования, коэффициентом интенсивности напряжений, величиной и характером пор и получены зависимости прочности, морозостойкости и водонепроницаемости бетонов от главных факторов, необходимые для прогнозирования свойств, структуры и оптимизации состава бетона.

Разработаны принципы оптимизации состава бетона на основе установленных многофакторных зависимостей прочности, морозостойкости и водонепроницаемости, полученных методом математического планирования эксперимента.

Практическое значение. Разработана технология получения органо-минеральной добавки на основе отхода производства минеральных удобрений и суперпластификатора, которая включает в себя предварительную сушку отхода, дозирование компонентов и помол в шаровой мельнице.

Разработана технология производства бетонных и железобетонных изделий с органо-минеральной добавкой для промышленного, гражданского и дорожного строительства.

Получены бетоны с органо-минеральной добавкой на основе отхода производства минеральных удобрений класса В25 и В30, морозостойкостью F200, F300 и водонепроницаемостью W6, W8.

Внедрение результатов исследований.

Разработаны «Рекомендации по определению состава тяжелого бетона с органо-минеральными добавками для промышленного, гражданского и дорожного строительства» и проведено опытно промышленное опробование на полигоне ОАО «Агротекс-ЖБИ» (г. Кострома) при изготовлении водоотводных лотков, дорожных плит, бордюров, элементов трубопереездов и телескопических лотков.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях по проблемам науки в агропромышленном комплексе в Костромской государственной сельскохозяйственной академии в 2005-2009 годах г. Кострома и на международной научно-практической конференции «Вопросы дальнейшего развития регионов России в условиях мирового финансового кризиса» г. Шарья, 2009 г.

Основное содержание работы опубликовано в десяти статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 197 страницы машинописного текста, 54 рисунка, 27 таблиц.

На защиту диссертации выносятся:

- обоснование возможности повышения эффективности тяжелых бетонов, за счет использования отхода производства минеральных удобрений;

- технология получения органо-минеральной добавки, состоящей из отхода производства минеральных удобрений и суперпластификатора С-3;

- закономерности в изменении свойств и начального структурообразования бетонов с органо-минеральной добавкой на основе отхода производства минеральных удобрений;

- зависимость прочности, морозостойкости и водонепроницаемости бетонов с органо-минеральной добавкой от параметров микротрещинообразования, коэффициента интенсивности напряжений, от величины и характера пор бетона;

- метод оптимизации состава бетона на основе полученных зависимостей;

- результаты опытно-промышленного опробования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одним из перспективных направлений повышения эффективности бетонов является использование многотоннажных техногенных отходов.

В ряде регионов страны имеются значительные залежи многотоннажных отходов производства минеральных удобрений (ОПМУ), в виде тонкодисперсных кремнеземсодержащих порошков, которые не нашли применения в технологии бетона. Например, при производстве одной тонны минеральных удобрений образуется в среднем 520 кг кремнеземистого отхода.

Решение проблемы эффективного использования отхода производства минеральных удобрений в технологии бетонов связано с повышением их однородности и химической активности, которые могут быть достигнуты путем механохимической активации.

Высокие эксплуатационные характеристики тяжелого бетона могут быть достигнуты за счет образования дополнительных продуктов новообразований путем наполнения матрицы цементного вяжущего высокодисперсными минеральными частицами, способных реагировать с цементом, активно влияющих на физико-химические процессы, происходящие в твердеющей вяжущей композиции. Появляется возможность направленного формирования макро- и микроструктуры композита.

Традиционно минеральные наполнители в технологии бетона рассматривались как компоненты, вводимые для предотвращения перерасхода цемента в низкомарочных бетонах. Для ориентировочных расчетов в этом случае принимается, что уменьшение активности цемента пропорционально увеличению количества наполнителя. Предпочтение следует отдавать активным наполнителям, которые способны вступать во взаимодействие с продуктами гидратации цемента образовывая устойчивые гидросиликаты кальция.

Одним из способов повышения эффективности тяжелых и мелкозернистых бетонов является применение отхода производства минеральных удобрений в виде органо-минеральной добавки, которая обеспечивает повышение плотности, прочности цементного камня, улучшение контактной зоны за счет снижения капиллярной пористости и дополнительных новообразований в виде высоко - и низкоосновных гидросиликатов кальция приводящие к снижению расхода цемента и повышению эксплуатационных свойств.

Многотоннажный отход производства минеральных удобрений образуется в ряде химико-технологического производства кремнеземистого и алюмокремнеземистого (алюмосиликатного) сырья при разложении гидроксида алюминия кремнефтористоводородной кислотой и представляет собой тонкодисперсный порошок белого цвета, состоящий в основном из аморфного диоксида кремния с небольшими примесями фторида алюминия и кремнефтористоводородной кислоты.

Данные о химическом и гранулометрическом составах отхода производства минеральных удобрений представлены в таблицах 1 и 2.

минеральный добавка удобрение железобетонный

Таблица 1. Химический состав ОПМУ ОАО «Воскресенские минеральные удобрения»

Компонент	SiO2	A2O3	AF3	H2O	ППП
Содержание, % по массе	49,25	0,6	0,29	49,86	-
Содержание, % по массе (в пересчете на сухое)	94-96	1,5-2,0	0,5-1,0	-	< 1

Петрографическое исследование показало, отсутствие в отходе свободного оксида кальция и магния, следовательно, можно сделать вывод, что ОПМУ не обладает самостоятельным вяжущим свойством.

Таблица 2. Гранулометрический состав ОПМУ ОАО «Воскресенские минеральные удобрения»

Остатки на ситах	Размер ячеек, мм	Прошло через сито 0,08
	0,2	0,08
Частные, г	2,5	7,9	39,6	50,0
Частные, %	5,0	15,8	79,2	100
Полные, %	5,0	20,8	100	25,8

Исследования гранулометрического состава органо-минеральной добавки (рис. 1) состоящей из ОПМУ и суперпластификатора производили на основе автоматического экспресс-анализа с помощью лазерного дифрактометра Fritsch Analyzette 22 NanoTechCombi.

Рис. 1. Гранулометрический состав органо-минеральной добавки

Согласно полученным результатам органо-минеральная добавка представляет собой тонкодисперсный порошок, с преобладающим размером частиц в диапазоне от 20 до 80 мкм. Причем, 70 % частиц порошка имеют размер частиц менее 65 мкм.

С помощью рентгенофазового анализа (рис. 2) зафиксированы межплоскостные расстояния, принадлежащие следующим минералам: эттрингит (d= 9,605; 5,577; 3,850; 2,553; 2,204 A); гидроксид кальция (d= 4,902; 3,105; 2,621; 1,926; 1,795; 1,687; 1,483; 1,449 A).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Рентгенограмма пробы бетона с органо-минеральной добавкой на основе отхода производства минеральных удобрений

В бетоне с органо-минеральной добавкой на основе ОПМУ о количестве гидроксида кальция можно судить по интенсивности пика d= 4,902 A, т.к. он принадлежит только гидроксиду кальция, и на него накладываются другие рефлексы. Появляются дополнительные новообразования в виде низкоосновных гидросиликатов кальция. В контактной зоне 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).

В результате проведенных исследований (протокол № 9-р, 10-р от 23.07.09 г.) образцов материала спектрометрической и радиометрической аппаратурой УСК «ГАММА-ПЛЮС» установлено, что удельная активность ЕРН составила: в ОПМУ 226Ra - 0,99±3,48 Бк/кг; 232Th - 0±3,85 Бк/кг; 40K - 0±29,89 Бк/кг; Aэфф.=1±7 Бк/кг и в тяжелом бетоне с органо-минеральной добавкой (ОМД) 226Ra - 16,38±2,95 Бк/кг; 232Th - 9,77±2,5 Бк/кг; 40K - 620,1±75,62 Бк/кг; Aэфф.=85±8 Бк/кг, что не превышает гигиенического норматива - 370 Бк/кг.

Санитарно-технический анализ (протокол №149 от 21.08.09 г.), проведенный ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Костромской области» показал возможность применения ОПМУ в производстве строительных материалов.

Рассматривалось несколько способов получения бетонов на основе отхода производства минеральных удобрений:

введение не молотого ОПМУ (Sуд=906,9 м2/кг) непосредственно при приготовлении цементной пасты в смеситель;

введение молотого ОПМУ (Sуд=1031 м2/кг) непосредственно при приготовлении цементной пасты в смеситель;

введение органо-минеральной добавки (Sуд=1020 м2/кг) на основе ОПМУ, при помоле к которому был добавлен сухой суперпластификатор С-3 в количестве 0,8 % от массы цемента, непосредственно при приготовлении бетонной смеси в смеситель;

введение цементной пасты путем совместного помола ОПМУ и портландцемента в шаровой мельнице (Sуд.см.=460-740 м2/кг) непосредственно при приготовлении бетонной смеси в смеситель;

введение цементной пасты путем совместного помола ОПМУ, портландцемента и суперпластификатора С-3 в количестве 0,8 % от массы цемента в шаровой мельнице (Sуд.см.=500-770 м2/кг) непосредственно при приготовлении бетонной смеси в смеситель.

Были изучены свойства цементных паст (табл. 3), бетонных смесей и бетонов с органо-минеральной добавкой (табл. 4).

Установлено, что при всех способах введения отхода нормальная густота (НГ) цементных паст увеличивается, однако, введение ОПМУ по третьему способу (ОМД) оказывает несущественное влияние на изменение НГ. Зависимость НГ от количества наполнителя (D, %) описывается уравнениями:

по первому способу:

по второму способу:

по третьему способу:

по четвертому способу:

по пятому способу: .

Плотность цементного камня при увеличении количества добавки снижается, однако в составах с добавлением молотого ОПМУ снижение плотности не значительное (при введении от 15 до 45 % молотого ОПМУ плотность раствора по сравнению с контрольным составом снижается на 10-30 %), а при введении ОМД повышается на 7,5-18,5 % по отношению к молотым составам. Это связано с оптимизацией гранулометрического состава вяжущего за счет обогащения цемента частицами недостающих фракций, а также от наличия внутренней пористости исходного ОПМУ. Уравнения изменения плотности цементного камня от количества наполнителя:

по первому способу:

по второму способу:

по третьему способу:

по четвертому способу:

по пятому способу:

Установлено, что при введении ОПМУ и органо-минеральной добавки период формирования структуры (ПФС) значительно сокращается в среднем на 1,5-2,0 часа, по сравнению с контрольным составом (ПЦ+С-3). Уравнения зависимости ПФС от количества наполнителя:

по первому способу:

по второму способу:

по третьему способу:

по четвертому способу:

по пятому способу: .

Общие закономерности изменения ПФС наблюдаются при его определении всеми способами: по прибору Вика, скорости прохождения ультразвука и кинетике изменения температуры, но каждый из способов имеет свои особенности и закономерности. Наиболее объективная оценка ПФС - скорость прохождения ультразвука.

Определена зависимость активности вяжущего от количества и способа введения добавки. При введении добавки (до 15 %) третьим, четвертым и пятым способами активность вяжущего в стандартном растворе увеличивается, а затем идет на снижение, причем процент введенной добавки меньше процента снижения прочности:

по первому способу:

по второму способу:

по третьему способу:

по четвертому способу:

по пятому способу:

.

По экспериментальным данным получены математические модели, описываемые следующими зависимостями:

активности в стандартном растворе от плотности цементного камня:

активности в стандартном растворе от нормальной густоты:

.

Анализируя полученные зависимости можно сделать вывод, что с ростом активности цементных паст плотности цементного камня увеличивается, а с повышением нормальной густоты активность снижается.

На основе полученных цементных паст был проведен ряд исследований растворов, бетонных смесей и тяжелых бетонов. Для исследований бетонов на основе ОПМУ и ОМД, в качестве вяжущего применяли Мордовский портландцемент М 500-Д0 с нормальной густотой 26,7 %.

В качестве мелкого заполнителя использовали кварцевый песок с истинной плотностью ИСТ=2,66 т/м3, модулем крупности 2,8 и водопотребностью 7 %.

В качестве крупного - гранитный щебень фракции 5-20 мм: истинной плотностью ИСТ=2,62 т/м3, насыпной НАС=1,32 т/м3 и водопотребностью 3 %. Исследованы прочностные, деформативные свойства, морозостойкость и водонепроницаемость бетонов.

Исследование свойств контактной зоны между цементным камнем, и заполнителем проводили на моделях. В качестве модели использовали кварцевую пластину с полированной поверхностью.

Таблица 3. Характеристики портландцементов с ОПМУ и ОМД

№ п/п	Наименование	Удельная поверхность, м2/кг	Нормальная густота добавки, %	Нормальная густота пасты, %	Плотность цементной пасты, т/м3	Сроки схватывания по прибору Вика, часы-минуты	Активность, МПа
		SУД. отхода	SУД. смеси				начало	конец
1	КС 100%ПЦ	-	265,4	-	26,7	2,081	2-45	6-30	49,1
2	85%ПЦ+15%ОПМУ	906,9	361,6	137	43,2	1,795	0-30	5-15	45,3
3	70%ПЦ+30%ОПМУ	906,9	457,9	137	59,8	1,598	0-30	2-45	35,6
4	55%ПЦ+45%ОПМУ	906,9	554,1	137	76,3	1,287	0-45	2-00	18,2
5	40%ПЦ+60%ОПМУ	906,9	650,3	137	92,9	0,861	1-00	1-45	9,4
6	КС 100%ПЦ	-	265,4	-	26,7	2,081	2-45	6-30	49,1
7	85%ПЦ+15%МОПМУ	1031	380,2	62,5	32,1	1,874	0-15	3-45	48,6
8	70%ПЦ+30%МОПМУ	1031	495,1	62,5	37,5	1,729	0-30	1-15	41,9
9	55%ПЦ+45%МОПМУ	1031	609,9	62,5	42,8	1,445	0-30	1-00	26,7
10	40%ПЦ+60%МОПМУ	1031	724,8	62,5	48,2	0,819	0-45	2-00	10,0
11	КС 100%ПЦ+0,8%С-3	-	265,4	-	21,7	2,419	2-30	6-00	50,7
12	85%ПЦ+15%ОМД	1020	378,6	47,5	25,6	2,169	0-30	4-15	51,0
13	70%ПЦ+30%ОМД	1020	491,8	47,5	29,5	1,982	0-45	2-00	43,0
14	55%ПЦ+45%ОМД	1020	605,0	47,5	33,3	1,775	0-45	1-15	28,9
15	40%ПЦ+60%ОМД	1020	718,2	47,5	37,2	1,507	1-00	3-15	18,7
16	КС 100%МПЦ	-	401,2	-	28,5	2,339	2-15	4-30	54,1
17	Молотые (85%ПЦ+15%ОПМУ)	-	459	62,5	33,6	2,182	0-15	3-30	54,0
18	Молотые (70%ПЦ+30%ОПМУ)	-	529,4	62,5	38,7	2,054	0-15	1-15	42,8
19	Молотые (55%ПЦ+45%ОПМУ)	-	675,4	62,5	43,8	1,953	0-30	1-30	25,8
20	Молотые (40%ПЦ+60%ОПМУ)	-	741,4	62,5	48,9	1,877	0-45	3-00	13,4
21	КС 100%МПЦ	-	401,2	-	28,5	2,339	2-15	4-30	54,1
22	КС молотые (100%ПЦ+0,8%С-3)	-	406,7	-	19,7	2,422	1-45	4-15	56,6
23	Молотые (85%ПЦ+15%ОМД)	-	498	47,5	23,9	2,260	0-15	4-00	58,5
24	Молотые (70%ПЦ+30%ОМД)	-	536,7	47,5	28,1	2,117	0-15	3-45	46,6
25	Молотые (55%ПЦ+45%ОМД)	-	677,8	47,5	32,2	1,992	0-30	3-30	22,1
26	Молотые (40%ПЦ+60%ОМД)	-	768	47,5	36,4	1,885	0-30	3-30	10,6

Таблица 4. Состав, структура и свойства бетонов

№ по табл. 3	Расход материалов в кг на 1 м3	В/Ц	Структурные характеристики	Пористость по трем степеням насыщения, %	RСЖ, МПа в возрасте	Коэффициент влияния добавки КRсж в возрасте	КС,МН/м3/2	МорозостойкостьF, циклы	Водонепроница-емость W0, МПа
	цемент	отход	СП С-3	щебень	песок	вода		W	C	П1	П2	П3	ПОБЩ.	28суток	90суток	28суток	90суток
1	370	-	-	1211	643	180	0,486	0,267	0,214	2,94	21,05	2,46	26,45	55,45	74,88	1,00	1,35	2,20	100	12
2	314,5	55,5	-	1107	582,5	234	0,744	0,432	0,275	2,79	20,57	2,37	25,73	45,80	61,85	0,83	1,12	2,14	90	10
3	259	111	-	997	524,5	289	1,116	0,601	0,338	4,39	24,26	3,66	32,31	35,70	48,21	0,64	0,87	2,05	60	6
4	203,5	166,5	-	889	468	343	1,686	0,766	0,399	4,95	25,97	4,06	34,97	19,28	26,04	0,35	0,47	1,90	40	4
5	148	222	-	780	410,5	397	2,682	0,932	0,460	5,23	27,74	4,50	37,47	7,74	10,45	0,14	0,19	1,78	20	2
6	370	-	-	1211	643	180	0,486	0,267	0,214	2,94	21,05	2,46	26,45	55,45	74,88	1,00	1,35	2,20	100	12
7	314,5	55,5	-	1170	616	197	0,626	0,321	0,234	2,63	20,20	2,20	25,03	56,33	76,07	1,02	1,37	2,32	100	10
8	259	111	-	1127	593	214	0,826	0,375	0,254	3,78	23,44	3,18	30,40	47,93	64,72	0,86	1,17	2,29	80	8
9	203,5	166,5	-	1081	569	231	1,135	0,429	0,274	4,18	24,99	3,54	32,70	31,77	42,90	0,57	0,77	2,28	50	6
10	148	222	-	1037	546	248	1,676	0,483	0,294	4,52	27,05	4,09	35,66	10,10	13,64	0,18	0,25	2,25	20	4
11	370	-	2,96	1245	655	163	0,441	0,216	0,196	1,81	11,68	1,69	15,18	58,13	78,50	1,00	1,35	2,39	420	14
12	314,5	55,5	2,516	1195	629	183	0,582	0,279	0,219	1,72	9,57	1,46	12,75	61,96	83,67	1,07	1,44	2,54	360	14
13	259	111	2,072	1147	603,5	202	0,78	0,339	0,241	2,46	14,38	2,20	19,03	53,09	71,69	0,91	1,23	2,42	340	12
14	203,5	166,5	1,628	1097	577,5	222	1,091	0,402	0,264	2,84	16,98	2,56	22,38	48,14	65,01	0,83	1,12	2,34	290	10
15	148	222	1,184	1049	552	241	1,628	0,462	0,287	3,42	19,39	2,83	25,64	25,61	34,58	0,44	0,59	2,28	150	4
16	370	-	-	1207	635	185	0,500	0,282	0,220	1,83	11,62	2,29	15,74	63,42	85,64	1,00	1,35	2,38	430	14
17	314,5	55,5	-	1164	612,5	201	0,639	0,333	0,239	1,80	11,43	2,25	15,48	63,54	85,80	1,00	1,35	2,56	360	14
18	259	111	-	1120	589,5	218	0,842	0,387	0,259	2,48	15,75	3,10	21,33	58,17	78,55	0,92	1,24	2,41	320	10
19	203,5	166,5	-	1077	567	234	1,150	0,438	0,278	2,91	18,48	3,64	25,03	36,11	48,76	0,57	0,77	2,32	250	6
20	148	222	-	1034	544	250	1,689	0,489	0,297	3,54	22,48	4,43	30,45	30,74	41,51	0,48	0,65	2,27	100	2
21	370	-	-	1207	635	185	0,500	0,282	0,220	1,83	11,62	2,29	15,74	63,42	85,64	1,00	1,35	2,38	430	14
22	370	-	2,96	1255	660,5	157	0,424	0,198	0,193	1,73	11,16	1,62	14,51	75,67	102,18	1,00	1,35	2,44	450	16
23	314,5	55,5	2,516	1205	634	177	0,563	0,261	0,212	1,64	9,05	1,39	12,07	74,36	100,42	0,983	1,33	2,62	370	14
24	259	111	2,072	1154	607,5	198	0,764	0,327	0,237	2,38	13,86	2,12	18,35	68,56	92,58	0,906	1,22	2,43	350	12
25	203,5	166,5	1,628	1104	581	218	1,071	0,390	0,260	2,76	16,46	2,49	21,70	44,63	60,27	0,590	0,80	2,36	310	10
26	148	222	1,184	1055	555	238	1,608	0,453	0,283	3,34	18,87	2,76	24,97	38,83	52,44	0,513	0,69	2,28	240	6

Пластина вводилась в цементную пасту, содержащую ОМД в количестве 15 % от массы цемента. После твердения в нормальных условиях в течение 28 суток образцы раскалывали по контактной зоне. Порошок, соскобленный с поверхности пластины и с прилегающей к ней поверхности цементного камня, изучали методом РФА. В результате исследований рентгенофазовый анализ показал, что степень гидратации проб из бетона с органо-минеральной добавкой составила 84 %.

Установлено, что при длительном твердении бетона, содержащих ОМД в основном образуется скрытокристаллическая структура устойчивых низкоосновных гидросиликатов кальция типа СSН (II).

Исследование процесса начального структурообразования бетонов с органо-минеральной добавкой, изучали по изменению скорости прохождения ультразвука и изменению контракции. Установлены зависимости, показывающие, что увеличение скорости прохождения УЗК, контракции наблюдается в бетоне с ОМД несколько позже, чем в бетоне, приготовленном на обычном цементе.

Для выяснения роли органо-минеральной добавки, на основе ОПМУ и С-3, в процессе разрушения бетонов в условиях отрицательных температур и механического нагружения, была исследована серия образцов бетонов, полученных из равноподвижных бетонных смесей.

Изучены следующие свойства бетонов: пористость (П), прочность при сжатии (Rсж), параметры процесса микротрещинообразования: верхняя и нижняя параметрические точки (,), морозостойкость (F), водонепроницаемость (Wo) и коэффициент интенсивности напряжений (КС), характеризующий склонность бетонов к растрескиванию.

Пористость бетонов определялась путем трехстадийного насыщения. Первая группа пор определялась по насыщению образцов в среде 100 % влажности (П1), вторая группа пор - по насыщению этих образцов, погруженных в воду (П2), и третья группа пор - насыщением этих же образцов под вакуумом (П3).

Морозостойкость бетонов определялась ускоренным методом путем многократного замораживания и оттаивания по третьему методу при температуре минус 50 С в растворе соли NaC.

Коэффициент интенсивности напряжений определялся по результатам испытания образцов-призм с заранее сформированным надрезом, имитирующим трещину.

Физико-механические свойства некоторых исследованных бетонов представлены в таблице 4 (всего исследовалось 26 составов).

В результате математической обработки экспериментальных данных установлена связь прочности, морозостойкости и водонепроницаемости бетонов с величиной и характером пор:

прочность при сжатии RСЖ тяжелого бетона с ОМД, МПа

морозостойкость F тяжелого бетона с ОМД, циклы

водонепроницаемость Wo тяжелого бетона с ОМД, МПа

где П2 - вторая группа пор, характеризующая объем капиллярных пор.

В цементных пастах полученных на основе органо-минеральной добавки существенно изменяется структура, и резко изменяются состав новообразований и характер пор. Об этом свидетельствуют данные по определению групповой пористости по трем степеням насыщения. В результате сравнения вторая группа пор, характеризующая, главным образом, объем капиллярных пор оказалась ниже, чем у контрольного состава бетона.

Коэффициент интенсивности напряжений (КС) характеризует склонность бетона к трещинообразованию и связан, прежде всего, с основным дефектом бетона - порами, наличие которых вызывает наибольшую концентрацию напряжений. По величине КС можно судить о морозостойкости и водонепроницаемости бетонов:

для тяжелого бетона

.

Установлена связь параметров микротрещинообразования с коэффициентом интенсивности напряжений. При формировании структуры цементного камня состоящего из вяжущего и органо-минеральной добавки капиллярная пористость снижается, повышаются уровни и , в то же время замедляется процесс развития трещин. Для тяжелого бетона эта зависимость описывается уравнением:

.

С увеличением первой параметрической точки увеличивается морозостойкость и водонепроницаемость исследуемых тяжелых бетонов, что подтверждается зависимостью:



.

С помощью метода планирования эксперимента, получены двухфакторные математические модели второго порядка, описывающие изменения величины прочности (Rсж) и плотности (р) образцов после 28 суток нормального твердения в зависимости от следующих факторов: количества добавки в бетоне (фактор X1) и количества воды затворения цементной пасты (фактор X2), которые позволяют оптимизировать свойства бетонов на вяжущих с органо-минеральной добавкой.

В связи с тем, что применение вяжущих с органо-минеральной добавкой позволяет получать высококачественные бетоны, был предложен способ оптимизации подбора состава бетона с учетом требований по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости. Способ заключается в решении системы всех трех уравнений, результатом, которого являются истинное водоцементное отношение (W), объемная концентрация цементного камня (C), минимальная требуемая активность цементной пасты (RЦП) и дозировка ОМД (a), необходимые для получения бетонов заданных свойств.

На основании проведенных исследований разработаны «Рекомендации по определению состава тяжелого бетона с органо-минеральными добавками для промышленного, гражданского и дорожного строительства» для получения бетонов класса В25, В30, марки по морозостойкости F200, F300 и водонепроницаемости W6, W8.

Разработанные рекомендации подтверждены опытно-промышленным опробованием на полигоне фирмы ОАО «Агротекс-ЖБИ» (г. Кострома) при изготовлении водоотводных лотков, дорожных плит, бордюров, элементов трубопереездов и телескопических лотков с целью повышения эксплуатационных свойств изделий и конструкций при экономии исходных компонентов. Выпущены партии бетонных и железобетонных изделий в объеме 208 м3 со значительным экономическим эффектом.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность повышения эффективности и эксплуатационных свойств тяжелых и мелкозернистых бетонов за счет использования отхода производства минеральных удобрений в виде органо-минеральной добавки, которая обеспечивает повышение плотности, прочности цементного камня, улучшение контактной зоны за счет снижения капиллярной пористости и дополнительных новообразований в виде высоко и низкоосновных гидросиликатов кальция.

2. Разработана технология получения органо-минеральной добавки на основе отхода производства минеральных удобрений и суперпластификатора, которая включает в себя предварительную сушку отхода, дозирование компонентов и помол в шаровой мельнице.

3. Установлено с помощью методов инфракрасной спектроскопии наличие в отходе производства минеральных удобрений основных химических соединений в виде SiO2, Al2O3, AlF3.

4. Установлена зависимость удельной поверхности портландцемента и отхода производства минеральных удобрений от длительности механохимической активации.

5. Установлена зависимость процесса начального структурообразования мелкозернистого бетона от различного содержания органо-минеральной добавки.

6. С помощью метода РФА установлено, что механохимическая активация отхода производства минеральных удобрений способствует интенсивному взаимодействию частиц органо-минеральной добавки с цементом, образуя дополнительные высоко - и низкоосновные гидросиликаты кальция.

7. Получены двухфакторные математические модели, отражающие изменения плотности и прочности бетонов с органо-минеральной добавкой от количества введенной добавки и воды затворения цементной пасты, позволяющие выбрать оптимальные дозировки для достижения наибольшей прочности и плотности бетона.

8. Установлены зависимости водопотребности и активности цементных паст, периода формирования структуры мелкозернистого бетона от различного содержания органо-минеральной добавки.

9. Получена зависимость прочности тяжелого бетона от количества органо-минеральной добавки на основе отхода производства минеральных удобрений и суперпластификатора С-3.

10. Установлена взаимосвязь морозостойкости, водонепроницаемости и прочности тяжелых бетонов с органо-минеральной добавкой с параметрами микротрещинообразования, коэффициентом интенсивности напряжений, величиной и характером пор и получены зависимости прочности, морозостойкости и водонепроницаемости от главных факторов, необходимые для прогнозирования свойств, структуры и оптимизации состава бетона.

11. Разработаны принципы оптимизации состава бетона, основанные на совместном рассмотрении многофакторных зависимостей прочности, морозостойкости и водонепроницаемости, полученных методом математического планирования эксперимента. Оптимизация осуществлялась на основе структурных характеристик, активности и дозировки органо-минеральной добавки, влияющие на формирование макро- и микроструктуры бетона как композита.

12. Получены бетоны с использованием отхода производства минеральных удобрений классов В25 и В30, морозостойкостью F200, F300 и водонепроницаемостью W6, W8.

13. Проведено производственное опробование разработанных предложений по изготовлению водоотводных лотков, дорожных плит и бордюров, а также элементов трубопереездов и телескопических лотков с использованием отхода производства минеральных удобрений.

14. Разработаны «Рекомендации по определению состава тяжелого бетона с органо-минеральными добавками для промышленного, гражданского и дорожного строительства.

15. Определена экономическая эффективность использования отхода производства минеральных удобрений в виде органо-минеральной добавки при производстве сборных железобетонных изделий. Ожидаемый экономический эффект в ценах на 4 августа 2009 года от внедрения изделий из тяжелого бетона класса В30 составил 986,02 руб./м3 и В25 - 1200,03 руб./м3 при сравнении с бетонами, которые получены на традиционных материалах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Алимов Л.А., Григорьев М.А. Тенденции и перспективы развития органо-минеральных добавок в технологии бетонов. // Вестник МГСУ. Спецвыпуск № 2/2009. - С.127-133.

2. Григорьев М.А., Алимов Л.А. Влияние органо-минеральных добавок на структуру и свойства цементных композиций. / Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе. Материалы 61 - й международной научно-практической конференции. - В 3 томах. - Кострома: Изд. КГСХА, 2010. Том 2. - С.13-15.

3. Григорьев М.А., Алимов Л.А., Цыбакин С.В., Свиридов А.В. О роли органо-минеральных кремнеземсодержащих добавок в строительстве. / Актуальные проблемы науки в АПК. Материалы 60-й международной научно-практической конференции. - В 3 томах. - Кострома: Изд. КГСХА, 2009. Том II. - С.60-62.

4. Григорьев М.А., Алимов Л.А. Тенденции и перспективы развития органо-минеральных добавок в строительстве. / Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии. - Выпуск. 70. - Кострома: Изд. КГСХА, 2009. - С.43-51.

5. Григорьев М.А., Алимов Л.А., Цыбакин С.В., Свиридов А.В., Дубровина Ю.Ю. Применение активных минеральных наполнителей в строительных бетонах и растворах. / Актуальные проблемы науки в АПК. Материалы 60-й международной научно-практической конференции. - В 3 томах. - Кострома: Изд. КГСХА, 2009. Том II. - С.57-58.

6. Григорьев М.А., Алимов Л.А. Состав, свойства и способы модификации торфа и гидрофобизации отхода производства минеральных удобрений. / Актуальные проблемы науки в АПК. Материалы 59-ой международной научно-практической конференции. - В 5 томах. - Кострома: Изд. КГСХА, 2008. Том 4. - С.16-18.

7. Григорьев М.А., Алимов Л.А. Разработка и исследование комплексных добавок к бетону на основе модифицированного торфа и отхода производства минеральных удобрений. / Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии. - Выпуск 68. - Кострома: Изд. КГСХА, 2008. - С.40-49.

8. Григорьев М.А., Цыбакин С.В. Химические пластифицирующие добавки на основе торфа и кремнеземсодержащего отхода производства минеральных удобрений. / Актуальные проблемы науки в АПК. Материалы 59-ой международной научно-практической конференции. - В 5 томах. - Кострома: Изд. КГСХА, 2008. Том 4. - С.18-20.

9. Григорьев М.А., Алимов Л.А., Цыбакин С.В. Современное строительство с современными добавками. / Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии. - Выпуск. 66. - Кострома: Изд. КГСХА, 2007. - С.52-60.

10. Свиридов А.В., Акаев О.П., Григорьев М.А. К проблеме использования местного сырья для получения комплексных модификаторов для бетонов. / Регионы в условиях неустойчивого развития: материалы международной научно-практической конференции «Вопросы дальнейшего развития регионов России в условиях мирового финансового кризиса». В 2 томах. Том 2 . - г. Шарья: Шарьинский филиал КГУ им. Н.А. Некрасова, 2009. - 262 с.

Размещено на Allbest.ur

...