Технологии модификации бетонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Общая характеристика работы

2. Основное содержание работы

3. Научная новизна работы

Выводы

1. Общая характеристика работы

На сегодняшний момент популярность набирает бетон на основе тонкого песка (с Мкр < 1,5), так как в некоторых районах нет достаточно удовлетворительного зернового состава, а проблем с поставками и распространением мелкого заполнителя, такого как песок, нет, но при условии технико - экономического обоснования применения такого заполнителя.

Мелкие пески ухудшают структуру бетона и снижают его долговечность. Разумеется, для каждой новой дозировки компонентов необходимо произвести соответствующие расчеты, после которых выполняется приготовление пробной партии. Если испытания покажут, что данный материал может использоваться в возводимой конструкции, то начинается крупномасштабное производство такой смеси. Увеличение расхода цемента неизбежно приводит к росту цен на бетонные и железобетонные изделия и конструкции.

Особенность мелких песков состоит в том, что они имеют большую удельную поверхность, а значит, снижают подвижность приготовленного раствора. Еще один минус подобного заполнителя заключается в том, что он отличается повышенной пустотностью и худшим составом зерен. В обычной ситуации внесение тонких песков в состав смеси негативно отражается на её прочности, поэтому увеличивается стоимость приготовления равнопрочного бетона. Для этого в состав искусственного камня требуется добавлять большую долю вяжущего.

В большей степени замена крупного песка на тонкий отражается на осадке конуса, а в меньшей - влияет на удобоукладываемость приготовленного состава. Нужно отметить, что сам мелкий песок лучше показывает себя в раздвижении зерен крупного заполнителя, а его водоудержание выше, чем у крупного. Эта особенность снижает массу мелкого заполнителя, необходимого для приготовления бетона, поэтому уменьшается и влияние песка на водопотребность состава.

Как следствие, большой расход материалов для получения равнопрочных и равноподвижных бетонов. Степень перерасхода цемента изменяется в достаточно широких пределах и может достигать 30-40%. Если использовать мелкий заполнителя, то значительные деформации произойдут с осадкой конуса. И соответственно, укладка такого бетона затрудняется. Но, как плюс, мелкий заполнитель обладает хорошей водоудерживающей способностью, и тем самым взаимозаменяем водопотребность бетонной смеси.

По общим сведениям: плотность бетонной смеси - 2350 кг/ куб. м;

состав бетона

МЗОО -В/Ц = 0,5,

Ц= 370 кг/ куб. м, Щ = 1305 кг, П = 490 кг, В = 185 л.

содержание мелкого песка в смеси заполнителей уменьшают, т.е. уменьшают коэффициент раздвижки зерен на 0,03 на каждый % увеличения водопотребности песка.

Подвижность бетонной смеси назначают либо по удобоукладываемости (для бе сборных ЖБК), либо по пониженной осадке конуса, обеспечивающей одинаковую удобоукладываемость и транспортабельность бе смеси на мелком и обычном строительном песке. Осадка конуса (в см) при однаковой удобоукладываемости бетонной смеси состоит:

Обычный песок 1-3 4-5 6-8 9-13

Мелкий песок 1-2 2-3 4-6 7-10

Водопортебность бетонной смеси определяют по графику водопотребности пластичной и жесткой бетонной смеси, увеличивая расход воды на 5л на каждый % увеличения водопотребности песка и для понижения усадки конуса.

Бетон на мелком песке имеет среднюю плотность 2350 кг/м3. Для приготовления одного куба подобного состава потребуется 370 кг вяжущего, 1.3 т щебня, 490 кг мелкого заполнителя и 180 литров воды. В данном случае соблюдается водоцементное отношение 0.5, которое является оптимальным для подобных смесей.

2. Основное содержание работы

бетон песок минеральный добавка

Для решения проблемы наиболее перспективным научным направлением является модификация цементной матрицы путем замены некоторого количества цемента дисперсными минеральными добавками-наполнителями, представляющими собой порошки, получаемые из природного или техногенного сырья - золы, молотых шлаков, микрокремнезема и др.

Ю.М. Баженовым показано, что дальнейшее развитие технологии цементных бетонов будет происходить в направлении применения все более тонких компонентов и перехода к строительным композитам гидратационного твердения на основе ультрадисперсных порошков. При этом одной из задач строительного материаловедения является разработка научно обоснованных способов получения качественных бетонов на мелких песках путем наполнения или «разбавления» цементного камня.

В работе была поставлена задача изучить прочность и структуру бетонов на комплексном вяжущем (цемент + тонкодисперсная минеральная добавка).Для исследований в качестве порошковых минеральных добавок приняты: зола; горелая шахтная порода; литьевая керамика; ил шахтных вод; графит; сажа; молотый кварцевый песок; отходы силикатного кирпича.

По классификации Ю.М. Баженова минеральные добавки, имеющие размер частиц меньше частиц цемента, являются уплотнителями цементного камня. По данным механизм действия таких высокодисперсных уплотнителей заключается в образовании дополнительных центров кристаллизации и высокой поверхностной энергии, способствующих ускорению твердения и повышению прочности цементного камня.

Минеральные добавки, близкие по своему гранулометрическому составу к цементу, Ю.М. Баженовым отнесены к добавкам-разбавителям цемента. Количество таких добавок будет определяться их вяжущими свойствами и водопотребностью, т.е. водотвердым и водоцементным отношением.

Минеральные порошки, размер частиц которых находится в пределах между размером частиц цемента и минимальным размером частиц песка, можно отнести к добавкам - наполнителям цемента.

Оптимизация соотношения между цементом и добавками-уплотнителями, разбавителями или наполнителями очевидно должна производится экспериментальным путем на основании физико-механических показателей модифицированного цементного камня и получаемого бетона.

Принятые для исследований добавки (за исключением сажи) были рассеяны на фракции: <0,05мм (уплотнители); 0,05-0,08мм (разбавители); 0,08-0,14 (наполнители).

На основании добавок и цемента путем перемешивания в пневматическом смесителе было получено комплексное вяжущее. Количество добавок в вяжущем составляло 20%. Исследована прочность бетонов на комплексных вяжущих. Опыты проводились на образцах-кубах 10х10х10 см и балочках размером 4х4х16 см.

Образцы изготавливались по обычной лабораторной технологии и подвергались твердению при нормально-влажных условиях.

Для всех бетонных смесей была принята подвижность П2, т.е. осадка конуса составляла 4-5 см.

Прежде всего был подобран контрольный состав бетонной смеси принятой подвижности для бетона М300 (В22,5). Расход компонентов для этой смеси составил (на 1 м³): цемент - 390 кг; песок (Мкр=1,18) - 620 кг; щебень (фракция 5-10 мм) - 1180 кг; вода - 194 л (В/Ц=0,495). Вторым контрольным был аналогичный состав с расходом цемента 312 кг (80% от принятого в первом составе).

Для бетонных смесей с тонкодисперсными минеральными добавками был принят такой же расход песка и щебня, а расход вяжущего составлял: цемент - 312 кг (80%); добавка - 78 кг (20%). Водовяжущее отношение определялось исходя из условия равноподвижности смесей.

Результаты исследований показали следующее.

При снижении расхода цемента на 20% прочность контрольного бетона при сжатии уменьшается на 20% (с 32,7 МПа до 26,1 МПа), а при изгибе на 32% (с 7,43 МПа до 5,12 МПа) (табл.1). Недостаток цемента в бетонах на мелком песке приводит к появлению контактов между частицами наполнителя и зернами заполнителя без цементной прослойки. Коэффициент трещиностойкости бетона при этом уменьшается на 14%.

Добавка-уплотнитель из кварцевого песка не только обеспечивает прочность бетона со 100%-ным расходом цемента, но и повышает ее на 18%. При этом необходимо отметить, что прочность цементного камня с этой добавкой возрастает на 30%.

Добавка-наполнитель из кварцевого песка увеличивает прочность бетона при сжатии на 10%. Практически на такую же величину с этой добавкой возрастает и прочность цементного камня (13%).

Добавка-разбавитель из кварцевого песка обеспечивает прочность бетона практически такую же, как и при 100% расходе цемента. Однако при этом необходимо учесть, что добавка-уплотнитель кварцевого песка не снижает, а даже несколько повышает коэффициент трещиностойкости бетона. В то же время добавка-наполнитель и добавка-разбавитель снижают коэффициент трещиностойкости с 0,227 до 0,214 и 0,206 соответственно.

Для определения возможной причины снижения эффективности добавки-уплотнителя в цементном камне по сравнению с бетоном были определены фактические объемы наполненного цемента. Полученные результаты (таблица № 2) сравнивались между собой и объемом цемента массой, равной массе цемента с тонкодисперсной минеральной добавкой.

V_ц* - объем 100 г цемента, равный 77,4 см³

Объем цемента массой 100 г составил 77,4 см³. Наполненное вяжущее приготавливалось путем пневматического смешивания 80 г цемента и 20 г добавки уплотнителя, разбавителя или наполнителя из кварцевого песка. Перед смешиванием определялся объем добавки в насыпном состоянии.

При сравнении полученных результатов установлено, что объем вяжущего, полученного из цемента и добавки-уплотнителя составляет 0,87 от объема цемента с такой же массой. Следовательно, такого количества вяжущего недостаточно для получения оптимально плотной структуры. Поэтому получаемая прочность бетона ниже, чем ожидаемая исходя из прочности цементного камня с добавкой-уплотнителем из кварцевого песка (прирост прочности цементного камня составил 20 МПа).

Объемы вяжущего, полученного из цемента и добавок наполнителя и разбавителя практически равны объему цемента соответствующей массы.

Добавка-уплотнитель из тонкодисперсного силикатного кирпича увеличивает прочность бетона на 5% (цементный камень имеет прирост прочности 10,5%), т.е. меньше чем у цементного камня. Это можно объяснить не только недостаточным количеством вяжущего (по аналогии с кварцевым песком), но и более высокой водопотребностью бетонной смеси.

Одновременно с этим, как и для кварцевого песка, коэффициент трещиностойкости бетона остается высоким, что является следствием меньших усадочных деформаций в твердеющем цементном камне.

Добавки разбавитель и наполнитель из тонкодисперсного силикатного кирпича обеспечивают заданную прочность бетона и достаточно высокий коэффициент его трещиностойкости.

Тонкомолотая минеральная добавка из литьевой керамики с дисперсностью уплотнителя и разбавителя повышает прочность бетона по сравнению с его прочностью при 80% расходе цемента. Однако заданную прочность (при 100% расходе цемента) она не обеспечивает. Добавка-наполнитель из литьевой керамики практически не влияет на прочность бетона. В то же время тонкомолотая литьевая керамика обеспечивает достаточно высокий коэффициент трещиностойкости бетона, т.е. увеличивает его прочность при изгибе.

При введении в вяжущее добавки-уплотнителя из горелой шахтной породы прочность бетона остается практически такой же как и на чистом цементе, при расходе 312 кг/м³ (80%). Добавка-наполнитель и добавка-разбавитель из горелой шахтной породы снижают прочность бетона.

Степень воздействия золы на прочность бетона практически не зависит от дисперсности добавки. Все добавки (уплотнитель, разбавитель, наполнитель) обеспечивают такую же прочность, как и при 100% расходе цемента. У бетона с этими добавками высокий коэффициент трещиностойкости.

Добавки ила шахтных вод всех гранулометрических фракций снижают прочность бетона как при сжатии, так и при изгибе.

Прочность бетона с добавками графита превышает прочность бетона с 80% расходом цемента, но не достигает прочности бетона со 100% расходом цемента. Кроме того, добавки графита снижают коэффициент трещиностойкости (прочность при изгибе снижается).

Добавка сажи увеличивает прочность бетона практически на столько, на сколько возрастает прочность цементного камня.

Было изучено влияние на прочность бетона комплексной добавки-уплотнителя фулеренного действия состоящей из кварцевого песка (40%) и сажи (60%). Общее количество добавки составило 20% от массы вяжущего.

Полученные результаты показали, что по сравнению с сажей, обеспечивающей прочность бетона при сжатии 34,96 МПа, комплексная добавка повышает прочность бетона до 37,84 МПа с высоким коэффициентом трещиностойкости (0,234).

Анализируя полученные результаты, все изученные добавки можно разбить на три группы.

- упрочняющие добавки, которые могут заменить 20% цемента при обеспечении заданной прочности бетона.

- стабилизирующие добавки, которые могут быть добавлены в количестве 20% к нормативному расходу цемента для гарантийного обеспечения требуемой прочности бетона.

- тонкомолотые минеральные добавки, снижающие прочность бетона и не рекомендуемые к практическому применению.

Добавки, снижающие прочность бетона, были исключены из дальнейших исследований.

Изучена структура, водонепроницаемость и морозостойкость бетонов, изготовленных на комплексном вяжущем, содержащим цемент и тонкодисперсные минеральные добавки. Результаты исследований показали следующее. Упрочняющие добавки, заменяя 20% расхода цемента, способствуют формированию мелкопористой структуры бетона. При этом его водонепроницаемость возрастает до значений В8-В10, а морозостойкость в два и более раз.

3. Научная новизна работы

Математическим анализом моделей двух- и трехкомпонентных дисперсных структур установлено, что при изготовлении бетонных смесей на мелких песках, имеющих большую удельную поверхность, при нормативном расходе цемента эта поверхность остается незаполненной на 15-25%, что приводит к образованию «сухих» контактов между частицами песка и снижению прочности бетона.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность изготовления бетона заданной прочности на мелком песке и с нормативным расходом цемента путем использования тонкодисперсных добавок, увеличивающих объем вяжущего. Установлено, что добавки из тонкодисперсных минеральных частиц кварцевого песка, силикатного кирпича, золы и сажи (в количестве 20% от массы вяжущего) способствуют формированию более плотной мелкопористой структуры цементного камня и бетона, увеличению прочности, водонепроницаемости и морозостойкости.

Предложена добавка фулеренного действия, состоящая из тонкодисперсного кварцевого песка и сажи, которая наиболее эффективно влияет на физико-механические свойства цементного камня и бетона.

Теоретически обоснован механизм действия этой добавки, обусловленный совокупностью физико-химических процессов:

- диссоциация воды на протоны Н+ и гидроксилы ОН- ; - взаимодействие фулеренов сажи С60 с протонами Н+ с образованием гидрированных фулеренов С60Н60 или протонирование с образованием катионов С60Н60 + ;

- углубление реакций гидратации за счет повышения концентрации гидроксилов ОН- в жидкой фазе;

- взаимодействие катионов С60Н60 + с отрицательными активными центрами;

- осаждение фулеренов С60 на поверхности SiO2 с образованием микрокристаллических алмазных пленок.

Выводы

1. Статистический анализ прочностных показателей бетонов на мелком песке, выпускаемых на заводах Ростовской области, показал, что при обеспечении заданной прочности бетона, расход цемента на 8-27% превышает значения, рекомендуемые СНиП 82.02-95. После тепловлажностной обработки от 6% до 16% выпускаемых изделий не набирают отпускную прочность бетона.

2. Методом расчета двух- и трехмерных полидисперсных структур установлено, что для мелких песков, имеющих большую удельную 22 поверхность, при нормативном расходе цемента остается незаполненной 15- 25% этой поверхности, что приводит к появлению «сухих» контактов между частицами песка и снижению прочности бетона.

3. Исследовано влияние на прочность цементного камня тонкодисперсных минеральных добавок различного минералогического и химического состава. Установлено, что добавки-уплотнители из кварцевого песка, силикатного кирпича, золы и сажи повышают прочность цементного камня на 5-25МПа при содержании 15-30% от массы вяжущего.

4. Предложена добавка-уплотнитель фулеренного действия, состоящая из тонкодисперсного кварцевого песка (40%) и сажи (60%), повышающая прочность цементного камня на 15-27МПа. Механизм действия добавки обусловлен повышением концентрации гидроксилов ОН- в жидкой фазе за счет образования соединений типа С60Н60 + , взаимодействующих с отрицательными активными центрами, а также осаждением фулеренов С60 на поверхности кварцевых частиц с образование микрокристаллических алмазных пленок.

5. Эффективность дисперсных минеральных добавок возрастает при уменьшении размера их частиц: наполнители > разбавители > уплотнители.

6. Теоретически и экспериментально обоснована возможность получения бетона заданной прочности при нормативном расходе цемента увеличением количества вяжущего путем добавления к цементу тонкодисперсных минеральных добавок различного фракционного состава - уплотнителей (< 0,05 мм), разбавителей (0,05-0,08 мм) и наполнителей (0,08-0,14 мм).

7. Добавки-уплотнители из кварцевого песка, силикатного кирпича, золы и сажи способствуют формированию более плотной мелкопористой структуры бетона, увеличивают прочность, снижают водопоглощение и повышают морозостойкость. Наибольшей эффективностью обладает добавка- уплотнитель фулеренного действия, повышающая прочность бетона на 15%, снижающая водопоглощение до 4,16%, показатель среднего размера пор до 0,71, формирующая более однородную мелкопористую структуру (б=0,69) и обеспечивающая высокую морозостойкость и водонепроницаемость (В10). Опытное внедрение полученных результатов подтвердило эффективность выполненных исследований.

Размещено на Allbest.ru