автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Бетоны на основе активированного вяжущего из портландцемента и эффузивных пород



На правах рукописи

Восточно-Сибирский государственный технологический

университет

Чимитов Анатолий Жигжитович Бетоны на основе активированного вяжущего из

портландцемента и эффузивных пород

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Цыремпилов А. Д.

Научный консультант: к.т.н., доцент Заяханов М.Е.

Улан-Удэ 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................8

1.1 Пуццолановые вяжущие................................................................................10

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................................24

2.1. Сырьевые материалы....................................................................................24

2.1.1. Запасы и геологическое строение месторождений эффузивных пород.24

2.1.2. Химико-минералогическая характеристика эффузивных пород............28

2.1.3. Характеристика компонентов вяжущего..................................................36

2.1.4. Характеристика заполнителей для бетонов..............................................38

2.2. Методы исследования...................................................................................38

2.2.1. Исследования вяжущих.............................................................................38

2.2.2. Исследования бетонов...............................................................................42

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФУЗИВНЫХ ПОРОД В КАЧЕСТВЕ КОМПОНЕНТА В АКТИВИРОВАННОМ ВЯЖУЩЕМ С ПОРТЛАДЦЕМЕНТОМ........................................................44

3.1. Исследование исходных энергетических состояний

эффузивных пород........................................................................................44

3.2. Физико-химическая активность эффузивных пород..................................51

3.3. Механохимическая активация вяжущих на основе эффузивных пород..52

3.4. Механизм гидратации активированного вяжущего

на основе портландцемента и эффузивных пород...................................64

3.5. Оптимизация состава вяжущего «портландцемент -

эффузивные породы».................................................................................68

4. БЕТОНЫ НА ОСНОВЕ АКТИВИРОВАННОГО ВЯЖУЩЕГО

ИЗ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА И ЭФФУЗИВНЫХ ПОРОД............................73

4.1. Оптимизация технологических параметров

производства тяжелого бетона....................................................................73

4.2. Метод гидромеханической активации вяжущего при получении тяжелого бетона............................................................................................77

4.3. Исследование свойств тяжелых бетонов...................................................82

4.4. Оптимизация состава легкого бетона........................................................85

4.5. Свойства легкого бетона на основе активированного вяжущего

из портландцемента и эффузивных пород..................................................86

5. ОПЫТ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АКТИВИРОВАНИЯ ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА И ЭФФУЗИВНЫХ ПОРОД ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БЕТОНОВ...................95

5.1. Технология гидромеханической активации вяжущего

на основе портландцемента и эффузивных пород.....................................95

5.2. Расчет экономической эффективности применения

эффузивных пород в качестве минеральной добавки................................97

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................99

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................101

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................121

ВВЕДЕНИЕ

Развитие промышленности строительных материалов в условиях роста цен на сырьевые материалы требуют более полного использования потенциальных возможностей последних. Поэтому проблема более глубокого использования вяжущих свойств цемента как наиболее энергоемкого и дорогостоящего компонента бетона ведет к поиску новых путей интенсификации процесса его твердения, которые обеспечивают снижение энергетических и топливных затрат на изготовление строительных изделий. Наряду с этим замена части цемента на другие, более дешевые, вяжущие компоненты с предварительной их подготовкой позволяют получить бетоны не уступающие, а часто и превосходящие их по свойствам.

Распространенность эффузивных пород на территории России предполагает их широкое использование в качестве данных компонентов для получения строительных материалов при пониженных энергетических затратах ввиду того, что их разновидности в силу природы своего происхождения термодинамического состояния обладают повышенным запасом внутренней потенциальной энергии.

Решение данной проблемы комплексного использования всех разновидностей эффузивных пород для получения на их основе эффективных строительных материалов может быть осуществлено с учетом использования энергетического потенциала эффузивных пород, позволяющим обоснованно устанавливать вид технологии и необходимые для этого энергетические затраты.

В связи с этим проведение исследований по разработке бетонов и изделий на основе вяжущих из портландцемента и эффузивных пород, прошедших предварительную обработку, с учетом использования их потенциальных энергетических возможностей является одной из актуальных задач в промышленности строительных материалов.

Работа проводилась в составе комплексной программы СО РАН «Сибирь» (подпрограмма «Химия и технология минерального сырья»), в научно-технической программе Госстроя Республики Бурятия «Повышение эффективности и качества строительства».

Целью диссертационной работы является разработка составов и технологии бетонов и изделий на основе активированных вяжущих из портландцемента и эффузивных пород.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработан новый метод активирования вяжущих из портландцемента и эффузивных пород.

• На основе данного метода созданы энергосберегающие раздельные технологии получения бетонов на основе частично активированного вяжущего из портландцемента и эффузивных пород.

• Выявлено, что в результате механохимической активации закристаллизованных разновидностей эффузивных пород и вяжущих на их основе достигается искусственное повышение их исходного энергетического состояния, приводящие к общему снижению энергетических затрат.

• Установлены зависимости роста энергетического состояния различных разновидностей эффузивных пород в вяжущих от соотношения компонентов и параметров механохимической активации.

• Разработаны составы и исследованы свойства тяжелых и легких бетонов на основе эффузивных пород.

• Получены зависимости прочности, водопоглощения, морозостойкости бетонов от содержания вяжущего в бетоне.

• Установлено, что смешение дисперсного состава вяжущего из двух фракций при гидромеханической активации части вяжущего приводит к значительному приросту прочности (на 25%-30%).

Практическая значимость работы:

• Предложен способ приготовления бетонной смеси (авторское свидетельство СССР №1636406), позволяющий снизить до 30% энергетические затраты и на его основе разработана технология получения бетона на активированных вяжущих с пониженными энергозатратами.

• Получены бетоны на основе активированного вяжущего из портландцемента и эффузивных пород.

• Использование различных разновидностей и форм эффузивных пород вместе с разработанными технологиями позволяет восполнить дефицит клинкерных цементов, расширить сырьевую базу местных строительных материалов, снизить энергоемкость производства и уменьшить их себестоимость.

Реализация результатов исследований. Разработанная технология бетонов и изделий на основе активированных вяжущих прошла апробацию в условиях завода КПД-1 ПО «Бурятгражданстрой», завода ЖБИ-1 г.Улан-Удэ, где были выпущены опытно-промышленные партии изделий и проведены испытания образцов в лаборатории завода. Разработан технологический регламент.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XXII Международной конференции по бетону и железобетону (г.Иркутск, 1990г.), Всесоюзной научной конференции «Научные основы создания энергосберегающих технологий и техники» (г.Москва, 1990г.), Всесоюзной научной конференции по строительному материаловедению (г.Белгород, 1991г.), V, VI, VII Российско-польских международных конференциях «Теоретические основы строительства» (г.Варшава, ВПУ, 1996г., г.Улан-Удэ, ВСГТУ, 1997г., г.Краков, КПУ, 1998г.), на научных сессиях Бурятского научного центра СО РАН (г.Улан-Удэ, 1991г.,

1992г.), на ежегодных научно-практических конференциях ВСГТУ(г.Улан-Удэ, 1990- 1997г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, получено авторское свидетельство.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и включает 20 таблиц, 24 рисунков. Она состоит из введения, 5 глав, выводов, приложения из 4 страниц, списка литературных источников, включающий 240 наименований.

На защиту выносится:

• Теоретическое обоснование и экспериментальное

подтверждение возможности использования энергетического

1

потенциала эффузивных пород для производства по энергосберегающим технологиям эффективных бетонов и изделий.

• Метод активации части вяжущего из портландцемента и эффузивных пород.

• Экспериментальные исследования по оценке активности эффузивных пород.

• Составы и технология бетонов на основе активированного вяжущего из портландцемента и эффузивных пород.

• Результаты оценки влияния различных способов механоактивации компонентов бетонной смеси на характеристики бетонов.

• Зависимости энергетических затрат на процессы ТВО от характеристик исходных компонентов.

• Технико-экономическое обоснование эффективности производства бетонов на основе активированного вяжущего из портландцемента и эффузивных пород.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей посвящены проблеме повышения эффективности строительных материалов, предусматривающей наряду с ростом их качества снижение ресурсных затрат на производство, и прежде всего энергетических.

Энергосберегающие технологии можно подразделить на три вида:

1. Энергосберегающие технологии, включающие модификацию устройств ТВО [41, 98, 168], введение добавок различного действия[13, 14, 15, 16, 217], технологии с направленной предварительной подготовкой компонентов бетонов [1, 2, 23, 73, 185, 192, 201, 203] и др.

2. Новые малоэнергоемкие технологии получения традиционных материалов: раздельные технологии[14, 50, 193, 198], технологии с эффектом «самоуплотнения»[45], технологии контакно-конденсационного твердения[54, 64, 65, 160,161] и другие.

3. Традиционные технологии при производстве малоэнергоемких материалов при сравнимых с традиционными материалами характеристиками^, 14,15,16, 36,40,46, 51, 52, 80, 81, 82, 95].

В основе вышеприведенных направлений энергосберегающих технологий лежат исследования по энергетике и кинетике процессов получения материалов.

Определение величины экзотермических реакций позволяют оценить энергетическую активность вяжущих в процессе их гидратации[3, 7]. На основании этого в работах Мчедлова-Петросяна О.П., Ушерова-Маршака A.B., Урженко В.К. [7] показано, что исследование природы экзотермического эффекта реакций гидратации и его количественный учет позволяет составить рациональные режимы тепловлажностной обработки разных по объему и составу изделий и конструкций, на принципах учета

экзотермии вяжущих нашли развитие технологии термосного твердения бетонов, твердения бетонов в герметических формах и другие.

В исследованиях Мчедлова-Петросяна О.П., Бабушкина В.И. открыта возможность по изобарно-изотермическому потенциалу реакций определять исходный состав и структуру компонентов вяжущих энергетически более выгодных. При этом наименьшее значение потенциала указывает на более энергетически предпочтительный ход реакции гидратации вяжущих. Это в какой-то мере ведет к целенаправленному поиску термодинамически неустойчивых исходных компонентов вяжущих для снижения в дальнейшем общих энергетических затрат синтеза требуемых материалов при заданной кинетике их твердения.

Исследования зарубежных ученых также указывают на определяющее влияние термодинамического состояния на величины энергетических затрат синтеза материалов [225, 230]. По данным Смольчика X. «Стекло шлаков», которое получают резким охлаждением шлакового расплава является причиной взаимодействия его в системе шлакопортландцемента с пониженными энергетическими затратами на процесс ТВО. Данное состояние наиболее характерно для доменных металлургических шлаков, имеющих начальный запас энергии в 1700-1800 кдж/кг.

Серсале в своих работах [225] рассматривая влияние природы и подготовки исходных пуццоланов на их реакционную способность в пуццолановых портландцементах и энергетические затраты по ускоренному твердению при тепловлажностной обработке указывает на то, что термодинамическая нестабильность пуццоланов повышает их активность и реакционную способность в цементах и определяет снижение энергетических затрат на процессы синтеза искусственного камня.

Такемото К., Учикава X. [240] показали, что пуццолановая реакционная активность и величина экзотермического эффекта при гидратации вяжущего будет тем выше, чем «энергонасыщеннее» исходные пуццоланы и более

термодинамически устойчивы конечные продукты взаимодействия -кристаллогидратные образования.

Все вышеуказанные исследования указывают на безусловное влияние различных внешних и внутренних факторов на энергетические затраты процессов ускоренного твердения вяжущих и бетонов. К числу внешних факторов относятся: условия ТВО, характеристики пропарочных камер и установок, заполнение камеры и другие; внутренних - состав материала, энергетическое (термодинамическое) состояние исходных компонентов и продуктов гидратации, фазовый состав заполнителей и т.д. Частные зависимости энергетических затрат на процессы твердения вяжущих и бетонов от данных факторов позволяют осуществлять отдельные мероприятия по снижению энергетических затрат.

Но только при учете всей совокупности факторов возможно наиболее эффективное снижение энергозатрат.

1.1 Пуццолановые вяжущие

Кальциевой активизацией высококремнеземистых стекол достигается получение водостойкого камня как при нормальных, так и тепловлажностных условиях твердения[17, 22, 25, 31]. На этой основе созданы пуццолановые вяжущие, подразделяющиеся на портландцемент и известково-пуццолановые вяжущие.

Исследования Будникова П.П., Бутта Ю.М., Тимашова В.В. Волженского АВ, Массаца Ф., Венюа М., Малькуори Ж., Серсале Р., Ребюффа К., Людвига У. [18, 35, 38, 42, 136, 222, 224, 229, 226] в области пуццолановых портландцементов показывают, что введение на стадии помола портландцементного клинкера перлита, как пуццолановой добавки, в количестве 15 - 20 % позволяет получить пуццолановый портландцемент, не уступающий по свойствам чистому портландцементу. При этом отмечается большая плотность затвердевшего цементного камня, обусловленного ростом

количества кристаллических образований за счет связывания Са(ОН)2 избыточного кремнезема пуццолана. По данным авторов, новообразования представлены помимо гидросиликатов кальция переменного состава, также гидроалюмосиликатами типа СзБАНп.

Пуццолановые портландцемента являются производными от ранее известных известково-пуццолановых вяжущих [35].

Исследования П.В.Кривенко, В.В.Чирковой, Т.В.Тарасовой [118, 206] показывают, что введение природных щелочных алюмосиликатов в качестве вяжущего компонента на стадии помола портландцементного клинкера в количестве 30-40% щелочной породы позволяет получить щелочной портландцемент, приближающийся или превышающий значения прочности исходного портландцемента.

В работах В.В.Шаровой, Ю.П. Карнаухова [105] показана возможность использования местных промышленных отходов: ваграночного шлака, золы-уноса ТЭЦ, в производстве водо- и морозостойких щелочных вяжущих. Отличительной особенностью исследуемых вяжущих является щелочной компонент - жидкое стекло, изготовленное из микрокремнезема.

Тобинаи К., Асакура Е. в качестве добавки к портландцементу используется значительное количество природных цеолитов. Цеолиты реагируют с цементным тестом и в поздние сроки твердения формируют эттрингит. Сделан вывод о целесообразности введения в бетон добавок природных цеолитов.

Ю.М.Бутт, В.В.Тимашев [35, 38] указывают на пониженную скорость набора прочности пуццолановым цементом по отношению к портландцементу вследствие действия пуццоланов как разбавителей. И только когда значительное количество активного кремнезема пуццолановой добавки вступит во взаимодействие с выделяющейся Са(ОН)2 процесс твердения этого цемента ускоряется и разница в прочности сокращается.

Работы А.В.Волженского, Ю.С.Бурова [42, 43] показывают, что введение пуццоланов в количестве 15% повышает прочность исходного портландцемента, дальнейшее увеличение содержания добавки приво