автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Высокоподвижные проникающие композиции на основе техногенного сырья для строительства укрепленных оснований и ремонта автомобильных дорог

005004938

// ^

КОСУХИН АНДРЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ВЫСОКОПОДВИЖНЫЕ ПРОНИКАЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА УКРЕПЛЕННЫХ ОСНОВАНИЙ И РЕМОНТА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕН 2011

Белгород-2011

005004938

Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В. Г. Шухова

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Шаповалов Николай Афанасьевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Перцев Виктор Тихонович - кандидат технических наук Назаренко Елена Ивановна

Ведущая организация - Липецкий государственный технический

университет (ЛГТУ), г. Липецк

Защита состоится « 28» декабря 2011 года в 11-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, отдел аспирантуры.

Автореферат разослан « 28 » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор -------— Г.А. Смоляго

* -Я

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в нашей стране и, особенно, в Белгородской области интенсивно развивается программа индивидуального жилищного строительства. Одним из первостепенных условий ее осуществления является наличие внутрипостроечных транспортных сообщений, связанных с местной и региональной сетью автомобильных дорог. Создание и развитие таких сетей должно сопровождаться переходом на применение современных эффективных материалов и конструкций дорожных одежд полифункционального назначения, обеспечивающих высокие транспортно-эксплуатационные свойства автомобильных дорог, их повышенные комфортность и сроки эксплуатации. Такой качественный переход возможен за счет строительства укрепленных конструкций дорожных одежд и использования при этом универсальных материалов как для самого строительства, так и для ремонта.

Наиболее эффективным и перспективным направлением строительства укрепленных оснований автомобильных дорог является использование высокоподвижных проникающих композиций (ВПК), модифицированных высокоэффективными суперпластификаторами (СП) полифункционального действия. Разработке и изучению ВПК, содержащих высокодисперсные минеральные компоненты и поверхностно-активные вещества, посвящены работы многих исследователей.

Вместе с тем задачи повышения эффективности применения таких композиций требуют дальнейшего детального изучения, предметом которого должно являться, в первую очередь, расширение сырьевой базы минеральных компонентов за счет использования местных доступных материалов, исследование влияния природы, дисперсности, характера поверхности минеральных частиц на эксплуатационно-технологические характеристики как самих проникающих композиций, так и в целом дорожных композитов. При этом особая роль отводится возможности их применения при ремонте существующих цементобетонных дорожных покрытий. Для этих целей композиции должны иметь регулируемые реологические параметры и обладать повышенной смачиваемостью и адгезионным сцеплением со старым бетонным основанием.

В связи с этим необходимо получить новые знания о механизме взаимодействия минеральных компонентов различной природы с СП на основе легкой пиролизной смолы (СБ-7).

Была выдвинута рабочая гипотеза, что в качестве минерального компонента, полученного из местного техногенного сырья, при разработке ВПК могут использоваться отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС) КМА, а в качестве пластифицирующей добавки -эффективный СП полифункционального действия СБ-7, получаемый из отходов производства при пиролизе углеводородов и обладающий как

пластифицирующим, так и ускоряющим действием. Предлагается разработать составы и способы приготовления ВПК для укрепления щебеночных оснований при строительстве автомобильных дорог и ремонте эксплуатируемых цементобетонных покрытий. В качестве вяжущего предложено использовать тонкомолотые наполненные цементы (ТМЦ) для увеличения проникающей способности, повышения адгезионных и прочностных свойств и экономии клинкерной составляющей. Актуальной при этом является задача снижения материалоемкости дорожных работ, повышение качества и долговечности ремонтных покрытий, снижение экологической напряженности в регионе путем утилизации отходов.

Данная работа выполнена в рамках направления научных исследований «Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов» по критическим технологиям Российской Федерации, утвержденным Распоряжением Правительства РФ (2008 г.).

Целью диссертационной работы является разработка составов и способов приготовления высокоподвижных проникающих композиций с использованием минеральных компонентов на основе местного сырья -отходов ММС железистых кварцитов и полифункционального суперпластификатора СБ-7 для регулирования реологических свойств и повышения физико-механических показателей дорожных композитов.

Основными задачами работы являются:

1) изучение влияния минерального наполнителя из отходов ММС и суперпластификатора СБ-7 на изменение фазового состава новообразований при гидратации и твердении тонкомолотых наполненных цементов;

2) изучение влияния полифункционального СП СБ-7 на коллоидно-химические свойства наполненных цементных суспензий;

3) исследование влияния СП СБ-7 на смачиваемость и адгезионное сцепление минеральных композиций;

4) исследование физико-механических свойств составов ВПК с целью выявления их соответствия требованиям европейского стандарта к материалам для ремонта бетонных поверхностей;

5) разработка составов и способов получения наполненных тонкомолотых цементов на основе отходов ММС и изучение их физико-механических показателей.

Научная новизна работы:

Установлено влияние природы и свойств поверхности минеральных компонентов на процесс адсорбции полифункционального СП СБ-7 на границах жидкой и твердой фаз, заключающееся в уменьшении адсорбционной способности в ряду портландцемент-шлак-отходы ММС при одинаковой удельной поверхности.

Установлены зависимости технологических и физико-механических свойств высокоподвижных проникающих композиций с использованием минерального наполнителя из отходов ММС от удельной поверхности и

количества СП СБ-7. Установлено, что введение до 45% отходов ММС в ТМЦ не приводит к снижению прочности по сравнению с исходными портландцементами, что связано с сокращением водопотребности, механической активацией при совместном помоле ПЦ и отходов ММС, образованием мелкокристаллической структуры.

Выявлено, что увеличение проникающей способности в присутствии СП СБ-7 обусловлено как увеличением смачивания твердых поверхностей при уменьшении поверхностного натяжения на границе раствор-воздух, так и за счет увеличения гидрофильности поверхности при уменьшении поверхностного натяжения на границе твердое тело-раствор.

Показано, что при твердении системы ТМЦ с использованием отходов ММС введение этих отходов незначительно влияет на фазовый состав структуры. При этом наблюдается ускорение процессов гидратации и твердения в ранние сроки, обусловленное большей удельной поверхностью вяжущего, дефектностью структуры минералов отходов ММС и пеп-тезирующим действием СП СБ-7.

Достоверность результатов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных средств и методов измерений; применением современных физико-химических методов; использованием статической обработки результатов экспериментов; полученными данными, не противоречащими известным положениям и результатам других авторов.

Праю-ическая значимость работы. Расширена область применения отходов железорудных месторождений - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и легкой пиролизной смолы - отхода производства пиролиза углеводородов как сырья при получении тонкомолотых наполненных цементов.

Для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, соответствующих требованиям стандартов, разработана технология получения и составы ВПК на основе тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС и полифункционального СП СБ-7.

Получены ВПК с прочностью на сжатие 47-65 МПа повышенной адгезионной и смачивающей способностью, позволяющие использовать их для ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2004); научно-технической студенческой конференции институтов и факультетов БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2008); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (Белгород, 2009).

Внедрение результатов. Проведены опытные испытания высокоподвижных проникающих композиций при устройстве укрепленных дорожных оснований и ремонте цементобетонных автодорожных покрытий, которые подтвердили эффективность данной технологии.

Теоретические положения диссертационной работы, а также методические разработки и результаты работы внедрены в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы», 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров направления «Строительство» по программам «Технология строительных материалов, изделий и конструкций», «Архитектурно-строительное материаловедение», отражены в монографии.

На защиту выносятся:

1) результаты исследования влияния СП СБ-7 на реологические свойства, адсорбцию, агрегативную устойчивость, адгезионную и смачивающую способность наполненных ТМЦ;

2) результаты влияния СП-СБ-7 и вида ТМЦ на физико-механические и эксплуатационно-технические свойства ТМЦ и композиций на их основе;

3) оптимальные составы ВПК для строительства укрепленных оснований и ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог;

4) результаты внедрения.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в десяти опубликованных научных работах, в том числе трех изданиях, определенных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, включающего 27 таблиц, 28 рисунков и фотографий, списка литературы из 188 наименований, 2 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ литературных данных и существующих способов устройства дорожных оснований показал, что в практике строительства автомобильных дорог широко распространены отработанные традиционные способы и технологии устройства оснований, к которым относятся жесткие покрытия дорог из монолитного цементного бетона, литого асфальтобетона, сборных железобетонных плит, послойная укладка щебня разных фракций по размеру зерен и их уплотнению (крупность зерен уменьшается от низа к верху дорожного основания), укрепление щебеночного слоя вдавливанием сухой или влажной цементно-песчаной смеси либо строительного раствора, перемешивание при разрыхлении верхнего слоя малой подвижности, с последующим уплотнением его укаткой. Все эти способы отличают-

ся значительной материалоемкостью, приводящей к высокой себестоимости дорожного строительства. Дальнейшее развитие исследований в рассматриваемом направлении должно идти по пути совершенствования и разработки новых комплексных методов, расширения ассортимента современных вяжущих и других минеральных композиций с использованием в максимальной степени местных материалов и различных побочных продуктов промышленности.

В этой связи разработка составов и исследование свойств ВПК на основе прогрессивных вяжущих - тонкомолотых наполненных цементов с использованием многотоннажных отходов ММС железистых кварцитов и СП на основе отходов пиролиза углеводородов для укрепления оснований дорожных одежд и ремонта цементобетонных покрытий позволит не только снизить материалоемкость, а следовательно, и транспортные расходы при строительстве, но и одновременно позволит решить экологические проблемы.

В работе исследование физико-химических свойств сырьевых материалов и определение основных свойств ВПК и композитов на их основе осуществляли с помощью современных методов исследования и на основе стандартных методик, регламентируемых ГОСТами. Оценку достоверности полученных результатов проводили по величинам средних значений, среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации.

Проведены исследования по изучению свойств отходов ММС железистых кварцитов, пробы которых отбирались по двум профилям, согласно методикам ранее проводимых исследований.

Тонкоизмельченные отходы ММС, как известно, представляют собой техногенный тонкодисперсный песок темно-серого цвета, состоящий из остроугольных шероховатых частиц с модулем крупности меньше 1. Эти частицы представлены в основном зернами кварца (около 55%) размером от 0,05 до 0,3 мм, зернами магнетита размером от 0,3 до 0,5 мм и другими рудными (слабомагнитными) и безрудными минералами. По химико-минеральному составу отходы ММС близки к слаборудным кварцитам: породообразующий минерал кварц (более 60%), содержится небольшое количество магнетита, гематита, карбонатов и силикатов. Микрокристаллические отходы обогащения представляют собой разнозернистый материал переменного состава с размером зерен от десятых долей микрона до 20 мм.

Для достижения высокой проникающей способности при низких значениях водоцементного отношения и увеличения седиментационной устойчивости применяли полифункциональный СП СБ-7, получаемый при сульфировании легкой пиролизной смолы, имеющий в своем составе оли-гомерные соединения с введенными гидрофильными группами, формула которого представлена ниже:

_ SOjNa SOjNa _

где R : - СН2, - СН, - OCH; п = 5-7.

СП СБ-7, ввиду наличия в его составе от 30 до 40% сульфата натрия, образующегося из условия синтеза, наряду с высоким разжижающим эффектом обладает ускоряющим действием. Это обстоятельство относит его в разряд полифукциональных модификаторов, что очень важно для проведения ямочного ремонта цементно-бетонных покрытий в условиях эксплуатируемых автомагистралей.

Породообразующие минералы отходов ММС, из условий их образования, имеют развитую и дефектную структуру, что приводит к ускорению и улучшению их взаимодействия с клинкерными минералами, созданию более однородной и прочной структуры цементного камня.

Для снижения расхода самого энергоемкого и дорогостоящего компонента ВПК - клинкерного цемента и повышения проникающей способности получали композиционные вяжущие на основе ТМЦ. Для получения композиционных вяжущих использовали цементы различного минерального и вещественного состава Белгородского цементного завода ЦЕМ142,5Н с удельной поверхностью = 354 м2/кг и ЦЕМ II/A-III 32,5Н с = 315 м2/кг. Путем совместного помола исходных цементов с отходами ММС получали тонкомолотые композиционные вяжущие: ТМЦ-80 с SyH = 570 м2/кг и ТМЦ-45 с Syд= 573 м2/кг на основе портландцемента ЦЕМ 11/А-Ш 32,5Н; ТМЦ-100 с ^ = 517 м2/кг и ТМЦ-55 с БуЖ = 526 м2/кг на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5Н. В данном случае отходы ММС с активированной поверхностью, имеющей различные по природе адсорбционно-активные центры, выступают своеобразными центрами кристаллизации в твердеющей цементной системе.

В работах Исаченко Е.И. и Лесовика Р.В. была установлена зависимость улучшения размалываемости компонентов в ряду клинкер - шлак - отходы ММС при одинаковой исходной удельной поверхности, что также послужило доводом при выборе отходов ММС в качестве минерального наполнителя.

Как известно, получение высокоподвижных композиций с высокой проникающей способностью возможно с введением в их состав высокоэффективных разжижителей минеральных строительных композиций - пластификаторов и суперпластификаторов, регуляторов сроков схватывания и твердения растворных смесей. С одной стороны, эти добавки увеличивают и ускоряют смачиваемость и проникающую способность ВПК, а с другой - прочностные и деформативные характеристики, морозостойкость, истираемость, трещиностойкость, устойчивость к образованию колеи.

Для проведения дальнейших исследований, по известной методике мини-конуса, определяли оптимальное количество СП СБ-7 по диаметру рас-плыва цементного теста при различных концентрациях СБ-7 (рис. 1). </, мм

Рис. 1. Растекаемость цементного теста от количества добавленного СБ-7: 1- ЦЕМ11/А-Ш 32,5Н; 2 - ТМЦ-80 (шлак); 3 - ТМЦ-45 (ММС+шлак); 4 - ЦЕМ142,5Н;

5 - ТМЦ-55 (ММС); 6 - ТМЦ-100

Оптимальная дозировка определяется концентрацией добавки, при которой наблюдается перегиб кривой и выход на максимальный расплыв мини-конуса. Как видно из графика, при переходе от ЦЕМ 11/А-Ш 32,5Н к ТМЦ-45 (ММС+ шлак) оптимальная дозировка СБ-7 несколько увеличивается. Это объясняется тем, что ТМЦ по сравнению с исходными вяжущими имеет большую удельную поверхность. Таким образом были приняты следующие оптимальные дозировки СП СБ-7: для ЦЕМ 11/А-Ш 32,5Н -0,75%, для ЦЕМ I 42,5Н - 0,8%, для ТМЦ-80 (шлак), ТМЦ-45 (ММС+шлак), ТМЦ-55 (ММС), ТМЦ-100 - 0,85 мае. %.

Было изучено влияние полифункционального СП СБ-7 на коллоидно-химические свойства полученных вяжущих.

Поскольку реологические свойства ВПК определяются в основном состоянием пластической составляющей - цементом, было изучено влияние СБ-7 на реологические свойства цементных суспензий с помощью ротационного вискозиметра «Реотест-2.1» с коаксиальными цилиндрами.

Типичные реологические кривые исходных суспензий ТМЦ с различными концентрациями СП СБ-7 в координатах сдвигающее напряжение -градиент скорости деформации представлены на рис. 2, из которого видно, что исходные суспензии представляют собой типичные вязкоппастичные тела. Для описания характера кривых применительно уравнение Освальда: т = к- у", где т - сдвигающее напряжение, Па; у - скорость деформации, с1; кип- постоянные, характеризующие данную систему.

Рис. 2. Реологические кривые минеральных суспензий на различных видах вяжущих с различными концентрациями суперпластификатора СБ-7

При введении СП СБ-7 уже в области малых дозировок кривые адекватно характеризуются уравнением Бингама: т = т0 + г)пл ■ у, где т0 - предельное напряжение сдвига, Па; г^ - пластическая вязкость, Па с.

При дальнейшем увеличении концентрации СП СБ-7 характер кривых показывает, что реологические свойства суспензий приближаются к реологическим свойствами жидкообразных систем и могут быть описаны уравнением Ньютона: т= г| ■ V-

По реологическим кривым определяли предельное напряжение сдвига т0 и пластическую вязкость зависимости которых от дозировки СБ-7 показаны на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость предельного напряжения сдвига (а) и пластической вязкости (б) суспензий на различных видах вяжущих от концентрации СП СБ-7

При увеличении концентрации СБ-7 предельное напряжение сдвига сначала резко уменьшается, затем темп его снижения замедляется и при достижении оптимальной дозировки стремится к нулю. Пластическая вязкость также вначале резко снижается, но затем достигает определенного минимального значения.

Величина предельного напряжения сдвига определяется прочностью индивидуального контакта и падением т0 до малых значений, что обусловлено значительным уменьшением прочности таких контактов. Это приводит к пептизации агрегатов до первичных частиц и высвобождению меха-

нически захваченной воды, вследствие чего значительно уменьшается и пластическая вязкость. Из рис. 3 видно, что оптимальные дозировки СБ-7 возрастают при увеличении удельных поверхностей вяжущих. Одинаковые оптимальные дозировки СБ-7 для ТМЦ-80 и ТМЦ-45 и ТМЦ-100 и ТМЦ-55 обусловлены тем, что отходы ММС, с одной стороны, увеличивают удельную поверхность за счет лучшей размалываемости, а, с другой стороны, обладают более низкой адсорбционной способностью.

При изучении зависимости расплыва диаметра мини-конуса от концентрации СП СБ-7 наблюдается 5-образный характер изменения кривых. Это явление отмечено в ряде работ других авторов при определении влияния пластифицирующих добавок на расплыв стандартного конуса цемент-но-песчаного раствора, осадки конуса бетонной смеси, но объяснения не получило.

При сравнении зависимостей изменения предельного напряжения сдвига и расплыва мини-конуса было установлено, что значительное изменение т0 наблюдается в области малых дозировок, в то время как расплыв мини-конуса в этой области концентрации изменяется незначительно.

Для объяснения этого различия рассмотрена взаимосвязь между величиной расплыва мини-конуса и предельным напряжением сдвига цементной супензии. После достижения равновесия сила тяжести уравновешивается силой взаимодействия между частицами суспензии, которая выражается через напряжение сдвига уравнением:

т^/Б-К/П = а-т0, где т - масса суспензии, кг; 5 - площадь расплыва, м2; П - периметр расплыва, м; К - величина, характеризующая «эффективное» поверхностное натяжение суспензии, Н/м; а - коэффициент случайной упаковки, равный 4; т0 - предельное напряжение сдвига, Па.

Как видно из уравнения, между расплывом мини-конуса (I (<?~Б, сМ1) и предельным напряжением сдвига существует обратно пропорциональная зависимость, для которой характерно незначительное изменение <1 при первоначальном значительном изменении т0. Это объясняет наблюдаемую ^-образность кривых зависимости расплыва мини-конуса от дозировки добавок. Численное значение константы К, найденное из граничных условий, равно 15. После преобразований получено:

На рис. 4 показана расчетная кривая, полученная после подстановки численных значений в уравнение, и экспериментальные значения расплыва мини-конуса.

Как видно из графика, наблюдается хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными данными.

150

/ ———

т/1 •

Важным показателем структурно-реологических свойств высокоподвижных цементных суспензий является их агрегативная устойчивость, которую оценивали по наивероятней-шему радиусу частиц, образующихся в системе цемент-вода. Распределение частиц цемента по радиусам определяли путем седиментационного анализа, основанного на регистрации изменения во времени веса осадка дисперсной фазы в объеме дисперсионной среды. Увеличение дозировки

СП СБ-7 приводит к более узкому распределению частиц и сдвига максимума распределения в сторону меньших значений радиуса (рис. 5).

О 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 С_.%

Рис. 4. Зависимости расплыва мини-конуса от концентрации СБ-7: 1 - экспериментальная кривая; 2 - расчетная кривая

16 14 12 10 8 6 4 2 0

1 1 ■ ЦЕМ 11/А-Ш 32.5Н л ТМЦ£0(шлак) ■ ТМЦ45(шлак+ММС) 1 ЦЕМ К2.5Н - —*—ТМЦ-100 ■ ТМЦ-55(ШЛС) —

к

__ I п

" 1 -...пг-г 0---II 1..........„

~—-— —I—I

1

0.1

0.2 0.3 0.4

Концентрация добавки, %

0.5

0.6

0.7

Рис. 5. Влияние концентрации СБ-7 на наивероятнейший радиус частиц вяжущих

При увеличении дозировки СП наивероятнейший радиус значительно падает, уменьшаясь с 16 до 1,7 мкм для ТМЦ, при этом наибольшие изменения происходят в области малых дозировок, а затем наблюдается постепенный выход на постоянную величину. Очевидно, это связано с тем, что пропорционально уменьшению т0 изменяется и энергия коагуляционного контакта, которая и определяет число первичных частиц, находящихся в агрегате. Характер изменения наивероятнейшего радиуса частиц совпадает с характером изменения предельного напряжения сдвига.

Важная роль в изменении структурно-реологических свойств цементных суспензий при введении в их состав анионактивных добавок отводится электростатическому фактору. Измерения электрокинетического потенциала Ь, методом протекания при различных концентрациях показало, что поверхность немодифицированного вяжущего имеет незначительный

избыточный отрицательный заряд, о чем свидетельствует небольшое отрицательное значение ^-потенциала. Увеличение же дозировок суперпластификатора приводит к изменению абсолютных значений ^-потенциала в отрицательной области от: -13...-И,5 мВ до-36,5...-41,5 мВ, что объясняется наличием анионактивных групп в молекуле СБ-7, олигомерные молекулы которого адсорбируются на поверхности дисперсной фазы.

Следует отметить, что увеличение содержания отходов ММС при переходе от ТМЦ-80 к ТМЦ-45 и от ТМЦ-100 к ТМЦ-55 приводит к меньшему сдвигу ^-потенциала в отрицательную область. Это обусловлено, по-видимому, повышенным содержанием оксидов железа в отходах ММС, которые обладают избыточным положительным зарядом. Увеличение одноименного заряда частиц должно приводить к возрастанию сил электростатического отталкивания и увеличению агрегативной устойчивости.

Одним из основных факторов, влияющим на изменение реологических свойств исследуемых высокоподвижных цементных суспензий, является гидрофилизация поверхности и увеличение агрегативной устойчивости при адсорбции СП СБ-7.

Изотермы адсорбции (рис. 6) во всех случаях носят мономолекулярный характер. При малых равновесных концентрациях наблюдается почти полное извлечение адсорбата из раствора, при дальнейшем увеличении концентрации кривые выходят на насыщение и адсорбция достигает своего максимального значения. При этом следует отметить некоторые особенности: при переходе от бездобавочных вяжущих к вяжущим с микронаполнителем величина максимальной адсорбции несколько снижается.

Ср, равновесная концентрация, %

Рис. 6. Изотермы адсорбции суперпластификатора СБ-7 на вяжущих

Это связано с более низкой адсорбционной способностью отходов ММС железистых кварцитов и шлака по сравнению с клинкерными минералами. При этом наблюдается удовлетворительное совпадение между дозировкой, рассчитанной по данным адсорбции и оптимальной дозировкой по данным реологии и седиментации.

Полученные результаты исследований высокоподвижных проникающих композиций на основе отходов ММС железистых кварцитов, модифицированных полифункциональным СП СБ-7, с активностью 47-65 МПа (с заменой 50%-й клинкерной составляющей), позволяют использовать их в дорожном строительстве. Установлено, что введение СП СБ-7, обладающего одновременно высокой пластифицирующей способностью и ускоряющим действием приводит к значительному улучшению прочностных и эксплуатационно-технических свойств дорожных композитов. Это обусловлено изменением характера протекания физико-химических процессов кристаллизации и взаимодействия гидратных образований с минералами наполнителя в присутствии СП СБ-7. При этом следует отметить, что пептизирующее и ускоряющее действие СП СБ-7 приводит к ускорению пересыщения жидкой фазы ионами кальция, а следовательно, к более быстрой и одновременной гидратации клинкерных минералов. Это подтверждается данными по определению сроков схватывания и набору

Рис. 7. Кинетика твердения вяжущих из теста нормальной густоты

Из рис. 7 видно, что у образцов на ТМЦ-80 (шлак) и ТМЦ-100 наблюдается набор прочности в ранние сроки, практически в 2 раза превышающий прочностные показатели соответствующих исходных цементов, что также (как и в случае со сроками схватывания) объясняется увеличением удельной поверхности, а следовательно, и повышением гидратационной активности.

Прочности образцов на ТМЦ-45 (шлак+ММС) и ТМЦ-55 (ММС) в 28-суточном возрасте составляют 94,1 и 94,6% соответственно от прочности исходных цементов, однако от прочности домолотых исходных цементов они составляют, соответственно 66,9 и 72,9%. Это можно объяснить тем, что, как говорилось ранее, с одной стороны, увеличение удельной поверхности влечет за собой увеличение гидратационной активности, а, с другой стороны, замена части клинкерной составляющей приводит к «компенсации» увеличения этой активности.

Дифференциально-термический анализ цементного камня, полученного из высокоподвижных проникающих композиций, показал, что наличие породообразующих минералов в отходах ММС не оказывает значимого влияния на фазовый состав гвдратных новообразований разработанных композиций. Процесс твердения обусловлен гидратацией клинкерных минералов с образованием гидросиликата кальция, гидроалюминатных и гидроферритных комплексных солей кальция. Эндотермический эффект при 120...150°С и экзотермический эффект при 830...860°С подтверждают наличие гидросиликата кальция. Кроме того, при 420...440°С и при 480°С происходит дегидратация oc-QzSH, а при 727.. .800°С дегидратирует y-C2SH. Эндоэффекты при температурах 600...700 и 650...700°С подтверждают наличие высокоосновных гидросиликатов кальция.

Важную роль для заданной геометрии упаковки каркаса играет его пропускная способность, позволяющая заполнять межзерновую пустатность матричным связующим. Она определяется размером пустот в каркасе, предельными размерами зерен наполнителя и коллоидно-химическими свойствами материала пропиточной матрицы. Особая роль при этом отводится присутствию СП СБ-7, введение которого в состав концентрированных дисперсно-зернистых систем значительно изменяет характер их течения, а следовательно, и проницаемость. Это обусловлено снижением поверхностного натяжения на границе раствор-воздух с 72 до 52 мДж/м2, приводящим к увеличению смачиваемости поверхности и снижением поверхностного натяжения на границе твердое тело-раствор с 58,5 до 49,9 мДж/м , приводящим к увеличению гидрофильности поверхности.

Протекание вышеуказанных процессов, вызванных введением суперпластификатора, приводит также к увеличению адгезионного и механического сцепления, а следовательно, к улучшению структуры контактной зоны в композитах как между хвостами обогащения и различными видами вяжущих, так и между крупным заполнителем и пропиточной матрицей. Это обстоятельство особенно важно при использовании ВПК для ремонтно-восстановительных работ существующих покрытий. Микрофотографии поверхности разлома щебеночных каркасов, пропитанных исследуемыми композициями свидетельствуют об образовании плотных контактов.

По известной методике определяли проникающую способность смесей с использованием модельной системы дорожного массива. В качестве модели был взят лабораторный стеклянный стакан, заполненный керамическими шариками средним диаметром 1 см с наиплотнейшей упаковкой. После заливки смеси объемом из расчета полного заполнения пустот шаров, методом взвешиваний и замеров высоты столба смеси, не пролившейся в массив, вычисляли массовые проценты смесей, пролившихся в массив.

В ходе проведенных испытаний установлено, что введение СП СБ-7, обладающего большим пластифицирующим, а следовательно, и водореду-цирующим эффектом, позволяет снизить на 25-30% водопотребность ком-

позиций при одинаковом времени пропитки. Снижение количества воды затворения и наличие в составе СБ-7 сульфата натрия приводит к значительному росту прочности дорожных композитов, особенно в ранние сроки.

Проведенный анализ экспериментальных данных по увеличению проникающей способности, активности и седиментационной устойчивости вяжущих показал возможность их получения путем совместного помола отходов ММС железистых кварцитов и клинкерных цементов, что и предопределяет необходимость получения наполненных композиционных вяжущих.

В результате исследования технических характеристик реологических свойств проникающих композиций по известной методике диаметра рас-плыва мини-конуса было установлено, что полное проникновение пропиточной матрицы в щебеночный каркас достигается при диаметре расплыва не менее 125 мм. Важным технологическим фактором при получении пропиточных дорожных композитов является сохранение высокой проникающей способности пропиточной матрицы во времени. Было изучено влияние способа введения СП СБ-7 на сохранение проникающей способности композиций во времени (рис. 8).

Установлено, что при введении СП СБ-7 в состав композиции непосредственно перед пропиткой каркаса приводит к увеличению срока сохранения полной проникающей способности во времени в 2,7 и 3,6 раза для ТМЦ-45 (шлак+ММС) и ТМЦ-55 (ММС) соответственно. Таким образом, варьируя временем введения воды затворения и суперпластификатора, возможно получать высокоподвижные проникающие композиции с различными величинами реологических показателей при требуемых значениях проникающей способности.

а) б)

о 10 20 30 40 50 0 10 20 30 4050е070

Время, мин Время, мин

Рис. 8. Зависимость диаметра расплыва мини-конуса от способа введения СП СБ-7: а - с водой затворения; 6 - перед заливкой

Полученные данные важны в практическом отношении для получения проникающих композиций с требуемыми реологическими характеристиками то

и "Ппл, исходя из условий реализации процессов транспортирования и заливки композиций, а также для регулирования параметров этих переделов.

Разработанные составы проникающих композиций на отходах ММС с добавкой СП СБ-7 обеспечивают получение дорожных композитов с повышенными физико-механическими показателями (табл. 1).

Таблица 1

Физико-механические свойства высокоподвижных проникающих

композиций на основе ТМЦ и портландцементов

Вид вяжущего ЦЕМ11/А-Ш32.5Н ТМЦ-80 (шлак) ТМЦ-45 (шлак+ММС) ЦЕМ1 42,5Н ГМЦ-100 ТМЦ-55 (ММС)

Количество добавки, % 0,75 0,85 0,85 0,8 0,85 0,85

Количество цемента, кг/м1 смеси 1439 1398 687 1419 1377 676

Количество ММС (в составе вяжущего), кг/м3 смеси - - 687 - - 676

В/Ц 0,33 0,37 0,37 0,36 0,38 0,35

Расплыв мини-конуса, мм 165 165 165 165 165 165

Средняя плотность, кг/м1 1938 1896 1869 1914 1888 1854

Средняя прочность на окате, МПа 52,9 63,0 44,9 68,2 81,5 63,4

Из данных табл. 1 видно, что при переходе от обычных портландцементов к тонкомолотым увеличивается водоцементное отношение и оптимальное количество СБ-7, что обусловлено ростом удельной поверхности ТМЦ при помоле. Наличие минеральных отходов ММС практически не влияет на изменение этих параметров.

Прочность на сжатие тонкомолотых цементов, полученных путем до-мола обычных ПЦ, возрастает на 8-17 МПа. При введении в состав ТМЦ до 45% отходов ММС наблюдается падение прочности на сжатие, величина которого при этом не зависит от количества вводимых отходов. Полученные ТМЦ-45 и ТМЦ-55 по прочности не уступают обычным портланд-цементам и их применение дает возможность снизить расход портланд-цементного клинкера до 50%.

В ходе исследований были проведены испытания разработанных составов высокоподвижных проникающих композиций по укреплению щебеночных оснований (табл. 2).

Испытания проводились согласно требованиям ВСН 184-75. Образцы формовали методом заливки щебеночного каркаса (в формах 10x10x10 см) высокопроникающими смесями. Отформованные образцы в течение 48 ч хранили под влажной тканью, затем образцы помещали в камеру влажно-стного твердения. На 28 сут испытывали образцы на прочность при сжатии в состоянии естественной влажности, в водонасыщенном состоянии и после испытаний на морозостойкость. Водопоглощение и морозостойкость оснований определяли в соответствии с ГОСТ 12733-78 и ГОСТ 10060-95.

Таблица 2

Физико-механические свойства укрепленных оснований

Вид вяжущего СБ-7 В/Ц Я» МПа (28 сут) Г, циклов Кр Водопо-глощение по объему, % Ориешир. расход композиции на кг/м2 основания Ср.плогносп укрепленно-основания кг/м3

ЦЕМ П/А-Ш32.5Н 0,75 032 26,9 100 0,859 3,98 91 2348

200 0,722

ТМЦ-80 (шлак) 0,85 0,37 31,2 100 0,903 4,16 89 2554

200 0,719

ТМЦ-45 (шлак+ММС 0,85 0,37 19,4 100 0,849 4,72 101 2401

200 0,521

ЦЕМ 142,5Н 0,8 0,36 39,1 100 0,907 3,29 101 2286

200 0,765

ТМЦ-100 0,85 0,38 39,3 100 0,919 3,46 97 2307

200 0,757

ТМЦ-55 (ММС) 0,85 0,38 27,5 100 0,905 3,89 103 2274

200 0,646

Из табл. 2 видно, что образцы всех составов выдержали более 100 циклов попеременного замораживания-оттаивания (в пересчете с ускоренного метода), что удовлетворяет требованиям ВСН 185-75 для нижних укрепленных оснований всех категорий дорог в умеренных климатических условиях. Коэффициент морозостойкости, который равен отношению предела прочности образцов после испытаний на морозостойкость к пределу прочности контрольных образцов, соответствует рекомендуемому коэффициенту.

По данным табл. 2 можно сделать вывод, что прочности образцов из укрепленных щебеночных оснований с использованием высокоподвижных проникающих композиций на вяжущих с минеральным наполнителем удовлетворяют требованиям, предъявляемым к основаниям автомобильных дорог I - IV категории (СНиП 2.05.02 - 85).

Проведенные исследования физико-механических и эксплуатационно-технических свойств показали, что разработанные составы ВПК могут эффективно использоваться для ремонтно-восстановительных работ це-ментобетонных покрытий транспортных сооружений. В соответствии с требованиями европейского стандарта ЕН 1504 «Материалы и системы для ремонта и защиты бетонных конструкций» ремонтные системы рассматриваются как композитные системы, состоящие из ремонтного материала, ремонтируемой поверхности и контактного слоя. Основным нормируемым показателем прочности этой системы является величина адгезионного сцепления, так как сами по себе высокие физико-механические характеристики ремонтного материала не являются гарантией качественного ремонта. Наиболее важными показателями, характеризующими качество ремонтных составов, являются: прочность сцепления с ремонтируе-

мым основанием при заданном водотвердом отношении (в зависимости от вида материала и подвижности ремонтной смеси), показатель водонепроницаемости затвердевшего ремонтного состава, прочность на сжатие и прочность на растяжение при изгибе в возрасте 3-х часов, 1 и 28 сут, время сохранения удобоукладываемости, количество циклов попеременного замораживания и оттаивания. Важным показателем является отношение прочности на растяжение к прочности на сжатие, характеризующее тре-щиностойкость ремонтных составов и, соответственно, ремонтных слоев. При этом по возможности максимально должны сближаться теплофизиче-ские и деформативные показатели ремонтного слоя и ремонтируемого материала. В табл. 3 представлены сравнительные характеристики физико-механических свойств разработанных ремонтных составов и быстрот-вердеющих ремонтных составов бетонных поверхностей типа «БАРС», известных лидеров на отечественном рынке (НИИЖБ).

Таким образом, на основании проведенных исследований доказано, что тонкодисперсные полиминеральные отходы ММС железистых кварцитов могут применяться для производства высококачественных оснований автомобильных дорог, укрепленных высокоподвижными проникающими композициями, и для ремонтно-восстановительных работ существующих цементобетонных покрытий.

Таблица 3

Физико-механические свойства ремонтных составов

Технические характеристики ремонтных составов Состав

Барс В45 ВПК

Прочность на сжатие, МПа:

Зч 30 25-35

1 сут 40 35-42

28 сут 60 60-80

Прочность на растяжение при изгибе, МПа

Зч 4,0 3,8-4,2

1 сут 5,0 4,5-5,5

28 сут 8,0 7,8-9,4

Прочность сцепления с бетонным основанием, МПа

Зч 1,5 1,3-1,7

1 сут 1,8 1,8-2,0

28 сут 4 3,5-4,5

Время сохранения удобоукладываемости, мин не менее 15 не менее 50-70

Класс водонепроницаемости не ниже \?/10 не ниже \ДД2

Класс морозостойкости не менее Р200 не менее Р200

Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды и снижения материалоемкости экономический эффект составил более 500 тыс. руб. на 1 км строящейся дороги.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны составы на основе тонкомолотых наполненных цементов с использованием отходов ММС и полифункционального суперпластификатора СБ-7, позволяющие обеспечить высокую проникающую способность для строительства укрепленных оснований и ремонта цемен-тобетонных покрытий автомобильных дорог.

2. Установлено, что выбор отходов ММС в качестве минерального наполнителя обусловлен их химическим и минеральным составом, а также более низкой адсорбционной способностью, что приводит к уменьшению суммарного расхода СП СБ-7.

3. Показано влияние количества отходов ММС и СП СБ-7 на изменение подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости ВПК. Найдено, что механоактивация и оптимизация структуры при твердении, применение полифункционального СП СБ-7 позволяет вводить в состав ТМЦ до 45% отходов ММС без снижения прочности по сравнению с составами на обычных портландцементах.

4. Установлен эффект влияния СП СБ-7 на реологические параметры и агрегативную устойчивость ВПК, заключающийся в совместном действии электростатического и адсорбционно-сольватного факторов агрега-тивной устойчивости. В результате снижается энергия коагуляционных контактов, что приводит к агрегативной устойчивости системы, пептиза-ции агрегатов до первичных частиц, изменению реологического характера течения суспензий со структурированного на ньютоновский.

5. Теоретически обосновано наблюдающееся различие в прямолинейном изменении т0 и Я-образном изменении расплыва мини-конуса в области малых дозировок суперпластификаторов, связанное с обратно пропорциональной зависимостью расплыва мини-конуса от предельного напряжения сдвига.

6. Выявлено, что увеличение удельной поверхности наполненных ТМЦ и наличие СП СБ-7 позволяет получать ВПК, обладающие повышенной смачиваемостью, адгезионным сцеплением и ускоренным набором прочности в ранний период.

7. Показано, что на сохраняемость высокой проникающей способности оказывает влияние способ введения суперпластификатора СБ-7. Введение непосредственно перед пропиткой приводит к увеличению срока сохранения полной проникающей способности во времени в 2,7 и 3,6 раза для ТМЦ-45 и ТМЦ-55 соответственно.

8. Разработаны составы ВПК с прочностью на сжатие 47-65 МПа и морозостойкостью до 200 циклов для устройства укрепленных оснований с прочностью на сжатие 15-27 МПа. Разработанные составы по физико-механическим свойствам удовлетворяют требованиям европейского стандарта ЕН 1504 «Материалы и системы для ремонта и защиты бетонных

конструкций» и могут эффективно использоваться для ремонтно-восстановительных работ цементобетонных покрытий.

9. Полученные в ходе исследований данные подтверждены опытными испытаниями. Технико-экономическое сравнение вариантов устройства дорожных покрытий показало, что за счет изменения конструкции дорожной одежды и снижения материалоемкости экономический эффект составит более 500 тыс. руб. на 1 км строящейся дороги.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Косухин, A.M. Регулирование свойств цементсодержащих минеральных композиций комплексными добавками с разными гидрофильными группами [Текст] / A.M. Косухин, О.В. Панарина // Образование, наука, производство: тез. докл.П междунар. студен, форума. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. - Т.4. - С. 94.

2. Косухин, А.М. Высокоморозостойкие дорожные бетоны на новом модифицированном вяжущем / A.M. Косухин // [Электронный ресурс] // Научн.-техн. студен, конф. инс-ов и фак-ов БГТУ им. В.Г.Шухова. - Белгород, 2008.

3. Косухин, A.M. Высокоподвижные проникающие минеральные композиции с использованием отходов КМА для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог / А.М. Косухин // [Электронный ресурс] // Научн.-техн. студен, конф. инс-ов и фак-ов БГТУ им. В.Г.Шухова. - Белгород, 2008.

4. Косухин, A.M. Суперпластификатор для бетонов на основе легкой пиролизной смолы [Текст] / A.M. Косухин, H.A. Шаповалов, М.М. Косухин, A.A. Бабин // Строительные материалы. -2008. - № 7. - С.44.

5. Косухин, A.M. Повышение долговечности дорожных бетонов полифункциональными модификаторами [Текст] / A.M. Косухин // Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений: сб. докл. междунар. научн. практ. конф. молодых ученых. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - С. 176-179.

6. Косухин, A.M. Использование нерудных пород КМА в производстве композиционных вяжущих для укрепления оснований транспортных сооружений [Текст] / A.M. Косухин Н Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений: сб. докл. междунар. научн. практ. конф. молодых ученых. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - С. 180182.

7. Косухин, A.M. Модифицированные минеральные композиции для укрепления оснований автомобильных дорог [Текст] / A.M. Косухин, М.М. Косухин, A.A. Бабин, H.A. Шаповалов // Весник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2009. - №4. - С. 25-27.

8. Косухин, А.М. Композиционное вяжущее для высокоморозостойких дорожных бетонов [Текст] / А.М. Косухин, М.М. Косухин, H.A. Шаповалов // Весник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2010. - №1. - С. 5153.

9. Косухин, А.М. Бетоны с полифункциональным суперпластификатором на основе легкой пиролизной смолы: монография / A.M. Косухин, H.A. Шаповалов, A.A. Бабин, М.М. Косухин, В.А. Бабин. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. - 99 с.

10. Косухин, A.M. Высокоподвижные проникающие композиции на основе техногенного сырья для ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог: монография / A.M. Косухин, H.A. Шаповалов. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - 112 с.

КОСУХИН АНДРЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ВЫСОКОПОДВИЖНЫЕ ПРОНИКАЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА УКРЕПЛЕННЫХ ОСНОВАНИЙ И РЕМОНТА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете

им. В.Г. Шухова

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.11.11 Усл.печ.л. 1,3

Заказ №2?$

Формат 60x84 1/16 Тираж 100 экз

308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46