автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Активация облегченных цементных смесей путем экструдирования

На правах рукописи

Капцов Петр Владимирович

АКТИВАЦИЯ ОБЛЕГЧЕННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ СМЕСЕЙ ПУТЕМ ЭКСПЕДИРОВАНИЯ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 АВГ 2014

005551964

Москва-2014

005551964

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Орешкин Дмитрий Владимирович

Официальные оппоненты:

Перфилов Владимир Александрович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой «Нефтегазовые сооружения»

Малышев Олег Анатольевич, кандидат технических наук, ЗАО «Стример-Центр», технический директор

Ведущая организация - Федеральное государственное образова-

тельное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится «29» сентября 2014 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. СТк^б-ГГ&^Р С&Т6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» www.mgsu.ru

Автореферат разослан «25» августа 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета ^^Алимов Лев Алексеевич

Общая характеристика работы Актуальность работы. Эффективность использования современных строительных материалов для возведения конструкций наружных стен из керамических блоков и разнообразных кирпичей, крупноформатных блоков и панелей из ячеистого бетона заключается в необходимости разработки цементных облегчённых растворов, обладающих высокими техническими и технологическими свойствами.

Решением проблемы повышения эффективности наружных стен является применение метода экструдирования для изготовления кладочного раствора и армированных перемычек проёмов из цементных смесей с полыми стеклянными микросферами.

Работа выполнена в соответствии с локальным проектом № 12 НИУ МГСУ, мероприятием 5.2 (ГК 16.552.11.7025) «Проведение в ЦКП научным оборудованием поисковых научно-исследовательских работ по основным направлениям реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы» по теме: «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием ГР ЦКП МГСУ поисковых НИР в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений».

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является создание облегчённого кладочного раствора и изделий из экструдирован-ных смесей с полыми стеклянными микросферами.

Для достижения цели работы были решены следующие задачи:

- Обосновать получение облегчённого кладочного раствора и изделий из экс-трудированных смесей с полыми стеклянными микросферами.

- Определить влияние введения в состав полых стеклянных микросфер на технические характеристики цементной смеси.

- Оптимизировать процесс экструдирования цементных смесей.

- Исследовать состав, структуру и свойства облегчённого экструдированного

кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами и изделий, разработать технологию производства раствора и изделий.

- Провести опытное внедрение разработанных кладочного раствора и изделий из экструдированной смеси с полыми стеклянными микросферами.

Научная новизна работы

Обоснована механохимическая активация эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путем экструдирования, приводящая к снижению В/Ц отношения, удалению газовой фазы из смеси, повышению прочности контактной зоны и сцепления с микросферами и основанием.

Установлено снижение на 10... 15 % количества воды затворения экс-трудированного раствора и смеси для изделий, уплотнение структуры цементной матрицы при одинаковой подвижности смеси и повышение прочно-стей от 10 до 15 % при сжатии, изгибе, сцепления с основанием.

Методами РФА, МСА и ХА установлено, что степень кристаллизации экструдированной смеси увеличивается в 1,5 раза, степень гидратации - на 25...27 %, количество низкоосновных гидросиликатов кальция возрастает на 14...31 %, содержание Са(ОН)2 уменьшается на 12...17 %.

При одинаковом расходе полых стеклянных микросфер у экструдиро-ванных и обычных смесей определено уменьшение воздушной усадки во времени на 10...20 %, паропроницаемости - на 5...22 %, общей пористости и пористости матрицы - на 5... 10 %, возрастание прочности сцепления микросфер с цементной матрицей на 13.. .30 %.

Установлено влияние формы микросфер и толщины цементной прослойки, составляющей 11,07; 4,01 и 3,74 мкм в экструдированном растворе, с расходом микросфер 10, 30, 50 % соответственно на сохранение одинаковой подвижности смеси.

Получены математические модели прочностных свойств и средней плотности экструдированного кладочного раствора с микросферами, что позволяет проводить оптимизацию состава по требуемой плотности.

Получены зависимости от расхода микросфер у экструдированных цементных смесей по сравнению с обычными, при которых происходит повышение показателей модуля упругости на 36...39 %, морозостойкости на 30...50 %, снижение водопоглощения на 20...23 % и прогиба на 10...43 %.

Методами механики разрушения установлено, что изделия с полыми стеклянными микросферами из экструдированной смеси имеют на 30...40 % более высокие показатели трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины, чем изделия, изготовленные из обычной смеси.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Разработана технология получения экструдированного цементного кладочного раствора с ПСМС, включая подбор и оптимизацию составов.

Разработана технология изготовления армированных перемычек из экструдированной смеси, которая включает в себя: технологическую схему; оптимальный состав компонентов; порядок и время перемешивания, экстру-дирования, укладки и уплотнения смеси, хранение, оценку качества.

Внедрение результатов исследования

Получено положительное решение о выдаче патента по заявке №2012144731/03 (071891) «Облегченный кладочный раствор», дата подачи заявки-22.10.2012 г.

Разработаны технические условия — «Экструдированный облегченный кладочный раствор ТУ 57 4550-034-70436213-2012», «Брусковые перемычки из экструдированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-704362132012», утвержденные ООО «Комбинат производственных предприятий».

Проведено опытное внедрение экструдированного кладочного раствора при производстве работ по кладке наружных несущих стен из керамического кирпича частного жилого дома в г. Наро-Фоминске. Объём кладочного раствора составил 46 м3. Экономический эффект - 129 руб. на 1 м3 кладки.

Проведено опытное внедрение армированных оконных перемычек из экструдированной бетонной смеси при строительстве жилого дома в г. Наро-Фоминске. Было изготовлено 30 перемычек. Экономический эффект составил 14,5 тысяч рублей. ■ I ' ■ ■ • ■•

Разработаны технические условия - «Экструдированный кладочный раствор ТУ 574550-024-14731991-2012» и «Оконные перемычки из экструди-рованной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-14731991-2012», утвержденные ООО «ТрансТехСтрой».

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены на: 13-й, 14-й, 15-й Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых учёных, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ, 2011, 2012 гг.); на симпозиуме «Проблемы современного бетона и железобетона», Минск, 09-11 ноября 2011 г., конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», (Москва, МГСУ, 16-18 октября 2013 г.), на семинарах «Лучшие публикации года в журнале «Строительные материалы» (Москва, МГСУ, 2011,2012 гг.).

На защиту выносятся

- Обоснование механохимической активации эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путем экструдирования, вследствие чего снижается В/Ц отношение, происходит удаление газовой фазы из смеси, повышаются прочность контактной зоны и прочность сцепления с микросферами и основанием.

- Зависимости снижения количества воды затворения экструдированного раствора и смеси для изделий, повышения прочностных показателей за счёт уплотнения структуры цементной матрицы при одинаковой подвижности.

- Увеличение степени кристаллизации, степени гидратации, количества низкоосновных гидросиликатов кальция, уменьшение содержания Са(ОН)2 у экструдированных образцов по сравнению с обычными составами.

- Зависимости воздушной усадки во времени, паропроницаемости, общей пористости и пористости матрицы, прочности сцепления микросфер с цементной матрицей при одинаковой подвижности от расхода полых стеклянных микросфер у экструдированных и обычных смесей.

- Влияние формы микросфер и толщины цементной прослойки в экструдиро-ванном растворе от расхода микросфер на сохранение одинаковой подвижности смеси.

- Математические модели прочностных свойств и средней плотности экстру-дированного кладочного раствора с микросферами для проведения оптимизации состава по требуемой плотности.

- Зависимости модуля упругости, морозостойкости, водопоглощения, прогиба от расхода микросфер у экструдированных цементных смесей по сравнению с обычными.

- Зависимости трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины, определённые методами механики разрушения, от расхода микросфер для образцов из экструдированной смеси по сравнению с обычными.

- Результаты опытного внедрения кладочного раствора и изделий из экструдированной смеси с ПСМС.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 110 страницах текста, состоит из 5 глав, библиографического списка из 177 наименований и 6 приложений, включает 26 рисунков и 26 таблиц. Содержание работы

Анализ научно-технических источников позволил установить, что при экструдировании происходит сжатие, например, мелкозернистой бетонной смеси, отделение излишней воды, максимальное сближение частиц цемента и песка. При выходе бетонной смеси через отверстия мундштука экструдера происходит удаление дисперсных примесей с поверхности твёрдых частиц, адсорбированных газов; уменьшение толщины водного слоя между ними; образование чистых шероховатых поверхностей с активными центрами и большой поверхностной энергией за счёт механоактиваиии твёрдых частиц смеси. Более того, изучение состояния вопроса в области облегчённых цементных растворов с ультрадисперсными полыми стеклянными микросферами позволил выявить их главный недостаток - повышенное количество воды

затворения, необходимое для смачивания огромной боковой поверхности микросфер. Это не даёт эффективно использовать возможности облегчающего наполнителя — полых стеклянных микросфер (ПСМС). Также известно, что пулевая перфорация тампонажного камня с ПСМС значительно повышает прочность, трещиностойкость за счёт перекристаллизации и уплотнения структуры под действием температуры (более 500 °С), сил трения, давления при прохождении пули с образованием низкоосновных прочных гидросиликатов кальция и остеклованной водонепроницаемой поверхности в процессе разрушения микросфер. Поэтому на основании аналитического исследования-проблемы была предложена научная гипотеза. Существующие цементные смеси с полыми стеклянными микросферами имеют повышенное содержание воды, даже при использовании суперпластификаторов. Было предположено, что применение метода экструдирования позволит снизить количество воды затворения, существенно уплотнит цементную матрицу, повысит прочность контактной зоны и сцепления с микросферами, основанием, а также трещиностойкость кладочного раствора и изделий с ПСМС.

В данной работе были исследованы кладочные растворы, имеющие погружение конуса 8... 10 см, и материал с полыми стеклянными микросферами (ПСМС), имеющий осадку стандартного конуса 2...4 см. В качестве добавки применялся суперпластификатор С-3. Предел прочности, усадка и др. свойства определялись на образцах-призмах 4x4x16 см. Равновесные испытания при трёхточечном изгибе проводились на образцах-призмах 10x10x40 см.

Исследования были проведены в МГСУ на современном испытательном оборудовании. Определение размера и удельной поверхности, минерального и химического состава полых стеклянных микросфер и цементного порошка проводились на лазерном дифракционном анализаторе размера частиц Analizette 22 compact, растровом микроскопе-микроанализаторе Quanta 200, рентгеновском дифрактометре ARL ХТга. Прочностные показатели образцов определялись на автоматической испытательной системе Controls. Для

изготовления образцов использовались лабораторные смесители, одношне-ковый экструдер фирмы SCAMEX и др.

Для исследований был использован бездобавочный портландцемент ПЦ 500-Д0 Старооскольского завода и полые стеклянные микросферы ЗМ™ Glass Bubbles, тип К25 в виде белого сыпучего порошка из тонкостенных шаров со средним диаметром 41,62 мкм и толщиной стенки 1...3 мкм. Их истинная плотность - 0,25 г/см3, насыпная плотность - 0,12 г/см3, прочность при объёмном сжатии - 5,3 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,055 Вт/(м-°С) при 20 °С, температура размягчения - 650 °С. ПСМС производятся из натрийборосиликатного стекла. Использовался также суперпластификатор (СП) С-3.

Было определено, что облегчённый экструдированный цементный раствор с ПСМС и СП, а также без С-3, пригоден для кладочных работ и имеет преимущества по свойствам перед обычным (неэкструдированным) раствором. После экструдирования раствор не менее 2 ч находится в работоспособном состоянии. Расход воды затворения при экструдировании снижается на 10... 15 % с таким же ростом прочности при сжатии и изгибе. Это, наряду с введением добавки в цементную систему с микросферами суперпластификатора С-3, который снижает на 20...25 % количество воды затворения, и ещё больше уплотняет структуру материала, повышает её однородность. Введение микросфер создает равномерно распределенную в цементной матрице ячеистую структуру с водо- и паронепроницаемыми ПСМС (таблицы 1 и 2).

Таблица 1 - Свойства цементного раствора с ПСМС и С-3

Состав, мае. % Средняя плотность, kt/mj В/Ц Влажность по массе, % Водопогл. по массе, % Прочность,МПа

раствора камня в 28 сут. сухого камня изгиб сжатие

Обычный раствор

Ц+10ПСМС+СП 1335 1345 1110 0,43 25,5 25,9 4,7 15,3

Ц+30ПСМС+СП 840 855 550 0,70 32,3 41,5 2,5 6,3

Ц+50ПСМС+СП 710 715 403 1,34 51,6 57,1 1,4 3,3

Экструдированный раствор

Ц+ЮПСМС+СП 1452 1455 1220 0,38 21,3 20,1 6,9 20,4

Ц+30ПСМС+СП 776 772 463 0,62 28,1 32 3,6 В,7

Ц+5 0ПСМС+СП 652 654 395 1,18 43,7 45,2 1,85 4,54

Указанная подвижность раствора достигается за счёт удаления газовой фазы, препятствующей скольжению, очистки поверхности частиц ПСМС и цемента при экструдировании. Повышению скольжения способствует шаровидная форма ПСМС, а лучшему смачиванию - очистка поверхности частиц.

Было определено, что паропроницаемость при равном расходе микросфер у экструдированного раствора ниже, чем у обычного раствора с ПСМС. При расходе ПСМС в 10 % паропроницаемость экструдированного раствора меньше, чем у гидроизоляционных материалов. Теплопроводность камня зависит от его средней плотности и расхода стеклянных микросфер.

Таблица 2 - Паропроницаемость и теплопроводность раствора с ПСМС

Состав, мае. % Средняя плот-яоеть камня, кг/'м3 Коэффициент паропро-ницания, мг/м ч Па Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/м' °С

Обычный раствор

10 ПСМС+С-3 1110 0,0077 1,316

30 ПСМС+ С-3 550 0,0306 0,329

50 ПСМС+ С-3 403 0,0497 0,201

Экст] рудированный раствор

10 ПСМС+С-3 1220 0,006 1,262

30 ПСМС+ С-3 463 0,029 0,215

50 ПСМС+ С-3 395 0,046 0,156

Известно, что паропроницаемость, теплопроводность и пористость рас-

твора с ПСМС взаимосвязаны. При сравнении пористости экструдированного и обычного камня с ПСМС было установлено, что пористость цементной

Таблица 3 — Пористость цементной матрицы в растворе с ПСМС

Поры матрицы Пористость. %, при расходе ПСМС от массы портландцемента

10 | 10+С-З | 30 130 +С-3 10 | 10+С-З | 30 130 +С-3

Обычного раствора Экструдированного раствора

Гелевые 83 90 75,1 78,4 88,6 95 82,5 87

Капиллярные 15,3 9 22,4 19,2 10,2 4,7 16,1 12,3

Воздушные 1,7 1 2,5 2,4 1,2 0,3 1,4 0,7

матрицы у первого ниже за счёт уменьшения расхода воды затворения и уп-

лотнения структуры (таблицы 3 и 4). Естественно изменилась и поровая структура при равном расходе микросфер. Существенно увеличилась гелевая пористость, а капиллярная и воздушная пористости уменьшились в полтора раза. При этом общая пористость системы увеличивается за счёт увеличения

количества микросфер в растворе, где они в объёме материала занимают место, в котором находилась связанная вода. После экструдирования для расхода ПСМС 50 % общая пористость составила 83,3 и 85,5 % с С-3 и без него соответственно.

Таблица 4 - Общая пористость раствора с ПСМС

Состав, мае. %, 100 ПЦ + Обычного раствора Экструдированного раствора

матрицы ПСМС общая матрицы ПСМС общая

10 ПСМС 23,5 17,7 40,8 22,2 23,5 45,0

30 ПСМС 35,3 26,2 61,1 32,1 32,7 64,5

50 ПСМС 50,1 33,4 83,2 47,4 38,5 85,5

ЮПСМС+С-З 11,4 21,9 32,9 9,5 26,9 35,9

30 ПСМС+ С-3 29,0 31,7 60,9 26,7 37,3 63,6

50 ПСМС+ С-3 42,6 36,2 78,4 40,3 43,1 83,3

Рисунок 1 - Усадка обычных (1 п, 2 п, 3 и, 4 п, 5 п, 6 п) и экструдированных (1, 2, 3, 4, 5, 6) растворов с ПСМС и С-3. Составы указаны в таблице 5.

Уменьшение воды затворения должно было привести к уменьшению усадки. Была количественно определена воздушная усадка обычного и экс-трудированного кладочного раствора с ПСМС (таблица 5, рисунок 1). Усадка определялась в возрасте 3, 7, 14, 21, 28, 180, 360 сут.

На основании результатов, представленных в таблице 5, были построены графики логарифмической зависимости деформации усадки от времени.

Воздушная усадка экструдированного кладочного раствора с ПСМС и С-3 (для всех составов) равна от 0,198 до 0,412 мм/м, т.е. соответствует це-ментно-песчаному кладочному раствору, и зависит от расхода микросфер, В/Ц и времени. С увеличением расхода ПСМС и В/Ц усадка раствора увели-

чивается. Усадка нарастает до 28 суток, затем рост её уменьшается и постепенно затухает к 180 суткам.

Таблица 5 - Усадка обычного и экструдированного раствора с ПСМС

№ Состав, мае. % Усадка, мм/м, через количество суток:

3 | 7 | 14 | 21 | 28 | 180 | 360

Для обычного раствора

1 п 100 ПЦ+10 ПСМС 0,057 0,102 0,163 0,268 0,373 0,747 0,754

2 п 100 ПЦ +30 ПСМС 0,072 0,138 0,247 0,365 0,476 0,944 0,952

Зп 100 ПЦ +50 ПСМС 0,081 0,286 0,379 0,528 0,764 1,231 1,253

4 п 100ПЦ+10ПСМС+С-3 0,044 0,083 0,141 0,178 0,244 0,483 0,506

5 п 100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 0,058 0,157 0,206 0,284 0,352 0,696 0,704

6 п 1 100ПЦ+50ПСМС+С-3 0,068 0,195 0,266 0,353 0,452 0,956 0,962

Для экструдированного раствора

1 100 ПЦ+10 ПСМС 0,033 0,072 0,141 0,212 0,296 0,564 0,592

2 100 ПЦ +30 ПСМС 0,042 0,088 0,197 0,316 0,412 0,755 0,786

3 100 ПЦ +50 ПСМС 0,048 0,097 0,298 0,497 0,651 0,922 0,956

4 100ПЦ+10ПСМС+С-3 0,022 0,049 0,097 0,138 0,198 0,377 0,403

5 100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 0,028 0,066 0,174 0,246 0,306 0,586 0,602

6 100 ПЦ+50 ПСМС+ С-3 0,036 0,086 0,177 0,298 0,409 0,811 0,816

Для комплексного рассмотрения диапазона расхода полых стеклянных микросфер (от 10 до 50 % от массы портландцемента), были проведены исследования с помощью математического планирования эксперимента. Матрица была составлена для двухфакторного эксперимента в трёх уровнях. Правильность составления матрицы и обработки результатов были проверены с помощью критериев Фишера и Стьюдента. В качестве факторов были выбраны: X! - расход полых стеклянных микросфер - ПСМС: 10, 30, 50 % (от количества портландцемента); Х2 - количество суперпластификатора С-3 — СП: 0; 0,5; 1 (доли единицы от массы портландцемента). В эксперименте были выполнены следующие условия: погружение стандартного конуса было 8...10 см; экструдированные смеси имели такую же подвижность; образцы хранились в нормальных условиях. После обработки результатов были получены уравнения регрессии с ошибкой при аппроксимации от 2 до 4 %:

В/Ц = 0,64 + 0,03 Х[ - 0,51 Х2 + 0,35 Х22 - 0,009 X! Х2 рр = 0,777 - 0,03 X, - 0,04 Х2 + 0,003 X,2 + 0,133 Х22 Яи = 3,6 - 0,13 X, + 0,68 Х2 + 0,11 X,2 Ясж = 8,8 - 0,421 X! + 2,77 Х2 + 0,017 Х^ р0 = 0,534 - 0,024 X! - 0,052 Х2 + 0,04 X,2 + 0,157 Х22- 0,022 X! Х2

ре = 0,772 - 0,25 X, - 0,125 Х2 + 0,0024 X,2 + 0,022 Х22 - 0,0018 X! Х2 В уравнениях даны следующие сокращения: Я,, - предел прочности при трёхточечном изгибе, МПа; Яож - предел прочности при сжатии, МПа; р0 — средняя плотность образца в сухом состоянии, кг/м3; ре - средняя плотность в возрасте 28 суток, кг/м3; рр - средняя плотность раствора, кг/м3.

Таким образом, были получены модели свойств экструдированного облегчённого кладочного раствора с ПСМС. Анализ уравнений регрессии позволил установить следующие закономерности. Все свойства кладочного раствора зависят от расхода полых стеклянных микросфер. С их увеличением повышается В/Ц и снижаются средняя плотность раствора, в возрасте 28 суток и в высушенном состоянии, а также - прочность при изгибе и сжатии. Однако при средней плотности кладочного раствора 650 кг/м3 прочность при сжатии более 4 МПа, что превышает требования ГОСТ. Совместное рассмотрение уравнений регрессии по средней плотности и прочности позволило установить, что оптимальным расходом суперпластификатора С-3 является его количество, равное 0,75 % от расхода портландцемента. Оптимизация же расхода ПСМС зависит от требуемых условий по средней плотности.

а б

Рисунок 2 - Рентгенограмма экструдированного (а) и обычного (б) раствора с 10 % ПСМС при твердении в нормальных условиях в возрасте 28 суток.

Были проведены рентгенофазовые и микроструктурные исследования обычного и экструдированного кладочного раствора аналогичных составов.

Результаты представлены на рисунке 2, 3 и в таблице 6. Структурообразова-ние цементного раствора с ПСМС сходно с обычными цементными системами, но добавляются алюмосиликаты натрия №20А120з-28Ю2, данбурит -Са0В203 8Ю2 (с А = (3,65; 3,57; 3,44; 2,96; 2,74; 2,73; 2,66; 1,44)-10"10 м) и Са0В203-28Ю2 (с ё = (3,48; 2,86; 2,66; 2,25; 2,23; 2,13 1,92)-10"10 м).

При формировании камня после экструдирования увеличивается закри-сталлизованность структуры, то есть степень кристаллизации. Были проанализированы интенсивности пиков на рентгенограммах (рисунках 2 а,б), алита ЗСаО-БЮ:, портландита Са(ОН)2 в растворе, кальцита СаСОз, гидросиликатов кальция ЗСа028Ю2-ЗН20. Карбонат кальция (кальцит) может образовываться при разрушении ПСМС. Наполнение углекислым газом происходит при формировании стеклянной оболочки во время производства полых стеклянных микросфер. Процесс частичного разрушения возможен при экстру-дировании смеси. Результаты даны в таблице 6. Степени гидратации и кристаллизации увеличиваются у экструдированных растворов по сравнению с обычными растворами. Интенсивность пиков алита в растворе снижается для всех составов с микросферами.

Таблица 6 - Интенсивность пиков минералов, новообразований и степень гидратации, кристаллизации структуры кладочного раствора

Кол-во Интенсивность Степень кристал- Степень гидрата-

ПСМС в Новообразования пиков, имп./с, лизации, % ции, %

растворе обычный экструд. обычный экструд. обычный экструд.

Ал ит 69 56

Портландит 630 560

10 ПСМС ЗСа028Ю2-ЗН20 -гидросиликат кальция 175 200 35 55 58 74

СаСОз - кальцит 215 225

Алит 55 41

Портландит 480 410

30 ПСМС ЗСа0-28Ю2-ЗН20 -гидросиликат кальция 158 208 29 47 45 63

СаСОз - кальцит 258 270

Происходит известная реакция гидратации алита с образованием гид-

росиликата кальция - ЗСа0-28Ю2-ЗН20 и трёх молекул портландита -

ЗСа(ОН)2. В растворе с ПСМС количество пиков карбоната кальция немного увеличивается за счёт незначительного разрушения микросфер при экстру-дировании: происходит реакция карбонизации портландита Са(ОН)2 с образованием водонерастворимого карбоната кальция. Он упрочняет камень и связывает водорастворимый портландит. Следовательно, связывание портландита в прочное соединение оказывает положительное влияние.

Степень кристаллизации после экструдирования увеличивается в 1,5 раза. Образуются прочные низкоосновные гидросиликаты кальция и их количество увеличивается. Степень гидратации повышается на 25...27 %.

Был проведён микроструктурный анализ кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами. У экструдированого раствора с ПСМС на фотографиях микроструктуры чётко прослеживается уплотнение структуры и увеличение площади контактов цементной матрицы и поверхности полых стеклянных микросфер. Следовательно, экструдирование кладочного раствора повышает плотность цементной матрицы между микросферами, площадь контактов цементной матрицы с поверхностью микросфер. Увеличиваются степени кристаллизации и гидратации цементной системы (таблица 6).

Рисунок 3 - Микроструктура экструдированого кладочного раствора с ПСМС: а - распределение микросфер в объёме камня; б - контактная зона

Расчётным путём по формуле Г.П. Сахарова установлено, что толщина цементной прослойки в экструдированном растворе для расхода микросфер 10 % составит 11,07 мкм; для расхода микросфер 30 % толщина цементной

прослойки будет равна 4,01 мкм, а для 50 % ПСМС - 3,74 мкм. Результаты микроструктурного анализа подтверждают эти расчёты.

Была проведена имитация прочности сцепления цементной матрицы с ПСМС. Так, прочность сцепления кладочного экструдированного раствора с ПСМС на отрыв в возрасте 28 суток со стеклом, имеющим химический состав, схожий с составом стенок ПСМС, превышает значения сцепления традиционных заполнителей более чем на 20...100 % и достигают значений 1,5 и 2 МПа. Прочность сцепления кладочного экструдированного раствора с ПСМС больше, чем у обычного раствора с ПСМС на 20...30 %, за счёт более плотной структуры, связанной со снижением воды затворения и активацией поверхности частиц цемента и микросфер. Прочность сцепления экструдированного раствора с ПСМС с керамическим кирпичом более чем на 20 % выше, чем у обычного раствора. При равном расходе микросфер и с добавкой суперпластификатора С-3 эта величина увеличилась на 21...22 %. Наибольшая величина прочности сцепления экструдированного кладочного раствора

с ПСМС, С-3 с керамическим кирпичом составила 5 МПа у состава: с 10 % ПСМС и С-3 (таблица 7).

Таблица 7 - Прочность сцепления раствора с основанием и ПСМС_

№ Состав, мае. % Прочность сцепления, МПа,

на отрыв с полнотелым керамическим кирпичом на отрыв со стеклом состава ПСМС

Для обычного раствора (прототипа)

1 п 100 ПЦ+10 ПСМС 3,75 1,36

2 п 100 ПЦ +30 ПСМС 1,42 0,85

Зп 100 ПЦ +50 ПСМС 0,94 0,51

4 п 100 ПЦ +10 ПСМС+С-3 4,11 1,57

5 п 100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 2,38 1,28

6п 100 ПЦ+50 ПСМС+ С-3 1,88 1,06

Для экструдированного раствора

1 100 ПЦ+10 ПСМС 4,47 1,64

2 100 ПЦ+30 ПСМС 1,77 0,98

3 100 ПЦ+50 ПСМС 1,10 0,65

4 100 ПЦ+10 ПСМС+С-3 5,01 2,22

5 100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 2,86 1,59

6 100 ПЦ+50 ПСМС+ С-3 2,25 1,28

Было предположено, что использование экструдированных смесей с

: полыми стеклянными микросферами для производства оконных перемычек, позволит получить материал с подобным стеновому материалу термическим

сопротивлением. Известно, что при производстве подобных изделий из сборного железобетона подвижность бетонной смеси по осадке конуса обычно составляет 0...4 см. Следовательно, у них водопотребность значительно ниже, чем у кладочных растворов. Это позволит существенно увеличить прочность, несущую способность изделий и др. свойства. Так, в работе смесь с ПСМС имела осадку конуса 2...4 см. Смесь после экструдирования и укладки, виб-роуплотнялась в течение 3 минут. Свойства материала даны в таблице 8.

Таблица 8 - Свойства экструдированного материала с ПСМС и С-3

Состав, мае. %, 100 ПЦ + В/Ц Средняя плотность сухого материала, г/см3 Влажность по массе, % Водопогл. по массе, % Прочность, МПа, в 28 сут. Удельная прочность, МПа

изгиб сжатие

ЮПСМС+С-З 0,27 1,152 16,4 17,6 9,31 26,63 23,34

30 ПСМС+ С-3 0,45 0,527 22,0 26,5 5,25 12,27 23,23

50 ПСМС+ С-3 0,90 0,394 34,2 38,5 2,64 6,39 16,43

Было установлено, что значительно снижается расход воды затворения при изготовлении экструдированного материала с ПСМС. Следовательно, должны произойти изменения в показателях паропроницания, коэффициента теплопроводности и др. Были получены результаты, которые приводятся в таблицах 8 и 9. Было также установлено, что удельные прочности у экструдированного материала с ПСМС при расходе микросфер 10 и 30 % больше 23 МПа и примерно равны. Удельная прочность определялась, как отношение прочности при сжатии к относительной плотности.

Таблица 9 - Паропроницаемость, теплопроводность и морозостойкость экструдированного материала с ПСМС

Состав, мае. % Коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С) в сухом виде Коэффициент паропроницания - ц, мг/м ч Па Морозостойкость, ЦЗО

100ПЦ+10ПСМС+С-3 0,212 0,006 75

100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 0,163 0,028 50

100 ПЦ+50 ПСМС+ С-3 0,083 0,047 35

Были определены технические свойства экструдированных смеси и материала с ПСМС. Сравнение показателей экструдированного материала и экструдированного раствора с ПСМС было выяснено, что при одинаковом расходе микросфер морозостойкость увеличилась на одну марку при существенном повышении прочности и снижении влажности и водопоглощения. Это связано

с уплотнением структуры за счёт уменьшения воды затворения и подвижности смеси, а также увеличением активности поверхностей твёрдых частиц.

С позиций механики разрушения были изучены свойства облегчённых материалов и изделий с полыми стеклянными микросферами при деформировании и разрушении в условиях равновесных испытаний при трёхточечном изгибе.

Таблица 10 - Свойства облегчённого материала с ПСМС

Состав, мае. % Прочность при изгибе, МПа Удельные энергозатраты на деформирование и разрушение, Дж/м

С, Сь 1 Сс

Мате риал, полученный из обычной смеси

100 ПЦ+10 ПСМС+С-3 6,9 37,1 60,0 97,1

100 ГЩ+30 ПСМС+ с-з 3,6 22,8 53,7 76.5

100 ПЦ+50 ПСМС+ с-з 1,85 17,1 33,2 50,3

Материал, полученный из экструдированной смеси

100 ПЦ+10 псмс+с-з 9,4 48,2 68,3 116,5

100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 5,0 29,3 59,5 88,8

100 ПЦ+50 ПСМС+ С-З 2,54 22,1 36,3 58,4

В основном, такие условия работы изгибаемых несущих конструкций наблю-

даются в различных конструкциях зданий и сооружений. Установка имела упругое стальное кольцо, которое создавало равновесные условия деформации и разрушения. При испытаниях получалась полная равновесная диаграмма деформирования и разрушения — ПРДЦ. Результаты представлены на рисунке 4, в таблицах 10 и 11.

Нагрузка - Р,Н

Рисунок 4 - ПРДД облегчённого материала с 10 % ПСМС: 1 - из экструдированной смеси; 2 - из обычной смеси.

Таблица 11 - Удельные энергозатраты, прогиб модуль упругости материала

с ПСМС

Состав, мае. % Удельные энергозатраты, Дж/м" на: ПрогиС п , 10° м, эи: Модуль упругости, МПа

инициирование трещины разрушение до старта трещины при фрагментации

Материал, полученный из обычной смеси

100 ПЦ+ЮПСМС+С-З 37,1 97,1 0,11 0,4 7690

100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 22,8 76.5 0,2 0,82 5235

100 ПЦ+50 ПСМС+ С-3 17,1 50.3 0.3 1,19 3630

Материал, полученный из экструдированной смеси

100 ПЦ+ЮПСМС+С-З 48.2 116.5 0,06 0,36 12135

100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 29,3 88,8 0,08 0,47 8252

100 ПЦ+50 ПСМС+ С-3 22,1 58,4 0,12 0,67 5945

* - фрагментация на две части при полном разрушении образцов;

** — статический расчётный модуль упругости по ГОСТ 29167-91.

При равновесных испытаниях можно выделить три основных укрупнённых энергетических показателя: трешиностойкость материала, которая характеризуется ПРДД до максимума, т.е. старта локальной трещины (восходящая ветвь); сопротивление росту локальной трещины, оцениваемая после старта трещины (ниспадающая ветвь ПРДД); полное разрушение материала определяется всей площадью диаграммы. Эти три показателя, делённые на площади поперечного сечения, образуют удельные значения, соответствующие энергии деформации и разрушения цементного материала - в;, Сь Ос.

Анализ данных, представленных на рисунке 4 и в таблицах 10 и 11, показывает, что трещиностойкость материала с полыми стеклянными микросферами, полученного из экструдированной смеси, имеет более высокие показатели. Материал обладает на 30...40 % большей трещиностойкостью, прочностью при изгибе и сжатии, а статический модуль упругости более, чем в 1,5 раза выше, чем у материала из смеси с ПСМС, не подверженной экстру-дированию. Более того, прогиб при максимальной нагрузке у образцов с 10 % ПСМС, изготовленных из экструдированной смеси, почти в 2 раза меньше, чем у обычного материала с ПСМС, а при 30 % и 50 % ПСМС - ниже более, чем в 4 раза. Из разработанного материала была изготовлена опытная партия оконных перемычек и, наряду с полученным кладочным раствором, использовались при малоэтажном строительстве в г. Наро-Фоминске.

На основании результатов исследований была разработана технологическая линия изготовления оконных перемычек, которая представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 — Технологическая схема изготовления перемычек

Были также разработаны технические условия: «Экструдированный кладочный раствор» и «Брусковые перемычки из экструдированной облегчённой бетонной смеси». Был получен технико-экономический эффект.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Обоснована механохимическая активация для получения эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путём экструдирования, приводящая к снижению водоцементного отношения, удалению газовой фазы из смеси, улучшению скольжения и сма-

чивания частиц цемента и микросфер, уменьшению пористости матрицы, повышению прочности контактной зоны и сцепления матрицы с микросферами, а также затвердевшей смеси с основанием при одинаковой её подвижности.

2. Разработаны технология получения экструдированного цементного кладочного раствора с ПСМС, включающая подбор и оптимизацию составов, а также технология изготовления армированных перемычек из экструдирован-ной смеси, которая включает в себя: технологическую схему; оптимальный состав компонентов; порядок и время перемешивания, экструдирования, укладки и уплотнения смеси, хранение, оценку качества.

3. Установлены закономерности изменения воздушной усадки экструдированного раствора с ПСМС и С-3 в возрастах 3, 7, 14, 21, 28, 180 и 360 суток. Воздушная усадка экструдированного кладочного раствора с ПСМС и суперпластификатором С-3 (для всех составов) равна от 0,198 до 0,412 мм/м, то есть соответствует цементно-песчаному кладочному раствору. С увеличением В/Ц усадка раствора увеличивается. Усадка нарастает в начальные сроки твердения раствора (до 28 суток), затем рост ее уменьшается и постепенно затухает к 180 суткам.

4. Установлено, что показатели паропроницаемости раствора с полыми стеклянными микросферами снижаются в результате применения метода экструдирования. При расходе ПСМС в 10 % паропроницаемость экструдированного раствора меньше, чем у гидроизоляционных материалов. Теплопроводность же камня зависит от его средней плотности.

5. Получены математические модели свойств экструдированного кладочного раствора с ПСМС в виде уравнений регрессии, где установлено, что все свойства кладочного раствора зависят от расхода микросфер. С их увеличением повышается В/Ц и снижаются средняя плотность раствора, прочность при изгибе и сжатии. Однако при средней плотности кладочного раствора 650 кг/м3 прочность при сжатии превышает 4 МПа, что значительно выше требований ГОСТ. Оптимальным расходом суперпластификатора С-3 является количество, равное 0,75 % от расхода портландцемента. Оптимизация же расхода ПСМС зависит от требуемой средней плотности.

6. Установлена зависимость между расходом полых стеклянных микросфер и толщиной цементной прослойки, равной 11,07 мкм, 4,01 мкм и 3,74 мкм, для составов с расходом микросфер 10 %, 30 % и 50 % соответственно.

7. Была определена прочность сцепления кладочного экструдированного раствора с ПСМС на отрыв в возрасте 28 суток со стеклом, имеющим химический состав стенок микросфер. Она превышает значения сцепления традиционных заполнителей более, чем на 20... 100 % и достигает значений 1,5 и 2 МПа. Прочность сцепления кладочного экструдированного раствора с ПСМС больше, чем у обычного раствора с ПСМС на 13...30 %, за счёт более плотной структуры. Прочность сцепления экструдированного кладочного раствора с ПСМС с полнотелым керамическим кирпичом более чем на 20 % выше, чем у обычного раствора. Так, прочность сцепления экструдированного кладочного раствора с ПСМС, С-3 с керамическим кирпичом составила 5 МПа у состава с 10 % ПСМС и С-3.

8. При изготовлении экструдированного материала с ПСМС с осадкой конуса 2...4 см значительно снизился расход воды затворения по сравнению с растворными смесями, что позволило получить удельные прочности более 23 МПа при расходе полых стеклянных микросфер 10 и 30 % от массы портландцемента.

9. При равновесных испытаниях на трёхточечный изгиб энергетические затраты на инициирование, рост локальной трещины и полное разрушение у материала с ПСМС, полученного из экструдированной смеси, на 30...40 % выше чем у обычных смесей с ПСМС. Трещиностойкость, сопротивление росту локальной трещины, прочность при изгибе и сжатии, а также модуль упругости более чем в 1,5 раза выше, чем у материала из обычной смеси с ПСМС.

10. Установлено, что за счёт более высокого модуля упругости, прогиб при максимальной нагрузке у образцов, изготовленных из экструдированной смеси на 10...43 % меньше, чем у обычного материала с ПСМС.

11. При одинаковом расходе микросфер от массы портландцемента за счёт уплотнения структуры контактной зоны морозостойкость увеличилась на од-

ну марку и более при существенном (почти в 1,5 раза) повышении прочности и снижении влажности и водопоглощения более чем на 30 %. 12. Разработаны технические условия - «Экструдированный облегчешшй кладочный раствор ТУ 574550-034-70436213-2012» и «Экструдированный кладочный раствор ТУ 574550-024-14731991-2012», «Брусковые перемычки из экструдированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-704362132012» и «Оконные перемычки id экструдированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-14731991-2012», утвержденные ООО «Комбинат производственных предприятий» и ООО «ТрансТехСтрой». Разработанные технологии изготовления кладочного раствора и армированных оконных перемычек были реализованы при строительстве объекта в г. Наро-Фоминске Московской области в количестве: 46 м3 кладочного раствора и 30 штук оконных перемычек. Экономический эффект составил 129 рублей на 1 м3 кладки и 14,5 тысяч рублей соответственно.

Основные результаты работы были опубликованы:

1. Капцов П.В. Свойства облегчённых изделий из экструдированных смесей при деформировании и разрушении // Вестник МГСУ. - 2013. - № 9. - С. 56 -61.

2. Орешкин Д.В., Капцов П.В. Научно-технические предпосылки получения экструдированных облегченных цементных систем // Вестник МГСУ. - 2012. - № 3. - С. 115-119.

3. Орешкин Д.В., Семенов B.C., Капцов П.В. Экструдированные облегченные кладочные растворы // Вестник Томского ГАСУ. - 2012. - № 3. - С. 159 - 163.

4. Орешкин Д.В., Семенов B.C., Капцов П.В. Свойства кладочных растворов на основе экструдированных растворных смесей // Строительные материалы. -2012.-№9.-С. 58-60.

5. Капцов П.В., Орешкин Д.В. Пути повышения качества облегчённых кладочных растворов / Сб. тр. конф. «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М.: МГСУ, 16-18 октября 2013 г. - С. 115-119.

Подписано в печать 21.07.2014 г. Формат 60x84 / 16 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 270/к

Отпечатано в типографии Издательства МИСИ - МГСУ. Тел. (499) 183-91-90, (499) 183-67-92, (499) 183-91-44 129337, Москва, Ярославское ш., 26, корпус 8

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

АКТИВАЦИЯ ОБЛЕГЧЕННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ СМЕСЕЙ ПУТЕМ ЭКСТРУДИРОВАНИЯ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

высшего профессионального образования

На правах рукописи

04201460571

Капцов Пётр Владимирович

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Д.В. Орешкин

Москва-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ................................................................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................................5

1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ОБЛЕГЧЁННЫХ МАТЕРИАЛОВ

С ПОЛЫМИ СТЕКЛЯННЫМИ МИКРОСФЕРАМИ..................................................................10

1.1. Экструдированный мелкозернистый бетон................................................................................12

1.2. Облегчённые строительные растворы............................................................................................19

1.3. Трещиностойкость облегчённых цементных материалов............................................22

1.4. Выводы по главе 1. Научная гипотеза............................................................................................25

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ. МАТЕРИАЛЫ.

ОБОРУДОВАНИЕ......................................................................................................................................................27

2.1. Методики исследований..............................................................................................................................27

2.2. Исследовательское оборудование......................................................................................................32

2.3. Материалы................................................................................................................................................................38

2.4. Составы материалов........................................................................................................................................43

3. ОБЛЕГЧЁННЫЙ ЭКСТРУДИРОВАННЫЙ КЛАДОЧНЫЙ РАСТВОР............44

3.1. Свойства облегчённого экструдированного кладочного

раствора с ПСМС..........................................................................................................................................................44

3.2. Подбор и оптимизация составов кладочного раствора с ПСМС............................52

3.3. Изучение структуры оптимизированного экструдированного облегчённого кладочного раствора с ПСМС......................................................................................55

3.4. Прочность сцепления цементного камня с ПСМС..............................................................66

3.5. Выводы по главе 3 ............................................................................................................................................69

4. ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ОБЛЕГЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОЛЫМИ СТЕКЛЯННЫМИ МИКРОСФЕРАМИ......................72

4.1. Состав и свойства изделий из экструдированного облегчённого материала с ПСМС......................................................................................................................................................72

4.2. Деформативные свойства облегчённого материала с ПСМС....................................76

4.3. Технологическая линия изготовления перемычек..............................................................81

4.4. Выводы по главе 4............................................................................................................................................83

5. ОПЫТНОЕ ВНЕДРЕНИЕ ЭКСТРУДИРОВАННОГО ОБЛЕГЧЁННОГО МАТЕРИАЛА С ПСМС..........................................................................................................................................85

5.1. Внедрение экструдированного кладочного раствора......................................................86

5.2. Внедрение изделий из экструдированных смесей................................................................88

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................................................................................................................90

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................................................................93

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................................111

Приложение 1. Экструдированный облегченный кладочный раствор ТУ 57 4550-034-70436213-2012 (ООО «Комбинат производственных предприятий»)

Приложение 2. Экструдированный облеченный кладочный раствор ТУ 574550-024-14731991-2012 (ООО «ТрансТехСтрой»)

Приложение 3. Брусковые перемычки из экструдированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-70436213-2012 (ООО «Комбинат производственных предприятий»)

Приложение 4. Оконные перемычки из экструдированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-14731991-2012 (ООО «ТрансТехСтрой»)

Приложение 5. Акт о внедрении экструдированного кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами (ООО «Комбинат производственных предприятий»)

Приложение 6. Акт о внедрении армированных оконных перемычек из экструдированного материала с полыми стеклянными микросферами (ООО «Комбинат производственных предприятий»)

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность использования современных строительных материалов для возведения конструкций наружных стен из керамических блоков и разнообразных кирпичей, крупноформатных блоков и панелей из ячеистого бетона заключается в необходимости разработки цементных облегчённых растворов, обладающих высокими техническими и технологическими свойствами.

Решением проблемы повышения эффективности наружных стен является применение метода экструдирования для изготовления кладочного раствора и армированных перемычек проёмов из цементных смесей с полыми стеклянными микросферами.

Работа выполнена в соответствии с локальным проектом № 12 НИУ МГСУ, мероприятием 5.2 (ГК 16.552.11.7025) «Проведение в ЦКП научным оборудованием поисковых научно-исследовательских работ по основным направлениям реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме: «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием ГР ЦКП МГСУ поисковых НИР в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений».

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы является создание облегчённого кладочного раствора и изделий из экструдированных смесей с полыми стеклянными микросферами.

Для достижения цели работы были решены следующие задачи:

- Обосновать получение облегчённого кладочного раствора и изделий из экструдированных смесей с полыми стеклянными микросферами.

- Определить влияние введения в состав полых стеклянных микросфер на технические характеристики цементной смеси.

- Оптимизировать процесс экструдирования цементных смесей.

- Исследовать состав, структуру и свойства облегчённого экструдированного кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами и изделий, разработать технологию производства раствора и изделий.

- Провести опытное внедрение разработанных кладочного раствора и изделий из экструдированной смеси с полыми стеклянными микросферами.

Научная новизна работы

Обоснована механохимическая активация эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путем экстру-дирования, приводящая к снижению В/Ц отношения, удалению газовой фазы из смеси, повышению прочности контактной зоны и сцепления с микросферами и основанием.

Установлено снижение на 10... 15 % количества воды затворения экструдированного раствора и смеси для изделий, уплотнение структуры цементной матрицы при одинаковой подвижности смеси и повышение прочностей от 10 до 15 % при сжатии, изгибе, сцепления с основанием.

Методами РФА, МСА и ХА установлено, что степень кристаллизации экструдированной смеси увеличивается в 1,5 раза, степень гидратации - на 25...27 %, количество низкоосновных гидросиликатов кальция возрастает на 14...31 %, содержание Са(ОН)г уменьшается на 12... 17 %.

При одинаковом расходе полых стеклянных микросфер у экструдированных и обычных смесей определено уменьшение воздушной усадки во времени на 10...20 %, паропроницаемости - на 5...22 %, общей пористости и пористости матрицы - на 5... 10 %, возрастание прочности сцепления микросфер с цементной матрицей на 13...30 %.

Установлено влияние формы микросфер и толщины цементной прослойки, составляющей 11,07; 4,01 и 3,74 мкм в экструдированном растворе, с расходом микросфер 10, 30, 50 % соответственно на сохранение одинаковой подвижности смеси.

Получены математические модели прочностных свойств и средней плотности экструдированного кладочного раствора с микросферами, что позволяет проводить оптимизацию состава по требуемой плотности.

Получены зависимости от расхода микросфер у экструдированных цементных смесей по сравнению с обычными, при которых происходит повышение показателей модуля упругости на 36...39 %, морозостойкости на 30...50 %, водопо-глощения на 20...23 %, прогиба на 10...43 %.

Методами механики разрушения установлено, что изделия с полыми стеклянными микросферами из экструдированной смеси имеют на 30...40 % более высокие показатели трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины, чем изделия, изготовленные из обычной смеси.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Разработана технология получения экструдированного цементного кладочного раствора с ПСМС, включая подбор и оптимизацию составов.

Разработана технология изготовления армированных перемычек из экструдированной смеси, которая включает в себя: технологическую схему; оптимальный состав компонентов; порядок и время перемешивания, экструдирования, укладки и уплотнения смеси, хранение, оценку качества.

Внедрение результатов исследования

Разработаны технические условия - «Экструдированный облегченный кладочный раствор ТУ 57 4550-034-70436213-2012», «Брусковые перемычки из экструдированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-70436213-2012», утвержденные ООО «Комбинат производственных предприятий».

Проведено опытное внедрение экструдированного кладочного раствора при производстве работ по кладке наружных несущих стен из керамического кирпича частного жилого дома в г. Наро-Фоминске. Объём кладочного раствора составил 46 м3. Экономический эффект - 129 руб. на 1 м^ кладки.

Проведено опытное внедрение армированных оконных перемычек из экс-трудированной бетонной смеси при строительстве жилого дома в г. Наро-Фоминске. Было изготовлено 30 перемычек. Экономический эффект составил 14,5 тысяч рублей.

Разработаны технические условия — «Экструдированный облеченный кладочный раствор ТУ 574550-024-14731991-2012» и «Оконные перемычки из экс-трудированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-14731991-2012», утвержденные ООО «ТрансТехСтрой».

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены на: 13-й, 14-й, 15-й Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых учёных, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ, 2011, 2012 гг.); на симпозиуме «Проблемы современного бетона и железобетона», Минск, 09-11 ноября 2011 г., конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», (Москва, МГСУ, 16-18 октября 2013 г.), на семинарах «Лучшие публикации года в журнале «Строительные материалы» (Москва, МГСУ, 2011, 2012 гг.).

На защиту выносятся

- Обоснование разработки эффективных облегчённых кладочного раствора и изделий с полыми стеклянными микросферами за счёт активации приготовленной цементной смеси в экструдере.

- Зависимости снижения количества воды затворения экструдированного раствора и смеси для изделий, повышения прочностных показателей за счёт уплотнения структуры цементной матрицы при одинаковой подвижности.

- Увеличение степени кристаллизации, степени гидратации, количества низкоосновных гидросиликатов кальция, уменьшение содержания Са(ОН)2 у экструдиро-ванных образцов по сравнению с обычными составами.

- Зависимости воздушной усадки во времени, паропроницаемости, общей пористости и пористости матрицы, прочности сцепления микросфер с цементной матрицей при одинаковой подвижности от расхода полых стеклянных микросфер у экструдированных и обычных смесей.

- Влияние формы микросфер и толщины цементной прослойки в экструдирован-ном растворе от расхода микросфер на сохранение одинаковой подвижности смеси.

- Математические модели прочностных свойств и средней плотности экструдиро-ванного кладочного раствора с микросферами для проведения оптимизации состава по требуемой плотности.

- Зависимости модуля упругости, морозостойкости, водопоглощения, прогиба от расхода микросфер у экструдированных цементных смесей по сравнению с обычными.

- Зависимости трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины, определённые методами механики разрушения от расхода микросфер для образцов из экструдированной смеси по сравнению с обычными.

- Результаты опытного внедрения кладочного раствора и изделий из экструдированной смеси с ПСМС.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 110 страницах текста состоит из пяти глав, библиографического списка из 177 наименований и 6 приложений, включает 26 рисунков и 26 таблиц.

1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ОБЛЕГЧЁННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОЛЫМИ СТЕКЛЯННЫМИ МИКРОСФЕРАМИ

На текущий момент сбережение энергии и ресурсов в строительстве имеет экономическое и политическое значение во многих странах. При этом большую роль на данный процесс оказывает однородность однослойных ограждающих конструкций из мелкоштучных изделий. Однако существующие кладочные растворы не обеспечивают однородность конструкции стены. При средней плотности элементов стен 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 кг/м^ и кладки на обычных растворах формируются мостики холода, со значительным снижением их теплозащиты. Кроме этого, температурные коэффициенты линейного расширения в элементах конструкции стены имеют значительные различия. К тому же, пористые заполнители и наполнители имеют большую водопотребность. Это ведет к расслоению раствора, увеличению влажности и усадки, к снижению прочности камня. С учетом этих требований при использовании традиционных заполнителей невозможно получить среднюю плотность приготовленного кладочного раствора

о

меньше 1000 кг/м . Как уже отмечалось, современные кладочные растворы имеют среднюю плотность значительно выше, чем материал стен, что снижает коэффициент однородности стены (вплоть до 0,5). Это увеличивает сопротивление теплопередачи до 2-х раз, трудозатраты и материалоёмкость конструкции стены за счёт её утолщения.

В современном строительстве используются кладочные растворы и мелкозернистые бетоны (МЗБ). Они имеют доступную сырьевую базу, высокую однородность, прочность, простую технологию производства, транспортабельность. Однако такие материалы обладают недостатками: расходы цемента и воды повышены на 15-^25 %, также как показатели усадки и ползучести. Новые виды цементов и добавок позволяют уменьшить указанные недостатки. Но при этом, по мнению Г.П. Сахарова и др., не учитываются поверхностные явления и контактные взаимодействия цементного теста, камня с поверхностью песка и других наполни-

телей. Однако песок имеет в растворе и бетоне высокоразвитую поверхность и располагает большим запасом свободной энергии. Именно это позволяет повысить прочность и другие свойства мелкозернистого бетона и кладочного раствора. Этот эффект будет улучшать однородность структуры и физико-механические свойства цементных систем при использовании облегчающих мелко- и ультрадисперсных наполнителей. Для максимального использования эффектов адсорбции и адгезии, а также взаимодействия раствора с поверхностью облегчающих наполнителей в исследованиях использовался метод экструдирования. Это обеспечит максимальное сближение цементного теста и наполнителя, очистку их поверхности от защемленного воздуха и примесей; улучшит смачивание твердых частиц водой, их скольжение и другие эффекты. Это позволит повысить прочность, снизить усадку и ползучесть кладочного раствора и изделий.

В настоящее время не изучались теплофизические и технологические свойства таких кладочных растворов и изделий. В научной литературе опубликованы положения получения облегченных и сверхлёгких цементных растворов со сред-

о

ней плотностью менее 1000 кг/м с использованием эффективного газонаполненного наполнителя - полых стеклянных микросфер. Однако, не рассматривались структура и свойства (в том числе, реологические свойства) растворов с полыми микросферами, полученных способом экструдирования. Это позволит повысить качество кладки и стабильность качества раствора. Высокие технологические и эксплуатационные показатели кладочных растворов и изделий будут получены благодаря использованию эффективного наполнителя и способа приготовления смеси. Этот способ позволяет снизить расход воды, повысить прочность, морозостойкость и долговечность, как составную часть надёжности.

1.1. Экструдированный мелкозернистый бетон

Исследованиям структуры и свойств мелкозернистого бетона посвящено много работ учёных [1-5]. Выявлению и оценкой эффекта взаимодействия между собой зёрен песка, цементного (теста) камня с природными заполнителями бетона в экструдированных бетонных смесях занимались Сахаров Г.П. и Чан Минь Дык [6-13]. В литератур