автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Бетоны на основе местных некондиционных песков для суровых климатических условий

На правах рукописи

Харченко Алексей Игоревич

БЕТОНЫ НА ОСНОВЕ МЕСТНЫХ НЕКОНДИЦИОННЫХ ПЕСКОВ ДЛЯ СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 МАР 7013

005050401

Москва, 2013

005050401

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Баженов Юрий Михайлович

Официальные оппоненты: Козлов Валерий Васильевич,

доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные материалы» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»)

Суханов Михаил Александрович,

кандидат технических наук, директор ООО «ИНТЭКОМ»

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие

города Москвы «Научно-исследовательский институт московского строительства»

Защита состоится «18» марта 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.138.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д.26 в ауд. № 9 «Открытая сеть»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» Автореферат разослан «15» февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Алимов Лев Алексеевич

Общая характеристика работы

Актуальность.

В настоящее время имеется положительный опыт использования мелкозернистых бетонов в жилищном и гражданском монолитном строительстве в районах Севера Сибири, в которых нет крупного заполнителя, в то же время имеются практически неограниченные запасы мелкого кварцевого песка, который классифицируется как некондиционный. При этом, производство мелкозернистых бетонов требует повышенного расхода цемента, что вызывает удорожание бетонных и железобетонных конструкций на 20-30%, а твердение бетона сопровождается развитием значительных усадочных деформаций, отрицательно сказывающихся на его трещиностойкости и долговечности.

Решением задачи повышения эффективности мелкозернистых бетонов на основе некондиционных песков для суровых условий эксплуатации является применение наномодификатора, получаемого путем механохими-ческой активации этих песков, в сочетании с комплексными добавками.

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.

Цель и задачи работы.

Целью диссертации является получение эффективных мелкозернистых бетонов с использованием наномодификаторов на основе некондиционных кварцевых песков.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

обосновать возможность получения эффективных мелкозернистых бетонов путем использования наномодификаторов на основе некондиционных песков;

оптимизировать режимы механохимической активации некондиционных песков в активаторах нового поколения;

разработать оптимальные составы мелкозернистых бетонов с наномодификаторами;

установить основные зависимости мелкозернистых бетонных смесей и бетонов с наномодификаторами от основных факторов;

разработать основные технологические приемы по производству эффективных мелкозернистых бетонов для монолитного строительства в суровых условиях эксплуатации;

- выполнить опытно - производственную апробацию полученных результатов.

Научная новизна.

Обосновано получение эффективных мелкозернистых бетонов для монолитного строительства путем замены части цемента наномодификато-ром, получаемым помолом некондиционного песка в промышленном активаторе с вертикальной рабочей камерой со скоростью вращения ротора не менее 10000 об/мин до получения порошкообразного продукта с размером частиц от 120 нм, размещающихся в межзерновом пространстве базового цемента, что способствует формированию качественной структуры цементного камня, образованию стабильных низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, а также снижению капиллярной пористости и повышению долговечности бетона.

С применением метода математического планирования эксперимента получена трехфакторная квадратичная модель прочности мелкозернистого бетона, учитывающая влияние количества наномодификатора, суперпластификатора и цемента, необходимая для прогнозирования свойств материала.

Установлено, что наномодификатор существенно снижает водо-потребность высокоподвижных мелкозернистых бетонных смесей за счет перераспределения воды в бетонной смеси и изменения форм ее связей, а также способствует снижению седиментации и улучшению контактной зоны между цементным камнем и заполнителем.

Установлены зависимости прочности и пористости, а также характера поровой структуры мелкозернистых бетонов с наномодификатором от основных технологических факторов.

Получена зависимость морозостойкости исследуемых мелкозернистых бетонов от величины «приведенного удлинения» и величины капиллярной пористости, позволяющих прогнозировать поведение мелкозернистого бетона в суровых условиях эксплуатации.

Установлена взаимосвязь морозостойкости с вязкостью разрушения (коэффициентом интенсивности напряжения) модифицированных мелкозернистых бетонов, позволяющая прогнозировать формирование их структуры и свойств в процессе производства и эксплуатации.

Получены мелкозернистые бетоны с пониженными деформациями усадки за счет использования расширяющейся добавки на сульфо-

алюминатной основе, что позволило получить мелкозернистые повышенной трещиностойкости и долговечности.

Практическая значимость.

Разработаны основные принципы производства и применения мелкозернистых бетонов с использованием наномодификатора с удельной поверхностью до 500 м2/кг и содержанием наноразмерных частиц в количестве до 25% от массы активированного песка. При этом, наномодификатор, получаемый в результате механохимической обработки местного некондиционного кварцевого песка, содержит суперпластификатор С-3 в количестве 0.7-1%.

Разработаны составы литого наномодифицированного мелкозернистого бетона с классом по прочности не менее В30, имеющего морозостойкость 150-270 циклов, с пониженной усадкой и повышенной трещино-стойкостью.

Внедрение результатов исследований.

На основании проведенных исследований разработаны Технические условия на мелкозернистый бетон на мелких некондиционных кварцевых песках Севера Сибири и рекомендации по технологии приготовления, укладки мелкозернистых бетонных смесей на основе портландцемента и наномодификатора для возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций.

Разработанная технология монолитного домостроения на основе некондиционного песка была реализована при строительстве здания администрации г. Губкинский (ЯНАО). Общий объем уложенного бетона класса В25...В40 на основе мелкозернистого бетона с наномодификатором составил 6750 м , включая 2250 м3 уложенного в зимних условиях при температуре -15...-37°С. Результаты работы использованы при строительстве гостиничного комплекса ОАО «Роснефть-Пурнефтегаз» общей площадью 5400 м . При этом, приготовлено и уложено в тело опалубки 3640 м3 мелкозернистого бетона класса В30 с наномодификатором, включая 1710 м3, уложенных в зимних условиях.

Общий экономический эффект от внедрения указанных разработок составил 23,5 млн.руб.

Апробация работы.

Основные положения результатов работы докладывались на научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ

молодых ученых МГСУ в течение 2009 - 2011 гг, на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство- формирование среды жизнедеятельности», проводимых в рамках реализации федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К.» в течение 2009 - 2011 гг., а также на международной конференции «1ВА1181Ь» (г. Веймар, Германия) в 2009г и 2012г.

На защиту выносятся:

- положения о повышении эффективности мелкозернистых бетонов на местных некондиционных кварцевых песках Севера Сибири;

- зависимости прочностных свойств, трещиностойкости, морозостойкости от В/Ц, средней плотности, величины и характера пор;

- технология мелкозернистых бетонов с наномодифицирующей добавкой;

- составы мелкозернистого бетона литой консистенцией с наномодифицирующей добавкой;

-результаты опытно-промышленного внедрения.

Объём работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы и приложений, содержит 143 страницы машинописного текста, 58 таблиц, 70 рисунков и список литературы, включающий 126 наименований.

Содержание работы.

В регионах, в которых отсутствует крупный заполнитель, при монолитном строительстве эффективным является использование мелкозернистых бетонов.

В настоящее время имеется положительный опыт применения фирмой «ИНТРА-БАУ ГмбХ» мелкозернистых бетонов, как в жилищном, так и гражданском монолитном строительстве в районах Севера Сибири. Климатические условия этого региона характеризуются среднегодовой температурой, близкой к нулю градусов и колебаниями среднемесячной температуры 36-38°С.

В районах строительства со слабо развитой транспортной инфраструктурой, в которых нет крупного заполнителя, и в то же время имеются практически неограниченные запасы мелких кварцевых песков,

которые классифицируются как некондиционные, естественным является применение мелкозернистых бетонов на основе местных сырьевых ресурсов.

С этой целью, фирмой «ИНТРА-БАУ ГмбХ», совместно с МГСУ разработаны технические условия на самоуплотняющийся песчаный бетон класса по прочности до ВЗО на мелких местных песках, характеризующихся модулем крупности 1.1-1.18, месторождений Нефтюганского, Губкинского, Тарко-Сале, Соликамского, предназначенного для монолитного строительства зданий и сооружений как в летних, так и зимних условиях. Однако, использование мелких песков для получения высокоподвижных бетонных смесей, предполагает повышенный расход цемента, что ведёт к удорожанию бетонных и железобетонных конструкций, отрицательно отражается на их трещиностойкости и долговечности. Новые возможности производства и применения мелкозернистых бетонов в строительстве открываются с использованием вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), которые получают совместным помолом портландцемента с поверхностно-активными веществами (ПАВ). При этом, активность вяжущего повышается в 1,5...2 раза, а его водопотребность не превышает 15-18%.

Однако, для условий Севера Сибири, получение ВНВ является затруднительным, так как требует наличия мощного помольного оборудования для переработки значительного количества цемента.

Решением данной задачи может стать организация производства наномодификатора, получаемого совместным помолом местного некондиционного кварцевого песка с суперпластификатором С-3, т.е. выполнить его механохимическую активацию, что позволяет обеспечить заданную дисперсность песка и использовать его в качестве активного компонента в формировании структуры и свойств вяжущих и бетонов на их основе. Активация песка в присутствии С-3 предотвращает агрегацию мелких частиц и снижает водопотребность композиционного вяжущего.

Для доказательства высказанных положений были проведены комплексные исследования, в которых использовали пески следующих месторождений:

- Тарко-Сале, с модулем крупности 1.14, с содержанием фракций более 5 мм — 0%, содержанием пылевидных частиц — 2.5%, и средней плотностью зерен 2.55 г/см3.

- Губкинского, с модулем крупности 0.95, с содержанием фракций более 5 мм - 0%, содержанием пылевидных частиц - 2.9% и средней плотностью зерен 2.55 г/см3.

- Нефтюганского, с модулем крупности 1.22, с содержанием фракций более 5 мм — 0%, содержанием пылевидных частиц - 3%, и средней плотностью зерен 2.55 г/см3.

- Соликамского, с модулем крупности 1.18, с содержанием фракций более 5 мм - 0%, содержанием пылевидных частиц - 3.5%, и средней плотностью зерен 2.6 г/см3.

В качестве вяжущего применяли бездобавочный тампонажный портландцемент ПЦТ-1-50, аналог М500 ДО, изготавливаемый ОАО «Сухоложскцемент», г. Сухой Лог Свердловской области. Характеристики цемента определяли по ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы исследований». Портландцемент удовлетворяет требованиям ГОСТ 1581-96 «Тампонажный цемент» (табл. 1).

Таблица 1

Основные характеристики тампонажного цемента

Наименование показателя Единицы измерения Величина

Содержание Сз8 % 58,7

Содержание С3А % 5,52

Удельная поверхность м2/кг 317,3

Водоцементное отношение — 0,5

Растекаемость цементного теста мм 297

Водоотделение цементного теста мл 3

Прочность при изгибе через 2 сут. МПа 4,2

Прочность при сжатии через 2 сут. МПа 13,4

Кроме того, при проведении исследований были использованы портландцемент марки М500 ДО Белгородского завода и марки М500 ДО Катавского завода, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10178-85. Свойства цементов представлены в табл. 2, химический состав клинкера в табл. 3, минералогический состав в табл. 4.

В качестве пластифицирующей добавки в соответствии с ГОСТ 2421191 «Добавки для бетонов. Общие технические требования» был использован суперпластификатор С-3 (СП С-3), соответствующий ТУ 6-36-0204229-62590.

В качестве расширяющего компонента была использована расширяющаяся добавка на сульфоалюминатной основе, в которой алюминатная составляющая была представлена метакаолином с удельной поверхностью 10-16,8 м2/г. Для производства наномодификаторов применялось помольное

оборудование нового поколения, а именно активатор АВР-03-ВК и мобильный исследовательский активатор — М-АВР, отличительной особенностью которых является то, что частицы, находящиеся в вихревом потоке подвергаются соударениям при скорости более 80 м/с, что обеспечивает их высокую дисперсность и активность.

0.010 0.100 1.000 10.00 100.0 1000 3ООО

Диаметр, мкм

Рис. 1. Гранулометрический состав активированного песка

Анализ гранулометрического состава активированного песка показывает, что он содержит частицы микро- и наноразмеров, которые равномерно распределены по объему модификатора, что исключает возможность их агрегации. Удельная поверхность активированного песка более чем на 100 м2/кг выше, чем удельная поверхность базового цемента. При этом активированный песок содержит наночастицы размером от 120 нм в количестве до 25%, что позволяет им являться эффективными центрами направленного кристаллообразования при гидратации цемента, замещать межзерновые пустоты базового цемента, вытесняя тем самым свободную межзерновую воду, уплотняя структуру цементного теста и исключая его седиментацию при низкой вязкости. На основе полученных наполнителей были приготовлены композиционные вяжущие (КВ) с расходом наполнителя от 10 до 50%. Из этих вяжущих были приготовлены образцы размером 3x3x3 см, которые твердели в течение 28 сут. в нормальных условиях.

Таблица 2

Характеристики используемых цементов

№ Наименование Активность, Сроки схватывания, ч. мин. Удельная поверхность, Нормальная густота,

п/п цементов МПа начало конец м2/кг %

1 Белгородский 49,6 3 ч. 25 мин. 4 ч. 36 мин. 352 25,5

2 Катавский 45,0 2 ч. 30 мин. 3 ч. 12 мин. 347 27,47

Таблица 3

Химический состав клинкера

№ п/п Наименование цементов Содержание оксидов, % ппп

8Ю2 СаО А120З Ре20з МцО Ыа20 К20 Б0з Я20

1 Белгородский 20,80 65,25 5,90 4,35 0,50 0,35 0,82 1,35 0,89 0,79

2 Катавский 21,12 64,20 5,79 4,47 2,03 0,33 0,97 0,24 0,97 0,63

Таблица 4

Минералогический состав клинкера

№ Наименование цементов Содержание основных минералов, %

п/п СзБ С28 СзА С4АР

1 Белгородский 62,0 16,0 6,0 14,0

2 Катавский 51,95 21,35 7,76 13,6

В результате проведённых предварительных исследований изменения прочности при сжатии цементного камня с добавкой наномодификатора (Н), установлены зависимости, которые адекватно описываются уравнением Я = 65,1727 - 0,17864 Н - 0,012 Н2 (1) Для определения активности полученных композиционных вяжущих на монофракционном песке изготовили контрольные образцы-балочки размером 40x40x160 мм из раствора стандартного состава, которые после термообработки были подвергнуты испытаниям. Составы стандартных растворов представлены в табл.5.

Таблица 5

Составы стандартных растворов (кг/м1) с нано,модификатором

N пп Состав КВ (Ц:Н) Цемент Наполнитель Песок Вода В/В Я, МПа

1 100:0 500 - 1500 220 0,44 59

2 75:25 375 125 1500 235 0,47 54

3 60:40 300 200 1500 250 0,5 50

4 50:50 250 250 1500 260 0,52 46

Исследование свойств мелкозернистых бетонов на мелких кварцевых песках месторождений «Тарко-Сале» на свойства бетонных смесей и бетонов было проведено на составах, представленных в табл. 6.

Таблица 6

Составы мелкозернистых бетонов с наномодификаторами

N пп Состав вяжущих Ц:Н Расход материалов, кг/м3 В/В

Цемент Наполнитель Песок Вода

1 100:0 524 - 1500 262 0,5

2 75:25 393 131 1500 253 0,48

3 60:40 315 209 1500 250 0,48

4 50:50 262 262 1500 245 0,47

Примечание. 1.Расход добавки С-3 составил 0,8% от массы вяжущего. 2. Подвижность бетонных смесей составляла около 5 см ОК.

Прочностные характеристики и пористость наномодифицированного мелкозернистого бетона исследовали после 28 суток твердения в нормальных условиях на образцах-кубах. Результаты испытания представлены на рисунке 2. Развитие процессов структурообразования наномодифицированного мелкозернистого бетона оценивали по скорости изменения ультразвука в период твердения. Переход смеси из пластично-вязкого состояния в затвердевшее, соответствовал рез-кому мелкозернистых бетонов: 1, 2, 3,4 - со- увеличению скорости прохожде-ния ставы из табл. 6 ультразвука. Время формирования

структуры мелкозернистого бетона при введении суперпластификатора С-3 удлиняется, например, при расходе добавки 0,6-0,8% от массы вяжущего, на 3-3,5 ч.

Исследование влияния наномодификатора, приготовленного на основе некондиционного песка, на процессы гидратации цементного камня, проводилось на образцах, изготовленных из цементного теста нормальной густоты, а также из цемента и наномодификатора, твердевших в нормальных условиях в течение 28 суток.

Таблица 7

Составы бетонных смесей без добавки С-3 (кг/м3)

кв в П Д, мм в/ц Вп, % Средняя плотность, г/см^

800 198 - 165 0.2475 - 2.1

чоо 148 600 0 46 10 6 7 08«;

ЧОП 180 доо 16е; 0 6 1 1 7 7 08

800 7.00 700 0.25

300 НО 600 700 0 5 17 Я 7 06

я по 710 ООО 900 0 7 7 П8

| Прочность при сжатии, МПа | Прочность при изгибе. МПа Общая пористость, %

Рис 2. Свойства наномодифицированных

Рис.3. Дифференционно-гермический анализ КВ, содержащего 15% наномодификатора и 10% РД

На термограмме наблюдается значительный эндотермический эффект с максимумом при 120°С, обусловленный потерей слабосвязанной воды продуктами новообразований (преимущественно эттрингит). При 380-500°С наблюдается потеря межслоевой воды гидросиликатами кальция, а при 700-770°С - наблюдается разложение М§С03 и СаСОэ. Два наиболее выраженных эндотермических эффекта с максимумами при 440°С и 760°С практически

Рис.4 Рентгено-фазовый анализ композиционного вяжущего, содержащего 15% наномодификатора и 10%РД

не сопровождаются изменениями массы образца, так как отражают процессы кристаллизации. Экзотермический пик 340°С характеризует переход аморфного железа в кристаллическую фазу. Экзотермический эффект при 860°С принадлежит кристаллизации волластонита из аморфной фазы. Идентификация продуктов гидратации, образовавшихся при твердении КВ выполнена с применением рентгенофазового анализа. Рентгенограмма образца подтверждает преимущественно аморфный характер С-8-Н-фаз

(рис.4.), которые имеют малую интенсивность (пики <1/п=10,141; 1,819 А0). Пики с1/п=3,847; 3,034; 2,285; 2,095; 1,929 А0 свидетельствуют о наличии кальцита, а рефлексы с!/п=4,918; 2,631; 1,795; 1,689 принадлежат портлан-диту. В результате поведённых исследований продуктов гидратации, было установлено, что при твердении портландцемента, содержащего нано-модификатор в виде активированного песка, образуются также низкоосновные гидросиликаты кальция, образующиеся в результате связывания активированного кремнезёма гидроксидом кальция.

Как известно, мелкозернистые бетоны отличаются повышенной межзерновой пустотностью, отсутствием жесткого каркаса, повышенной пористостью, ползучестью. Отсутствие крупного заполнителя приводит к значительным усадкам мелкозернистого бетона. Эффективным способом предотвращения усадки является использование расширяющихся добавок. Твердение вяжущего, содержащего такие расширяющие композиции, сопровождается двумя процессами: с одной стороны это химическая усадка, как неотъемлемая часть процесса гидратации цемента, с другой стороны -химическое расширение в результате образования эттрингита. В данной работе была использована комплексная добавка, содержащая в своем составе суперпластификатор С-3 и сульфолюминатный компонент на основе метаколина, способствующая формированию высокопрочной структуры и одновременно, предотвращающая усадочные деформации бетонов, полученных из высокоподвижных смесей. Исследования проводились на мелкозернистых бетонах класса по прочности В40 с подвижностью П5, соответствующих прочности при сжатии 51,3 МПа и подвижности по ГОСТ 7473-94 более 21 см. Бетонные смеси изготавливались с водоцементным отношением В/Ц=0,48 и при В/В отношении В/(КВ) = 0,44. Полученная подвижность бетонной смеси составила 24см ОК (П5), средняя плотность свежеуложенной бетонной смеси 2155 кг/м3. Для исследования свойств бетона изготавливались образцы-кубы размером 10x10x10 см и призмы размером 10x10x45 см. Результаты испытаний бетона представлены в табл.7

Усадка определялась на образцах 4x4x16 см на приборе ИЗВ-1 при влажности окружающей среды 60-80% и температуре 17-21°С. Измерения производились в течение 50 суток до стабилизации деформаций. При этом максимальная относительная усадка образцов с использованием комплексной добавки составила 1,3x10"3, в то время как контрольных - 2,0x10"3

Таблица 7

Свойства контрольных образцов по ГОСТ 10180-90

Время твердения, сут. Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа

3 2160 12,7

7 2172 45,1

28 2170 59,6

Примечание: твердение при Т=20+-2°С и влажности около 98%.

а к я

•е

а

ч

3

н X и о к н

о

Время твердения, сут. Рис.5. Усадка мелкозернистого бетона во времени:

1-мелкозернистый бетон без расширяющейся добавки

2- мелкозернистый бетон с расширяющейся добавкой

В результате проведённых исследований были получены квадратичные уравнения, адекватно описывающие развитие кинетику усадочных деформаций наномодифицированного мелкозернистого бетона без

__ расширяющейся добавки (1) и с

расширяющейся добавкой на сульфоалюминатной основе (2):

8у = 0,36834 + 0,07841 Т - 0,00096 Т'(3) су = 0,09175 + 0,06403 Т - 0,00080Т2 (4)

Таким образом, использование расширяющихся добавок сульфо-алюминатного типа позволяет получать мелкозернистые бетоны высокой прочности с пониженными деформациями усадки.

В соответствии с требованиями СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» при бетонировании в осенне-зимний период вводили нитрит натрия (НН) в количестве 2-4% от массы цемента для предохранения смеси от замерзания в процессе транспортирования и укладки в тело опалубки. Прогрев бетона выполнялся с применением греющего электрокабеля с последующим термосным выдерживанием. В результате ранее проведённых исследований была установлена полная функциональная совместимость НН с суперпластификатором С-3. Это позволило в процессе

зимнего бетонирования использовать комплексные добавки НН+С-3, НН+наномодификатор, а также НН+наномодификатор+РД, что обеспечило получение мелкозернистых бетонов с показателями по морозостойкости до БЗОО.

Для установления влияния наномодификаторов на структуру и свойства мелкозернистых бетонов было проведено математическое планирование эксперимента. В качестве факторов были выбраны: расход цемента, расход наномодификатора и суперпластификатора С-3. Расходы цемента и наномодификатора представлены в кг/м3, расход суперпластификаторав в % от массы композиционного вяжущего (табл.8).

Таблица 8

Факторы и уровни их варьирования

Наименование факторов Уровни варьирования Интервал

натуральное кодовое верхний средний нижний варьирования

(+) (0) (-)

Цемент (Ц), кг/ кб.м XI 585 520 455 65

Наномодификатор (М), кг/кб.м Х2 195 130 65 65

Суперпластификатор (Д),% ХЗ 1,5 1 0,5 0,5

В результате обработки экспериментальных данных была получена трехфакторная квадратичная модель прочности цементного камня, содержащего наномодификатор (3). Проверка адекватности полученного уравнения по критерию Фишера показала удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных:

Я = 45,2 + 8,4 XI + 5.5 Х2 + 3,4 ХЗ -0,7 XI2 - 0,5 Х22 + 1,9 ХЗ2 + 1,2 XI Х2 - 0,6 XI ХЗ - 0,7 Х2 ХЗ (5)

Для установления зависимостей эксплуатационных свойств мелкозернистых бетонов с наномодификаторами от их состава и структуры, были выбраны 4 состава, из которых были изготовлены образцы размером 7x7x7 см. В возрасте 28 суток нормального твердения образцы были испытаны на сжатие и водопоглощение под вакуумом. Данные представленные в табл. 10.

Таблица 10

Составы и свойства мелкозернистых бетонов на композиционном

вяжущем (КВ)

} Расход материалов в кг/м3 Средняя Прочность, Пористость,

п Цемент Модификатор Вода Песок плотность,кг/м3 МПа %

1 450 150 235 1380 2115 33,6 12,2

2 500 167 230 1335 2132 39,0 13,2

3 550 183 225 1328 2246 44,7 13,8

4 600 200 220 1313 2263 50,6 14,2

Примечание: расход суперпластификатора С-3 составил 1 % от массы цемента

С целью разработки режимов транспортирования и укладки смеси в тело опалубки, были проведены испытания сохраняемости бетонной смеси, которую определяли по изменению подвижности. Результаты исследования представлены в табл. 11. Анализ данных, представленных в табл. 11 показывает, что мелкозернистые бетонные смеси в течение 1,5 часов сохраняют практически заданную удобоукладываемость П5.

Таблица 11

Результаты сохраняемости составов на песке «Тарко-Сале» и «Соликамского» месторождений.

№ составов из табл.10 Подвижность в, см, после затворения по истечении времени, мин

5 30 60 90 120 150 180

2 (Тарко-Сале) 28 25 22 20 19 18 16

3 (Соликамск) 27 24 21 19 18 16,5 15,5

Для рассматриваемых мелкозернистых бетонов установлены зависимости прочности и пористости от В/В отношения (В/КВ):

R = 166 - 626,226 В/КВ + 736,618 (В/КВ)2 (6) П = 15,33 + 4,18 В/КВ - 31,2 (В/КВ)2 (7) R = 492,978 - 77,22 П + 3,243 П2 (8) Результаты исследования капиллярного подсоса образцов мелкозернистого бетона различных составов, представлены на рис. 6.

Процесс капиллярного всасывания образцов с наномо-дификаторами оценивали в первые 10 мин. Мелкозернистые бетоны состава 4, отличающиеся повышенным содержанием цемента и модификатора, имеют меньшую глубину впитывания и, следовательно, меньший радиус пор. С уменьшением содержа-Рис.6. Глубина капиллярного всасывания ния цемента в композиционном вя-наномодифицированного мелкозернистого жущеМ) при постоянном С0Держании

бетона: составы 1-4 из табл.10. х

модификатора (25%), растет содержание открытых пор, способных насыщаться водой.

Морозостойкость исследуемых мелкозернистых бетонов оценивали ускоренным методом по величине «приведенного удлинения» ( епр ) , т.е. наибольшей деформации (аномальному отклонению) относительно сухого образца .

Значения «приведенного удлинения» образцов испытанных составов мелкозернистых бетонов составили соответственно £пр= 10x10°, для состава 4;£пр= 10.2х10"5- для состава 3;£пр = 12,5x10""- для состава 2; £пр = 13.5x10°-для состава 1.

Одновременно с этим, морозостойкость бетонов оценивали и по величине капиллярной пористости, которую определяли с помощью метода трехстадийного насыщения образцов (над водой, в воде и под вакуумом), который позволяет выделить три группы пор.

Результаты определения трех групп пор представлены на рис. 7.

По значению величины

- пористость Зй группы! 13,So

пористости второй группы и «приведенного удлинения» с помощью существующих зависимостей была определена морозостойкость мелкозернистых бетонов, которая составила 150 -270

Рис. 7 Параметры поровой структуры мелкозернистых бетонов с наномодификатором

циклов. Изучение закономерностей возникновения и распространения трещин в бетоне при нагружении были использованы положения механики разрушения.

Определение вязкости разрушения производилось по ГОСТ 29167-91. Значения коэффициентов интенсивности напряжений приведены в табл. 12.

Анализ данных табл.12 показывает, что повышение прочности и вязкости разрушения (Кс) мелкозернистого бетона при увеличении содержания в нем наномодификатора связано со снижением дефектности структуры композиционного вяжущего.

Таблица 12

Прочность и трещиностойкость МЗБ

№ составов Прочность при Прочность при Кс

из табл.10 сжатии, МПа растяжении, МПа Мн/м3/2

1 33,6 3,59 2,15

2 39,0 4,42 2,27

3 44,7 5,07 2,61

4 50,6 5,57 2,96

Рис. 8. Продукты гидратации наномодификатора на основе кварцевого песка: гидросиликаты кальция и карбонат кальция.

Рис. 9.2

Рис. 9. Продукты гидратации КВ с расширяющейся добавкой на сульфоалюминатной основе: 9.1- эттрингит; 9.2 -моносульфат.

Установлена взаимосвязь между коэффициентом интенсивности напряжения и морозостойкостью МЗБ с наномодификатором, которая выражается уравнением Б = 206,9 Кс - 11,5 Кс2 - 241,7, представленным графически на рис. 10.

Результаты исследований нашли отражение в Технических условиях на мелкозернистый бетон на мелких некондиционных песках Севера Сибири и рекомендациях по технологии приготовления мелкозернистых бетонных

смесей на основе портландцемента и наномодификатора для возведения монолитных бетонных и железо-бетонных конструкций.

зоо

250

200

150

100 —

2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 Коэффициент интенсивности напряжения

Рис. 10. Взаимосвязь между коэффициентом интенсивности напряжения (Кс) и морозостойкостью (И) наномодифицированного мелкозернистого бетона

Разработанная технология монолитного домостроения на основе некондиционного песка была реализована при строительстве здания админи-страции г. Губкинский ЯНАО.

Общий объем уложенного бетона класса В25...В40 на основе мелкозернистого бетона с наномодификатором составил 6750 м3, включая 2250 мЗ уложенного в зимних условиях при температуре -15...-37°С. Результаты работы использовались при строительстве гостиничного комплекса ОАО «Роснефть-Пурнефтегаз» общей площадью 5400 м2. Объём приготовленного и уложенного в тело опалубки мелкозернистого бетона с наномодификато-

ром класса ВЗО составил 3 640 м3, включая 1710 м3, уложенного в зимних условиях. Общий экономический эффект от внедрения указанных разработок составил 23,5 млн.руб.

Основные выводы

1. Обосновано получение эффективных мелкозернистых бетонов для монолитного строительства путем замены части цемента нано-модификатором, получаемым помолом некондиционного песка в промышленном активаторе с вертикальной рабочей камерой со скоростью вращения ротора не менее 10000 об/мин до получения порошкообразного продукта с размером частиц от 120 нм в количестве до 25%, способствующих уплотнению цементного камня, образованию стабильных низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, а также снижению капиллярной пористости бетона.

2. Разработана технология производства мелкозернистых бетонов на основе портландцемента и наномодифицирующей добавки с удельной поверхностью до 500 м2/кг и содержанием С-3 = 0.7-1%, полученной в результате механохимической активации местного некондиционного кварцевого песка.

3. Разработаны составы литого наномодифицированного мелкозернистого бетона с классом по прочности не менее ВЗО, с морозостойкостью 150-270 циклов, пониженной усадкой и повышенной трещиностойкостью.

4. С помощью метода математического планирования эксперимента получена трехфакторная квадратичная модель прочности мелкозернистого бетона, учитывающая влияние количества наномодификатора, суперпластификатора и цемента, необходимая для прогнозирования свойств мелкозернистого бетона с использованием местного некондиционного песка и наномодификатора на его основе.

5. Установлена роль наномодификатора в мелкозернистых бетонных смесях, способствующего снижению седиментации и вязкости цементного теста, а также улучшению контактной зоны между цементным камнем и заполнителем.

6. Установлены зависимости прочности и пористости мелкозернистых бетонов с наномодификатором от основных технологических факторов.

7. Получена зависимость морозостойкости исследуемых мелкозернистых бетонов от величины «приведенного удлинения» и от капиллярной пористости, позволяющих прогнозировать поведение мелкозернистого бетона в суровых условиях эксплуатации.

8. Установлена взаимосвязь морозостойкости с вязкостью разрушения (коэффициентом интенсивности напряжения) модифицированных мелкозернистых бетонов, позволяющая управлять формированием их структуры и свойствами, как в процессе производства работ, так и при эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций.

9. Получены мелкозернистые бетоны с пониженными деформациями усадки за счет использования расширяющейся добавки на сульфоалюми-натной основе.

10. Результаты разработок и исследований нашли отражение в Технических условиях на мелкозернистый бетон на мелких некондиционных песках Севера Сибири и рекомендациях по технологии приготовления мелкозернистых бетонных смесей на основе портландцемента и наномодификатора для возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций.

11. Разработанная технология монолитного домостроения на основе некондиционного кварцевого песка была реализована при строительстве здания администрации г. Губкинский (ЯНАО). Общий объем уложенного бетона класса В25...В40 на основе мелкозернистого бетона с наномодификатором составил 6750 м3, включая 2250 м3 уложенного в зимних условиях при температуре -15...-37°С. Результаты работы использовались при строительстве гостиничного комплекса ОАО «Роснефть-Пурнефтегаз» общей площадью 5400 м2. Объём приготовленного и уложенного в тело опалубки мелкозенистого бетона с наномодификатором класса В30 составил 3640 м3, включая 1710 м3, уложенных в зимних условиях.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Баженов Ю.М., Харченко А.И. «Исследование некоторых свойств цементов с тонкодисперсной добавкой»//Научно-технический вестник Поволжья,-2012;№5.-с. 83-85.

2. Баженов М.И., Харченко А.И. «Безусадочные мелкозернистые бетоны с использованием некондиционных песков»// Научно-технический вестник Поволжья.-2012;№5.-с. 86-88.

3. Дятлов А.К., Харченко А.И., Баженов М.И., Харченко И.Я. «Композиционное вяжущее для мелкозернистых самоуплотняющихся бетонов»// Научно-технический вестник Поволжья.-2012;№5.-с. 153-159.

4. Харченко А.И., Дятлов А.К., Баженов М.И. «Эффективные мелкозернистые бетоны на основе композиционных вяжущих для монолитного домостроения» // Научно-технический вестник Поволжья.-2012;№5.-с. 353-356.

5. М.И. Баженов, А.И.Харченко, И.Я.Харченко «Технологические особенности применения особо тонкодисперсного вяжущего Микродур в геотехническом строительстве»//Строительные материалы.-2012; №10-с.65-68

6. Bagenov M.I., Harcenko A.I. « Technologie und Eigenschaften von Kompositzementen für die Bodeninjektion »\\ 18.Internationale Baustofftagung "IBAUSIL", 12-15.09.2012, Weimar, BRD s. 1105-1108

7. Djatlov A.K., Harcenko A.I., Bagenov M.I. « Sandbeton auf Basis von Kompositzementen für den Monolithbau »\\ 18.Internationale Baustofftagung "IBAUSIL", 12-15.09.2012, Weimar, BRD s.760-763

8. Bagenov Y.M., Harcenko A.I. « Strukturbildung und Eigenschaften von Sandbeton für den Monolithbau »\\ 18.Internationale Baustoffiagung "IBAUSIL", 12-15.09.2012, Weimar, BRD s.754-759

9. Bagenov Y.M., Harcenko A.I., Pantschenko A.I. « Sandbeton mit steuerbarem Quelleffekt für den Monolithbau »\\ 17.Internationale Baustofftagung "IBAUSIL", 23-26.09.2009, Weimar, BRD s.l 127-1137

10. Харченко А.И.,Харченко 14^.«Intrabau-System для монолитного домостроения в условиях крайнего севера»//Стройпрофиль.-2008; №8 - с.16 -17

Подписано в печать. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная.

Усл. п.л. 1,5 Тираж 100 Экз. Заказ № 20130213 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-кт, д.28 Тел. 8-495-782-88-39