автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Бетоны низкой водопотребности с модифицированным кварцевым наполнителем

МПС РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗН0Д0Р0ШЭГ0 ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

АГАИИН СЕРГЕЯ ВИКТОРОВИЧ

БЕТОНЫ НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕЕЖСТИ С ЮДИФИЦИРОБАНКЫМ КВАРЦЕВЫМ НАПОЛНЯТ ЕЛЕК

05.23. 05 - Строительные "материалы н изделия

Автореферат диссертации на соискание ученей степени кандидата технических наук

Москва -1553

- г -

Работа .выполнена в Московской институте иказиерон калевнодо-родного транспорта.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ЕII Солоиатов.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

К В. Ворон;-:!-. - кандидат технически« наук М. 3. Каган

Вэдув^о предприятие - Московский научно-иселедсвател*-

ский и проектно-технодогпческий институт стройиндустрип (.ШШТИстройиндустрии)

Вьпщта состоится "Л-* " и&И>ЬЛ> года в час о ь

на оаседании спациаливирс \кного совета Д 114.05.08 КЬскобского института иихйнэров дэлзакодоромного транспорта по гдресу: 10147Б, ГСП, г.Иоскга, А-Б5; ул. Образцове, 15, ауд. 1210. . .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1993 г.

Отеыш на автореферат, »вверенный печатью, проси* направлять по адресу совета института.

Учащей секретарь специализированного соьета

Е К Клюкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Несмотря на достаточно высокий уровень годового выпуска цемента п России, вопросы его экономии остаются весьма актуальными. Пэмимо дефицитности клинкерного вякутд^го» серьезной проблемой становится его высокая стоимость. Известны многие технические решения, позволяющие экономить цемент. Они связаны с широким использованием минеральных наполнителей, применением химических модификаторов• в бетоне, различными видами активации цемента, разработкой интенсивных ресурсосберегающих технологий, другими мероприятиями.

Дальнейшее развитие производства бетонных и келезоСэтоиных иэдэлий требует пирокого. использования для их изготовления высокоэффективных вяжущ«, разработки и внедрения эффективных технологий и технических решений, позволяющие обеспечить экономию ка-териальных, энергетических и трудовых ресурсов. При этом наибольший технико-экономический эффект следует ожидать при одновременной применении различных ресурсосберегающих методов, например, при использовании дополнительно активированных наполнителей и химических добавок в бетонах, приготовленных по интенсивной раздельной технологии.

Цель работы - разработка способа производства и создание технологии, бетонных смесей низкой водопотребности на базе цементов рядового помола и модифицированного кварцевого наполнителя в сочетании с эффективными химическими добавками и получение экономичных бетонов на их основе. '

Научная* новизна. Установлена целесообр;. /ность применения в бетонах низкой водопотребности активированного квар-

цевого наполнителя оптимальной дисперсности. Разработаны составы комплексного наполнителя на основе кварцевого песка, модифицированного в процессе измельчения небольшим количеством вяжущего вещества и суперпластификатора. Выявлены области оптимального наполнения цементного связующего и бетона с активированным наполнителем, исследованы закономерности структурообразования наполненного цементного вяжущего. Разработаны составы и изучены свойства бетонных смесей и бетонов с модифицированным наполнителем с учетом оптимальных режимов их приготовления по интенсивной раздельной технологии. Предложены рекомендации по приготовления и применению наполненных Сетонов низкой водопотребности.

Практическое значение. Установлена возможность получения экономичных по расходу цемента бетонов с модифицированным кварцевым наполнителем при сохранении требуемых физико-технических свойств. Рассмотрены свойства и эффективные режимы производства наполнителей и наполненных ими бетонов. Изучены свойства бетонов и разраб' аны рекомендации по их приготовлению и применению.

Реализация работы. Разработанные составы бетонов на основе цементных вяжущих, наполненных активированным кварцевым наполнителем, получили опытно-промышленио? внедрение на еа-воде КБК N 1 объединения "Иэрдовстройкоктрукцг.я" и в СМУ-1 Вурят-энергостроя.'

Апробация работа Основные положения работы и полученные результаты доложены и обсуждены на научно-технической конференции "Состояние и пути экономии цемента в строительстве" (г.Ташкент, 1930), на научно-технической конференции "Структуро-образование,. технология и евойет-ва композиционных строительных

- S -

материалов и конструкций (г.Саранск, 1990), на 1-й международной научно-технической конференции "Снижение материалоемкости продукции строительной индустрии" (г. Тажкент, 1992).

Публикации. » ГЬ результатам диссертационной работы опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы и? 122 наименований, приложений. Включает страниц машинописного текста,- содержит ¿.Т рисунков. Л? .таблиц.

.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Зо введен и. и обосновывается актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна работы и ее практическое значение.

I

В первой главе рассмотрены наиболее эффективные пути экономии цемента в строительстве, дан их краткий литературный обзор. Иг ложен опыт наполнения цементов, и цементных бетонов наполнителями различной природы и активности, особенности применения кварцевого наполнителя, эффективность использования химических добавок, различных видов активации компонентов вяжутцгго, 'сформулированы теоретические основы раздельного приготовления бетонных смесей,

С целью выявления наиболее существенных путей экономии цемента при производстве бетона и железобетона было опрошено 30 высококвалифицированных специалистов в этой области, Шсде обработки результатов исследования методом ранговой корреляции устан *лено, что наиболее эффективными, г.о мнению экспертов, являются иеполь-

- б -

вование химических добавок, прежде всего, еугьфпластафикатороа, применение минеральных наполнителей, правильный ыйор внд-s и шр-ки цемента, различные способы активации компонентов вяау^его, ья-тенсивные ресурсосберегающей технологии. Согласованное«. экспертов оказалась достаточной. Довольно высокий разброс ь шеанах шапертов подтвердил аффектиьность совшсткого испохъгошкия рю--вичиах средств, позволяющая ьшкошть цэыент.

Аналио отечественных и ос.рубегаш 1;еточн;;>;ов покиьь~'.:ет, что иркиэиевяе шяерэдьных «шюлкктедей псе веля г-т енкздпг расход цеиента, направленно изгонять фтаим>-тех;г«:<;дгсг.1'е сЕОйзтаа бато«а. Ценен ч с »жнеральнь'ми добавками к бетоны иа »ts основе i;e уступают чистоклинкерным. При &тсц на свойства бетона реелк^ее ви&чение окабьваот количество и дисперсность наполнителя и технология совмещения клинкерной составляюсь с минеральной добавкой. Вопроси наполнения бетонов кварцеаш вшкшштеле-м широко представ лени е> работах II П. Александрии^, Н. А. В*ледябского, П. П. Будникова, й. У» Бухта, А. Б. Волденского, Б. Г. Скрамтаева, Б. И. Соломатова, В. R Юнга и др.

Существенно повысить еффективность наполнения позволяет ксполъаоаание химических модификаторов, прежде всего эффективных .раглоиштаелей— пластификаторов и суперпластификаторов. Улучшить качество изделий и добиться дополнительной экономии цемента полно благодаря активации компонентов вякув^го (сухой и июфыА домол вягку^его, ультроввуковзя, гидравлическая активация и др.}.

Эффективным примером • совместного использования различных средств экономии цемента явилось создание вялущих ■ ни? кой водопотребности и тонкомолотых цементов. Несмотря на .высокие характеристики Сетонов на их основ», они имеют ряд еначительны

недостатков, связанных с повторным дошлом- цемента, который в присутствий абразива (кварцевый песок) ведет к сверхтонкому измельчена» частичек портландцемента при сравнительно крупной дисперсности кварца. Отсюда возмокные сбросы прочности бетона на ЕНВ в различные сроки твердения, уменьшение трециностойкости бетонов, попьжкная усадгд н подверженность сульфатной коррозии, зависимость свойств ЕНЗ от типа помольного оборудования, режима измельчения, правильно подобранной дозировки гипса.

Поэтов важной проблемой является, разработка составов вяжущего и бетона на основе цементов рядового пошла. Поиски ее решения проводились а сочетании с раздельной технологией приготовления смесей.

Во второй главе приводятся характеристики используемых материалов, оборудования, принятых методов исследования, изготовления к хранения образцов, сформулированы цели и задачи исследований, последовательность их реализации.

В экспериментах использовались цемент лабораторного приготовления из клинкера Воскресенского завода, портландцемента Михайловского и Вольского заводов. Ш минералогическому составу эти цементы близки к выпускаемым большинством заводов страны.

В качестве минерального наполнителя применяли кварцевый песок, измельченный до удельной поверхности 50-700 м*/кг.

Заполнители - строительный песок Андреевского карьера с Мкр - 2,3 и гранитный чэбенъ фракций 3-20 мм, отвечающей требова-ниям'ГССТ 10266-80.

. В качестве пластифицирующих добавок использовались С-3 и ЛСТ.

Изготовление наполненных и ненаполненных цементных пас / под-

вергнутых изучений, проводилось в лабораторном смесителе-актива-торв с частотой вращения ротора 1500 об/ши и со в 15 м/с.

Для исследования свойств наполненных цементных композиций использовались дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы и электронная микроскопия.

Достоверность результатов экспериментов оценивали методами-математической статистики с применением ЭВМ.

Оптимизация составов наполненного цементного вяжущего и бетона на его основе проведена с использованием аппарата математического плакирования эксперимента с получением полиномиальных математических моделей второго порядка, адекватно отрачаищи -поведение исследуемой системы при принятом уровне значимости.

Б третьей главе представлены результата по разработке к изучении свойств составов наполнении* ьялущих для Сетонов низкой водопотрабкости.

5Ь первом этапе исследовались неол&стифицировашше цементные пасты, наполненные иэыель иным кзарцо£ьм песком для разных Б/Ц. Показано, что при постоянных значениях В'Ц зависимость прочности цементного камня от степени наполнения косит экстремальный■характер. ■ С увеличением водо-цементного отношения максимум функции сменяется вправо и при Е/Ц «0,6 составляет 0,45-0,5. Поеьцйниэ содержания наполнителя до оптимальной величины интенсифицирует процессы твердения практич&ска ьо все сроки. Наилучшие результаты достигаются при удельной поверхности наполнителя 100 м'"/кг.

Увеличение степени наполнения ведет к потере подйианости цементных паст, которая повышается с ростом дисперсности наполнителя. Об этом свидетельству»:/: я результаты испытания образцов из равноподыииых наполнению, паст. Удельная поверхность цемента при

этом изменялась от Г00 до 400 м*/кг, наполнителя - от 100 до 7С0 м5/кг. Поэтому элективное наполнений мояет быть достигнуто лиал при использование пластифкцнрупвлх средств.

На втором этапе рассматривались свойства наполненного еьйэу»-ц^го, содержащего суперпластификатор. При изучении способов введения суперпластификатора в систему наиболее технологична« и эффективным для поставленной задачи признан путь совмещения суперпластификатора с наполнителем' в процессе его измельчения. Присутствие суперпластификатора С-3 значительно снижает водопот-ребность наполненных паст (нормальная густота Ц. Т. составляет 13,5-21%). Кроме того, пластифицирование устраняет потерю подвил-

г

ности с ростом степени наполнения, о чем говорит близость значений Н. Г. для разного содержания кварцевого наполнителя.

Прочность и. реологические характеристики пластифицированных цемеитннх паст исследовались для различных степеней наполнения с использованием трех видов цемента, функция .Я - /{ оптимальную рабочую зону в диапазоне Н/'Ц - 0,45-1,.?. Пластичность цементного теста изменялась незначительно, невзирая ив увеличение наполнителя в системе. Стабилизация подвижности позволяет расширить зону эффективного применения наполнителей.

На третьем этапе исследовалась воэмодность дополнительной активации наполкнтеяя путем модифицирования его поверхности неболь-• Ш1Ш количеством валувэго вещества. Устойчивый подожггельный результат может бить достигнут благодаря физико-химическим из мене-киям на поверхности частичек кварца, происходивши в результате их |^?.амичес«ой обработки л процессе измельчения. В качестве прослойки' аз й-:-!г^стьа испсдьгсвались портландцемент, не-

гашеная'известь и гипс. Установлено, что цеиенткь* пасты, содер-

мащие кварцевый наполнитель,' обработанный в процессе измельчания 27. С-3 и 2-10% портландцемента дают значительны;'! прирост прочности. Таким образом, нет необходимости в повторном измельчении Есей части цемента, как в ЕКВ, а достаточно домолоть лишь небольшое количество вяАуш,его вместе с кварцевым. наполнителем. Количество домалываемого Еялуш,его зависит от удельной поверхности на- ■ полнителл, на которой оно распределяется, и составляет для fejj- 100 мг/кг 2-Б% от массы кварцевого песка, а для 500 »//кг - 5-102. В процессе совместного измельчения происходит обогащение вновь обнажаемых поверхностей частичек кварца добавкой-прослойкой, которая -адсорбируется в основном на активных центрах наполнителя. При этом кислая природа кварцевой породы, усугубленная наличием нафгалинсульфокислого суперпластификатора, несколько компенсируется оснбвкыми свойствами портландцемента или извести. Полученный таким путем модифицированный наполнитель совмешдется с оставшейся частью цемента рядового помола на стадии приготовления связующего или бетонной смеси. Поверхности двух составляющих приобретают высокую степень сродства.

При проектировании состава модифицированного наполнителя с добавкой извести и гипса использовано математическое планирование эксперимента. Б результате реализации плана, где варьировались количество добавки, дисперсность наполнителя и В/Ц, а функциями отклика являлись прочность при слатии и изгибе и пластичность цементных паст, установлено, что оптимальное содерлание извести составило 0,5-22 от массы наполнителя. Использование гипса не привело к удовлетворительным результатам.

В ^присутствии суперллаеткфикатора и йебольшго количества вяжущего сглаживается влияние дисперсности наполнителя на прочность

. - 11 -

цементного кагня. Сптимэдьнвд величина удельной поверхности, актн-вироьанчого чягкшштега возрастает до ECO нл/кг в случае актрза-шш портландцементом и до 300 м-® /кг при применении лгьгсти и гипса.

5ф$»кгавшм модификатором кварцевого влпогнители, споссбству-• вчим ув^лич^шта прочности наполненного цементного камн;., является поуопкос-сррйный ¡.икрскремнеаеы, вводимый та:**» на стадии приготовления, наяолиитрля.

Использование суперпласт1ф«;угора С-3 в поьнш*нкмх дсрчромьх снижав? результативность мероприятий по ак.оно>'/,и ценекта РА-сскоЛ стоимости С-3. Поэтому была проведена работа по част гчрсЛ С-3 на ЛОТ. Условия плакирования эксперимента приведены в табл. 1.

Таблица 1

: Количество : Количество : Удельная по: С-3, % от ыас-!лСТ, % от нас-: верхность на: сы наполнителя: си наполните ля: полните дя, : : м /кг

■ код : Л У . Л,2 : Хз

Кн т е р в а л е ар ь и ро а а н и а 0,75 0,2 - ?со

Нилиий уровень 0 0 iœ

Средний уровень 0,7Б о00

Верхний уровень 1,5 0,4 500

После реализации (табл. 2). эксперимента получены сведущие модели

Таблица 2

NN

Прочность при сжатии, Ш1а

Нормальная густота, Ц. Т., 7.

коэффициенты : Гаусс, точность

коэффициенты : Гаусс, точность

60,5 4,265 -2,137 -г, 25 -з;о5 -6,15 ' 3,125 -2,35 2,525 2,93

. 60,5 12,05 6,05 0,364 5,05 .. ?,78б 4,725 6,201 5,05 5,85

21,0 -2,531 -0,97 2,003

-0,57 0,13 0,313 0,69

21,0 7,15 2,74 7,246

0,855 1,02 1,025 1,375

.Дисперсия неадекватности 9,045

Критерий Фишера 1,005

Дисперсия неадекватности 0,351

Критерий Фишера 1,403

Анализ модели показал высокую е$Ф?ктивность совместного использования химических добавок, практически не уступающую исключительному использованию С-3. Рекомендуемое количество ЛОТ составляет 0,2X от массы наполнителя. Оптимально!? содерлание С-3 с точки зрения прочности 1-1,2?. Увеличение »того количества мо-лет быть связано с требованием большей подвижности смесей. -

Исследования свойств цементных паст с активированным кварцевым наполнителем методами диф-ференциальйо-термического и рентге-нофазового анализов и'электронной микроскопии не выявили сушрст-

веяного изменения процессов гидратации, и фагового состава цементного кзмня.

В заключении третьей главы рассмотрены вопросы получения модифицированного кварцевого наполнителя.

По результатам исследований установлена целесообразность применения оптимально наполненных вяжущих с активированным кварцевым наполнителем.

В четвертой главе приводятся результаты исследований свойств бетонов низкой водопотребности, наполненных модифицированным наполнителем и приготовленных по интенсивной раздельной технологии.

В раэноподйижных смесях бетоны, содержащие а составе вяжущего до Б0% активированного наполнителя, не уступают по прочности составу на исходном цементе при одинаковом расходе величины "клинкерное вяжущее + наполнитель". Увеличение расхода этой величины до 650 кг/«3 приводит к существенному приросту прочности до 302. При возрастании содержания суперпластификатора С-3 в составе комплексной добавки наблюдается снижение.водопотребности бетонной смеси. Однако повышенную дозировку С-3 (более 32) целесообразно использовать лиаь как средство увеличения подвижности бетонной смеси. Хорошие результаты показало применение комплексной добавки С-3 + ЛОТ, обеспечившей существенную экономию дорогостоящей С-3. ■ Кинетика твердения наполненных -Сетонов несу^ственно отличается от кинетики твердения контрольного состава,

Зависимость прочности при слатии Сетонов низкой водопотребности от степени наполнения, расхода вялого и соотношении концентраций мелкого и крупного заполнителей изучалась с кдофй математического планирования эксперимента (табл. 3}.

Таблица 3

: Значения переменных при Наименование факторов : Сбозна-: уровне варьирования

: чения :

-1 : 0 : +1

Расход вяжущего, кг/м* X < 350 400 450

Степень наполнения, 7. 7.2 30 БО 70

Соотношение заполнителей Хг 0,3 0,4 О, Б -----------------------------,------------------------------------

Прочность при сжатии, М1а: .

Я - 61,02 + 11.37Х, - 11,38ХЬ + 0,Б5Х^ 3,8Х(Х^-

Дисперсия неадекватности 9,9062

Р - 1,455 при Рг - 1,94

Ср. квадратичная ошибка 2,6 Ша при t -.1,645, '

Наибольшее влияние на прочность бетона оказывает степень наполнения и расход вяжущего. Эффективность наполнения увеличивается с уменьшением расхода цемента на 1 м1 бетона.

Приготовление цементных пе.ст и бетонных смесей велось по интенсивной раздельной технологии, режимы которой в применении к предложенным составам подвергались изучению. Оптимальное время активации в смесителе-активаторе составило для наполненных паст 90-100 сек, по сравнению с 60-90 сек для "контрольных составов. Повысить прочность сцепления мелкого заполнителя с цементным камнем удалось совмещением части песка с наполненным связутацим в смесителе-активаторе при соотношении песок/вяжущее » 1,5-2.

Бетоны, содержащие в составе вяжушэго не более 50^ модпфици-роватСго кварцевого наполнителя, имеют морозостойкость, не усту-

. - 16 -

пакпую бегдобавочнш бетонам, обладает достаточной водонепроницаемостью и несколько более нивкой пористостью, чем контрольный состав.

По результатам диссертационной работы разработаны Рекомендации по приготовлений м применению Сетонов низкой водопотребности с модифицированным кварцевым наполнителем, проведено опытно-про-мьталекное внедрение.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально-теоретическими исследованиями наполненных цементных вяжущих и бетонов низкой водопотребности, приготовленных по интенсивной раздельной технологии, установлена воэмолность снимания расхода цемента на 30-70% за счет введения модифицированного наполнителя оптимальной дисперсности. Получение Сетонов осуществляется на основе цементов рядового помола.

2. Последовательно изучены свойства иепластифицироваЧных и пластифицированных цементных паст с кварцевым наполнителем. Показано, что использование супер'пластификатора, совмещенного с наполнителем, позволяет расширить зону эффективного наполнения.

3. Разработаны составы модифицированного наполнителя, включающего совместно измельченную смесь кварцевого песка, суперпяасти-фикатора и небольшого количества вялув^го веаэствз. Оптимальное' количество валуну го в составе наполнителя зависит от удельной поверхности кварцевого песка, на которой оно распределяется и составляет в случае использования й качестве прослойки портландцемента 2-101, в случае использования извести - О,от масса наполнителя. .Рассмотрены эффективные ре ли мы производства наполнителя. '

4. Эффективным модификатором кварцевого наполнителя, способствующим увеличению прочности цементного камня, является порошкообразный микрокремнеэем, вводимый на стадии приготовления наполнителя.

5. Показано, что использование модифицированного наполнителя существенно не изменяет процесса гидратации и фазовый состав цементного камня.

6. Изучены составы бетонов низкой водопотребности на основе цементов рядовиго помола, не уступающие по прочности бетонам на исходном цементе, при замене до 50% клинкерного вяжущего на активированный наполнитель. Установлена зависимость прочности при сжатии наполненных бетоноЕ от степени наполнения, расхода вяжуи*?-го и соотношения концентрации мелкого и крупного еаполнителей.

7. Показано, что бетоны, содержащие в своем составе не более БОТ. модифицированного наполнителя, имеют морозостойкость, не уступающую беедобавочным бетонам, обладают достаточной водонепроницаемостью и несколько меньшей пористостью, чем контрольный состав. Отработаны режимы приготовления бетонов низкой водопотребности по интенсивной раздельной технологии.

8. Разработаны рекомендации по приготовлению и применению бетонов с модифицированным кварцевым наполнителем. Проведено опытное внедрение предложенных составов в СЮ'-1 Бурятэнергостроя и на заводе ШЫ объединения "Мордовстрсйконструкция".

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в оледущих печатных трудах;

I. Аганин С. Р. , Аммооов П. Р. , Куььменко В. Д., Голоматов Е. И. Бетону низкий вод^потр^бноети с модифицированным кварцгькм напол-нит~л~.м ."/' С:.".'тгчние и пути ■?к(>номпн цем-нта а строительстве. Тншк-ит 1?"' - 15"-153.

2. Соломитов В. И. , Аганин С. В. , Буркасов Б. а Бетоны нивкой водопотребности с модифицированными минеральным! добавками '' Структурообраеование и свойства комлогиционных строительных материалов и конструкций. - Саранск, 1990 - с.БО-51.

3. Нагаров А. Г., Мелконов С. С., Аганин С. Е , Березина В. 3. Бетоны с модифицированным кварцевым наполнителем. - Саранск, 1.955.

4. Аганин С. В., Буркасов Б, В, Некоторые аспекты применения ресурсосберегающих мероприятий при производстве бетона // Сниле-ние материалоемкости продукции строительной индустрии. - Ташкент, 1552 - с. 32-33.

АГАШН СЕБГЕЯ ЕИКТОРОЕИЧ БЕТОНЫ КИЗКОЯ БОДОГКТРЕсЖСТИ С •

издшщировдннкм квабцевш наполнит елем

05. 23. 05. - Строительные материалы и изделия

Сдано э набор 0.Г. 93 . Подписано к печати /&,0£93. Яормат бумаги 50x90 1/16

Объем

Заказ Тира* 1С-" ека.

Тинограф-ия ШчГГз, 101475, ГСП, Ммква, А-55, ул. Образцова, 15