автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Безусадочные золо-цементно-песчаные стяжки для использования в гражданском строительстве

На правах рукописи

Музалевская Наталья Владимировна

БЕЗУСАДОЧНЫЕ ЗОЛО-ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНЫЕ СТЯЖКИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГРАЖДАНСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЯ 2012

005043913

Новосибирск 2012

005043913

Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы» Алтайского государственного технического университета имени И.И. Ползунова

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Овчаренко Геннадий Иванович

Официальные оппоненты: Бердов Геннадий Ильич, доктор техни-

ческих наук, профессор кафедры химии Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин)

Фомичева Галина Николаевна, кандидат технических наук, руководитель департамента образовательных проектов филиала ООО «КНАУФ МАРКЕТИНГ ЧЕЛЯБИНСК», г. Новосибирск

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

индустриальный университет», г. Новокузнецк

Защита состоится « 30 » мая 2012 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.02 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по адресу: 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, НГАСУ (Сибстрин), учебный корпус, ауд. 239, e-mail: sovet@sibstrin.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин)

Автореферат разослан «Л-b» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

xff'А.Ф. Бернацкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ежегодно в России вводится в эксплуатацию 55 -60 млн м жилья. Для устройства стяжки, как правило, применяют обычный це-ментно-песчаный раствор. При этом имеющееся оборудование не позволяет перекачивать растворные смеси малой подвижности, вследствие чего происходит усадка и трещинообразование покрытия, как за счет испарения избыточного количества воды, так и за счет «химической» усадки цементного камня. Для устранения отрицательных деформаций раствора необходимо введение в состав смеси компонентов, обеспечивающих расширение. Применение безусадочных или расширяющихся цементов позволяет добиться положительных линейных деформаций за счет образования этгрингита и/или гидроксидов кальция и магния. Одним из материалов, способствующих расширению растворов и бетонов, может являться высококальциевая зола ТЭЦ. Благодаря ее фазовому составу, включающему алюминаты кальция, алюмоферритно-стекловидную фазу, ангидрит, свободные СаО и МцО, расширение будет обеспечиваться как за счет гидратации «пережженных» оксидов кальция и магния, так и за счет образования дополнительного количества этгрингита и эттрингитоподобных фаз. Однако, при оценке степени расширения золосодержащих композиций необходимо учитывать постоянно изменяющийся состав высококальциевой золы.

Работа выполнялась в рамках договора ЕЗН № 8Н-08 «Исследование закономерностей структуро- и фазообразования в минеральных дисперсиях и строительных материалах на их основе» и гранта РФФИ 10-08-98028 р сибирь а «Исследование закономерности фазо- и структурообразования цементных строительных материалов с применением высококальциевых зол ТЭЦ».

Цель работы. Разработка составов и технологии устройства стяжек для пола на основе высококальциевой золы ТЭЦ, обеспечивающих безусадочное твердение и соответствие прочностных характеристик требованиям нормативных документов.

Задачи исследования.

1. Исследовать фазовый состав вяжущего стяжек для пола на основе цемента и высококальциевой золы ТЭЦ, а так же дополнительных расширяющих компонентов: строительного гипса и глиноземистого цемента.

2. Оценить влияние количества высококальциевой золы и дополнительных расширяющих компонентов в составе стяжек доя пола на собственные деформации растворного камня и его прочностные характеристики. Определить оптимальные составы стяжек.

3. Оценить влияние колебаний состава высококальциевых зол на собственные деформации растворного камня и его прочностные характеристики. Предложить технологические решения по получению стабильных характеристик материала из изменяющегося по составу сырья.

4. Проверить выявленные закономерности в производственных условиях.

Научная новизна. Разработаны безусадочные золо-цементно-песчаные

стяжки для пола на основе высококальциевой золы ТЭЦ от сжигания бурых углей Канско-Ачинского Бассейна, обеспечивающие нормативные требования по прочности и деформации расширения до 1 мм/м в воздушно-сухих условиях. При этом установлено:

- деформации расширения золо-цементной стяжки обусловлены наличием в золе свободной извести, а также фазами, формирующими эттрингит. Деформации, главным образом, зависят от содержания в стяжке высококальциевой золы, свободной извести в золе и подвижности растворной смеси;

- собственные деформации расширения в пределах до 1 мм/м стяжек из растворных смесей Пк2 для зол с содержанием свободной извести более 3,5 % достигаются за счет дозировки высококальциевой золы в количестве 60-70 % от массы портландцемента с увеличением расхода вяжущего на 60 %;

- для зол с содержанием свободной извести менее 3,5 % предложены составы расширяющих композиций на основе строительного гипса, гипса и глиноземистого цемента. Оптимальный состав безусадочных стяжек в этом случае включает 60 % высококальциевой золы, 10-15 % гипса и 5-10 % глиноземистого цемента от массы ПЦ. Необходимые деформации расширения в этом случае обеспечиваются расширяющими добавками за счет дополнительного синтеза эттрингита.

Практическое значение. Разработанные составы золо-цементно-песчаных стяжек позволяют при экономии портландцемента до 9 % получить материал, соответствующий требованиям СНиП 2.03.13-88 «Полы» по прочности при сжатии не ниже М150 и деформациям расширения до 1 мм/м.

Реализация работы. Разработанный состав золо-цементно-песчаной стяжки применялся для устройства пола на строящемся объекте г. Барнаула. В результате получено безусадочное покрытие, компенсирующее усадку цементного камня без нарезки деформационных швов и имеющее марку по прочности М150.

На защиту выносится:

- особенности формирования фазового состава в цементно-зольных композициях и в этих композициях с добавлением гипса и глиноземистого цемента при их длительной (до года) гидратации;

- установленные особенности и математические модели изменения собственных деформаций и прочности при сжатии золо-цементно-песчаной стяжки для пола в зависимости от состава стяжки и высококальциевой золы;

- установленные особенности и математические модели изменения собственных деформаций и прочности при сжатии золо-цементно-песчаной стяжки для пола с добавлением расширяющих компонентов в виде гипса, гипса и глиноземистого цемента;

- результаты опробования разработанных составов и технологии производства работ по устройству стяжки на строительном объекте.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на всероссийской конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития» (г. Челябинск, 2010 г.), всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития строительного материаловедения: энерго- и ресурсосбережение в строительстве» (г. Челябинск, 2011 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (г. Барнаул 2008 -2011 гг.).

Публикации. Результаты исследований изложены в 14 научных публикациях, в том числе в 6 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 122 страницы машинописного текста, 11 таблиц, 58 рисунков, список литературы из 105 источников и 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы и дается её общая характеристика, сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе (Безусадочные цементные композиции: методы получения и составы) приведен анализ литературы, посвященной вопросам усадочных деформаций цементного камня и способам их устранения.

По литературным данным (работы И.В. Кравченко, О.П. Мчедлова-Петросяна, Т.В. Кузнецовой, В.В. Михайлова, C.B. Самченко, B.C. Данюшевско-го, А.Е. Шейкина, И. Штарка и других) было установлено, что компенсировать усадочные деформации цементного камня можно за счет увеличения объема продуктов гидратации оксидов кальция и магния, образования дополнительного количества эттрингита и этгрингитоподобных фаз, либо их совместного действия.

В работах A.B. Волженского, Э.Г. Оямаа, М.А. Савинкиной, Г.И. Овчарен-ко, B.JI. Свиридова, P.A. Назирова, A.A. Безверхого, М.В. Балахнина, Г.С. Ме-ренцовой, Л.Г. Плотниковой, В.В. Патрахиной, Е.Ю. Хижинковой и других, освещаются особенности химического, минералогического состава высококальциевых зол, приводятся статистические взаимосвязи между их составом и свойствами и показывается возможность применения этих зол в составе смешанного вяжущего. Высококальциевые золы, благодаря своему фазовому составу, могут обеспечивать деформации расширения цементно-зольного камня.

По результатам анализа литературного обзора сделаны выводы, а также сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе {Методы исследования и характеристика сырьевых материалов) приводится описание методик, применявшихся в исследованиях, а также характеристики использованных материалов.

При определении свойств исходных материалов (портландцемента, высококальциевой золы ТЭЦ, глиноземистого цемента, строительного гипса, песка, а также растворной смеси и образцов из нее) применялись как стандартные методы испытаний, соответствующие ГОСТам и другим нормативным документам, так и оригинальные методики (содержание СаОСВоб)-

При исследовании фазового состава были использованы: дифференциально-термический анализ (DTA), совместно с методом дифференциальной термогравиметрии (DTA-DTG), рентгенофазовый анализ (РФА).

В исследованиях применялась высококальциевая зола ТЭЦ-3 г. Барнаула, полученная при сжигании бурых углей КАБ в парогенераторах с жидким шла-коудалением. Золы отбирались с электрофильтров в разное время с 2008 по 2011 годы. Эти золы представляют собой обожженную минеральную часть бурых углей Назаровского и Ирша-Бородинского разрезов Канско-Ачинского

бассейна. Полученные в ходе исследования характеристики проб зол свидетельствуют о колебаниях их свойств в широком диапазоне. Так, очевидны колебания по срокам схватывания зол: начало схватывания изменяется в пределах от 7 минут до 1 часа 40 минут и конец - от 15 минут до 5 часов 20 минут. Содержание свободного открытого СаО находится в пределах от 0,2 до 6,1 %; суммарной свободной извести - от 0,5 до 7,0 %.

В качестве вяжущего использовали портландцемент М500 ДО Голухинско-го цементного завода. Дополнительными расширяющими компонентами являлись: глиноземистый цемент ГЦ400 и строительный гипс Г5АШ. В качестве мелкого заполнителя для производства стяжки для пола использовался речной песок с поймы реки Обь с Мкр = 1,3, содержанием илистых, глинистых и пылева-тых частиц 4-5 %.

В третьей главе (Собственные деформации цементно-зольного камня и их регулирование) приводятся результаты исследования собственных деформаций цементно-зольного камня и цементно-зольного камня с добавкой строительного гипса или гипса и глиноземистого цемента, особенностей формирования их фазового состава.

В большей степени на линейные деформации цементно-зольных композиций оказывает влияние содержание СаОСВОб в золе (рис. 1).

ПЦ+ВКЗ (Са0св=0.5 %) —ПЦ+ВКЗ (СаОсв=2,4 %) —ПЦ+ВКЗ (СаОсв=3,9 %)

ПЦ+ВКЗ (СаОсв=5,1 %) —ф—Контроль

Рисунок 1 - Линейные деформации растворного камня во времени при содержании в вяжущем 60 % высококальциевой золы.

Увеличение количества свободной извести золы приводит к росту собственных деформаций расширения цементно-зольной композиции, однако при содержании СаОсво6 менее 3,5 % наблюдается усадка, подобно усадке цементного камня.

При этом на значение собственных деформаций оказывают влияние условия твердения образцов. Относительная влажность 100 % обеспечивает деформации расширения цементно-зольного камня, содержащего высококальциевую золу с различным количеством свободной извести, от 0,5 % до 5,1 %. В то время как цементный камень дает усадку в таких условиях. Последующее твердение образ-

цов в воздушно-сухих условиях (влажность 60 %) позволяет выявить золы, не обеспечивающие компенсацию усадки цементного камня.

Основными продуктами гидратации цементно-зольной композиции, помимо фазы С-Б-Н, являются портландит Са(ОН)2, эттрингит, гексагональные гидроалюминаты кальция состава С4АН13 _ 19, кальцит.

Таким образом, деформации расширения цементно-зольной композиции будут обеспечиваться в большей степени образованием Са(ОН)2 и зависят от содержания СаОсво6 в золе. При применении высококальциевой золы с содержанием свободной извести менее 3,5 % необходимо введение в состав цементно-зольного вяжущего дополнительных, расширяющих компонентов.

Изменение собственных деформаций цементно-зольного камня с различным содержанием гипса и глиноземистого цемента на 28 сутки твердения приведено на рис. 2. Полученная модель имеет экстремальный характер: с увеличением количества гипса и глиноземистого цемента в составе вяжущего увеличивается линейное расширение, составляющее до 8 мм/м.

Рисунок 2 - Зависимость линейных деформаций цементно-зольного вяжущего (40 % ПЦ + 60 % ВКЗ) на 28 сутки твердения от содержания гипса и глинозёмистого цемента.

Результаты рентгенофазового анализа цементно-зольной системы с добавлением 20 % строительного гипса от массы ПЦ через 28 суток твердения в нормальных условиях (рис. 3) показывают, что в трехкомпонентной системе увеличивается содержание эттрингита (с1/п = 9.71, 5.61, 4.69, 3.87, 3.49, 2.77, 2.69)-Ю"10 м и Са(ОН)2 (<3/п = 4.92, 2.63,1.92, 1.79, 1.69, 1.48)-10 ш м.

Введение в систему цемент-зола-гипс глиноземистого цемента в количестве до 20 % от массы портландцемента (рис. 4) приводит к еще большему увеличению интенсивности линий эттрингита (с1/п = 9.71, 5.61, 4.69, 3.87, 3.49, 2.77, 2.69)-10"10 м, при этом содержание портландита (с1/п = 4.92, 2.63, 1.92, 1.79, 1.69,

О

о о

1.48)-10" м остается высоким, что обеспечит стабильное существование эттрин-гита во времени в дальнейшем.

Рисунок 3 - Рентгенограмма цементно-зольного камня (40 % ПЦ + 60 %

высококальциевой золы) с добавкой 20 % гипса от массы ПЦ, гидратированного в течение 28 суток нормального твердения.

Рисунок 4 - Рентгенограмма цементно-зольного камня (40 % ПЦ + 60 % высококальциевой золы) с добавкой 20 % гипса и 20 % глиноземистого цемента от массы ПЦ, гидратированного в течение 28 суток нормального твердения.

Отмеченное подтверждается данными ДТА (рис. 5) и табл. 1, из которой видно пропорциональное увеличение доли этгрингита с введением расширяющихся добавок. Деформации расширения золо-цементного камня за счет гидратации свободного СаО в этом случае усилятся, так как этгрингит блокирует гидратацию свободного СаО золы и усиливает эффект расширения.

Таблица 1 - Потери массы гидратированных вяжущих через 28 суток по данным БТв

Состав вяжущего Вид добавки Потеря массы до 200 °С по данным 1)ТО, %

ПЦ - 6,0

40 % ПЦ + 60 % ВКЗ - 6,0

40 % ПЦ + 60 % ВКЗ 20 % Гипс 7,1

40 % ПЦ + 60 % ВКЗ 20% Гипс+ 20% ГЦ 9,5

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Temoerature ГС

Рисунок 5 - Термограмма продуктов гидратации цементно-зольного вяжущего (40 % ПЦ + 60 % В КЗ) с добавкой 20 % гипса и 20 % глиноземистого цемента через 28 суток нормального твердения.

Таким образом, свободная известь золы приводит к расширению золо-цементного камня. Этот эффект усиливается и дополняется добавками гипса или гипса и глиноземистого цемента.

В четвертой главе (Разработка составов стяжки для пола на основе ВКЗ с обеспечением стабильности собственных деформации) рассмотрены результаты оптимизации составов стяжки для пола в зависимости от свойств и состава высококальциевой золы, подвижности растворной смеси, собственных деформаций растворного камня и его прочностных характеристик.

Для выявления оптимального состава цементно-зольного вяжущего производилась оценка собственных деформаций растворного камня и его прочностных характеристик. За контрольный был принят состав цементно-песчаного раствора, применяемый на строительных объектах для выравнивания пола с соотношением компонентов (% масс.) портландцемент : песок = 24 : 76. В экспериментальных составах общее количество вяжущего увеличивалось от 10 до 90 % от расхода ПЦ в контрольном составе. При этом в вяжущем заменялось от 20 до 80 % портландцемента на высококальциевую золу. Составы для изготовления образцов золо-цементно-песчаного раствора приведены в табл. 2.

Применяемые высококальциевые золы содержали СаОсвсумм = 6,6 % (в составах С1-СЗ) и СаОсвСумм= 6,1 % (в составах С4-С5).

Результаты изменения собственных деформаций исследованных составов приведены на рис. 6.

Замена 20 - 40 % портландцемента высококальциевой золой в составе вяжущего при его увеличении на 10 - 30 % не позволяет полностью компенсировать усадочные деформации цементного камня (Cl, С2). Введение в состав вя-

жущего 60 - 80 % высококальциевой золы при увеличении расхода вяжущего на 60 и 90 % приводит к линейным деформациям расширения растворного камня, составляющим 0,8-1,5 мм/м на 28 сутки твердения.

Таблица 2 - Составы стяжек для пола

Обозначение состава Вяжущее, % Песок, % Состав вяжущего Примечание

ПЦ, % ВКЗ, %

СК 24 76 24 — Контрольный состав

С1 26,4 73,6 21,1 5,3 Количество вяжущего увеличено на 10 %, 20 % ПЦ заменено на ВКЗ

С2 31,2 68,8 18,7 12,5 Количество вяжущего увеличено на 30 %, 40 % ПЦ заменено на ВКЗ

СЗ 38,4 61,6 15,4 23 Количество вяжущего увеличено на 60 %, 60 % ПЦ заменено на ВКЗ

С4 38,4 61,6 7,68 30,72 Количество вяжущего увеличено на 60 %, 80 % ПЦ заменено на ВКЗ

С5 45,6 54,4 9,12 36,48 Количество вяжущего увеличено на 90 %, 80 % ПЦ заменено на ВКЗ

Учитывая то, что требуемую прочность стяжки в 15 МПа обеспечивают только составы С1-СЗ, в дальнейшем в качестве оптимального был выбран состав С-3, обеспечивающий как требуемую прочность, так и безусадочность.

---------о------

___—

у

^ Л.------------------— ' • -а ■ ■ -л

Время твердения, сут -СК —И-С1 —Л • С2 —* - СЗ--•••••• С5

Рисунок 6 - Изменение собственных деформаций золо-цементно-песчаных растворов различного состава во времени.

Принимая во внимание постоянно изменяющийся состав ВКЗ, для выявления ее оптимального количества в составе вяжущего исследовались собственные

деформации растворов с заменой 40, 60 и 80 % портландцемента золой с различным содержанием СаОсв.

Зависимости линейных деформаций растворного камня от количества высококальциевой золы в смешанном вяжущем и содержания в ней СаОсв на различные сроки твердения имеют одинаковый характер и отличаются лишь абсолютными значениями деформаций. Так, по мере твердения от 3 до 14 суток наблюдается рост линейного расширения дня всех составов. При этом наибольшее влияние оказывает содержание золы, т.к. увеличивается количество свободной извести в смешанном вяжущем.

На 28 сутки твердения (рис. 7) при замене в вяжущем 40 % цемента золой проявляются деформации усадки растворного камня. При замене 80 % цемента золой происходят значительные деформации расширения до 5 мм/м в составах с максимальным содержанием свободной извести в золе. Это связано с увеличением объема продуктов поздней гидратации пережженного оксида кальция, содержащегося в золе в большом количестве. Таким образом, данное статистическое исследование деформаций в камне на золах с разным содержанием СаОсв также подтверждает оптимальный состав С-3 (табл. 2).

■

I | 4

□ 3

□ 2 ЯЯ 1 □ о

Рисунок 7 - Зависимость линейных деформаций растворного камня от количества вводимой золы и содержания СаОсв в золе на 28 сутки твердения.

Влияние подвижности растворной смеси на собственные деформации камня и его прочностные характеристики оценивалось на составе СЗ при введении высококальциевой золы с различным содержанием свободной извести. Растворные смеси имели подвижность Пк2, Пк3 и Пк4 с погружением конуса 5, 10 и 15 см соответственно.

Полученные математические модели зависимости линейных деформаций от свойств, применяемых зол для составов стяжки различной подвижности позволяют установить граничные значения содержания свободной извести в золе, обеспечивающие безусадочное твердение растворного камня.

Линейные деформации I. на 28 сутки ,ммУМ

Количество водимой золы С, %

При подвижности растворной смеси Пк2 линейные деформации составов стяжек с высококальциевой золой, содержащей золу со свободной известью более 3,5 % составляют от 1,0 до 2,0 мм/м как в нормальных условиях, так и в воздушно-сухих. Применение зол с содержание свободной извести менее 3,5 %, приводит к усадочным деформациям, и требует введения дополнительных расширяющих компонентов.

Для обеспечения безусадочного твердения растворных смесей подвижно-стей Пк3 и Пк4 необходимо применение высококальциевой золы с содержанием свободной извести более 5 % (рис. 8).

□ 15 I 10.5 □ 0 I 1-0.5 ■ -1

Рисунок 8 - Линейные деформации растворного камня с высококальциевой золой разного содержания суммарного СаОсв, подвижность Пк3.

При оценке прочностных характеристик растворов, изготовленных из растворных смесей различной подвижности (Пк2, Пк3, Пк4), установлено, что с увеличением количества воды затворения происходит уменьшение прочности при сжатии растворного камня. При этом прочностные характеристики составов с подвижностью исходных растворных смесей Пк2 и Пк3 соответствуют маркам от М200 до МЗОО, что значительно превышает прочность контрольного состава (рис. 9).

Так как исследуемые составы растворных смесей предназначены для устройства стяжек, проверялось изменение их подвижности во времени. Исходя из требований ГОСТа 28013-98 и ГОСТа 7433-94, длительность транспортирования смеси подвижностью Пк3 может составлять не более 90 минут.

Установлено, что чем активнее зола, тем быстрее уменьшается величина погружения конуса, следовательно, уменьшается время транспортирования и ухудшается качество укладки и выравнивания смеси на объекте (рис. 10). При

Время т, сут 40

6 СаОсв сумм в золе.%

Линейные

деформации I, мм/м 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

этом необходимо учитывать величину гидратации свободной извести золы во время длительного перемешивания при транспортировании.

ИЗ 25

[V. 20

□ 16

□ 10

С] 5

■ 0

Рисунок 9 - Кинетика набора прочности растворного камня с ВКЗ разного содержания суммарного СаОсв, подвижности Пк3.

Для этого исследовались линейные деформации камня из растворных смесей, подвергшихся перемешиванию до снижения подвижности с Пк3 (10 см) до Пк2 (4-5см). Собственные деформации растворного камня после изменения марки по подвижности исходной растворной смеси уменьшаются, что говорит о нецелесообразности приготовления золо-цементно-песчаного раствора в заводских условиях и последующего его транспортирования на объект.

Время твердения, сутки

2 Содержание суммарного СаОсв в золе, %

Прочность. МПа

Рисунок 10 - Изменение подвижности растворной смеси во времени при содержании в вяжущем 60 % высококальциевой золы (по оси х - время, мин.).

Для обеспечения безусадочного твердения составов с применением высококальциевой золы, содержащей СаОсв менее 3,5 %, в состав вяжущего вводились дополнительные расширяющие компоненты: строительный гипс и глиноземистый цемент в количестве 5, 10, 15 и 20 % от массы цемента без увеличения общего содержания вяжущего в растворной смеси. Изменение собственных деформаций растворного камня с различным содержанием гипса и глиноземистого цемента приведено на рис. 11. С увеличением содержания расширяющих компонентов происходит увеличение значения деформаций расширения до 2 мм/м, однако это ведет к снижению прочности вследствие значительного эттрингито-образования и нарушения структуры камня.

Линейные деформации, мм/м

Количество гипса. %

5 5

Количество глиноземистого

цемента.

Рисунок 11 - Линейные деформации составов с различным содержанием гипса и глиноземистого цемента на 30 сутки.

Таким образом, наибольшую эффективность по уменьшению усадки в затвердевшем растворном камне обеспечивает введение высококальциевой золы с содержанием СаОсв более 3,5 %, но в сравнении с контрольным (цементно-песчаным) составом также можно наблюдать положительный эффект от добавки расширяющих компонентов: гипса и глиноземистого цемента (рис. 12).

В пятой главе (Технология приготовления и укладки стяжек для пола. Оценка экономического эффекта результатов работы) рассмотрены варианты устройства стяжек для пола в зависимости от состава сырьевой смеси и результаты производственной апробации на строящемся объекте.

Предложено две технологических схемы производства растворных золосо-держащих смесей в зависимости от исходных характеристик высококальциевой золы.

Схема № 1 - введение сухой золы в готовую растворную смесь на объекте. Количество дозируемой растворной смеси, изготавливаемой на заводе, в пересчете на сухое вещество составляет 77 % (15,4 % ПЦ и 61,6 % песка).

ПЦ+зола №7

—А ■ 10%ГЦ+10%Г — ■ - 15 % ГЦ+15 % Г •••»•• 5% ГЦ+10% Г —• - ПЦ+зола №6

Время твердения, сутки

Рисунок 12 - Изменение линейных деформаций растворного камня во времени (зола №7 - СаОев = 6,5 %; зола №6 - СаОсв = 3,5 %).

В процессе производства золо-цементно-песчаного раствора добавляется 23 % высококальциевой золы. При этом следует отметить, что возможно применение зол только с содержанием в них свободной извести не менее 3,5 %. Оценка качества высококальциевой золы осуществляется спиртово-сахаратным экспресс-методом в течение 20 минут для каждой партии золы.

Схема № 2 - изготовление сухих строительных смесей для стяжки на специализированном производстве. Производство безусадочных сухих золосодер-жащих смесей осуществляется при любых характеристиках высококальциевой золы. Обеспечение собственных деформаций расширения растворного камня происходит за счет изменения состава смеси.

В зависимости от содержания свободной извести в золе следует производить сухие смеси двух составов:

1) 15,4 % ПЦ + 23 % ВКЗ + 61,1 % П, при СаОсвоб в золе более 3,5 %;

2) 12,32 % ПЦ + 23 % ВКЗ + 1,54 % ГЦ + 1,54 % Г + 61,6 % П, при СаОсво6 в золе менее 3,5 %.

Применение сухих золо-цементно-песчаных смесей для устройства стяжек для пола позволит готовить растворную смесь необходимой подвижности непосредственно на объекте.

Экономическая эффективность использования золо-цементно-песчаного раствора состава № 1 в сравнении с цементно-песчаным (контрольным) составом составляет 602 руб. При применении в качестве расширяющих добавок 10 % глиноземистого цемента и 10 % гипса себестоимость сырьевых материалов стяжки снизится на 209,8 руб относительно стоимости цементно-песчаного (контрольного) состава.

Производственная апробация устройства золо-цементно-песчаной стяжки для пола состава № 1 была проведена фирмой «Теплоблок» в строящемся доме по адресу: г. Барнаул, пос. Южный, ул. Чайковского, 47.

Изготовление растворной смеси производилось непосредственно на строительном участке путем перемешивания в гравитационном бетоносмесителе растворной смеси заводского состава с добавлением до требуемого количества песка и высококальциевой золы. Полученная растворная смесь с подвижностью Пк2 (погружение конуса 6-8 см) укладывалась вручную на бетонное основание, обработанное водным раствором ПВА дисперсии. Через сутки твердения поверхность стяжки была затерта и покрыта полиэтиленовой пленкой. После месяца твердения дефектов в виде трещин усадки не наблюдалось.

Предлагаемый состав стяжки позволяет уменьшить расход цемента в количестве 75 кг на 1 м3 растворной смеси, при этом обеспечивая марку раствора М150.

ВЫВОДЫ

1. Деформации расширения цементно-зольного камня обусловлены как наличием в золе свободной извести, так и дополнительным образованием эт-трингита из фаз ВКЗ. При длительной гидратации до 1 года сохраняется резерв свободной извести золы, обеспечивающий безусадочность камня.

2. Для обеспечения нормативной прочности цементао-песчаньгх стяжек для пола содержание ВКЗ в них должно находиться в пределах от 40 до 60 % от массы вяжущего при подвижности растворных смесей Пк2. С учетом наличия вяжущих свойств у высококальциевой золы такие составы стяжек позволяют экономить до 9 % портландцемента.

3. Полученные модели взаимосвязи собственных деформаций камня от содержания свободной извести в ВКЗ и подвижности растворных смесей устанавливают граничные значения содержания СаОсв, обеспечивающего безусадочное твердение стяжек. Для растворов с подвижностью Пк2 содержание СаОсв должно быть не менее 3,5 %; для Пк3 и Пк4 - не менее 5 %.

4. Для низкоосновных зол с малым содержанием свободной извести предложены варианты обеспечения деформаций расширения за счет дополнительного синтеза этгрингита при добавлении в цементно-зольные композиции 1015 % гипса и 5-15 % глиноземистого цемента от массы портландцемента (или 1,5-3 % от массы вяжущего).

5. В результате производственной апробации устройства стяжки для пола при производстве работ фирмой «Теплоблок» в строящемся доме г. Барнаул, пос. Южный, ул. Чайковского, 47 было получено безусадочное покрытие без нарезки компенсационных швов. Предлагаемый состав стяжки (15,4 % ПЦ + 23 % ВКЗ + 61,1 % П) позволяет уменьшить расход цемента в количестве 75 кг на 1 м3 растворной смеси, при этом обеспечивая марку раствора М150.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Селютина A.B. Статистическое моделирование в технологии золосодер-жащих материалов / A.B. Селютина, Н.В. Музалевская, Р.И. Гильмияров, М.Н. Баев // Ползуновский альманах. - Барнаул, 2008. - № 2. - С. 65 - 67. (3/1 стр.).

2. Овчаренко Г.И. Безусадочные цементно-зольные композиции / Г.И. Ов-чаренко, Е.Ю. Хижинкова, Н.В. Музалевская, Т. С. Балабаева // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2010. - № 9. - С. 20 - 25. (6/3 стр.).

3. Овчаренко Г.И Прогнозирование собственных деформаций цементно-зольных композиций / Г.И. Овчаренко, Е.Ю. Хижинкова, Н.В. Музалевская, В.В. Алексеенко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. - № 3. - С. 45 - 47. (3/1 стр.).

4. Музалевская Н.В. Безусадочные стяжки для полов на основе высококальциевой золы ТЭЦ / Н.В. Музалевская, Г.И. Овчаренко, В.В. Алексеенко, Т.С. Балабаева, [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. -2011. - № 16. - С. 34 - 38. (5/3 стр.).

5. Музалевская Н.В. Особенности применения высококальциевых зол ТЭЦ в составах стяжек для полов / Н.В. Музалевская // Ползуновский вестник. - 2011. -№ 1. - С. 123-127.

6. Хижинкова Е.Ю. Безусадочные растворы с добавкой вяжущего низкой водопотребности на основе высококальциевой золы / Е.Ю. Хижинкова, Н.В. Музалевская, Е.С. Конюшенко, М.В. Костик // Ползуновский вестник. - 2012. - № 1-С. 126- 130. (5/2 стр.).

7. Овчаренко Г.И. Безусадочные стяжки на основе высококальциевых зол ТЭЦ / Г.И. Овчаренко, Е.Ю. Хижинкова, Н.В. Музалевская, [и др.] // Материалы международного конгресса «Наука и инновации в строительстве». - Воронеж,

2008. - С. 375 - 380. (5/3 стр.).

8. Щукина Ю.В. Особенности гидратации цементно-зольных композиции / Ю.В. Щукина, Н.В. Музалевская, Е.Ю. Хижинкова, [и др.] // Сборник докладов 3 (XI) Международного совещания по химии и технологии цемента. - Москва,

2009. - С. 255 - 258. (4/0,5 стр.).

9. Музалевская Н.В. Применение высококальциевых зол ТЭЦ в составах стяжек для полов / Н.В. Музалевская, Е.Ю. Хижинкова, Г.И. Овчаренко, [и др.] // Материалы всерос. конф. «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития». - Челябинск, 2010.-С. 73 - 76. (4/2 стр.).

10. Музалевская Н.В. Составы безусадочных стяжек для полов с применением высококальциевой золы ТЭЦ / Н.В. Музалевская, В.В. Алексеенко, Т.С. Балабаева, Г.И. Овчаренко // Материалы V всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов». - Пенза, 2010. - С. 175 - 178. (4/3 стр.).

11. Овчаренко Г.И. Исследование закономерности фазо- и структурообразо-вания цементных строительных материалов с применением высококальциевых зол ТЭЦ / Г.И. Овчаренко, Ю.В. Щукина, Н.В. Музалевская, Е.Ю. Хижинкова // Наука - Алтайскому краю. Сборник научных статей по результатам научно-

исследовательских работ, выполненных за счет средств краевого бюджета. -Барнаул, 2010. - № 4 - С. 266 - 270. (5/2 стр.).

12. Фомичев Ю.Ю. Определение оптимальных параметров гашения извести в высококальциевой золе ТЭЦ / Ю.Ю. Фомичев, Н.В. Музалевская, Г.И. Овча-ренко, [и др.] // Ползуновский вестник. - 2011. - № 1 - С. 153 - 156. (4/0,5 стр.).

13. Музалевская Н.В. Сухие смеси на основе высококальциевой золы ТЭЦ / Н.В. Музалевская, Г.И. Овчаренко, В.В. Алексеенко, [и др.] // Материалы всерос. науч.-практ. конф. «Перспективы развития строительного материаловедения: энерго- и ресурсосбережение в строительстве». - Челябинск, 2011. - С. 7 - 9. (3/2 стр.).

14. Музалевская Н.В. Вяжущее на основе высококальциевой золы для безусадочных растворов / Н.В. Музалевская, Г.И. Овчаренко, Т.В. Лютцева, [и др.] // Сборник материалов всерос. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири». - Тюмень, 2011. — С. 50-53. (4/3 стр.).

Подписано в печать 25.04.2012. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 2012 - 265

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

61 12-5/2728

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова"

На правах рукописи

МУЗАЛЕВСКАЯ НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА

БЕЗУСАДОЧНЫЕ ЗОЛО-ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНЫЕ СТЯЖКИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГРАЖДАНСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Специальность 05.23.05 «Строительные материалы и изделия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор

Овчаренко Геннадий Иванович

БАРНАУЛ-2012

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ГЕЦ - портландцемент. ВКЗ - высококальциевая зола. ТЭЦ - теплоэлектроцентраль. ГЦ - глиноземистый цемент. Г - строительный гипс. П - песок.

РФА - рентгенофазовый анализ. ДТА - дифференциально-термический анализ. СаОСВоб - свободный оксид кальция, %. СаОсвоткр - открытый свободный оксид кальция, %. СаОсвзакр - закрытый свободный оксид кальция, %. СаОсвсумм - суммарный свободный оксид кальция, %. А Ь - собственные деформации (удлинение), мм/м. МГСАК - моногидросульфоалюминат кальция. ГСАК - гидросульфоалюминат кальция.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 2

ВВЕДЕНИЕ 6

1 БЕЗУСАДОЧНЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ:

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И СОСТАВЫ 10

1.1 Виды усадочных деформаций 10

1.2 Факторы, влияющие на усадку цементного камня 12

1.3 Способы обеспечения безусадочности цементной композиции 16

1.3.1 Цементные композиции с добавкой оксидов кальция

и магния 18

1.3.2 Цементные композиции с образованием

эттрингитоподобных фаз 21

1.4 Состав и строительно-технические свойства высококальциевых

зол 24

1.5 Собственные деформации цементной композиции, содержащей высококальциевую золу 29

1.6 Стяжки для пола 33

1.6.1 Основные проблемы при устройстве стяжек и

пути их решения 3 5

Выводы к главе 1 37

2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 38

2.1 Методы исследования 38

2.1.1 Стандартные методы испытания 3 8

2.1.2 Оригинальные методы испытания 39

2.1.3 Рентгенофазовый анализ 40

2.1.4 Дифференциально-термический анализ 40

2.1.5 Статистическая обработка результатов 41

2.2 Характеристика сырьевых материалов 42

2.2.1 Высококальциевая зола ТЭЦ 42

2.2.2 Портландцемент 45

2.2.3 Глиноземистый цемент 46

2.2.4 Строительный гипс 46

2.2.5 Песок 47 2.3 Методика изготовления и испытания стяжек для пола 47

3 СОБСТВЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ЦЕМЕНТНО-ЗОЛЬНОГО

КАМНЯ И ИХ РЕГУЛИРОВАНИЕ 50

3.1 Собственные деформации цементно-зольного камня 50

3.2 Изменение фазового состава цементно-зольных композиций

при гидратации и твердении 52

3.2.1 Результаты рентгенофазового анализа 52

3.2.2 Результаты дифференциально-термического анализа 58

3.3 Регулирование собственных деформаций цементно-зольного

камня введением дополнительных расширяющих компонентов 64

3.4 Изменение фазового состава цементно-зольного вяжущего

при введении дополнительных расширяющих компонентов 68

3.4.1 Результаты рентгенофазового анализа 68

3.4.2 Результаты дифференциально-термического анализа 71 Выводы к главе 3 74

4 РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ СТЯЖКИ ДЛЯ ПОЛА НА ОСНОВЕ ВКЗ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ СТАБИЛЬНОСТИ СОБСТВЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ 76

4.1 Оптимизация количества золы вводимой в состав стяжки 76

4.2 Изменение подвижности растворной смеси и ее влияние на собственные деформации золо-цементно-песчаного камня 84

4.3 Регулирование собственных деформаций золо-цементно-песчасного камня введением дополнительных расширяющих компонентов 90 Выводы к главе 4 99

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ

ПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ И УКЛАДКЕ СТЯЖЕК ДЛЯ ПОЛА 101

5.1 Существующие проблемы при укладке и твердении цементных

стяжек для пола 101

5.2 Производство работ с использованием высокоподвижной растворной смеси 102

5.3 Изготовление сухих строительных смесей 104

5.3.1 Экономическая эффективность применения стяжки для

пола в виде сухой смеси 105

5.4 Опыт устройства золо-цементно-песчаной стяжки для пола 108 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 110 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 111 ПРИЛОЖЕНИЕ А 122

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Ежегодно в России вводится в эксплуатацию 55 -60 млн. м2 жилья. Для устройства стяжки применяют, как правило, обычный цементно-песчаный раствор. При этом имеющееся оборудование не позволяет перекачивать растворные смеси малой подвижности, вследствие чего происходит усадка и трещинообразование покрытия, как за счет испарения избыточного количества воды, так и за счет «химической» усадки цементного камня. Для устранения отрицательных деформаций раствора необходимо введение в состав смеси компонентов, обеспечивающих расширение. Применение безусадочных или расширяющихся цементов позволяет добиться положительных линейных деформаций за счет образования эттрингита и/или гидроксидов кальция и магния. Одним из материалов, способствующих расширению растворов и бетонов, может являться высококальциевая зола (ВКЗ) ТЭЦ. Благодаря ее фазовому составу, включающему алюминаты кальция, алюмоферритно-стекловидную фазу, ангидрит, свободные СаО и М^О, расширение будет обеспечиваться как за счет гидратации «пережженных» оксидов кальция и магния, так и за счет образования дополнительного количества эттрингита и эттрингитоподобных фаз. Однако, при оценке степени расширения золосодержащих композиций необходимо учитывать постоянно изменяющийся состав ВКЗ.

Работа выполнялась в рамках договора ЕЗН № 8Н-08 «Исследование закономерностей структуро- и фазообразования в минеральных дисперсиях и строительных материалах на их основе» и гранта РФФИ 10-08-98028 р_сибирь_а «Исследование закономерности фазо- и структурообразования цементных строительных материалов с применением высококальциевых зол ТЭЦ».

Цель работы. Разработка составов и технологии устройства стяжек для пола на основе высококальциевой золы ТЭЦ, обеспечивающих безусадочное

твердение и соответствие прочностных характеристик требованиям нормативных документов.

Задачи исследования.

1. Исследовать фазовый состав вяжущего стяжек для пола на основе цемента и высококальциевой золы ТЭЦ, а так же дополнительных расширяющих компонентов: строительного гипса и глиноземистого цемента.

2. Оценить влияние количества высококальциевой золы и дополнительных расширяющих компонентов в составе стяжек для пола на собственные деформации растворного камня и его прочностные характеристики. Определить оптимальные составы стяжек.

3. Оценить влияние статистики колебаний состава высококальциевых зол на собственные деформации растворного камня и его прочностные характеристики. Предложить технологические решения по получению стабильных характеристик материала из изменяющегося по составу сырья.

4. Проверить выявленные закономерности в производственных условиях.

Научная новизна. Разработаны безусадочные золо-цементно-песчаные стяжки для пола на основе высококальциевой золы ТЭЦ от сжигания бурых углей Канско-Ачинского Бассейна, обеспечивающие нормативные требования по прочности и деформациям расширения до 1 мм/м в воздушно-сухих условиях. При этом установлено, что :

- деформации расширения золо-цементной стяжки обусловлены наличием в золе свободной извести, а так же фазами, формирующими эттрингит. Деформации главным образом зависят от содержания в стяжке ВКЗ, свободной извести в золе и подвижности растворной смеси;

- собственные деформации расширения в пределах до 1 мм/м стяжек из растворных смесей Пк2 для зол с содержанием свободной извести более 3,5 % достигаются за счет дозировки ВКЗ в количестве 60-70 % от массы портландцемента;

- для зол с содержанием свободной извести менее 3,5 % предложены составы расширяющих композиций на основе строительного гипса, гипса и глиноземистого цемента. Оптимальный состав безусадочных стяжек в этом случае включает 60 % ВКЗ и 10-15 % гипса или 10-15 % гипса и 5-15 % глиноземистого цемента от массы ПЦ. Необходимые деформации расширения в этом случае обеспечиваются расширяющими добавками за счет дополнительного синтеза эттрингита.

Практическое значение. Разработанные составы золо-цементно-песчаных стяжек позволяют при экономии портландцемента до 9 % получить материал, соответствующий требованиям СНиП 2.03.13-88 «Полы» по прочности при сжатии не ниже М150 и деформациям расширения до 1 мм/м.

Реализация работы. Разработанный состав золо-цементно-песчаной стяжки применялся для устройства пола на строящемся объекте г. Барнаула (пос. Южный, ул. Чайковского, 47). В результате получено безусадочное покрытие, компенсирующее усадку цементного камня без нарезки деформационных швов и имеющее марку по прочности М150.

На защиту выносится:

- особенности формирования фазового состава в цементно-зольных композициях и в этих композициях с добавлением гипса и глиноземистого цемента при их длительной (до года) гидратации;

- установленные особенности и математические модели изменения собственных деформаций и прочности при сжатии золо-цементно-песчаной стяжки для пола в зависимости от состава стяжки и высококальциевой золы;

- установленные особенности и математические модели изменения собственных деформаций и прочности при сжатии золо-цементно-песчаной стяжки для пола с добавлением расширяющих компонентов в виде гипса, гипса и глиноземистого цемента;

- результаты опробования разработанных составов и технологии производства работ по устройству стяжки на строительном объекте.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития» г. Челябинск, 2010 г., Всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития строительного материаловедения: энерго- и ресурсосбережение в строительстве» г. Челябинск, 2011 г., а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АлтГТУ, г. Барнаул 2008 - 2011 гг.

Публикации. Результаты исследований изложены в 14 научных публикациях, в том числе в шести статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 122 страницы машинописного текста, 11 таблиц, 58 рисунков, список литературы из 105 источников и 1 приложение.

1 БЕЗУСАДОЧНЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И СОСТАВЫ

Процесс твердения цементных композиций сопровождается объемными изменениями, в результате которых возникают деформации усадки, обусловленные характером физико-химических процессов, протекающих в сложной гетерогенной капиллярно-пористой структуре цементного камня [1]. Известно [2], что деформации усадки зависят от влагопотерь материала, но эта зависимость носит достаточно сложный характер. У цементного камня, твердевшего на воздухе в течение 5 лет, она составляет около 3 мм на 1 м. Для бетонов - примерно 0,2 - 0,4 мм/м в течение года [3]. Усадка увеличивается пропорционально логарифму времени. Впоследствии, она ведет к появлению трещин, а в результате к уменьшению прочности и долговечности изделий.

Физико-химические процессы схватывания и твердения обычных цементов сопровождаются суммарной усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объема твердеющего цемента на протяжении длительного периода, что приводит к увеличению пористости, а в некоторых случаях - к напряжению структуры и частичному разрушению цементного камня.

1.1 Виды усадочных деформаций

И.В. Кравченко, систематизировав представления о явлении усадки, выделяет 3 вида усадки: физическая, химическая и термическая [4].

Физическая усадка вызвана, в первую очередь, избытком воды затворения, постепенно испаряющейся из бетона и цементного камня. Этот процесс происходит медленно, причем сначала вода будет испаряться из крупных полостей и пор, а затем из капилляров все меньшего диаметра. Внешние слои будут терять влагу быстрее, чем внутренние. Испаряться вода

будет до того момента, когда установится равновесие между содержанием влаги в образце и в окружающей среде (относительная влажность). Вода может испаряться также из образца не полностью насыщенного водой, но влажность которого, выше значения, соответствующего относительной влажности окружающей среды [5-9].

Процессы, происходящие при усадке на молекулярном уровне, называют химической усадкой. Гидраты, образующиеся при затворении ПЦ водой, занимают меньший объем, чем сумма безводных соединений и воды [10]. Уменьшение истинного объема системы «цемент + вода» составляет 4-5 см на 100 гПЦ [7].

Одна из теорий объясняет процесс усадки действием капиллярного давления, возникающих в микропорах и капиллярах цементного и увеличивающегося с уменьшением влажности внешней среды. Под действием этого давления происходит сжатие цементного камня и уменьшение его объема [6]. Согласно теории Михаэлиса, усадка является результатом высыхания набухших коллоидов. Ф. Ли рассматривает усадку как необратимое уменьшение объема цементного камня в результате снижения его водосодержания.

По данным А. Шейкина, усадка зависит от соотношения кристаллических и гелевидных частиц: чем больше гелевидных частиц, тем больше конструкция предрасположена к усадке [11].

К химической усадке также относят явление контракции (стяжения), которая отражает характер гидратации и твердения минеральных вяжущих, когда при возникновении гидратов образуется более плотное расположение атомов [5, 6].

Термическая усадка вызвана постепенным охлаждением бетона, при уменьшении скорости тепловыделения [6].

С точки зрения современных физико-химических представлений о механизме процессов схватывания и твердения минеральных вяжущих, усадка цементного камня и бетона обусловливаются сочетанием и

взаимосвязью физико-химических и физико-механических явлений, протекающих в твердеющем цементе.

1.2 Факторы, влияющие на усадку цементного камня

Капиллярные силы являются решающим фактором в развитии усадки при влагообмене в среде с относительной влажностью в пределах от 98 до 50 %. При 35-50 % влажности усадка является, в основном, следствием испарения межкристаллической воды на участках контактов коагуляционного типа. Величина усадки в значительной мере зависит от прочности кристаллизационных контактов, степени гидратации и удельной поверхности цемента, водоцементного отношения и времени твердения. Внутренние напряжения, при которых возникают усадочные трещины, зависят не только от величины усадки, но и от возраста, модуля упругости и ползучести цементного камня [6].

Минералогический состав цемента

Различие в усадке за счёт применения различных сортов цемента может достигать 50 %. Так, быстротвердеющий цемент даёт усадку примерно на 10 % большую, чем обычный цемент, для пуццоланового портландцемента также характерна большая усадка. Но наибольшая усадка характерна для высокопрочных цементов [4, 12 - 15].

Чем выше содержание в цементе С3А, тем больше расширение раствора в воде, что связано с образованием большего количества крупнокристаллического эттрингита, уменьшающего усадочные деформации. Чем выше содержание С28, тем больше усадка раствора на воздухе и меньше его растворение в воде [16 - 18].

Тонкость помола

Усадка цементного камня тем больше, чем дисперснее цемент. Но это справедливо лишь для начальных сроков твердения (до 1-2 месяцев). При дальнейшем же твердении показатели усадки обычно выравниваются [3].

Водоцементное отношение

При повышении В/Ц усадочные деформации затухают значительно медленнее [3, 10]. Вместе с тем данные, положенные в СН 365-67, говорят о том, что усадка не зависит ни от расхода цемента, ни от В/Ц [3].

Температура

Волженский A.B. [3] утверждает, что влияние температур (до 100 °С) на усадку относительно невелико, если при этом не изменяется относительная влажность среды. Милованов А.Ф. [19] имеет другое мнение: усадка при нормальной температуре возрастает по мере высыхания раствора или бетона. Естественно предположить, что при нагреве температурная усадка также будет возрастать и достигнет своего наибольшего значения при 60 — 90 °С и составляет при этих температурах 220—390 % относительно деформаций усадки ненагревавшегося бетона.

По другим данным процесс гидратации при твердении расширяющихся цементов зависит от температурного режима нагрева, температуры изотермического участка, времени выдерживания и скорости охлаждения [20, 21]. При этом установлено, что расширяющийся цемент относительно интенсивно твердеет даже при температурах до -5 °С. В диапазоне более низких температур выше точки замерзания достигаемая степень расширения больше, чем при комнатной температуре или при тепловой обработке [22].

Относительная влажность среды

Волженский A.B. и Пащенко A.A. [3, 23] представляют график усадки цементных образцов при твердении в воздушной среде с различной относительной влажностью (рисунок 1.1).

Исследования Лермита и Мамилана [6] при различной относительной влажности (30, 50, 70 %), а так же опыты Троксела при отн