автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Дисперсно-армированный цементобетон на основе техногенного сырья для дорожного строительства

На правах рукописи

АВИЛОВА Елена Николаевна

ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЙ ЦЕМЕНТОБЕТОН НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.05 \ Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2013

Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Клюев Сергей Васильевич

- Носов Владимир Петрович

доктор технических наук, профессор Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный институт», зав. кафедрой «Строительство и эксплуатация дорог»

- Гришина Анна Николаевна

кандидат технических наук, Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет», младший научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «26» декабря 2013 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, главный корпус, ауд. 214.

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

Автореферат разослан « 26 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ? Г. А. Смоляго

Ведущая организация:

Актуальность. На современном этапе отличительным признаком стран является рациональное потребление ресурсов, а одним из важнейших направлений ресурсосберегающей деятельности государства считается эффективное использование отходов производства. Отрасль дорожного строительства является наиболее емкой из всех потенциальных потребителей отходов.

Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах, до 30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья.

Решение вышеизложенных задач положено в основу разработанного проекта семилетней программы на период 2011 - 2017 годов, направленной на доведение параметров существующей сети автомобильных дорог Белгородской области до современного уровня.

Основной задачей новой семилетней программы является создание условий для совершенствования и развития транспортной инфраструктуры Белгородской области. Это - большой объем работ, требующий дальнейшего наращивания производственных мощностей, модернизации и технического перевооружения, а также комплектации высококвалифицированными специалистами дорожных предприятий. В данных условиях особенно актуальной становится проблема обеспечения материально-техническими ресурсами, необходимыми для реконструкции и ремонта автомобильных дорог.

Работа выполнена при финансовой поддержке в форме грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МК-2715.2012.8 и МК-5667.2013.8, ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, грант № 14.В37.21.1487.

Цель работы. Разработка эффективного цементобетона с использованием композиционных вяжущих и дисперсного армирования для дорожного строительства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка композиционных вяжущих для смесей высокой проникающей способности на основе техногенного сырья;

- исследование физико-механических и технологических свойств композиционных вяжущих на свойства бетона;

- разработка составов фибробетона для покрытий автомобильных дорог;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Предложены принципы повышения эффективности бетонов, используемых для производства автомобильных дорог, заключающиеся в оптимизации структуры на микро- и макроуровнях за счет применения композиционных вяжущих и дисперсного армирования, что позволило увеличить эксплуатационные характеристики композита до 40%.

2. Выявлен механизм влияния отходов мокрой магнитной сепарации на процессы структурообразования и свойства композиционного вяжущего. Вяжущее ВНВ-50 на их основе соответствуют пределу прочности ЦЕМ I 42.5 Н при сокращении клинкерной оставляющей до 50 %.

3. Разработана методика определения проникающей способности составов высокопроникающих смесей, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Выявлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве мини-конуса более 120 мм.

4. Установлен оптимальный процент дисперсного армирования мелкозернистого бетона полипропиленовой фиброй равный 4 кг/мЗ. Это объясняется тем, что дальнейшее увеличение процента дисперсного армирования дает незначительный прирост эксплуатационных характеристик, а в некоторых случаях и их снижением за счет уменьшения толщины бетонного слоя настолько, что материал проявляет склонность к расслоению.

5. Выявлены особенности микроструктуры контактной зоны полипропиленовая фибра - цементная матрица в зависимости от вида вяжущего, заполнителя и суперпластификатора. Установлен характер зависимости прочности сцепления полипропиленовой фибры от вида и количества вышеперечисленных параметров.

Практическое значение работы.

Разработаны составы бетонов на композиционных вяжущих для нижнего слоя основания автомобильных дорог на основе щебня из метаморфического сланца.

Разработанные составы высокопроникающих смесей позволяют получать бетоны класса В7,5 - В15 при укреплении щебеночных

оснований, что позволяет их использовать при устройстве оснований II категории автомобильных дорог.

Разработаны составы бетонов с различными видами заполнителя. При исследовании свойств бетонов в качестве мелкого заполнителя использовались техногенные пески из отсевов дробления кварци-топесчаника, сланца, гранита.

Установлена возможность использования отходов ММС железистых кварцитов в качестве мелкого заполнителя при получении высокопроникающих смесей и позволяющая получить широкую номенклатуру составов СВПС для устройства укрепленных оснований автомобильных дорог.

Выявлен оптимальный процент дисперсного армирования мелкозернистого бетона - 4 кг/мЗ, при котором происходит наибольший прирост прочностных характеристик до 40%.

Внедрение результатов исследований. Для широкомасштабного внедрения результатов работы для промышленного и гражданского строительства разработаны нормативные документы:

- стандарт организации СТО 2066339-001-2013 «Фибробетоны для покрытий автомобильных дорог»;

- рекомендации на изготовление покрытий автомобильных дорог из фибробетона с использованием композиционных вяжущих.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106, 270114, студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению «Строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Пензенского государственного университета архитектуры и строительства «Композиционные строительные материалы, теория и практика» (Пенза, (2008); Научно-технической конференции «80 лет Белорусской дорожной науке» (Минск, 2008); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010 г.); Научно-практической конференции «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, 22 декабря 2010 г.); Научно-практической конференции «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, 22 декабря 2011 г.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в семи научных публикациях, в том числе в трех статьях в журналах по списку ВАК РФ.

На защиту выносятся:

- разработка составов смесей с высокой проникающей способностью на основе композиционных вяжущих с использованием техногенного сырья КМА - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов;

- вопросы рационального подбора заполнителя и композиционного вяжущего для бетона и фибробетона;

- оптимальный процент армирования бетонов полипропиленовой фиброй для покрытия автомобильных дорог.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений, акта и справки внедрения. Диссертация содержит 148 страниц основного текста, в том числе 27 таблиц, 22 рисунка и фотографии, 136 наименований литературы и два приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По основным показателям, характеризующим развитие территориальной сети автомобильных дорог общего пользования, Белгородская область находится в хорошем состоянии.

Протяженность автомобильных дорог общего пользования Белгородской области составляет всего 7124,0 км, из которых 6569,4 км (92%) имеют твердое покрытие. По плотности дорог с твердым покрытием - 242 км на 1000 кв. км территории. В последние годы реализованы проекты по строительству и реконструкции 67 км современных автомобильных дорог.

В рамках развития сети автомобильных дорог в сельской местности в области построено свыше 80 км подъездов с твердым покрытием к 25 сельским населенным пунктам. Учитывая значимую роль автомобильных дорог в эффективном функционировании и устойчивом развитии аграрно-промышленного комплекса построено 1500 км подъездов к животноводческим комплексам.

В настоящее время, для изготовления бетонов применяются многие попутно добываемые породы Курской магнитной аномалии, такие как кварцитопесчаники, малорудные кварциты и сланцы. Цен-

ным сырьем для получения заполнителя для дорожных бетонов являются метаморфические сланцы, представляющие собой микрозернистые породы от темно-серого до черного цвета, с шелковистым блеском плоскости раскола, сланцеватой, иногда микроплойчатой или линзовидно-полосчатой текстуры.

Основной задачей при получении мелкозернистых бетонов, является снижение расхода клинкерной составляющей. Наиболее существенными факторами снижения содержания цемента в мелкозернистых бетонах являются уменьшение водопотребности бетонной смеси и повышение активности вяжущего. В связи с этим перспективным направлением повышения эффективности мелкозернистого бетона является применение композиционных вяжущих.

Вяжущее ТМЦ-50 получали путем домола до удельной поверхности Sya=500 м2/кг портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108 - 2003 и отходы мокрой магнитной сепарации ТМЦ-50 (ММС) или отсев дробления кварцитопесчаника ТМЦ-50 (КВП).

Вяжущее ВНВ-50 получали путем совместного помола до удельной поверхности 500 м2/кг портландцемента и пластифицирующей добавки СП-1 в оптимальной дозировке и отходы мокрой магнитной сепарации ВНВ-50 (ММС) или отсев дробления кварцитопесчаника ВНВ-50 (КВП). График распределения частиц вяжущих приведен на рис Л.___

Рис. 1. Распределение частиц вяжущих по размерам

Исследуемые суспензии «ТМЦ - вода» с добавкой затворяли при постоянном значении водовяжущего отношения (в/в) и различных дозировках добавки. Оптимальным считается минимально возможное количество добавки, при котором достигается максимальное значение расплыва конуса.

В качестве минеральной добавки использовали техногенные пески, а именно отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского месторождения. Это связано с тем, что запасы подобного сырья исчисляются миллиардами тонн и составляют мощную сырьевую для получения композиционных вяжущих, при этом основным породообразующим минералом является кварц.

По сравнения с отсевом дробления кварцитопесчаника при одинаковом времени помола удельная поверхность на отходах ММС выше, что объясняется лучшей размалываемостью данного продукта, в силу полиминеральности его состава.

Результаты определения нормальной густоты и сроков схватывания вяжущих без добавления добавки суперпластификатора Полипласт СП-1 и с оптимальными дозировками приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-механические характеристики вяжущих_

№ п/п Вид вяжущего Кол-во добавки Полипласт СП-1, % Нормальная густота теста,% Сроки схватывания час-мин Активность вяжущего МПа

начало конец на изгиб на сжатие

1 ЦЕМ П/А-Ш 32.5 - 27,0 2-40 4-20 5,8 39,8

2 ЦЕМ 142.5 Н - 26,5 3-00 4-50 8,4 48,6

3 тмц- 50(КВП) - 28,1 2-30 4-40 7,2 41,3

4 ВНВ-50 (с отсевом дробления КВП) 0,6 25,3 2-10 4-10 7,8 46,2

5 ТМЦ-50(ММС) - 27,5 2-20 4-30 7,4 44,3

6 ВНВ-50 (ММС) 0,6 25,4 2-40 4-00 8,2 48,3

Как видно из табл. 1 добавка суперпластификатор Полипласт СП-1 увеличивает как начало, так и конец схватывания. Это связано с тем, что образование адсорбционного слоя из молекул суперпластификатора на поверхности цементных частиц несколько тормозит протекание процессов гидратации. Однако необходимо заметить, что ад-

сорбция молекул суперпластификатора на частицах отходов ММС приводит к уменьшению периода схватывания.

Введение суперпластификатора приводит к снижению нормальной густоты вяжущих, то есть к значительному водосокращению. Таким образом показано, что при введении добавки Полипласт СП-1 в количестве 0,6 % от массы цемента возможно получение вяжущего активностью до 50 МПа.

Для оценки возможности применения щебня из метаморфического сланца как сырья для получения бетона дорожных оснований были разработаны составы бетона с использованием в качестве вяжущего ВНВ-50 на основе отсева кварцитопесчаника и отходов мокрой магнитной сепарации и портландцемент ЦЕМ Н/А-32,5Н, их характеристики приведены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические характеристики бетонов для основания автомобильных дорог

№ п/п Состав бетона Вид вяжущего Предел прочности Р МПа Предел прочно-ети при изгибе, МПа Морозостойкость, циклов

Вяжущее щебень кг/м' песок кг/м3 вода л/м3

1 225 1320 620 151 ЦЕМ 11/А - 32,5Н 10,2 2,3 100

2 225 1320 620 133 ВНВ-50 (ММС) 12,5 2,7 100

3 225 1320 620 130 ВНВ-50 (КВП) 11,4 2,1 100

Исследования физико-механических характеристик показало, что свойства бетонов изготовленных на ВНВ-50 (ММС) во всех случаях превышают характеристики образцов аналогичного состава, изготовленных на других вяжущих и таким образом позволяет существенно снизить расход клинкерной составляющей.

В связи с высокой интенсивностью движения на дорожном полотне, большое значение имеет изучение деформативных характеристик. Одной из основных характеристик деформирования бетона является модуль упругости для определения которого испытывались призмы в 28-суточном возрасте в соответствии с требованиями ГОСТ 24452, результаты приведены в табл. 3.

Деформативные свойства бетона

№ п/п Вид вяжущего Модуль упругости, МГГа Призменная прочность, МПа

1 ВНВ - 50 (ММС) 6,1 7,6

2 ЦЕМ П/А- 32,5Н 5,5 6,9

3 ВНВ-50 (КВП) 5,8 7,3

Исследования деформативных свойств бетонов, дают основание сделать вывод о том, что на основе щебня из метаморфических сланцев Лебединского месторождения возможно получение бетонов для дорожных оснований, соответствующих нормативной документации для данного вида строительства.

Установлено увеличение деформативных характеристик бетона на ВНВ-50 (ММС) по сравнению с бетоном на цементе ЦЕМ И/А-32,5Н на 11%.

Таким образом, доказана возможность получения дорожных бетонов за счет использования композиционных вяжущих, заполнителя из метаморфических сланцев. Установлено, что прочностные и деформативные свойства бетона с применением ВНВ-50 на основе ММС выше, чем у бетона контрольного состава на обычном портландцементе, что можно объяснить высокими характеристиками самого вяжущего низкой водопотребности, его высокой дисперсности, низкой водопотребности, высокой активности, за счет чего улучшается состояние контактной зоны на границе раздела цементный камень -заполнитель, а также состав и структура новообразований в этой зоне.

Для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог требуются малопрочные бетоны в связи с этим предлагается использовать смеси с высокой проникающей способностью на основе композиционных вяжуших с использованием техногенного сырья КМА - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов. Они представляют собой техногенный тонкодисперсный песок темно-серого цвета, состоящий из неокатанных частичек кварца (около 60%), полевых шпатов, амфиболов, карбонатов, магнетита, гематита и их агрегатов.

Были разработаны составы высокопроникающих смесей (СВПС) на основе отходов ММС и различных вяжущих (табл. 4).

Таблица 4

Зависимость прочностных показателей смесей высокой проникающей _способностью от вида вяжущего_

Вид вяжущего ЦЕМ Ц/А-Ш32.5Н ТМЦ-50 (КВП) тмц- 50(ММС) ЦЕМ 1 42.5Н внв-50(ММС) ВНВ-50 (КВП)

Количество добавки, % 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Количество вяжущего, кг на м3 смеси 720 720 720 720 720 720

Количество ММС (в составе смеси), кг на м3 смеси 1400 1400 1400 1400 1400 1400

В/Ц 0,78 0,86 0,86 0,75 0,56 0,58

Консистенция смеси (диаметр расплыва по вискозиметру Сутгар-да), см 17 17 17 17 17 17

Средняя прочность на сжатие СВПС, МПа 8,3 11,6 12,2 12,8 15,8 14,3

Средняя плотность смеси, кг/м3 2290 2240 2250 2260 2270 2280

Анализ полученных данных показал, что использование отходов ММС железистых кварцитов в качестве мелкого заполнителя является эффективным при получении высокопроникающих смесей и позволяют получить широкую номенклатуру составов СВПС для устройства укрепленных оснований автомобильных дорог. Также целесообразно введение добавок суперпластификаторов, использование которых дает возможность получить одновременно два эффекта: увеличение подвижности бетонной смеси и повышение прочности бетона.

На основе подобранных составов смесей с высокой проникающей способностью были проведены опыты по укреплению второго слоя щебеночного основания. Образцы формовались методом заливки щебеночного каркаса в формах 15x15x15 см (рис. 2).

Рис. 2. Образец дорожного основания, укрепленного СВПС

По результатам испытаний можно сделать вывод, что все разработанные составы по эксплуатационным характеристикам удовлетворяют требованиям для оснований автомобильных дорог II категории (табл. 5, 6).

Таблица 5

Физико-механические свойства укрепленных оснований в зависимо-

сти от состава

Вид вяжущего В/Ц Ориентировочный расход СВПС на 1м2 основания Плотность укрепленного основания, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа

ЦЕМП/А-Ш32,5Н 0,78 100 2250 12,2

ТМЦ-50 (КВП) 0,86 100 2270 15,3

ТМЦ-50(ММС) 0,86 100 2220 16,5

ЦЕМI 42,5 Н 0,75 100 2290 16,7

ВНВ-50(ММС) 0,56 100 2270 20,6

ВНВ-50 (КВП) 0,58 100 2280 19,7

Эксплуатационные характеристики бетона

Вид вяжущего Водопо- гло-щение бетона по массе, % Морозостойкость, циклов Призмен- ная прочность, (МПа) Модуль упругости ■10'3, МПа

ЦЕМ 11/А-Ш32,5Н 4,6 100 8,9 7,9

ТМЦ-50 (КВП) 4,7 100 11,1 9,9

ТМЦ-50(ММС) 4,5 100 11,9 10,6

ЦЕМ I 42,5 Н 4.2 100 12,2 10,8

внв- 50(ММС) 4,3 100 15,0 13,4

ВНВ-50 (КВП) 4,0 100 14,3 12,8

Испытания образцов укрепленных щебеночных оснований на морозостойкость показали, что образцы всех подобранных составов выдержали без каких-либо внешних изменений 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания и характеризуются низкими показателями водопоглощения.

Снижение материалоемкости и себестоимости строительства автомобильных дорог возможно за счет применения местных сырьевых ресурсов и, в первую очередь, техногенного сырья.

Это предопределяет необходимость широкого использования для строительства как оснований, так и покрытий автомобильных дорог мелкозернистых бетонов (МЗБ) с использованием местного сырья и отходов промышленности.

Применение мелкозернистого бетона на основе композиционных вяжущих и техногенных песков для устройства укрепленных оснований позволит не только исключить дорогостоящий щебень, вследствие чего снизится материалоемкость дорожных одежд, но и в значительной степени улучшить экологическую обстановку, благодаря утилизации отходов, миллионы тонн которых скопились в отвалах

и хвостохранилищах горно-добывающих и горно-обогатительных комбинатов.

При исследовании свойств бетонов в качестве мелкого заполнителя использовались техногенные пески из отсевов дробления квар-цитопесчаника, сланца, гранита.

Значения прочности мелкозернистых бетонов на основе техногенных песков приведены на рис. 3._

35 "----__---~-----------

сс

!» I 1 I

«Ш .......... . нШ 1 суток

ШШл I -

Отсев КВП Песок Сланец грашгга

Рис. 3. Зависимость прочностных показателей мелкозернистого бетона

от вида заполнителя

Наивысшая прочность наблюдается у бетона на основе квар-цитопесчаника ввиду его высокой активности по отношению к вяжущему и, как следствие, образование прочной контактной зоны «цементный камень - заполнитель», бетон с использованием гранита менее прочен, так как гранит имеет меньше реакционную способность, чем кварцитопесчаник. Лещадные зерна отсева сланцевых пород могут раздрабливаться под действием нагрузки формования с образованием новых поверхностей и разуплотнением бетона, тем самым уменьшается прочность получаемого композита. Наименьшая прочность получена в бетоне приготовленном с применением кварцевого песка, что вызвано двумя причинами: окатанной формой зерен песка и малой концентрацией активных адсорбционных центров на их поверхности.

Следует отметить, что несмотря на высокие прочностные показатели бетонов на основе гранита и кварцитопесчаника, гранит является привозным сырьем, его использование связано с увеличенными транспортными затратами, а запасы отсевов дробления кварцитопесчаника стремительно уменьшаются. В связи с чем, целесообразно использовать отсевы дробления метаморфических сланцев, запасы

которого в настоящее время ежегодно складируются в отвалах в значительных количествах и не находят широкого применения в строительной отрасли.

Низкая стоимость бетонов с применением отсевов дробления и местных песков, позволяет эффективно использовать их при строительстве дорог. Мелкозернистый бетон на отсеве дробления сланца характеризуется снижением прочности в сравнении с бетоном на отсеве кварцитопесчаника и его применение допускается при устройстве слоев дорожной одежды.

Контактная зона «заполнитель - гидратированное вяжущее» изучалась методом растровой электронной микроскопии. Исследовалась поверхность скола образцов мелкозернистого бетона на заполнителях из кварцитопесчаника, отходов ММС, гранита и кварцевого песка рис. 4.

а) _ б) ______

Рис. 4. Контактная зона различных видов заполнителя с цементным

камнем, РЭМ, «60: а - песок, б — отход ММС, в — гранит, г — кварцитопесчаник

В настоящее время сфера использования высококачественных дорожных покрытий в России значительно расширяется. Использование дисперсно-армированных цементных композиций позволяет получать характеристики с повышенной прочностью на изгиб и ударной вязкостью, что необходимо для автомобильных дорог. Выбор волокна обуславливается тем, какими свойствами должна обладать композиция для удовлетворения заданным требованиям.

Производственная практика показала, что армирование цементной матрицы полипропиленовым волокном (рис. 5), обладающим высокой химической устойчивостью к щелочной среде. Полипропиленовые волокна включаются в бетонные образцы с целью увеличения

Рис. 5. Микроструктура полипропиленовой фибры

Высушенные песок, отсев дробления сланца, композиционное вяжущее и полипропиленовое волокно были смешаны до получения гомогенного состава. Затем добавлялась вода до получения однородной массы. Формование, уплотнение, хранение и испытание образцов до испытание производилось в соответствие требованиями ГОСТ.

Составы разработанных бетонных образцов представлены в

табл. 7.

Составы бетонов для покрытия автомобильных дорог

№ п/п Состав бетона Ед. изм. 1 Контр. 2 3 4

1 Композиционное вяжущее - ВНВ-50 (ММС) кг 410 410 410 410

2 Песок кг 640 640 640 640

3 Отсев сланца кг 1160 1160 1160 1160

4 Вода кг 200 200 200 200

5 Полипропиленовая фибра кг — 4 6,7 9,3

Результаты экспериментальных исследований рис. 6 по изучению влияния различных дозировок полипропиленовых волокон показал, что бетонные образцы имеют различные показатели прочности на сжатие и на растяжение при изгибе. Наилучшие показатели прочности дали образцы, имеющие в составе полипропиленовое волокно в количестве 4 кг. При этом отмечается повышение прочности на сжатие до 13% и на растяжение при изгибе до 39%. С увеличением процента армирования бетонных образцов отмечается снижение прироста прочности на сжатие, а на растяжение при изгибе прочность образцов становится меньше прочности контрольного образца, а)

б)

Рис. 6. Результаты экспериментальных исследований покрытия

автомобильных дорог: а) предел прочности при сжатии; б) предел прочности при изгибе

На основе результатов экспериментальных исследований осуществлена оценка эффективности влияния дисперсного армирования мелкозернистого бетона полипропиленовым волокном. Использование полипропиленового волокна более эффективно для повышения прочности мелкозернистого бетона на растяжение при изгибе и рекомендуется ее применение для конструкций, работающих на это воздействие.

Назначение оптимальных составов композиционного вяжущего осуществлялось методом математического планирования эксперимента.

Планирование эксперимента является одним из разделов математической теории эксперимента. Математические методы применяются не только на стадии обработки эксперимента после его окончания, но и в самом начале - при планировании эксперимента. Условия планирования эксперимента представлены в (табл. 8).

Таблица 8

Условия планирования эксперимента _

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

Натуральный вид Кодированный вид -1 0 1

Композиционное вяжущее X, 380 410 440 30

Песок х2 600 640 680 40

В качестве факторов варьирования оптимизации состава композиционного вяжущего были приняты: композиционное вяжущее и песок. Выходными параметрами служат предел прочности при сжатии и предел прочности при изгибе.

Установлен, оптимальный состав фибробетонной смеси для покрытия автомобильных дорог (рис. 7). а) б)

Рис. 7. Номограммы зависимостей прочности фибробетонных смесей от количества вяжущего и заполнителя: а - при сжатии; б - при изгибе

Предложена модель, позволяющая оптимизировать: составы для покрытия автомобильных дороги технологический процесс их получения. А также эффективно им управлять, поддерживая на заданном уровне выходной параметр.

Для изучения микроструктуры контактной зоны полипропиленовой фибры и цементного камня были проведены исследования с помощью РЭМ (рис. 8).

Рис. 8. Микроструктура контактной зоны «цементный камень - фибра»

Изучение микроструктуры фибробетонных образцов на основе композиционного вяжущего показало, что они имеют плотную структуру, основная масса формируется из отдельных агрегатов, плотно прилегающих друг к другу, контакт между этими агрегатами довольно сильный. Отмечается присутствие армирующих волокон, пронизывающих всю структуру композита и высокая адгезия цементного камня к поверхности полипропиленовой фибры.

Экономический эффект, достигаемый за счет использования разработанного состава фибробетона значительно превышает эффект от использования составов, применяемых на сегодняшний день.

Основные выводы

1. Разработаны принципы повышения эффективности бетонов, используемых для производства автомобильных дорог, заключающиеся в оптимизации структуры на микро- и макроуровнях за счет применения композиционных вяжущих и дисперсного армирования.

2. Установлен механизм влияния отходов мокрой магнитной сепарации на процессы структурообразования и свойства композиционного вяжущего. Композиционные вяжущие на их основе соответствуют пределу прочности ЦЕМ I 42.5 Н при сокращении клинкерной оставляющей до 50 %.

3. Разработаны составы бетонов на композиционных вяжущих для нижнего основания автомобильных дорог на основе щебня из метаморфического сланца.

4. Установлена возможность использования отходов ММС железистых кварцитов в качестве мелкого заполнителя при получении высокопроникающих смесей и позволяющая получить широкую номенклатуру составов СВПС для устройства укрепленных оснований автомобильных дорог.

5. Разработанные составы высокопроникающих смесей позволяют получать бетоны класса В7,5 - В15 при укреплении щебеночных оснований, что позволяет их использовать при устройстве оснований II категории автомобильных дорог.

6. Разработаны составы бетонов с различными видами заполнителя. При исследовании свойств бетонов в качестве мелкого заполнителя использовались техногенные пески из отсевов дробления квар-цитопесчаника, сланца, гранита.

7. Экспериментально установлен оптимальный процент армирования мелкозернистого бетона полипропиленовой фиброй равный 4 кг/мЗ.

8. Разработаны дисперсно-армированные мелкозернистые бетоны с использованием композиционных вяжущих и техногенного песка КМА, для строительства автомобильных дорог с пределом прочности при сжатии до 43 МПа, прочностью на изгиб до 21 МПа.

9. Доказано, что применение композиционных вяжущих, дисперсного армирования бетонов позволит получить значительный социальный, экологический и экономический эффект. При этом экономический эффект от создания и использования новых строительных материалов будет заключаться в использовании техногенного песка, снижении расходов вяжущего за счет оптимальных условий формирования структуры бетона. Стоимость разработанных составов фибробе-тонов по сравнению с традиционными уменьшиться на 31%.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Решение проблемы утилизации техногенного сырья КМА / A.M. Гридчин, Г.А. Лесовик, Е.С. Глаголев, E.H. Авилова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова № 4, 2009. С.7 - 11.

2. Клюев C.B., Авилова E.H. Мелкозернистый фибробетон с использованием полипропиленового волокна для покрытия автомобильных дорог // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 1. С. 37 -40.

3. Клюев C.B., Авилова E.H. Бетон для строительства оснований автомобильных дорог на основе сланцевого щебня // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 2. С. 38-41.

21

4. Использование техногенных песков в мелкозернистых бетонах / Р.В. Лесовик, E.H. Авилова, Д.М. Сопин, А.Н. Ластовецкий // Композиционные строительные материалы, теория и практика: сборник статей Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Пензенского государственного университета архитектуры и строительства. Пенза, 2008. С. 131 - 133.

5. Агеева М.С., Авилова E.H. Техногенный песок КМА для строительства покрытий автомобильных дорог // Материалы научно-технической конференции «80 лет Белорусской дорожной науке». Минск, 2008. С. 198-202.

6. Использование отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов для получения закладочных смесей / E.H. Авилова, Д.М. Сопин, Ю.Н. Черкашин, Г.А. Лесовик, С.А. Казлитин // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: сборник докладов часть I Международной научно-практической конференции, XIX научные чтения. Белгород, 2010. С. 312-316.

7. Лесовик Р.В., Ряпухин Н.В., Авилова E.H. Строительство укрепленных оснований автомобильных дорог с использованием метаморфических сланцев КМА // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: сборник докладов часть I Международной научно-практической конференции, XIX научные чтения. Белгород, 2010. С.198 - 201.

8. Ноу-хау № 20110021. Сталефибробетон на основе техногенного песка и композиционного вяжущего / Р.В. Лесовик, C.B. Клюев, E.H. Авилова [и др.]; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. Дата регистр. 03.12.11. Срок охраны сведений: 5 лет.

АВИЛОВА Елена Николаевна

ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЙ ЦЕМЕНТОБЕТОН НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 V Строительные материалы и изделия

Подписано в печать ¿5- И- 43 Формат 60x84/16 Бум. тип. Усл.печ. л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ Ы 432 Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

и --3 1 05

20

4064453

2014064453