автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Долговечные архитектурно-декоративные порошково-активированные бетоны с использованием отходов камнедробления горных пород

/

Суздальцев Олег Владимирович

ДОЛГОВЕЧНЫЕ АРХИТЕКТУРНО-ДЕКОРАТИВНЫЕ ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ КАМНЕДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 МАЙ 2015

Пенза 2015

005569489

005569489

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Калашников Владимир Иванович

Официальные оппоненты - Хозин Вадим Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций»

- Бузулуков Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», профессор кафедры «Физическая химия»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государ-

ственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 2 июля 2015 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.184.01, созданного на базе Пензенского государственного университета архитектуры и строительства по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, д. 28, корп. 1, конференц-зал.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства и на сайте http://dissovet.pguas.ru/index.php/contact-us/d-212-184-01.

Автореферат разослан 30 апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бакушев

Сергей Васильевич

Актуальность избранной темы

Самоуплотняющийся архитектурно-декоративный бетон заслуженно называют новейшим отделочным материалом. Он вытесняет отделочную керамику в связи с возможностью изготовления на его основе большеразмерных декоративных изделий не только плоской, но и разнообразной изогнутой формы (ЗЭ-бетон) с плавным сопряжением поверхностей. Такой бетон наилучшим образом интегрируется в органичную архитектуру, великолепно вписывается в любой дизайн, включая экстравагантный футуристический. Из декоративных бетонов, в том числе высокопрочных, создаются новые архитектурные контексты в зданиях и сооружениях с высокохудожественным оформлением и неповторимым своеобразием. Все это определяет практическое применение самоуплотняющихся (СУБ) декоративных бетонов как искусство. Подобная «революция» в производстве бетона и изделий из него предоставляет дизайнерам, архитекторам и проектировщикам безграничные возможности при оформлении фасадов и устройстве элементов наружной и внутренней отделки, а также при создании ландшафтного дизайна как на придомовых территориях, так и в общественных местах (скверах, парках и т.д.).

Одной из основных задач, требующих решения при разработке составов архитектурных бетонов, является снижение пористости и водопоглощения и, как следствие, повышение прочности н морозостойкости, что особенно актуально для основных климатических широт России с значительным диапазоном знакопеременных температур. В нашей стране практически отсутствуют исследования, посвященные вопросам применения, с одной стороны, высокопрочных, с другой стороны, порошково-активированных мелкозернистых (песчаных) бетонов нового поколения в качестве архитектурно-отделочных и декоративных материалов. Для создания их наиболее приемлемы отсевы камнедробления горных пород фр. 0-5 мм с различной цветовой гаммой.

Кроме того, использование многотоннажных отходов камнедробления в качестве основных компонентов для производства архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов значительно расширяет сырьевую базу для производства бетонов нового поколения и существенно снижает нагрузку на экосистему регионов с горнодобывающими и горнообогатительными предприятиями.

В связи с этим разработка самоуплотняющихся долговечных архитектурно-декоративных бетонов с использованием отходов камнедробления с микрометрическим и миллиметрическим диапазоном дисперсности и зернистости, без применения дорогостоящего дефицитного микрокремнезема, без нанотехноло-гий является чрезвычайно актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2013-2015 годы (СП-4621.2013.1).

Степень разработанности избранной темы

3

и

Огромную роль в изучение и реализацию высокопрочных бетонов из жест-коуплотняемых бетонных смесей в отечественной практике внесли разработки И.Н. Ахвердова, Ш.Т. Бабаева, В.В. Бабкова, Ю.М. Баженова, В.Г. Батракова, B.C. Демьяновой, H.H. Долгополова, В.В. Михайлова, Г.В. Несветаева, И.Н. Рыжова, HB. Свиридова и др.

В передовых зарубежных странах вопросами создания самоуплотняющихся бетонов начали заниматься в 1990-1995 гг., но они касались разработок получения и реализации реакционно-порошковых самоуплотняющихся бетонов; эти работы связаны с исследованиями таких ученых, как Ai'tchin Р, Cheurezy M, Colepardi M, De Larrard, Edward G, Mechtherine V, Richard P, Santhosh P.T. и др. Работы некоторых ученых из этого перечня содержат фундаментальные основы создания сверхвысокопрочного порошкового цементного композиционного материала при существенном снижении микрогетерогенности и образовании прочных химических связей на границе раздела микрометрических и наномет-рических частиц наполнителей с продуктами гидратации цементного камня. В отечественной практике разработки в области получения самоуплотняющихся бетонов, которые за рубежом называют «шагом в будущее», с осадкой бетонной смеси из стандартного конуса 25-28 см, получили развитие с 1995-2000 гг. и были связаны с исследованиями В.И. Калашникова, С.С. Каприелова, Н.И. Карпенко, В.Р. Фаликмана, В.Г. Хозина, A.B. Шейнфельда и др. До этого времени проблема получения самоуплотняющихся бетонов не рассматривалась, ибо их нельзя было получить по старой рецептуре «цемент - песок - щебень - вода» с суперпластификаторами любого типа.

Основные принципы получения высокопрочных и сверхпрочных само-угшотняющгосся бетонов нового поколения в отечественной практике впервые сформулировал д.т.н., профессор В.И. Калашников. Позже появился ряд работ его последователей и учеников, направленных на исследование высокопрочных и особовысокопрочных бетонов, в которых подробно дана классификация современных бетонов нового поколения и сформулированы основные принципы создания таких бетонов.

Однако фундаментальных работ и диссертационных исследований в области создания высокопрочных и сверхпрочных архитектурно-декоративных самоуплотняющихся бетонов без использования микрокремнезема и ВНВ в отечественной практике не было.

Цели и задачи диссертационного исследования

Целью исследования является разработка составов самоуплотняющихся по-рошково-активированных тонкозернистых (песчаных) бетонных смесей, в том числе цветных, для производства высокоплотных, высокопрочных и долговечных архитектурно-декоративных бетонов, не теряющих своей архитектурной привлекательности в течение длительной эксплуатации, на основе многотоннажных отходов камнедробления различных горных пород, без использования дорогостоящих минеральных реакционно-активных компонентов и исследование их физико-технических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- выявить критерии выбора цемента, реологически-активных тонкодисперсных наполнителей микрометрического уровня дисперсности и нанодисперсных пигментов для использования их в порошково-активированных бетонах нового поколения;

- изучить реотехнологические свойства цементных суспензий и суспензий с дисперсными наполнителями и нанодисперсными пигментами с различными суперпластификаторами в бинарных и тройных композициях;

- классифицировать наиболее эффективные способы формирован™ декоративной поверхности архитектурно-декоративных бетонов;

- изучить влияние структурной объемной порошковой и поверхностно-пропиточной гидрофобизации на реотехнологические свойства пластифицированных суспензии, физико-механические и гигрометрические показатели порошково-активированных тонкозернистых песчаных бетонов. Изучить возможность сохранения в бетоне в свободном виде фотокатализатора ТЮг;

- исследовать влияние отбеливающих и окрашивающих компонентов на реотехнологические, гигрометрические и физико-механические свойства порошково-активированных бетонов;

- разработать составы архитектурно-декоративных порошково-активнро-ванных самоуплотняющихся мелкозернистых (песчаных) бетонов по микротехнологиям, т.е. без использования специальных реакционно-активных наномет-рических добавок (микрокремнезема, белой сажи и т.д.), с высокой прочностью и морозостойкостью, в том числе с пониженным расходом цемента, на основе отходов камнедробления различных горных пород в качестве микрометрических и миллиметрических наполнителей и заполнителей;

- исследовать основные физико-механические и гигрометрические свойства архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов;

- обосновать технико-экономическую эффективность внедрения архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов на основе отходов камнедробления и предложить технологическую схему их производства.

Научная новизна работы

- выявлены реотехнолопгческие свойства и водоредуцирующие эффекты индивидуальных минеральных, бинарных и тройных суспензий как реологической основы самоуплотняющихся архитектурно-декоративных бетонов. Установлено, что для получения высоких значений прочности, плотности, морозостойкости, чрезвычайно малого водопоглощения и низких усадочных деформаций бетонов объемное содержание высококонцентрированной, агрегативно-устойчивой воднодисперсно-тонкозерннстой суспензии в бетонных смесях для высокопрочных бетонов с прочностью 140-^-160 МПа должно находиться в диапазоне не менее 8СН-85 %;

- впервые систематизированы классификационные критерии формирования поверхности архитектурно-декоративных суспензионных СУБ;

- выявлены кинетические закономерности ускоренного твердения высокопрочных архитектурно-декоративных бетонов с дисперсными наполнителями из отходов камнедробления горных пород. Установлено формирование чрезвы-

чайно высокой односуточной и семисуточной прочности, достигающей соответственно 55-60 % (55-85 МПа) и 82-87 % (100-120 МПа) от нормированной 28 суточной (Rck=1 10-140 МПа), в бетонах без специальных добавок, не имеющей аналогов ни в зарубежной, ни в отечественной производственной и научно-исследовательской практике;

- выявлено позитивное влияние диоксида титана на повышение прочности порошково-активированных песчаных бетонов (до 7-*-9 %). Для обоснования «зеленых технологий» от введения фотокаталитического ТЮг, экологически облагораживающего загрязненный воздух, методом рентгенофазового анализа установлено формирование новой структурообразующей фазы в системе «ТЮг-Са(ОН)г» при жесткой гидротермальной обработке (давление водяного пара 1,2 МПа, температура 191°С). Выявлено сохранение в структуре бетона фотокаталитического диоксида титана в свободном виде в количестве, достаточном для экологизации загрязненного воздуха городских улиц, проспектов и т.д.;

- впервые разработаны высокоплотные архитектурно-декоративные по-рошково-активированные песчаные высокопрочные самоуплотняющиеся бетоны с прочностью 110—140 МПа и более без использования реакционно-активного микрокремнезема. Установлено, что сверхвысокопрочные бетоны с прочностью на сжатие 160 МПа и водопоглощением, не превышающим 1 % по массе, выдерживают более 1000 циклов попеременного замораживания-оттаивания без потери прочности и массы, что определяет на современном этапе приоритеты микротехнологий над нанотехнологиями бетонов и стратегию производства бетонов в будущем по микронанотехнологиям.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы состоит в использовании фундаментальных научных положений физико-химии стабилизированных агрегативно-устойчивых водно-дисперсных систем в приложении к особому классу пластифицированных суспензий, в которых дисперсной фазой выступают гидратиру-ющие микрометрические частицы цемента и индеферентные к воде микрометрические частицы минеральных наполнителей и нанометрические частицы пигмента. Показано, что совокупность разнородных по минералогическому составу, заряду и потенциалу поверхности частиц, образующих с водой малоструктурированные предельно-разжиженные суперпластификаторами (СП) суспензии, является реологической основой самоуплотняющихся бетонных смесей для получения высокоплотных высокопрочных бетонов.

Практическая значимость обусловлена тем, что:

- получены архитектурно-декоративные порошково-активированные песчаные самоуплотняющиеся высокопрочные бетоны с расходами цемента 400-730 кг/м3 с прочностью на сжатие 100-160 МПа с удельным расходом цемента на единицу прочности 3,6-5,5 кг/МПа. Это не исключает возможности применения таких бетонов не только в качестве архитектурно-декоративных, но и в качестве конструкционных, как высокопрочной матрицы для дисперсного или стержневого армирования. Техническая, экономическая и экологическая эффективность исследования состоит в том, что в качестве основных сырьевых компонентов - наполнителей и заполнителей микрометрического и миллимет-

рического размерных уровней - рекомендуется использовать, наряду с природными песками, отсевы камнедробления различных горных пород фр. 0-*-5 мм, в первую очередь широко распространенных реологически-активных дисперсных известняков, которые составляют колоссальный резерв сырьевой базы для производства высокофункциональных бетонов в регионах с известняковыми горными выработками;

- разработаны составы порошково-активированных бетонов и предложены способы формирования декоративной поверхности, позволяющие получить архитектурно-декоративные бетоны с фактурой поверхности, имитирующей фактуру натуральных горных пород;

- разработаны цветные порошково-активированные песчаные бетоны с высокими физико-механическими и гигрометрическими показателями, в частности с морозостойкостью более 1000 циклов, что гарантирует высокую долгове-ченость их без потери прочностных и эстетических характеристик;

- разработана технологическая схема производства окрашенных архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов;

- рассчитан экономический эффект при значительном сокращешш расхода цемента и частичной замене его каменной мукой, а также существенном увеличении доли песка-заполнителя фр.0,63-^2,5 мм. Результаты диссертационной работы получили внедрение в ООО «Инновационные технологии» (г. Пенза).

Методология н методы диссертационного исследования

Методология исследования диссертационной работы включает системный подход к учету всех аспектов поставленных задач с выделением главного и существенного в создании технологии получения долговечных архитектурно-декоративных самоуплотняющихся бетонов с включением концептуального экспериментального и научного подхода при изучении комплекса фундаментальных положений физико-химии дисперсных пластифицированных систем. Методологические основы экспериментальных исследований заключались в использовании современных стандартных методов и собственных методик для изучения дисперсности и удельной поверхности микрометрических наполнителей, реотехнологнческих свойств бетонных смесей, их состава и топологии и исследовании физико-технических и пирометрических свойств бетонов. Объектом исследования являлось управление структурой, свойствами и качеством бетонов, а предметом исследования - решение задачи получения долговечных высокопрочных архитектурно-декоративных бетонов по энерго- и ресурсосберегающим технологиям.

Положения, выносимые на защиту

- принципы проектирования самоуплотняющихся песчаных бетонных смесей на основе реологически-активных дисперсных минеральных порошков, образующих в сочетании с цементом, водой и СП высококонцентрированные аг-регативно-устойчивые суспензии;

- рецептурные и технологические приемы регулирования состава архитектурно-декоративных песчаных бетонов с объемным окрашиванием их и формированием различной декоративной поверхности и текстуры;

- разработанные составы и технология получения высокоплотных самоуплотняющихся высокопрочных и сверхвысокопрочных архитектурно-декоративных бетонов и результаты исследований их физико-технических и гигрометрических свойств;

- результаты производственных испытаний и внедрения.

Степень достоверности результатов диссертационного исследования

Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью и воспроизводимостью большого числа экспериментальных данных, не противоречащих известным законам и теориям отечественных и зарубежных ученых. Экспериментальные результаты получены по стандартным высокоинформативным методам и на высокоточном оборудовании, прошедшем метрологическую поверку. Выводы и рекомендации, полученные в работе, официально апробированы и подтверждены результатами производственных испытаний.

Апробация диссертационной работы

Основные положения и результаты работы докладывались:

- на всероссийских и международных НТК: «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2009, 2010 гг.), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2011-2013 гг.), «Новые достижения науки и техники по приоритетным направлениям науки и техники» (Пенза, 2013 г.), «Новости научного прогресса» (София, 2013 г.), «Наука и инновации» (Пере-мышль, 2014 г.);

- на всероссийских и международных форумах и выставках: международная выставка «Строительный сезон» (Москва, 2010 г.), международный форум «Селигер» (Тверская область, 2010-2013 гг.), молодежный форум ПФО «ГОолга-2013» (Самарская область 2013 г.).

- на конкурсах: победитель открытого конкурса на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ (приказ № 470 от 27.05.2010); победитель программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.НИ.К.); участник встречи с президентом РФ Д.А. Медведевым в гиперкубе «Сколково» в числе 200 молодых ученых России в рамках Всероссийского инновационного конвента 2011 г.; лауреат стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2013-2015 годы (СП-4621.2013.1); победитель молодежного форума ПФО «1Волга-2013» (сертификат 3-й степени за подписью полномочного представителя Президента РФ в Приволжском федеральном округе М.В. Бабича); лауреат ХП1 Международной специализированной выставки «Мир Биотехнологии 2015».

Публикации

По теме выполненных исследований опубликовано 15 научных статей, из них в журналах по перечню ВАК РФ - 5 научных статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 182 наименований и четырех приложений. Диссертация изложена на 227 страницах, содержит 49 рисунков, 37 таблиц. Приложения изложены на 10 страницах.

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, сформулированы цель и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе, посвященной аналитическому обзору литературы, представлен анализ зарубежного и отечественного опыта применения архитектурно-декоративных бетонов нового поколения в современном строительстве. Рассмотрены последние теоретические представления и основные направления и принципы создания самоуплотняющихся тонкозернистых бетонов нового поколения, развиваемые за рубежом.

Анализ работ школы профессора В.И. Калашникова свидетельствует о том, что высокопрочные высокофункцнональные бетоны нового поколения - это порошково-активированные многокомпонентные бетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности, с измененной топологической структурой от введения оптимизированного содержания реологически-активных и реакционно-активных наполнителей и эффективных СП и ГП.

Выявлено, что основой современных высокопрочных и сверхпрочных СУБ является тонкодисперсная матрица, реологически-активная к действию СП и ГП в суспензиях. Поэтому на современном этапе стратегия создания высокофункциональных высокопрочных СУБ сводится к концепции значительного добавления дисперсных реологически-активных по отношению к СП и ГП наполнителей, увеличивающих объем реологической матрицы. Выбор дисперсных наполнителей должен осуществляться исходя из двух критериев: реологической активности и реакционной активности по отношению к продуктам гидратации цемента.

В связи с этим становится актуальным, экономически и экологически эффективным вовлечение многотоннажных отходов камнедробления в производство бетонов нового поколения (БНП) в качестве основных микрометрических наполнителей и миллиметрических заполнителей.

Рассмотрены теоретические предпосылки повышения долговечности и методы улучшения эстетичных и эксплуатационных характеристик архитектурно-декоративных бетонов.

В соответствии с этим формируется рабочая гипотеза: если получить бетон с высокой плотностью, с чрезвычайно низким водопоглощением, не превышающим 0,8-4,5 % по массе, с прочностью 100-450 МПа, то можно обеспечить высокие функции, необходимые для долговечного архитектурно-декоративного бетона. А для сохранения цвета и исключения высолообразования использовать дополнительные защитные меры для сохранения первоначального эстетического вида за счет объемной или поверхностной гидрофобизацин.

На основании проведенного анализа теоретических изысканий сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе представлены характеристики используемых материалов, методы исследований, способы и последовательность приготовления бетонных смесей, описаны приборы и оборудование. При изучении реотехнологнческих

свойств пластифицированных цементных, бинарных и тройных суспензий использовались серые портландцемента (Вольский М500 ДО, Красноярский М500 ДО) и белые цементы отечественного (Коломенский СЕМ I 52,5 Н Holcim Rus) и зарубежного производства (СЕМ I 52,5R, Бельгия; СЕМ I 52,5R Alborg Weit, Египет; СЕМ I 52,5R, Alborg Weit, Дания).

В качестве основных сырьевых компонентов - наполнителей и заполнителей микрометрического и миллиметрического размерных уровней — использовали отсевы камнедробления гранита, мрамора и известняка, рассеянные на фракции 0-Ю,16 мм, 0,16-Ю,63 мм, 0,63-2,5 мм или 0,63-5 мм соответственно. Каменную муку получали путем помола фракции 0-Ю, 16 мм в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности £уд=3400-4800 см2/г.

В исследованиях применялось несколько видов пластификаторов: германские ГП Melflux 5581F, СП Melment FIO и отечественный ГП Хидетал-9у. В качестве окрашивающих компонентов при изготовлении цветных архитектурно-декоративных бетонов использовались различные минеральные пигменты. В качестве разбеливающего компонента применялся фотокаталитический ТЮг.

При изучении действия поверхностно-пропиточной гидрофобизации применяли модификатор «Пента-824». А при изучении структурной объемной порошковой гидрофобизации использовали стеараты металлов.

Определение морозостойкости проводили согласно ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» по 3-й ускоренной методике при насыщении образцов 5%-м водным раствором хлорида натрия. Испытания осуществляли в морозильной камере типа КТХ-14 при температуре -50°С.

Микроскопические исследования поровой структуры порошково-активированного песчаного бетона, в том числе окрашенного, выполнялись на микроскопе Digital Blue QX3. Рентгенофазовое исследование взаимодействия фотокаталитического ТЮг с продуктами гидратации цемента выполнялось на автоматизированном дифрактометре «Empyrean» компании PANalytical.

В третьей главе приводится видоизмененная схема топологической структуры порошково-активированной тонкозернистой бетонной смеси нового поколения для окрашенных архитектурно-декоративных бетонов с высокодисперсными пигментами (рис. 1). Условные реологические матрицы в пластифицированных щебеночных бетонных смесях нового поколения подразделяются на три вида: условные реологические матрицы I рода, П рода и Ш рода.

Реологическая матрица I рода характеризует водно-цементно-минерально-дисперсную систему. В порошковых бетонах с пигментами в роли компонентов такой системы выступают цемент, тонкомолотая порода, пигмент и вода. Такая реологическая матрица способствует свободному перемещению дискретных частиц тонкозернистой породы без взаимодействия друг с другом, создавая необходимую прослойку между этими частицами. Матрица I рода при добавлении тонкозернистого наполнителя фр. 0,16-Ю,63 мм становится матрицей II рода. Эта матрица обеспечивает необходимое пространство между дискретно расположенными частицами песка-заполнителя для свободного перемещения их без контакта друг с другом.

Матрица III рода для порошково-активированных щебеночных бетонов -это матрицы I рода, П рода и песок-заполнитель фр. 0,63-^2,5 (5,0) мм. Матрица III рода является готовой мелкозернистой бетонной смесью для формования песчаных бетонов и фибробетонов.

РЕОЛОГИЧЕСКАЯ МАТРИЦА I РОДА (ВОДНО-ЦЕМЕНТНО-ДНСПЕСРНАЯ СИСТЕМА)

dcp = 5-10MKM Ц+Пм+В+СП • Ц О-Пм

РЕОЛОГИЧЕСКАЯ МАТРИЦА II РОДА (ВОДНО-ЦЕМЕНТНО

ДИСПЕСРНО-ТОНКОЗЕРНИСТАЯ СИСТЕМА)

РАСТВОРНАЯ СИСТЕМА

(РЕОЛОГИЧЕСКАЯ МАТРИЦА III РОДА ДЛЯ ЩЕБЕНОЧНЫХ БЕТОНОВ)

| ПОРОЩКОВО-АКТИВИРОВАННЫЙ ПОРОШКОВЫЙ БЕТОН | МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ (ПЕСЧАНЫЙ) | * ПИГМЕНТ I БЕТОН -I

Рис. 1 Схема топологической структуры архитектурно-декоративного порошково-активированного песчаного бетона нового поколения с пигментом

Показаны методические особенности изучения реотехнологических свойств порошковых и порошково-активированных бетонов. Для снижения расходов сырьевых материалов и уменьшения количества экспериментов при выявлении оптимальных реотехнологических показателей и установления необходимого количества воды для самоуплотняющихся бетонных смесей использовали конус Хегерманна. Растекаемость смесей из конуса Хегерманна коррелировали с рас-плывом смесей из малого конуса (Ь=22,1 см; 0=10 см; ё=5см), предложенного и используемого кафедрой в качестве экспресс-метода. В результате корреляции экспериментальных значений установлена аналитическая зависимость расплыва смеси из малого конуса (Ркк) от расплывов смеси из конуса Хегерманна (Р.ы):

^=^29^-5,95

(1)

Построение градуировочной кривой (рис. 2) позволило подтвердить теоретическую зависимость для самоуплотняющихся порошковых и порошково-активированных бетонных смесей.

60__Как видно из рис. 2, зави-

симость значений расплывов малого конуса от расплыва смеси из конуса Хегерманна является линейной в диапазоне диаметров расплыва от 20 до 37 см, с коэффициентом корреляции, равным 0,95. Это свидетельствует о том, что законы реологии при истечении _ 10 20 40 и растекании малоструктури-

Расплыв конуса Хегерманна, см роваНных жидкостей с чрез-

Рис. 2 Зависимость расплыва смеси щ малого вычайно нгаким пределом конуса от расгсшвов смеси из конуса Хегерманна

ЦЕМЕНТНЫЕ СУСПЕНЗИИ

Египетский Датский Бельгийский Коломенский Вольский Красноярский

Вид цемента иХпдетач 9 у ■Melflux5581F QMeüiieiu FIO

Рис. 3 Значения водоредуцирующих эффектов индивиду альных цементных суспензий, минеральных суспензий, суспен зий минеральных пигментов и бинарных цементно-минеральных суспензий с различными пластификаторами

ЦЕМЕНТНО-МИНЕРАЛЬНЫЕ СУСПЕНЗИИ

Египетский Id'lie ni Кг ппет с ки II цемент Египетский цемент Египет CKHft цемент + ыраморнля мука + иикрокаарц (1 11 ■+ п-шестняковля +|тестыяковая (11) муки (Татьян ni мука (Отериплмлк)

(111 1111

Бинарные суспенчии на Епшетском цементе ВХидетал 9 \ ИМеШих 5581 F BMeliueiitFlO

СУСПЕНЗИИ ПИГМЕНТОВ

[Jfi M7i ívÉ^I

ZqO пса ТЮ2 Fe203 Fe304 Ftí03 Cr20i

(белый) Китай Украина (Желтый) (Черный) (Красный) (теленый)

Виды минеральных пигментов ШХцдетал 9 Y BMelflllx 5581F QMeiinent FIO

Мрамор Известняк, Известняк, Гранит, Микрокварц Толятти Стерлитамак Павловск Вид каменной муки ВХпдетач 9 у «Melftax 5581 F ПМе1ш#п1 FIO

МИНЕРАЛЬНЫЕ СУСПЕНЗИИ

<N

текучести управляют растеканием при истечении из подобных по геометрии и близких по объему растекающихся жидкостей (до определенных границ растекания). Уравнение справедливо при расплыве малого конуса не менее 25-30 см. Пересчет осадки бетонной смеси из малого конуса ОК м на осадку смеси из стандартного конуса ОКст осуществлялся по формуле:

ОКст = 0,64• ОКи +1,36 ОКи -0,0068 (ОКи)2 . (2)

Были выявлены реотехнологические свойства и водоредуцирующие эффекты (Вэ) индивидуальных цементных и минеральных суспензий с различными пластификаторами, бинарными и тройными наполнителями как реологической основы архитектурно-декоративных СУБ. Показано, что максимальные реотехнологические эффекты достигаются при использован™ ГП МеШих 5581 Б, чуть менее эффективным оказался отечественный ГП Хидетал 9у (рис. 3).

Изучение реотехнологических свойств чистых минеральных суспензий и бинарных суспензий в комбинации с различными цементами показало возможность использования отходов камнедробления различных горных пород для производства каменной муки как реологически-активного компонента в самоуплотняющихся бетонах. В композиционных суспензиях выявлены синергети-ческие эффекты от действия различных компонентов.

Показана зависимость изменения значений водоредуцирующего эффекта пластифицированной цементно-минеральной суспензии от соотношения компонентов в композиции. Выявлены оптимальные соотношения цемента и каменной муки на примере мраморной и известняковой муки в реологической матрице высокопрочных порошково-активированных песчаных бетонов. Показано, что максимальный скачок значения водоредуцирующего эффекта в бинарной системе «цемент - каменная мука» достигается при соотношении 50:50 и при дальнейшем насыщении системы дисперсным наполнителем вплоть до соотношения цемента к каменной муке, равного 20:80, значение водоредуцирующего эффекта практически не изменяется (рис. 4).

Из анализа рис. 4 следует, что при добавлении к цементу реологически-активных дисперсных компонентов отчетливо проявляется синергия и достигаются очень высокие значения водоредуцирующих эффектов, превышающие эти значения для цементных суспензий. На графике ломанные кривые изменения значений водоредуцирующего эффекта изученных бинарных систем «цемент -известняк» и «цемент - мрамор» близки к симбатным. Это объясняется тем, что и мрамор, и известняк состоят из СаСОз, но имеют различное генетическое происхождение и дают близкие значения Вэ в сочетании с цементом и ГП МеШих 5581Р. Если значения прочностных показателей цементно-минерального камня на известняке и мраморе будут также иметь близкие значения, то при выборе дисперсного наполнителя предпочтение следует отдать более распространенному известняку. Таким образом, нами обосновывается перспектива исследования известняковых месторождений для классификации их по реологической активности и использования в БНП.

В результате исследований окрашенных архитектурно-декоративных бетонов было установлений, что при введении минеральных пигментов реотехнологические свойства тонкодисперсной матрицы незначительно улучша-

ются, что напрямую связано с их высокой дисперсностью, равной 1200-3500 м2/кг, и наличием в них нанометри-ческих частиц верхнего масштабного уровня от 100 до 1000 нм, а также специфической поверхностью для адсорбции молекул ГП, необходимой для образования агрегативно-устойчи-вых и высококонцентрированных суспензий.

В четвертой главе систематизированы классификационные критерии получения архитектурно-декоративных бетонов нового поколения по возрастанию дисперсности наполнителей и зернистости заполнителя, по водоредуциру-ющему эффекту, по содержанию водно-дисперсных суспензий в объеме бетонных смесей, по расходу цемента на единицу прочности и способам формирования декоративных поверхностей. Учитывая предложенные способы формирования декоративных поверхностей СУБ с разнообразной фактурой и текстурой, предпринята попытка расширения терминологии архитектурно-декоративных бетонов с учетом их визуального восприятия, технологической и экономической эффективности. По такому принципу лицевые поверхности архитектурно-декоративных порошково-активированных бетонов могут быть: с высокодекоративной глянцевой и матовой поверхностями различного цвета; с мозаичной декоративной поверхностью под текстуру шлифованного природного камня; с «игрой света и тени», образуемых выступами и углублениями различной формы (рис. 5а); с визуализацией графических изображений на поверхности; с поверхностью, имитирующей поверхность пильного и колотого натурального камня

Рис. 4 Значения водоредуцирующих эффектов в

бинарных отастифицированных цементно-минеральных суспензиях в зависимости от соотношения в смеси: 1 - цемента (Ц) и мрамора (М); 2 - цемента (Ц) и известняка (И);

Рис. 5 Вид поверхности архитектурно-декоративного бетона: а) с использованием «игры света и тени» б) с имитацией поверхности гранита

Изучено влияние структурной и поверхностной пщрофобизации на реотех-нологические, прочностные и гигрометрические показатели порошково-актнвированного СУБ как способа повышения долговечности и сохранения визуальных эстетических свойств в процессе длительной эксплуатации. Бетон был изготовлен на дисперсном и зернистых компонентах из гранита и имел прочность на сжатие 108 МПа. Выявлено, что объемная структурная гидрофобиза-ция нерастворимым стеаратом цинка в количестве 1% от массы цемента без совместного помола с ним существенно ухудшает реотехнологические свойства бетонной смеси и приводит к значительному снижению темпов набора прочности, а через 28 суток прочность у гидрофобизированного состава на 23 % ниже, чем у контрольного. Плотность снижается относительно контрольного состава с 2437 кг/м3 до 2312 кг/м3.

Безусловно, если бы помол клинкера или домол цемента осуществлялся с сухим гидрофобизатором с образованием наночастиц его на поверхности частиц цемента, то эффективность порошковой пщрофобизации могла бы быть существенно выше. Это было доказано в ранних работах кафедры «ТБКиВ» Пензенского ГУ АС.

Было изучено влияние поверхностно-пропиточной пщрофобизации жидким модификатором на гигрометрические показатели порошково-активированного бетона с прочностью 138 МПа, полученного с использованием дисперсного и зернистых компонентов из известняка и добавлением красного железоокисного пигмента. По результатам испытания был рекомендован пропитывающий модификатор «Пента-824». Водопоглощение образцов, обработанных данным гидрофобизатором, на третьи сутки экспонирования их в воде составило всего 0,17 % по массе, что в 6 раз ниже, чем у контрольного состава. Учитывая низкий расход гидрофобизатора «Пента-824», показана экономическая эффективность его применения. Таким образом, с точки зрения технологической и экономической эффективности нами рекомендовано использование поверхностной гидрофобизации высокоплотных порошково-активированных песчаных бетонов, обеспечивающей сверхвысокие гигрометрические показатели, как способа повышения долговечности и сохранения архитектурной выразительности декоративной поверхности.

Экспериментальным путем получен масштабный коэффициент пересчета водопоглощения по массе образцов-балочек с размерами 40x40x160 мм к образцам-кубам с ребром 100 мм в различные промежутки времени экспонирования образцов в воде (табл. 1). Важно отметить, что экспериментальные значения водопоглощения балочек 40x40x160 мм (Ws) и кубов 100x100x100 мм (JVk) при длительном водонасыщении начинают приближаться друг к другу. Так, через 45 суток водонасыщения отношение WbIWk становится равным 1,72. Физический смысл этого изменения связан с геометрическим различием формы и размеров образцов-кубов и образцов-балочек.

Изучено водопоглощение лицевых поверхностей декоративных бетонов с различной фактурой при помощи собственно разработанной методики, заключающейся в воздействии воды исключительно на верхний лицевой слой бетона.

Размеры образцов (см) Время испытания

5 мин 15 мин ЭО мин 60 мин 1 сут 2 сут 3 сут 4 сут 7 сут 14 сут 1 мес 1,5 мес

Коэффициент пе ресчета

4x4x16 10x10x10 2,13 2,12 2,09 2,07 2,05 2,02 1,94 1,91 1,84 1,80 1,77 1,72

Пятая глава посвящена получению высокопрочных самоуплотняющихся порошково-активированных песчаных бетонов (ПАПБ), в том числе окрашенных минеральными пигментами или органическим красителем, с высокой функциональностью, с высокой прогнозируемой долговечностью и изучению их физико-технических и гигрометрических свойств. Разработаны составы бетонов, изготовленных по микротехнологиям без использования реакционно-активного частично-нанометрического микрокременезема с прочностью на сжатие 125-130 МПа. Они получены на основе отходов дробления гранита, известняка и мрамора, с использованием микрометрических и миллиметрических частиц в виде каменной муки, тонкого дробленого песка и песка-заполнителя, полученных из этих горных пород (табл. 2).

Показано, что для получения высокопрочных СУБ на основе отходов кам-недробления различных горных пород при расходе цемента 700 кг/м3 объемная концентрация водно-дисперсной суспензии должна находиться в диапазоне Свд = 55—60 %, а объемная концентрация водно-дисперсно-тонкозернистых суспензий - в пределах Сйдт = 80-85 %. При этом объем песка-заполнителя в таких бетонных смесях составляет всего 15-20 %, что обеспечивает беспрепятственное гравитационное растекание бетонных смесей, пластифицированных ГП МеШих 558 Ш, благодаря чему получаются высокоплотные самоуплотняющиеся смеси с высокой прочностью более 120 МПа.

-а-Г!АПБ-14 —- ПАПБ-5 — ПАПБ-Ч ' Рис. 6 Кинетика набора прочности порошково-активированных бетонов на различных горных породах

Наименование

На

1м-1, кг

р.

кг/м3

п,,

ц

Пт Ц Пз ц хп ц Прочность МПа, Квэ/ Ксж через, сут.

1 7 28

1 0,67 2,1 9 66 11.3 108 18,6 126

Порхландпеменг Красноярский 500 ДО_

700

Гранит молотый (Пм), Эуд — 3 700 см2 г

300

В Ц=0,328

ВТ=0.105

Песок тонкий гранитный (Пт), фр- 0,16-0,63 мм

700

Расштыв Км 460^460 мм

Песок крупный гранитный (Дз), фр. 0,63*2,5 мм

470

ГП Ме1Шх 5581Р

Шсух.

Вода

2177 230

1^0,26

Иш =4,85 Кущ. - 0,99

С4-7б.7%

V«,» 569,1 Сад= 57,5 % \"едг= 820,9 Свд,= 82,9%

Цуя

11с - 5,55 гаТМПа;

Я ¿¡° = 0,18 МПа/кг;

= 37,6 кг.'МПа;

Цемент белый Нгипетскнй

СЕМ 52,5

700

2392 0,43 1 0,67 2,1

1° 78

13.1 116

18.5 130

Известняк молотый (Пм), Буд = 3400 см2 г_

300

В.Ц=0.26б

В Т=0.085

Песок тонкий известняк. (Пт),фр. 0,16-0,63 мм

700

Расплыв Км 430x431 мм

Песок крупный известняк. (Пз), фр. 0,63*2,5 мм

470

ГП Ме1£их 5581Р

ЕМсух.

Вода

2177 186

ИШ-2.04

ИГ-4.52 К,т = 0,974

= 80,6 %

V«- 528,9 Сщ- 54,9 % 788,1 Сши= 81.9%

Цув

Кс = 5,38 кт/МПа. Я 0,18 МПа/кг;

Цуд

рл = 37,8 кг.'МПа, 11сЖи = 7,02;

Цемент белый Египетский

СЕМ 52.5

700

2496 0.43 1

0,67

2,1

10 66

16.2 ИЗ

19.1 127

Мрамор молотый (Пм), Буд = 3 800 см;т

300

В/Ц-0,285

В/Т-0,091

Песок тонкий мраморный (Пт), фр. 0,16-0,63 мм

700

Расплыв Км 525x522 мм

Песок крупный мраморный (Пз), фр. 0,63*2,5 мм

470

ГП МеШгх 558Н

ЕМсух.

Вода

2177 200

1^=2,21

Иш =4,79 К,™. = 0,985

С;в=78,6%

\'га- 534,6 Си» 56,9 % У„г= 776 Свдг= 78,6%

Ц н,с - 5,5 кг.'МПа; И. £"-0,18 МПа/кг;

Цуя

Ин = 36,6 кг/МПа; КсЖи - 6,65;

Выявлено, что в самоуплотняющихся архитектурно-декоративных бетонах обеспечивается чрезвычайно высокая односуточная и семисуточная прочность при твердении в нормально-влажностных условиях, не имеющая аналогов в отечественной производственной и научно-исследовательской практике: одно-суточная прочность составляет от 50 % до 62 % от 28-суточной, а семисуточная - от 85 % до 89 % от 28 суточной (рис. 6).

Такая кинетика набора прочности позволяет исключить дополнительные расходы на тепловлажностную обработку и отказаться от введения любых дорогостоящих наночастиц.

Проведенные исследования выполнены на трех видах горных пород - граните, известняке и мраморе. Но это не исключает использования других прочных горных пород с различными цветовыми оттенками, например, диабаза, диорита, габбро и т.п. Это открывает широкие перспективы для использования отходов камнедробления с карьеров многих горных пород.

Была выявлена позитивная роль минеральных пигментов в повышении прочности (до 7-5-9 %) порошково-активированных суспензионных бетонов нового поколения. Установлены оптимальные дозировки окрашивающих компонентов с точки зрения экономической и технологической эффективности: для минеральных пигментов оптимальная дозировка составляет 3—7 %, для органического фталоцианинового красителя - 0,5 % от массы цемента.

Основываясь на зарубежный научно-исследовательский и практический опыт применения «зеленых технологий» в строительстве, в частности применение диоксида титана в бетонах в качестве фотокаталитического компонента, облагораживающего загрязненный воздух, было изучено его действие на свойства порошково-активированных песчаных бетонов. На основе состава ПА1ТБ-14 (табл.2) было изготовлено 6 составов с различной дозировкой ТЮг (от 1 % до 15 % от массы цемента). Было установлено, что в нормированные сроки твердения (через 28 суток) максимальный пик прочности на сжатие наблюдался при дозировке ТЮг, равной 5 %, и составлял 136 МПа. При дальнейшем увеличении дозировки диоксида титана значения прочности уменьшались (рис. 7а). Иная картина наблюдалась при испытании образцов после 290 суток твердения в нормально-влажностных условиях - максимальное значение прочности достигалось при максимальной дозировке ТЮг (рис. 76).

Такой набор прочности в бетонах с ТЮг можно объяснить тем, что в порош-ково-активированных бетонах диоксид титана, вероятно, играет роль и реологически-активного, и реакционно-активного компонента, вступающего в реакцию с гидролизной известью в течение длительного промежутка времени. Для доказательства протекающей реакции между ТЮг и гидролизной известью методом рентгенофазового анализа было установлено формирование новой структурообразующей фазы в системе «ТЮг-Са(ОН)г». Для этого путем полусухого

тюг,% а) тк>2,% ¿л

Рис. 7 Зависимость прочности порошково-активированного бетона от дозировки диоксида титана: а) через 28 суток твердения; б) через 290 суток твердения

прессования были заформованы образцы цилиндрической формы с диаметром основания 25,1 мм и высотой 24 мм из смеси состава по массе: ТЮг - 66 %, Са(ОН)г - 30 %, цемент белый Египетский - 4 %, вода - 20 % от массы сухих

компонентов. Добавление 4 % портландцемента было обусловлено получением устойчивости прессовки к размыванию материала под влиянием насыщенного пара в автоклаве. Образцы прессовались при удельном давлении 50 МПа. Часть запрессованных образцов хранилась в нормально-влажностных условиях при температуре 20°С, а другая - после 20 суток предварительной выдержки в нор-мально-влажностных условиях подвергалась автоклавированию по режиму: подъем температуры до 191°С - 1,5 часа; изотермальная выдержка при /=191°С - 8,5 часов; остывание образцов до 1=20°С - 12 часов.

Было установлено, что все межплоскостные расстояния в рентгенограмме ТЮг проявились четко, от аналитических до слабых рефлексов. На рентгенограмме состава «ТЮ2-Са(ОН)2-ПЦ», твердевшего в нормальных условиях в течение суток, появились межплоскостные расстояния свободного гидроксида кальция Са(ОН)2 (2,638 А; 4,928 А; 1,929 А; 1,796 А). Отдельные чрезвычайно слабые рефлексы в угловых отметках 25°-30°, 30°-35°, 90°-95°, 95°-100° расшифровать не удалось. Все межплоскостные расстояния (всего 37 рефлексов), принадлежащие диоксиду титана на его рентгенограмме, отчетливо проявились и на рентгенограмме состава композиционной смеси. Это свидетельствует о сохранении в значительном количестве свободного ТЮг. На рентгенограмме ав-токлавированных образцов интенсивность межплоскостных расстояний уменьшилась, но появились заметные рефлексы новой фазы на угловых отметках 20°, 25°-30°, 30°-35°, 35°-40°, 45°, 50°-60°, 67°, 85°, 98°. Новые интенсивные рефлексы в углах 28°, 32°, 53°, 56° свидетельствовали о синтезе новой фазы, повышающей прочность образцов. Новая фаза нами не была идентифицирована, но мы предполагаем, что это, вероятнее всего, гидротитанат кальция. В нашем случае наиболее важным была не идентификация новой фазы, а оценка сохранения свободного ТЮ2 в достаточном количестве в структуре композиции и сохранение его фотокаталитической способности. Было выявлено, что доля свободного ТЮг, ответственного за фотокаталитические реакции в поверхности изделий из архитектурно-декоративного бетона, практически не уменьшается при нормальных условиях в кратковременные сроки. Но при высокой энергии активации в условиях высокотемпературных гидротермальных воздействий или длительного твердения реакция диоксида титана с гидролизной известью вполне возможна.

Были выявлены закономерности улучшения гигрометрических свойств архитектурно-декоративных порошково-активированных бетонов - чрезвычайно низких значений водопоглощення (0,8-4,5 %), капиллярного подсоса, деформаций усадки (0,31-Ю,52 мм/м) и набухания при оптимизации рецептуры с высоким содержанием суспензионной составляющей, достигающей 75-5-82 %. Такие малые значения водопоглощення и усадочных деформаций послужили основанием для обеспечения высокой прогнозируемой долговечности.

Для определения морозостойкости, ответственной за долговечность, была изготовлена серия образцов-кубов с размером ребра 100 мм. Состав бетона подбирался исходя из полученных ранее результатов по определению прочностных и гигрометрических показателей (табл. 3).

Наименование компонентов На 1м3, кг Объем на 1 м\ л В/Ц, ВТ Р, кг/м3 пм Щ ц пз ц Прочность МПа, через, суг.

Ц 1 7 2в

ПАПБ-23

Портландцемент Египетский белый СЕМ 52,5 730 235,4 0,267 РЕ.1 1 суг. 2454 0,41 0,96 0,64 Ясж=124 1^=14,6 Есг=144 19,7

Пигмент красный. 5% от Ц 36 6,9 Ж£ = 2,01 ц

ГП \lelflux 5581Р 1,0/о от Ц 7 5.4

Известняк молотый (Пм), ¡3^=3700 см'/г 300 111,1 0,087 Р"=? 2470 ттБД ИПт = 2.12 "£ = 4.65

Песок тонкий известняк. (Пт), фр. 0,16-0,63 мм 700 259,2 кг/МПа;

Клц Уа= 553,8 Си,= 56,1 % 813 Сиг =823% С^=£0,2 %

Песок крупный известняк. (Пз), фр. 0,бЗ-»-2,5 мм 470 174 0,993 К ц =0,2 МПа'кг Црл,=36,5Ег/МПа Rc/Rи=7,3

Расплыв конуса Хегерманна 32,8 см, Расплыв К« 48,3 см

ЕМс.х. Вода 2243 195 792 195

Мв.с. 2438 —

г'о.с — 987

Определение морозостойкости проводили согласно ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» по третьей ускоренной методике при насыщении образцов 5 %-м водным раствором хлорида натрия.

Изучена кинетика прироста массы образцов через каждые 200 циклов замораживания-оттаивания, до 1000 циклов включительно. Вопреки ожиданиям наблюдался прирост массы образцов, что, учитывая крайне низкое водопогло-щение по массе на третьи сутки (0,8 %), обусловлено возможной гидратацией и отсутствием деструктивных процессов. После 1000 циклов замораживания-оттаивания прирост массы составил 0,81 % от массы образцов, насыщенных солевым раствором перед началом испытания. В свою очередь, это гарантировало малую потерю прочности или сохранение ее. Необходимо было доказать отсутствие существенных деструктивных процессов и изменения прочности. Предел прочности на сжатие исследуемого бетона после 28 суток твердения в нормаль-но-влажностных условиях составлял 144 МПа, а к моменту окончания испытания на морозостойкость контрольные образцы, хранившиеся в солевом растворе, имели прочность 165 МПа. После 1000 циклов замораживания-оттаивания прочность образцов бетона понизилась со 165 МПа до 162 МПа, т.е. потеря

прочности составила менее 2 %, что находится в пределах ошибки опыта. Стоит отметить не только «рекордные» показатели прочности и морозостойкости разработанного порошково-активированного песчаного бетона без воздухововле-кающих добавок, но и необычную картину разрушения образцов (рис. 8).

Рис. 8 Испытание образца-куба с ребром 100 мм окрашенного порошково-активированного песчаного бетона после 1000 циклов замораживания-оттаивания при предельной нагрузке 162 т

Такая картина разрушения образцов говорит о повышенной хрупкости бетона. И если рекомендовать разработанные бетоны в качестве высоконагружен-ных конструкционных материалов, то необходимо хрупкий характер разрушения устранять введением стальной, минеральной и углеродной фибры или текстильным армированием.

Результаты изучения морозостойкости окрашенного порошково-активированного СУБ показали, что деструкция не проявляется по результатам изменения масс не только под воздействием расширения поглощенной воды при переходе ее в лед, но и в результате расшатывания структуры материала при знакопеременном температурном расширении-сжатии компонентов бетона с различными коэффициентами температурного расширения (третья гипотеза разрушения материала от мороза). А это дает основания утверждать, что разработанные сверхморозостойкие бетоны являются также термостойкими, практически исключающими расшатывание структуры от температурных напряжений, т.к. почти все компоненты различного размерного уровня одной химико-минералогической природы и имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, за исключением цементного камня.

Полученные высокие физико-технические и гшрометрические свойства архитектурно-декоративных сверхвысокопрочных бетонов, позволили разработать более экономичные СУБ с меньшей прочностью на сжатие, равной 115 МПа, с уменьшенным почти в два раза расходом цемента - 400 кг/м3, с очень низким удельным расходом цемента на единицу прочности при сжатии -3,48 кг/м3 (табл. 4).

Наименование компонентов На 1 м3, кг Объем на 1м3, л в/ц, В/Т Р, кг/и3 пм Ц ц 5> ц Прочность МПа, через, сут.

1 7 28

ПАПБ-24

Портландцемент Египетский белый 52,5 СЕМ 400 129 0.4 Рм 1 сут. 2588 0,87 1.55 2.6 Ысг=54 Иск— 86 Я«=10.5 110=115 Яш=14.7

ГПМеШих 5581Е 1,0?-о отЦ 4 3 Ж = 5,02 Ц

Мрамор молотый (Пм). 3800 см^/г 350 120.7 0,067 2607 И£=1,94 И£ = 1,75 Цр2=3.48кг/МПа; Яц =0Д8МПа/кг ттУД Црл=27,2кг/МПа 11сЖи = 7,82

Песок тонкий мраморный (Пт), фр. 0,16-0,63 мм 620 213,8

К,„ 415,7 Сщ= 42 % Уих^ 629,5 0^=63,7% ста= 83.5 %

Песок крупный мраморный (Пз) фр. 0,63+2.5 мм 1040 358.7 0,992

Расплые конуса Хегерманна 30 см. ОКст 26,9 см

Шсух Вода 2414 163 825,2 163

м5с. 2577 —

ю > — 988,2

В результате оптимизации состава порошково-активированного бетона ПАПБ-5 (см. табл. 2) доля цемента была снижена с 700 до 400 кг/м3, количество каменной муки и тонкого песка фр.0,16-Н),63 мм из отходов камнепиления и дробления мрамора изменилось незначительно, а количество крупного песка фр. 0,63-5-2,5 мм увеличилось в 2,2 раза, т.е. доля песка-заполнителя по объему смеси увеличилась с 17,3 % до 36,3 %. Следовательно, объем водно-дисперсно-тонкозернистой матрицы в смеси уменьшился на 19 %, при этом смесь осталась самоуплотняющейся, соответствующей по американской классификации марке 8Р2, с осадкой стандартного конуса ОКст=26,9 см. Плотность бетона повысилась на 92 кг/м3 и составила 2588 кг/м3. Нарастание прочности было менее интенсивным, но достаточно быстрым - на первые сутки прочность на сжатие составляла 54 МПа, что вполне достаточно для распалубки в ранние сроки твердения архитектурно-декоративного бетона. Прочность на сжатие в нормированные сроки твердения через 28 суток составила 115 МПа, что всего лишь на 9,5 % ниже, чем у состава с расходом цемента 700 кг/м3. Водопоглощение по массе составило всего 0,5 % после трех суток экспонирования образцов в воде.

Результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать их для изготовления армированных конструкционных бетонов. А возможность значительного снижения расхода цемента при сохранении высоких показателей эксплуатационных характеристик позволяет повысить экономическую эффективность.

В шестой главе представлены технологические схемы получения фракционированных микрометрических наполнителей с удельной поверхностью »Ууд=300(К4000 см2/г (1+100 мкм) и миллиметрических заполнителей с размером зерна 0,16+2,5 (5 мм) из отходов камнедробления различных горных пород и производства на их основе самоуплотняющихся архитектурно-декоративных порошково-активированных тонкозернистых бетонов, в том числе окрашенных. Даны рекомендации по используемому оборудованию и этапам технологических процессов.

Показана энергоэффективность, экологическая и технико-экономическая эффективность от внедрения архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных СУБ с добавлением большого количества отсевов дробления горных пород фр. 0,63+2,5 (5,0) мм без использования дорогостоящих микрокремнеземов и наномодификаторов, с расходом цемента 400 кг/м3 вместо 700 кг/м3, с прочностью на сжатие 100+120 МПа и удельным расходом цемента на единицу прочности - 3,47 кг/МПа.

Выполнена оценка сравнительной стоимости компонентов бетонных смесей порошково-активированных песчаных бетонов с различным содержанием их в 1 м3 бетона с расходами цемента 700 кг/м3 и 400 кг/м3. Показан экономический эффект за счет замены белого цемента СЕМ 52,5 на серый портландцемент СЕМ 42,5 при невостребованности светлого и насыщенных цветовых тонов бетонных изделий и конструкций.

Сформулировано направление развития ресурсосберегающих, энергосберегающих и более экологически чистых технологий производства БНП. Это обосновано сокращением выбросов вредных газов в атмосферу; уменьшением объемов добычи нерудных полезных ископаемых и сырья для производства цемента, и уменьшением расходов энергии и топлива при их добыче, дроблении и помоле; сокращением наращивания чрезвычайно материало- и энергоемкого производства портландцемента; сокращением энергоемкости производства и затрат логистических систем перевозок сырья; заменой централизованно зале-гающ!гх дорогостоящих и привозных заполнителей более дешевыми местными песками или отходами камнедробления местных известняков, доломитов, гра-вийно-песчаных смесей и т.д.

Результаты исследований получили производственное апробирование в ООО «Инновационные технологии» (г. Пенза) при изготовлении мелкоштучных декоративных изделий и элементов благоустройства, а также при производстве бетонных блоков с поверхностью, имитирующей гранит, для постамента монументального архитектурно-скульптурного ансамбля «Памятник русскому писателю А.И. Куприну».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги выполненного исследования

1. Впервые получены высокопрочные самоуплотняющиеся архитектурно-декоративные порошково-активнрованные песчаные бетоны с окрашивающими компонентами и естественной поверхностью, с разнообразным рельефом и фактурой. Высокопрочные бетоны разработаны с использованием микротехнологий без применения реакционно-активного нанометрического микрокременезе-ма с формированием состава сухих компонентов из микрометрических частиц цемента, каменной муки, тонкого дробленого песка, а также миллиметрических частиц песка-заполнителя из отходов камнедробления горных пород с прочностью бетона на сжатие 115+144 МПа, с расходом цемента 400+730 кг/м3, удельным расходом цемента на единицу прочности 3,5+6,4 кг/МПа.

2. Установлено, что высокие показатели прочности и других физико-технических свойств бетонов были достигнуты за счет дополнительного введения в рецептуру значительного количества дисперсных и тонкозернистых наполнителей - тонкого дробленого песка миллиметрического размерного уровня фракции 0,16+0,63. В сверхвысокопрочных бетонах с расходом цемента 700+730 кг/м3 содержание каменной муки составляло 40 % от массы цемента, а содержание тонкого песка - 100 % от массы цемента; в высокопрочных бетонах с расходом цемента 400 кг/м3 содержание каменной муки достигало 87 %, а содержание тонкого песка - 155 %.

3. В составах самоуплотняющихся бетонных смесей условное объемное содержание высококонцентрированных водно-дисперсно тонкозернистых суспензий - как основы получеши СУБ - должно быть не менее 60+65 % при расходе цемента 400 кг/м3 и не менее 80+85 % при расходе цемента 700+730 кг/м3. Таким образом, высокопрочные и сверхвысокопрочные порошково-активиро-ванные песчаные СУБ - это практически суспензионные бетоны.

4. Установлены кинетические закономерности ускоренного твердения разработанных архитектурно-декоративных бетонов при температуре 20±2 °С. Выявлено, что в самоуплотняющихся архитектурно-декоративных бетонах обеспечивается чрезвычайно высокая односуточная и семисуточная прочность при нормальном твердении, не имеющая аналогов ни в отечествешюй, ни в зарубежной производственной и научно-исследовательской практике: односуточная прочность составляет от 50 % до 62 % от 28-суточной, а семисуточная - от 85 % до 89 % от 28-суточной.

5. Сверхвысокие качественные показатели полученных архитектурно-декоративных бетонов (прочность на сжатие более 100 МПа, морозостойкость более 1000 циклов попеременного замораживания-оттаивания без потери массы и прочности, водопоглощение - 0,8+1,5 %, усадочные деформации - 0,3+0,5 мм/м) не исключают применения их при дисперсном или стержневом армировании и в качестве конструкционных. Поэтому будущее бетонов определяет приоритет микротехнологий над нанотехнологиями в производстве бетона, что не исключает использования реальных нанотехнологий в качестве резерва дальнейшего повышения прочности и других качественных показателей будущих бетонов по микронанотехнологиям.

6. Для обоснования «зеленых технологий» от введения ТЮг в состав бетона методом рентгенофазового анализа установлено незначительное образование новой структурообразующей фазы в системе «ТЮ2-Са(ОН)2» при жесткой гидротермальной обработке (давление водяного пара 1,2 МПа, температура 191°С) и сохранение фотокаталитического диоксида титана в значительном количестве в свободном виде в структуре архитектурно-декоративного бетона. Для разработанных самоуплотняющихся архитектурно-декоративных бетонов выявлена позитивная роль влияния минеральных пигментов на свойства бетонов нового поколения, в частности, статистически обоснованное повышение прочности до 7+9 %.

7. Установлена эффективность применения поверхностной гидрофобизации не только для повышения гигрометрических характеристик (снижение значений водопоглощения в 6 раз через 3 суток экспонирования в воде образцов-кубов с ребром 100 мм), но и для сохранения архитектурной выразительности поверхности в течение длительного периода эксплуатации. В качестве пропитывающего гидрофобизатора рекомендован модификатор «Пента-824», не изменяющий визуальное восприятие поверхности после его нанесения. Менее эффективным оказался способ объемной структурной гидрофобизации нерастворимым стеа-ратом цинка при дозировке 1 % от массы бетона Его введение не обеспечивает высоких гидрофобных свойств по показателям объемного водопоглощения и капиллярного всасывания и приводит к существенному снижению темпов набора прочности в нормированные сроки твердения.

8. Экономическая эффективность производства архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов от снижения стоимости компонентов при различных расходах их в 1 м3, в частности при снижении расхода дорогостоящего белого цемента с 700 кг/м3 до 400 кг/м3 и увеличении доли песка-заполнителя фр. 0,63-5-2,5 мм с 470 кг/м3 до 1040 кг/м3, составляет 30+40 %. Кроме того, экономическая эффективность определяется использованием в качестве заполнителей и наполнителей различного размерного уровня отходов камнедробления горных пород, в том числе известняков, что оправданно не только с технологической и экономической точки зрения, но и с позиций экологии. Использование полного спектра фракций отходов камнедробления при производстве наполнителей и заполнителей различного размерного уровня для самоуплотняющихся порошково-активированных бетонов позволяет обеспечить не только сверхвысокие качества бетонов, но и частично решает экологическую проблему, связанную с ростом многотоннажных отходов камнедробления в регионах, имеющих горнодобывающие и горнообогатительные комбинаты.

9. Осуществлена опытно-промышленная апробация разработанных архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных СУБ с использованием отходов камнедробления горных пород в ООО «Инновационные технологии» (г. Пенза) при производстве мелкоштучных декоративных изделий и элементов благоустройства, а также при производстве бетонных блоков с поверхностью, имитирующей гранит, для постамента монументального архитектурно-скульптурного ансамбля «Памятник русскому писателю А.И. Куприну».

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы

1. Разработанные высокопрочные и сверхвысокопрочные песчаные самоуплотняющиеся бетоны без пигментов и красителей перспективны в качестве конструкционных при изготовлении несущих армированных конструкций и в монолитном строительстве.

2. Разработанные архитектурно-декоративные бетоны рекомендуются к использованию для изготовления тонкослойных отделочных декоративных панелей и изогнутых архитектурных элементов с плавным сопряжением поверхностей с перспективой дисперсного армирования стеклофиброй, базальтовой фиброй или текстилем, необходимого для существенного увеличения прочности на растяжение при изгибе, обеспечивающей бездефектное состояние изделия во время транспортировки и монтажных работ.

3. Результаты диссертационной работы целесообразно использовать в административных регионах, обладающих карьерами известняков и доломитизиро-ванных известняков, при оценке возможности использования отсевов камне-дробления для получен™ дисперсных, тонкозернистых и зернистых наполнителей и заполнителей и применения их для изготовления высокофункциональных песчаных бетонов нового поколения.

4. Результаты диссертационного исследования могут представлять методологическую основу для продолжения исследований и использоваться в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

1. Мороз, M.R Высокопрочные декоративно-отделочные поверхностно-гидрофобизированные бетоны [Текст] / М.Н. Мороз, В.И. Калашников, О.В. Суздальцев, B.C. Янин // Региональная архитектура и строительство. - 2014. -№1(18).-С. 18-23.

2. Калашников, В.И. Нанопщросиликатные технологии в производстве бетонов [Текст] / В.И. Калашников, В.Т. Ерофеев, М.Н. Мороз, И.Ю. Троянов, В.М. Володин, О.В. Суздальцев // Строительные материалы. - 2014. - №5. - С. 88-91.

3. Калашников, В.И. Роль дисперсных и тонкозернистых наполнителей в бетонах нового поколения [Текст] / В.И. Калашников, О.В. Суздальцев, P.A. Дря-нин, Г.П. Сехпосян // Известия высших учебных заведений. Строительство. -2014. -№7.-С. 11-21.

4. Калашников, В.И. Новые представления о механизме действия суперпластификаторов, совместно размолотых с цементом и минеральными породами [Текст] / В.И. Калашников, М.Н. Мороз, О.В. Тараканов, Д.В. Калашников, О.В. Суздальцев // Строительные материалы. - 2014. - №9. - С. 70-75.

5. Калашников, В.И. Морозостойкость окрашенных архитектурно-декоративных порошково-актнвированных песчаных бетонов [Текст] / В.И. Калашников, О.В. Суздальцев, МН. Мороз, В.В. Пауск // Строительные материалы. - 2015.-№3. - С. 16-19.

6. Мороз, М.Н. Предполагаемый механизм поверхностной пщрофобизации строительных материалов [Текст] / М.Н. Мороз, О.В. Суздальцев, В.И. Калашников //Молодойученый. -2014. -№11 (70)4. 1. -С. 80-83.

7. Калашников, В.И. К терминологии архитектурно-декоративных бетонов [Текст] / В.И. Калашников, И.Ю. Троянов, М.Н. Мороз, О.В. Суздальцев, В.А. Тяпкин, В.Н Каледа // VIII Международная научно-практическая конференция «Новости научного прогресса - 2013» (г. София, Болгария). Publishing house Education and Science s.r.o. - C. 99-101.

8. Суздальцев, O.B. Новые высокоэффективные бетоны [Текст] / О.В. Суздальцев, В.И. Калашников, М.Н. Мороз, Г.П. Сехпосян // Новый университет. -2014. - Том 7-8 (29-30). - С. 44-47.

9. Калашников, В.И. Сверхвысокопрочные фибробетоны с улучшенной дуктильностью [Текст] / В.И. Калашников, В.M Володин, М.Н. Мороз, О.В. Суздальцев, Г.П. Сехпосян // Новый университет. - 2014. - Том 7-8 (29-30). - С. 48-51.

10. Суздальцев, О.В. Влияние порошкового гидрофобнзатора на прочность и водопоглощение архитектурно-декоративных бетонов нового поколения [Текст] / О.В. Суздальцев, В.И. Калашников, М.Н. Мороз, ИВ. Ерофеева // Молодой ученый. -2015.-№5(85). Ч. П.-С. 186-188.

11. Калашников, В.И. Облегченные трехслойные крупноформатные стеновые блоки из высокопрочного реакционно-порошкового бетона нового поколения [Текст] / В.И Калашников, М.Н Мороз, И.Ю. Троянов, Е.А. Белякова, Р.Н. Москвин, О.В. Суздальцев // МП Международная научно-практическая конференция «Наука: теория и практика - 2013». Sp. zo.o. «Nauka I studia» (Przemysl, Польша). - Publishing house Education and Science s.r.o. - P. 41-44.

12. Калашников, В.И. Новое направление в производстве бетонов общестроительного назначения на основе реакционно-порошковой связки [Текст] / В.И. Калашников, М.Н. Мороз, ИЮ. Троянов, C.B. Ананьев, О.В. Суздальцев // Популярное бетоноведение. - 2009. - №6 (32). - С.44-48.

13. Калашников, В.И. Изменение динамического модуля упругости гидро-фобизированных бетонов при различных гигрометрических условиях [Текст] / В.И. Калашников, М.Н. Мороз, Е.А. Белякова, О.В. Суздальцев // Вестник магистратуры. Йошкор-Ола - 2014. - №7(34). Т.1. - С.44-47.

14. Ананьев, C.B. Влияние тонкости помола и качества кварцевого песка на прочностные свойства порошкового бетона [Текст] / C.B. Ананьев, В.И. Калашников, О.В. Суздальцев, P.A. Дрянин // Наука и мир. - Волгоград. - 2014. -№8(12). - С.45-47.

15. Мороз, М.Н Поверхностно-гидрофобизированные защитные декоративно-отделочные высокопрочные бетоны [Текст] / М.Н. Мороз, C.B. Ананьев, О.В. Суздальцев // 3 Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей, «Апитинформ». - Санкт-Петербург. - 2012. - С. 143-148.

Суздальцев Олег Владимирович

ДОЛГОВЕЧНЫЕ АРХИТЕКТУРНО-ДЕКОРАТИВНЫЕ ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ КАМНЕДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано к печати 27.04.2015. Формат 60x84 1/16 Бумага писчая белая. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,0. Заказ № 77. Тираж 100 экз. Издательство ПГУАС. 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28. E-mail: office@pguas.ru