автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Эффективные бетоны, модифицированные многофункциональной органической добавкой техногенной природы

На правах рукописи

ТУХАРЕЛИ ВЛАДИСЛАВ ДИМИТРИЕВИЧ

ЭФФЕКТИВНЫЕ БЕТОНЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ДОБАВКОЙ ТЕХНОГЕННОЙ ПРИРОДЫ

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК т

Волгоград-2013

005541946

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, профессор Лкчурин Талгать Кадимович

Романов Сергей Иванович доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Тимохин Денис Константинович кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и технологии» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина»

ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева"

Защита состоится 20 декабря 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, ул. Академическая 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан ^, 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин

Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Один из путей увеличения долговечности строительных конструкций - повышение эксплуатационных свойств цементных бетонов. Данная задача может быть решена за счет разработки и оптимизации цементных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами. Поэтому наибольший интерес, с позиций увеличения долговечности конструкционных материалов, представляют эффективные бетоны нового поколения, модифицированные добавками, использование которых позволит получать материалы различного назначения с заданным комплексом свойств.

Применение техногенных отходов в производстве строительных материалов и изделий значительно расширяет сырьевую базу строительной отрасли, и существенно повышает эффективность капиталовложений. Развитие строительной индустрии предусматривает значительное расширение производства бетонных смесей с использованием новых эффективных добавок на основе техногенных отходов, в частности нефтехимического производства. Ввод органических добавок техногенной природы, даже в незначительном количестве, изменяет свойства готовых строительных материалов. В зависимости от процентного содержания добавки и целей модификации, возможно существенно изменять те или иные эксплуатационные характеристики полимерцементных композиций.

При строительстве различных сооружений и гидротехнических объектов одной из главных задач является обеспечение долговечной и надежной гидроизоляции. Как правило, для строительства такого рода зданий используется водонепроницаемый бетон. В процессе эксплуатации различные виды обмазочной или оклеечной гидроизоляции легко повреждаются, нарушается их герметичность. Срок службы таких материалов существенно отличается от срока службы конструкций из бетона. Для этих целей в основном используются дорогостоящие импортные материалы, но сегодня больших финансовых затрат можно избежать. Именно поэтому актуальной становиться производство бетона с водоотталкивающими и коррозионностойкими свойствами. Такой бетон сам способен сопротивляться проникновению агрессивной среды и воды, в том числе и ПОД большим давлением. Что достигаются введением многофункциональных комплексных добавок на основе химических веществ.

Диссертационная работа посвящена разработке составов эффективных бетонов, повышенного качества, путем его модификации многофункциональной комплексной добавкой органической фракции нефтеотходов (ОФН), придающей бетону специальные свойства. Эффективность воздействия добавки ОФН на бетонную смесь или бетон оценивали по величине максимального технического эффекта, достигаемого введением данной добавки в различном процентном соотношении. Разработанные новые

модифицированные составы бетонных композиций с использованием органических отходов нефтепереработки, сочетают в себе водостойкие, химически стойкие свойства, повышенные физико-механические характеристики бетона, увеличивая их долговечность, по сравнению с традиционными составами бетонов. Но констатирование факта повышения эксплуатационных характеристик бетона за счет его модификации не в полной мере решает поставленные задачи. Закономерности изменения эксплуатационных характеристик бетона при введении комплексной органической добавки ОФН связаны с особенностями процессов структурообразования модифицированных бетонных композиций. Для создания оптимальных составов композиций необходимо проведение исследований физико-химических процессов, происходящих в соответствующих модифицированных системах и зонах контакта компонентов при гидратации вяжущих веществ, с целью управления этими процессами, определения влияния количества добавки ОФН на микро- и макроструктуру, а также изменения физико-механических характеристик. Для придания бетону специальных свойств, оценивали многофункциональность комплексного модификатора ОФН, обеспечивающего стабильность и устойчивость состава и структуры разработанного бетона, при совокупном воздействии различных факторов, в том числе и агрессивных.

Степень разработанности проблемы.

Вопросам разработки составов и расширением областей использования высокоэффективных строительных композитов как многокомпонентных, многоуровневых систем, отличающихся функциональной и структурной организацией, с заданными технологическими свойствами, посвящены исследования, проводимые многими учеными в различных странах. Данная тематика достаточно широко отражена в работах Соло-матова В.И., Ратинова В.П., Ерофеева В.Т., Баженова Ю.М., Акчурина Т.К., Корнеева А.Д., Иващенко Ю.Г., Калашникова В.И., Чернышова Е.М., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Рахимова Р.З., Латыпова В.М., Федосова C.B., Рахимбаева Ш.М., Гаркави М.С., Пичугина А.П., Пухаренко Ю.В., Ореш-кина Д.В., Белова В.В., Грызлова B.C., Акулова М.В., Ярцева В.П. и др.

Появление высокотехнологичных бетонов нового поколения подразумевает использование для их изготовления вяжущих низкой водопо-требности, дисперсно-наполненных и тонкомолотых, быстротвердеющих и особобыстротвердеющих вяжущих, суперпластификаторов, воздуховов-лекающих и поризующих добавок, армирующих волокон, высокодисперсных порошков. Более высокий уровень характеристик и возможностей бетонов нового поколения является следствием модифицирования их структуры, в сравнении с видами бетонов прежних поколений. Среди факторов, влияющих на эффективность модификации, выделим действие химических добавок в соответствии с их назначением, совместимость их с компонентами бетонной системы (вяжущее, заполнители, наполнители) и

другими добавками для достижения максимального технического эффекта. Номенклатура рекомендуемых химических добавок в основном импортного производства насчитывает несколько сотен наименований. Следует выделить особое место среди них высокоэффективным комплексным добавкам, проявляющим одновременно пластифицирующий, воздуховов-лекающий, гидрофобизирующий эффекты. Не являясь дефицитными, импортные высокоэффективные комплексные добавки достаточно дороги в масштабах массового производства бетона, остающегося на сегодняшний день основным строительным материалом, требующим постоянного улучшения технологических и эксплуатационных свойств. Идея использования в качестве многофункциональной комплексной добавки продуктов и отходов нефтехимического синтеза, для придания материалам и изделиям специальных свойств, не нова, но остается актуальной в связи с тем, что максимальный технический эффект от ввода добавки проявляется в каждом конкретном случае индивидуально, за счет ее сложного многокомпонентного состава.

Возможность использования в качестве многофункциональной комплексной добавки органической фракции нефтеотходов (ОФН) при производстве эффективного бетона нового поколения, позволяет не только снизить стоимость бетонной композиции, за счет использования техногенных отходов, но и улучшить физико-химические и технологические свойства бетона, за счет придания изделиям специальных свойств.

Все вышесказанное подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Цель работы заключается в разработке составов бетонов повышенного качества, модифицированных техногенными отходами органической фракции нефтепереработки, являющейся многофункциональной комплексной добавкой, придающей бетону специальные свойства,

Задачи исследований:

- дать оценку продуктам нефтепереработки в виде органической фракции нефтеотходов (ОФН) как возможного модификатора эффективных бетонов комплексного действия;

- установить закономерности изменения физико-механических свойств бетонов, модифицированных комплексной добавкой ОФН, и степень влияния модификации ОФН на реологические и структурно-механические характеристики бетона;

- выявить особенности структурообразования модифицированного бетона и механизма комплексного гидрофобизиругащего и пластифицирующего действия органической фракции нефтеотходов в составах бетонных композиций;

- определить оптимальное содержание ОФН в бетонной композиции путем получения адекватной математической модели для прогнозирования эксплуатационных характеристик эффективного бетона;

- оценить многофункциональность комплексной модифицирующей добавки ОФН и ее влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства предлагаемых бетонов;

- дать технико-экономическую оценку эффективности использования многофункциональной комплексной добавки ОФН в составах бетонов, опытно-промышленной апробации результатов исследований.

Научная новизна:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения эффективных бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками путем модифицирования бетонных композиций органической фракцией нефтеотходов, обладающей гидрофобно-пластифицирующим действием;

- выявлены особенности формирования структуры бетона, модифицированного комплексной добавкой ОФН, основанные на процессах адгезии и смачивания однородных поверхностей, а также особенности механизма действия добавки ОФН, изменяющей растворимость цементного вяжущего, но не вступающего с ней в химическое взаимодействие;

- установлено, что сочетание гидрофобизирующего и пластифицирующего действия ОФН в составах бетонных композиций способствует увеличению долговечности бетона, за счет уменьшения водопоглощения, водопроницаемости бетона, повышения его морозостойкости, что обусловлено гомогенизацией бетонной системы и изменением структуры цементного камня;

- результаты экспериментальных исследований и построенная регрессионная модель подтверждает зависимость эксплуатационных характеристик эффективных бетонов от количества вводимой комплексной добавки ОФН;

- расширены представления о способах повышения качества бетонных композиций путем их модификации многофункциональными комплексными добавками, являющимися продуктами нефтехимического синтеза техногенной природы.

Практическая значимость работы. Выявлена и предложена новая многофункциональная комплексная добавка на основе продуктов и материалов нефтепереработки. Обоснована возможность эффективного использования органической фракции нефтеотходов (ОФН) в качестве гид-рофобно-пластифицирующей добавки в бетоны. Разработаны оптимальные составы бетона, модифицированного гидрофобно-пластифицирующей добавкой органической фракции нефтеотходов, обладающие улучшенными эксплуатационными и технологическими показателями: водопоглоще-нием, морозостойкостью и стойкостью к агрессивным средам, что способствует увеличению долговечности бетона. Гомогенизация бетонной системы за счет ее модификации сложной многокомпонентной системой ОФН и управление процессами структурообразования цементного камня

на макро - и микроуровнях позволило оптимизировать свойства эффективного бетона, его однородность, удобоукладываемость, повысить прочность, при снижении расхода цемента. Использование продуктов и материалов нефтепереработки предприятий г. Волгограда позволило расширить номенклатуру высокоэффективных комплексных добавок, сырьевую базу строительных материалов, снизить себестоимость изделий, внести определенный вклад в решение экологической проблемы утилизации отходов.

Объект исследований. Эффективные бетоны нового поколения, модифицированные многофункциональной комплексной добавкой на основе продуктов и материалов нефтепереработки.

Предмет исследований. Процессы структурообразования бетонной системы, модифицированной комплексной гидрофобно-пластифи-цирующей добавкой органической фракцией нефтеотходов и оценка влияние модификатора на физико-механические характеристики бетонной композиции.

Положения, выносимые на защиту:

- принципы повышения эффективности бетона, за счет его модификации химическими комплексными добавками в соответствии с их назначением для достижения максимального технического эффекта;

- теоретические представления о механизме поведения модифицирующей добавки на основе органической фракции нефтеотходов, и проявления ею комплексных гидрофобно-пластифицирующих свойств;

- результаты экспериментальных исследований влияния модифицирующей добавки ОФН на структурно-технологические и эксплуатационные свойства бетонной системы;

- новые составы и эксплуатационные характеристики эффективных бетонов, модифицированных многофункциональной комплексной добавкой органической фракции нефтеотходов и их опытно-промышленная апробация.

Достоверность исследований и выводов по диссертационной работе обеспечена обоснованным методическим комплексом, который предусматривает использование стандартных средств измерений и методов исследований; современные математические методы обработки экспериментальных данных в среде МаШСАБ обеспечивают не противоречие и совпадение опытных испытаний и их положительных практических результатов с результатами расчетов и выводов известных положений.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития Волгоградской области» (Волгоград, 2009 г.); Международной конференции посвященной 80-летию строи-

тельного образования и 40-летию архитектурного образования Волгоградской обл. (Волгоград, 2010 г.); У1-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2011 г.); ГУ-й Всероссийской научно-технической конференции с междунар. участием «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование» (Михайловка, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (Волгоград, 2011 г.); Ш-1У-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012г., 2013 г.); 1-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсоэнергоэффективкые технологии в строительном комплексе» (Саратов, 2013 г.).

Личный вклад автора. Вклад автора состоит в обоснованном выборе направления исследования; расширении ассортимента добавок многофункционального действия на основе материалов и продуктов нефтехимической отрасли из разряда местных; разработке составов эффективных бетонов с улучшенными характеристиками путем их модификации добавкой органической фракции нефтеотходов; в анализе и обобщении полученных результатов исследований, изложенных в диссертационной работе; внедрении результатов диссертационной работы в виде выпуска опытно-промышленной партии материала.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, в т. ч. 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и изложена на 139 страницах машинописного текста, включает 14 таблиц и 22 рисунка, списка использованных источников из 141 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи исследований. Показана целесообразность использования в качестве высокоэффективной комплексной химической добавки к бетонам материалов и продуктов нефтепереработки в виде органической фракции нефтеотходов гидрофобно-пластифицирующего действия.

В первой главе представлен анализ литературных источников опыта использования химических соединений и композиций комплексно-

го действия для модификации цементных бетонов. Вопросам получения эффективных бетонов нового поколения, путем их модификации комплексными добавками органического, минерального, минерально-органического происхождения посвящены работы многих современных российских и зарубежных авторов.

На практике в основном применяют различные химические соединения, тогда как наиболее распространенными являются кремний органические мономерные и полимерные жидкости, поверхностно-активные вещества, комплексные добавки на основе суперпластификаторов. Также в качестве добавок в бетоны используются отходы целлюлозно-бумажной промышленности, масложировой отрасли, отходы нефтехимического синтеза, однако дефицитность этих продуктов лимитирует их применение. Опыт применения добавок в бетоны показывает, что наиболее перспективным направлением является использование комплексных добавок. Монодобавки, часто, наряду с положительным эффектом оказывают и отрицательное влияние на свойства бетонов, что снижает их эффективность. Импортные химические добавки не являются дефицитными, но в масштабах массового производства основного строительного материала, бетона, с улучшенными технологическими и эксплуатационными характеристиками, актуальной была и остается идея использования в качестве многофункциональных добавок комплексного действия техногенных отходов промышленности. Максимальный технический эффект от действия химических добавок в виде отходов нефтехимического синтеза проявляется в цементных композициях специфическими свойствами, характерными для заданных условий эксплуатации.

В связи с этим предлагаемые в диссертационной работе материалы и продукты нефтепереработки в виде органической фракции нефтеотходов целесообразно исследовать на предмет их комплексного и полифункционального действия в составах бетонов в качестве модифицирующей добавки, а также определить механизм влияния ОФН на процессы гидратации цемента, придания цементу специальных свойств. Вопросы повышения эксплуатационных и технологических свойств бетона, придания ему специальных свойств путем модифицирования органической фракцией нефтеотходов не нашли отражения ни в теории, ни в практике. Возможность использования материалов и продуктов нефтепереработки как естественного резерва модифицирующих добавок комплексного действия для улучшения свойств эффективных бетонов и придания ему специальных свойств представляется весьма актуальной и экономически оправданной.

На основании проведенного литературного обзора диссертационной работы выдвигается рабочая гипотеза - введение в состав бетонов органической фракции нефтеотходов в качестве комплексной модифицирующей добавки оказывает влияние на процессы гидратации цемента, с максимальным проявлением гидрофобно-пластифицирующего эффекта, что

позволяет получать изделия с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Во второй главе обоснован выбор материалов и методик исследований. В диссертационной работе были использованы следующие материалы:

- природный песок с крупностью зерен до 0,63 мм, получаемый при разработке песчаного месторождения без использования специального обогатительного оборудования ООО «Волгоградский карьерный союз» (ро-1454 кг/м3);

- портландцемент марки 500 ОАО «Себряковцемент»;

- щебень гранитный 3 - 10 мм ОАО «Карьероуправление Венцы-Заря» Краснодарского края (р0 - 1460 кг/м3);

- органическая фракция нефтеотходов (ОФН) ~ экстракт дистил-лятный переработки нефтепродуктов ООО «Лукойл-Волгоград-нефтепереработка». ОФН представляет собой нефтеотходы от экстракции ароматических углеводородов из нефти при селективной очистке масляного сырья, темно-коричневая жидкость с зеленоватым отливом, с легким запахом технического масла, консистенция напоминает вязкое подсолнечное масло. Химический состав экстракта дистиллятного представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав нефтеотходов от экстракции ароматических

углеводородов из нефти при селективной очистке масляного сырья

Название группы углеводородов Содержание в экстракте,%

Парафиновые 6,82

Нафтеновые 42,8

Легкие ароматические 6,65

Средние ароматические 18,59

Тяжелые ароматические 20,8

Сумма ароматических 46,04

Сумма смол и асфальтенов 4,34

Плотность при 20 °С - 940,7 кг/м3; вязкость - 10 - 12 мм2/с, температура вспышки-230 °С; температура застывания -от +20 "С до-15 °С.

Органическую фракцию нефтеотходов (ОФН) можно рассматривать как дисперсную среду, повторяющую сочетание соединений, из которых состоит нефть. Система ОФН не является однозначно молекулярной, согласно ее химического состава. Содержание смолисто-асфальтеновых соединений (4,34 %) способствует снижению области молекулярного состояния, система становится дисперсной при изменении значений давления и температуры. Компоненты системы являются растворителями друг

для друга. Парафины - неполярные растворители, хорошо растворяются в парафиновых углеводородах в отличие от асфальтенов, твердые парафины (С)7- С36) лучше растворяются в высокомолекулярной части неполярных растворителей, чем в легких углеводородах, особенно при низких температурах. Поэтому степень полярности дисперсионной среды не одинаково влияет на размер различных по природе ассоциатов в дисперсной системе ОФН, обусловливая различную концентрацию надмолекулярных структур в системе ОФН. Ароматические углеводороды (46,04 %) ОФН имеют повышенную склонность к межмолекулярному взаимодействию, могут образовывать двумерную (плоскостную) структуру и склонны к образованию сложных структурных единиц с повышением температуры. ОФН можно определить как многокомпонентную смесь сложного химического состава, способную изменять агрегатное состояние и объемные свойства при изменении внешних условий. Смесь углеводородов различных гомологических рядов и полярность их молекул является особенностью ОФН, обуславливающую склонностью образующих его компонентов к ассоциации и физическому агрегированию.

Модификатор ОФН вводили в бетонную смесь в виде водной эмульсии, приготовленной согласно СНиП 3.09.01-85 «Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий». Для оценки гидрофобно-пластифицирующего действия ОФН в качестве объектов сравнения использовались кремнийор-ганическая жидкость ГКЖ-10, суперпластификатор С-3.

При проведении исследований и испытаний использовались современные физические и физико-химические методы анализа, математические методы планирования эксперимента и их компьютерная обработка. Определение физико-механических характеристик модифицированного эффективного бетона проводились в лабораториях кафедры СМ и СТ ВолгГА-СУ по стандартным методикам испытаний строительных материалов.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния модифицирования бетона добавкой ОФН на изменения физико-механических свойств бетонной композиции. Анализ результатов оптических исследований макро- и микроструктуры структуры модифицированного бетона, процессов гидратации цементного вяжущего в присутствии ОФН, которые позволили характеризовать органическую фракцию нефте-отходов как добавку к бетонам комплексного действия.

Результаты испытаний показали (рис. 1, а - г), что прочность при сжатии и прочность при изгибе образцов увеличивается в среднем на 30 -35 % при введении модифицирующей добавки от 0,1 до 0,5 % от массы цементного вяжущего. Плотность модифицированного бетона возросла на 10 %, водопоглощение уменьшилось в 2 раза. Закономерности изменения физико-механических свойств образцов бетона модифицированного ОФН связаны с особенностями процессов структурообразования в модифици-

рованных цементных композициях. Добавка ОФН - многокомпонентная дисперсная система. Содержащиеся в ней смолисто-асфальтеновые соединения (4,34 %) способствует снижению области молекулярного состояния, обусловливая различную концентрацию надмолекулярных структур в системе ОФН.

2 550

2 500

2'150

! 2400

1 2 350

5 2 300

| 2250

2 200

> 150

2100

0.2 0.3 0.1 0.$ Содержание добавки, %

0.1 0.2 0.) 0.4

Содержание добайки, %

Содержание доб;іики.

Рис. 1 (а — г) - Изменение свойств бетонной композиции, модифицированной добавкой ОФН: 1 - без добавки; 2-6 составы с добавкой соответственно от 0,1 до 0,5 %

Структура образцов модифицированного ОФН бетона исследовалась методами оптической микроскопии. Внутренняя структура бездобавочных образцов (рис. 2 — 3) гетерофазная, типичная для дисперсно-упрочненного композита, неоднородная, наблюдаются включения заполнителей изометричной формы. Развито макропоровое пространство ком-

позиции. Макропоры замкнутые, имеют правильные окружные формы с ровными краями. Формированию плотной и однородной структуры модифицированного бетона (рис. 4-5) способствует уменьшение количества и размеров макропор (радиус пор менее 10 мкм, рис. 5), а также их более равномерном распределении в массе цементного камня. Количество макропор в цементных системах с добавкой ОФН в 4,5 раза меньше, чем в бездобавочных образцах.

На рис. 2 — 3 представлен контрольный образец композиции без добавки.

Рис. 2 — Изображение структуры контрольного образца, увеличение 200х

Рис. 3 - Изображение структуры контрольного образца, увеличение 300х

Рис. 4 - Изображение структуры цементной композиции с добавкой 0,3 % ОФН, увеличение 200х

Рис. 5 - Изображение структуры цементной композиции с добавкой 0,3 % ОФН увеличение 300х

Сцепление в зоне контакта заполнитель - связующее объясняется плотным прилеганием, обусловленным процессам адгезии и смачивания в зоне межфазного контакта. Стабилизация новообразований модифицированной системы в дисперсном состоянии способствует повышению плотности и прочности бетона. На рис. 4-5 представлен образец компо-

зиции с добавкой 0,3 % ОФН.

Смесь углеводородов различных гомологических рядов и полярность их молекул является особенностью ОФН, обуславливающую склонностью образующих его компонентов к ассоциации и физическому агрегированию. Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен. Минералогический состав цемента на равней стадии твердения (14 сут.) и в возрасте 28 суток представлен следующими клинкерными минералами: алитом С38 (дифракционные линии с высокой интенсив ностью 2,78 и 2,74 А0; средней интенсивности 3,03; 2,92; 2,18 А0); белитом С2В (с1 - 2,74; 2,61; 2,18; 2,06 А°); трехкальциевым алюминатом С3А (дифракционные линии высокой интенсивности 2,69 А°; средней интенсивности 2,68 и 2,06 А°); браунмиллеритом С4АЕ (линии сильной интенсивности 2,69; 1,92 и 1,81 А°). Гипсовый камень в цементе представлен минералом двуводным сульфатом кальция СаБО^НзО, характеризующийся дифракционными линиями 3,03; 2,86 и 2,68 А0. На рис. 6-9 представлен фазовый состав образцов цементного камня с добавкой ОФН и контрольный образец,_

8 Я" ^ ™ р

/и

я А

Мм,

Рис. 6 Рентгенограмма фазового состава контрольного образца цементного камня

Рис. 7 Рентгенограммы фазового состава образца цементного камня с добавкой 0,3 % ОФН_

Рис. 8 Рентгенограмма цементного камня (28 суток) контрольного образца без добавки_

Рис. 9 Рентгенограмма образца цементного камня (28 суток) с добавкой ОФН 0,3 %_

Идентичный вид рентгенограмм свидетельствует о том, что добавка ОФН не принимает участия в формировании новообразований структурных составляющих минералов цементного камня, взаимодействие на гра-

нице цементных зерен модифицированного цемента обусловлено адсорбционными силами взаимодействия и основано на процессах связанных с поверхностным натяжением и смачиванием.

Наилучшие результаты значений физико-механических характеристик модифицированных бетонных образцов были получены при введении добавки ОФН в количестве 0,3 %. Увеличение содержания ОФН приводит к незначительному росту физико-механических характеристик, скорее всего к их стабилизации.

Гидрофобно-пластифицирующее действие ОНФ оценивали по технологическим и физико-механическим характеристикам бетона в сравнении с различными добавками в количестве 0,3 % от массы. Результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические характеристики бетона с различными модифицирующими добавками

Модифицирующая добавка бетона Количество добавки, % ок, см Плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа Пористость, % Водопо-глоще-ние, %

ОФН 0,3 2,5 2410 51,5 10,2 3,5

С-3 0,3 3,0 2385 48,6 12,3 5,6

ГКЖ-10 0,3 2,6 2400 50,2 11,0 4,3

Без добавки - 7,8 2200 39,5 16,8 9,5

Введение в состав бетона добавки ОФН способствует снижению пористости композиции, увеличению плотности, что позволяет улучшить структуру цементного камня и получить бетон по морозостойкости от Р75 до Р 300.

Оценку морозостойкости модифицированного ОФН бетона проводили ускоренным методом при многократном замораживании и оттаивании.

В четвертой главе рассмотрены вопросы теоретического обоснования пластифицирующего и гидрофобного действия добавки ОФН. Смазывающее действие тонких ориентированных пленок слоистой структуры является общепринятым для бетонных и растворных композиций модифицированных гидрофобно-пластифицирующими добавками. Полярно-активные группы ОФН образуют ассоциаты в дисперсной системе ОФН, обусловливая различную концентрацию надмолекулярных структур. Ароматические углеводороды при межмолекулярном взаимодействии образуют двумерную (плоскостную) структуру, склонную к образованию сложных структурных единиц. Углеводородные цепи нафтенового компонента ОФН, образованные метальными группами, являются плоскостями скольжения, касательные к

плоскостным структурам. В этом случае коагуляционные связи в водной среде цементного теста между метальными группами, значительно более слабые, чем имеющиеся связи между полярными концами молекул. Из ориентированных таким образом молекул образуются как бы листочки, способные легко скользить друг по другу, сопротивляясь деформациям во всех прочих направлениях.

Силовое поле клинкерных минералов, интенсивное по отношению к воде, поверхностям заполнителей кварцевого песка и щебня, с адсорбированными на них ионами кальция, оказываются частично нейтрализованными до момента схватывания, и замененными более слабым полем метальных групп ОФН. Трение, вызванное молекулярным притяжением, оказывается уменьшенным. Цементное тесто, модифицированное ОФН, распределено тонким слоем между поверхностями заполнителей, находится в относительном к ним движении. Возникает эффект пластифицирования бетонной композиции добавкой органической фракции нефтеотходов. Смазывающее действие слоев из ориентированных молекул проявляется в системе модифицированной бетонной композиции проявляется при воздействии внешних механических факторов.

плоскость

- молекулы ОНФ

орие і ¡тировал і іая тонкая пленка на поверхности частицы цемента

Рис. 10- Изображение «слоистой» структуры частиц цемента, модифицированных ОФН

Снижение показателя водопоглощения бетона при его модифицировании ОФН в 3 раза характеризует добавку как гидрофобизирующую. Эффективность действия и механизм действия добавки оценивали по измене-

ншо поверхностного натяжения и краевого угла смачивания в зоне контакта заполнитель-вяжущее в системе модифицированого бетона (рис. 11-12).

Рис. 11 — Зависимость краевого угла смачивания от вида и концентрации модифицирующих добавок

Рис.12- Зависимость поверхностного натяжения от вида и концентрации модифицирующих добавок

Добавка ОФН адсорбируясь на границе раздела фаз, образует мономолекулярный слой, ориентированный строго определенным образом. Адсорбированные слои изменяют соотношение сил в системе и способствуют снижению поверхностной энергии связующего, что является необходимым условием смачивания, согласно уравнению Юнга. При контакте с продуктами гидратации цемента добавка ОФН может осаждаться в виде мельчайших капелек на стенках мелких пор и капилляров, образуя гидрофобное покрытие (рис.5). Формирование плотной и однородной структуры выражается в уменьшении количества и размеров макропор (радиус пор менее 10 мкм), а также в их более равномерном распределении в массе цементного камня.

Методология проектирования составов бетона заключается в увеличении возможности более полного учета технологических факторов и проектных требований к бетону. Подход к проектированию составов бетона основан на количественном учете взаимосвязей типа "свойство -структура - состав бетона" путем анализа и совместного решения уравнений, связывающих показатели свойств бетона с параметрами его структуры.

Математической моделью процесса является функция, связывающая параметры оптимизации: плотность (р), предел прочности при сжатии (Ясж), пористость (Я), водопоглощение (IV) с переменными факторами -содержание цемента (х\), комплексной добавки ОФН (х2, % от массы цемента) и водоцементное отношение В / Ц (х3).

Выбор факторов оптимизации состава модифицированного гидро-фобно-пластифицирующей добавкой ОФН бетона производился исходя из технологической и экономической целесообразности и получения материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Таблица 3

Уровни и интервалы варьирования факторов

факторы Кодовое значение Интервал варьирования Уровни факторов

Верхний +1 Основной 0 Нижний -1

Ц X, 100 600 500 400

ОФН Х2 0,2 0,1 0,3 0,5

В/Ц Х3 0,1 0,6 0,5 0,4

После статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, количественно характеризующие зависимость прочности, плотности, пористости, водопоглощения модифицированного мелкозернистого бетона от исследуемых факторов. У, (р) = 2,3 8 + 3,13 Х\ + 5,29 + 1,26 + 3,13 Хх Х2 - 0,013 Хх Хъ + 0,15 Х2 Х3 У2 (77) = 11,48 + 1,15 X, + 2,91 - 2,09 Х3 - 1,99 Хх Хг -1,53 Хх Хг - 3,51Х2 Х3 У3 = 53,01 + 3,88 X, + 4,83 Х2 + 3,89 А"3- 0,73 X, Х2 - 1,24Х1 Хъ - 1,17 Хъ У4 (ИО = 4,11 + 0,82 X, + 0,57 Хг + 0,18 Х3 + 0,34 Х2 + 0,08 Х1 Х3 - 0,04 Х2

Получено представление о комплексном влиянии модифицирующей добавки ОФН на эксплуатационные свойства эффективного бетона. Графическая интерпретация функций отклика плотности, пористости, предела прочности при сжатии, водопоглощения представлены на рис. 13-16.

Бетонная композиция, модифицированная гидрофобно-пластифи-цирующей добавкой ОФН, обладает улучшенными физико-механическими характеристиками. Тенденция увеличения показателя плотности на 10%, прочности при сжатии на 27 %, снижение показателей пористости на 50 % и водопоглощения на 80 % наблюдается при снижении расхода цемента. При водоцементном отношение более 0,5 наблюдается стабилизация показателей качества бетона. Оптимальные значения характеристик достигаются при введении добавки ОФН не более 0,3 %.

Рис. 13 - Функция отклика плотности бетона с добавкой ОФН

Рис. 14 — Функция отклика пористости бетона с добавкой ОФН

Рис. 15 - Функция отклика предела Рис. 16 - Функция отклика водопо-прочности при сжатии бетона с глощения бетона с добавкой ОФН добавкой ОФН

Полученные результаты положены в основу опытно-промышленной апробации бетонных изделий на ООО «УК ГенСтрой» (г. Волгоград).

В пятой главе приведены результаты опытно-промышленной апробации разработанного состава эффективного бетона, модифицированного комплексной добавкой ОФН. Выполнен расчёт технико-экономических показателей при производстве как строительных, так и ремонтных работ. Экономический эффект от внедрения разработанного модифицированного ОФН состава эффективного бетона достигается за счёт снижения расхода цемента и улучшения эксплуатационных характеристик бетона.

0,5

ОФН

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность получения эффективных бетонных композиций с улучшенными эксплуатационными характеристиками при ее модифицировании органической фракцией нефтеотходов;

2. Установлен характер влияния на свойства эффективного бетона модифицирующей добавки ОФН и закономерность изменения показателей качества бетонной смеси от количества введенной добавки: прочность при сжатии и прочность при изгибе образцов увеличивается в среднем на 30 -35 % при введении модифицирующей добавки от 0,1 до 0,5 % от массы цементного вяжущего. Плотность модифицированного бетона возросла на 9-12 %, водопоглощение уменьшилось в 2 раза;

3. Выявлены особенности процесса структурообразования модифицированной бетонной композиции и механизм комплексного гидрофобно-пластифицирующего действия ОФН в составах бетонных смесей. Система ОФН представляет собой смесь углеводородов различных гомологических рядов, полярность их молекул является особенностью ОФН, обуславливающую склонностью образующих его компонентов к ассоциации и физическому агрегированию. Являясь дисперсной системой со сниженной областью молекулярного состояния, ОФН обусловливает различную концентрацию надмолекулярных структур в зоне контакта композиции бетона. Структура цементного камня становится более плотной и однородной.

4. Эффект пластификации бетонной композиции добавкой ОФН обусловлен образованием адсорбированного тонкого ориентированного слоя полярных молекул ОФН с концевыми метальными группами, оказывающего смазывающее действие в системе при внешних механических воздействиях. Механизм гидрофобного действия добавки ОФН оценивался по изменению поверхностного натяжения и краевого угла смачивания в системе заполнитель - модифицирующее вяжущее. Адсорбируясь на границе раздела фаз ОФН, способствуют снижению поверхностного натяжения растворной части бетонной композиции. Происходит уменьшение краевого угла, повышается смачиваемость заполнителей, что способствует образованию гидрофобного покрытия на стенках пор и капилляров бетонной композиции. Снижение показателя водопоглощения модифицированного бетона в 3 раза экспериментально подтверждает предложенный механизм гидрофобного действия ОФН.

5. С помощью математического метода планирования эксперимента получены зависимости, связывающие параметры оптимизации: плотность (р), предел прочности при сжатии (Ясж), предел прочности при изгибе (й„зг), водопоглощение (IV) с переменными факторами - соотношением компонентов бетонной композиции. Тенденция увеличения показателя плотности на 10 %, прочности при сжатии на 27 %, снижение показателей

пористости на 50 % и водопоглощения на 80 %, наблюдается при снижении расхода цемента. При водоцементном отношение более 0,5 показатели качества бетона стабилизируются. Оптимальные значения характеристик достигаются при введении добавки ОФН не более 0,3 %. Добавку ОФН можно характеризовать как модификатор комплексного гидрофоб-но-пластифицирующего действия.

6. Использование материалов и продуктов нефтепереработки в качестве модификатора бетона позволяет расширить ассортимент добавок комплексного действия, что актуально с экономической и экологической точки зрения. Достигнут экономический эффект за счет использования новой комплексной добавки ОФН гидрофобно-пластифицирующего действия для получения эффективных бетонов с улучшенными показателями качества.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 публикациях, в том числе:

Работы, опубликованные в ведуи{их рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Тухарели, В. Д. Улучшение качества цементных композиций при использовании модифицирующих добавок на основе техногенного органического сырья / В. Д. Тухарели, Т. К. Акчурин // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит, ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. Ч. 2. Строит, науки. -2013.-Вып. 31 (50).-С. 193-198.

2. Тухарели, В. Д. Применение органических добавок на основе химического производства для повышения прочностных характеристик цементных бетонов / В. Д. Тухарели, Т. К. Акчурин // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит, ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2013. — Вып. 33 (52). - С. 91-96.

Публикации в других изданиях:

3. Тухарели, В. Д. Технологии бетонов специального назначения с использованием техногенных отходов / В. Д. Тухарели, Т. Ф. Чередниченко, Т. К. Акчурин // Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство : материалы Междунар. конф., посвящ. 80-летию строит, образования и 40-летию архитектур, образования Волгогр. обл., 610 сент. 2010 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2010. - С. 334-336.

4. Тухарели, В. Д. Использование отходов переработки нефти в технологии цементных бетонов / В. Д. Тухарели, Т. Ф. Чередниченко, Т. К. Акчурин // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. науч,-техн. конф., 13-14 окт. 2011 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011.-С. 311-314.

5. Тухарели, В. Д. Применение наноразмерных добавок для производства модифицированных бетонов различного назначения / В. Д. Туха-

рели, Т, К. Акчурин // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование : материалы IV Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Волгоград - Михайловка, 17-18 мая 2011 г. - Волгоград : Изд-во ВолгГА-СУ, 2011.-С. 200-202.

6. Тухарели, В. Д. Применение нанотехнологий для производства бетонов «направленного» качества / В. Д. Тухарели, Т. К. Акчурин // Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья : материалы Междунар. науч,-практ. конф., 24 дек. 2010 г., Волгоград : [в 2 ч.]. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. - Ч. 1. - С. 264-268.

7. Тухарели, В. Д. Состояние и перспективы использования модифицирующих добавок в повышении эксплуатационных свойств цементных бетонов / В. Д. Тухарели, Т. К. Акчурин // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы III Междунар. науч.-техн. конф., 10-12 апр. 2012 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. - Ч. 1. - С. 179-183.

8. Тухарели, В. Д. Перспективы и технологии использования органических фракций нефтеотходов при производстве цементных бетонов / В. Д. Тухарели, Т. К. Акчурин // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2013. - С. 98-102.

9. Тухарели, В. Д. Эффективные бетоны, модифицированные многофункциональной добавкой техногенной природы / В. Д. Тухарели, Т. К. Акчурин // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., 23-25 сент., 2013 г., Волгоград / М-во образования и науки Рос. Федерации [и др.]. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - С. 234240.

Тухарели Владислав Димитриевич

БЕТОНЫ ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ДОБАВКОЙ ТЕХНОГЕННОЙ ПРИРОДЫ

Автореферат

Подписано в печать 11.11.13 Формат 60x84/16. Бумага Union Prints. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная Усл. печ. л. 1 . Уч.-изд. л. 1,13. Тираж 100 экз. Заказ № 131

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, 400074 г. Волгоград, ул. Академическая 1

Отдел оперативной полиграфии

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЭФФЕКТИВНЫЕ БЕТОНЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ и

ДОБАВКОЙ ТЕХНОГЕННОЙ ПРИРОДЫ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени • кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Талгатъ Кадимович Акчурин

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 4

Глава 1. Современный бетон - многокомпонентная система, модифицированная высокофункциональными добавками.................. 13

1.1. Использования добавок для получения долговечных цементных композиций - ключ к решению технологических задач строительного материаловедения.......................................... 13

1.2. Комплексные добавки, придающие бетону специальные свойства........................................................................... 20

1.3. Модифицированные бетона на основе отходов производства -современные направления развития и использования................. 34

1.4. Определение эффективности модифицирующих комплксных добавок для бетонных композиций, методология оценки............... 46

1.5. Выводы........................................................................... 50

Глава 2. Материалы и методы исследования.................................... 52

2.1. Применяемые материалы и их свойства.................................. 52

2.2. Выбор объекта для проведения исследований.......................... 62

2.3. Способы изготовления и испытания образцов бетона, модифицированных комплексными добавками......................... 68

2.4. Определение пластифицирующих и гидрофобизирующих свойств добавок........................................................................... 74

2.5. Статистическая обработка результатов испытаний.................... 76

2.6. Математические методы планирования эксперимента................. 78

2.7. Выводы............................................................................ 82

Глава 3. Теоретические предпосылки формирования структуры бетона, модифицированного добавкой органической фракции нефтеотходов.... 84

3.1 Механизм действия поверхностно активных добавок в бетоне..... 84

3.2 Процессы структурообразования цементного камня, модифицированного добавкой ОФН...................................... 93

3.3. Выводы........................................................................... 96

Глава 4. Исследование комплексного действия добавки ОФН, оптимизация состава модифицированного бетона........................... 98

4.1. Механизм гидрофобно-пластифицирующего действия добавки ОФН.................................................................................................. 98

4.2. Математическое моделирование состава модифицированного бетона............................................................................ 107

Глава 5. Технико-экономическое обоснование использования продуктов нефтехимического синтеза в качестве комплексной добавки бетонов и практическая реализация результатов работы ........................................................................................... 117

5.1. Технико-экономическое обоснование использования продуктов нефтехимического синтеза в качестве комплексной добавки

бетонов..........................................................................................................................................................................................117

5.2. Практическая реализация результатов работы

......................................................................................................................................................................................................................122

Основные выводы................................................................................................................................................125

Список используемой литературы..............................................................................................127

ВВЕДЕНИЕ

Один из путей увеличения долговечности строительных конструкций -повышение эксплуатационных свойств цементных бетонов. Данная задача может быть решена за счет разработки и оптимизации цементных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами. Поэтому наибольший интерес, с позиций увеличения долговечности конструкционных материалов, представляют эффективные бетоны нового поколения, модифицированные добавками, использование которых позволит получать материалы различного назначения с заданным комплексом свойств.

Применение техногенных отходов в производстве строительных материалов и изделий значительно расширяет сырьевую базу строительной отрасли, и существенно повышает эффективность капиталовложений. Развитие строительной индустрии предусматривает значительное расширение производства бетонных смесей с использованием новых эффективных добавок на основе техногенных отходов, в частности нефтехимического производства. Ввод органических добавок техногенной природы, даже в незначительном количестве, изменяет свойства готовых строительных материалов. В зависимости от процентного содержания добавки и целей модификации, возможно существенно изменять те или иные эксплуатационные характеристики полимерцементных композиций.

При строительстве различных сооружений и гидротехнических объектов одной из главных задач является обеспечение долговечной и надежной гидроизоляции. Как правило, для строительства такого рода зданий используется водонепроницаемый бетон. В процессе эксплуатации различные виды обмазочной или оклеечной гидроизоляции легко повреждаются, нарушается их герметичность. Срок службы таких материалов существенно отличается от срока службы конструкций из бетона. Для этих целей в основном используются дорогостоящие импортные материалы, но сегодня больших финансовых затрат можно избежать. Именно поэтому актуальной

становиться производство бетона с водоотталкивающими и коррозионностойкими свойствами. Такой бетон сам способен сопротивляться проникновению агрессивной среды и воды, в том числе и под большим давлением, что достигается введением многофункциональных комплексных добавок на основе химических веществ.

Диссертационная работа посвящена разработке составов эффективных бетонов, повышенного качества, путем его модификации многофункциональной комплексной добавкой органической фракции нефтеотходов (ОФН), придающей бетону специальные свойства. Эффективность воздействия добавки ОФН на бетонную смесь или бетон оценивали по величине максимального технического эффекта, достигаемого введением данной добавки в различном процентном соотношении. Разработанные новые модифицированные составы бетонных композиций с использованием органических отходов нефтепереработки, сочетают в себе водостойкие, химически стойкие свойства, повышенные физико-механические характеристики бетона, увеличивая их долговечность, по сравнению с традиционными составами бетонов. Но констатирование факта повышения эксплуатационных характеристик бетона за счет его модификации не в полной мере решает поставленные задачи. Закономерности изменения эксплуатационных характеристик бетона при введении комплексной органической добавки ОФН связаны с особенностями процессов структурообразования модифицированных бетонных композиций. Для создания оптимальных составов композиций необходимо проведение исследований физико-химических процессов, происходящих в соответствующих модифицированных системах и зонах контакта компонентов при гидратации вяжущих веществ, с целью управления этими процессами, определения влияния количества добавки ОФН на микро- и макроструктуру, а также изменения физико-механических характеристик. Для придания бетону специальных свойств, оценивали многофункциональность комплексного модификатора ОФН, обеспечивающего стабильность и

устойчивость состава и структуры разработанного бетона, при совокупном воздействии различных факторов, в том числе и агрессивных.

Степень разработанности проблемы.

Вопросам разработки составов и расширением областей использования высокоэффективных строительных композитов как многокомпонентных, многоуровневых систем, отличающихся функциональной и структурной организацией, с заданными технологическими свойствами, посвящены исследования, проводимые многими учеными в различных странах. Данная тематика достаточно широко отображена в работах Соломатова В.И., Ратинова В.П., Ерофеева В.Т., Баженова Ю.М., Акчурина Т.К., Корнеева А.Д., Иващенко Ю.Г., Калашникова В.И., Чернышова Е.М., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Рахимова Р.З., Латыпова В.М., Федосова C.B., Рахимбаева Ш.М., Гаркави М.С., Пичугина А.П., Пухаренко Ю.В., Орешкина Д.В., Белова В.В., Грызлова B.C., Акулова М.В., Ярцева В.П. и др.

Появление высокотехнологичных бетонов нового поколения подразумевает использование для их изготовления вяжущих низкой водопотребности, дисперсно-наполненных и тонкомолотых, быстротвердеющих и особобыстротвердеющих вяжущих,

суперпластификаторов, воздухововлекающих и поризующих добавок, армирующих волокон, высокодисперсных порошков. Более высокий уровень характеристик и возможностей бетонов нового поколения является следствием модифицирования их структуры, в сравнении с видами бетонов прежних поколений. Среди факторов, влияющих на эффективность модификации, выделим действие химических добавок в соответствии с их назначением, совместимость их с компонентами бетонной системы (вяжущее, заполнители, наполнители) и другими добавками для достижения максимального технического эффекта. Номенклатура рекомендуемых химических добавок в основном импортного производства насчитывает несколько сотен наименований. Следует выделить особое место среди них высокоэффективным комплексным добавкам, проявляющим одновременно

пластифицирующий, воздухововлекающий, гидрофобизирующий эффекты. Не являясь дефицитными, импортные высокоэффективные комплексные добавки достаточно дороги в масштабах массового производства бетона, остающегося на сегодняшний день основным строительным материалом, требующим постоянного улучшения технологических и эксплуатационных свойств. Идея использования в качестве многофункциональной комплексной добавки продуктов и отходов нефтехимического синтеза, для придания материалам и изделиям специальных свойств, не нова, но остается актуальной в связи с тем, что максимальный технический эффект от ввода добавки проявляется в каждом конкретном случае индивидуально, за счет ее сложного многокомпонентного состава.

Возможность использования в качестве многофункциональной комплексной добавки органической фракции нефтеотходов (ОФН) при производстве эффективного бетона нового поколения, позволяет не только снизить стоимость бетонной композиции, но и улучшить физико-химические и технологические свойства бетона, за счет придания изделиям специальных свойств.

Все вышесказанное подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Цель работы заключается в разработке составов бетонов повышенного качества, модифицированных техногенными отходами органической фракции нефтепереработки, являющейся многофункциональной комплексной добавкой, придающей бетону специальные свойства.

Задачи исследований:

- дать оценку продуктам нефтепереработки в виде органической фракции нефтеотходов (ОФН) как возможного модификатора эффективных бетонов комплексного действия;

- установить закономерности изменения физико-механических свойств бетонов, модифицированных комплексной добавкой ОФН, и степень влияния модификации ОФН на реологические и структурно-механические

характеристики бетона;

- выявить особенности структурообразования модифицированного бетона и механизма комплексного гидрофобизирующего и пластифицирующего действия органической фракции нефтеотходов в составах бетонных композиций;

- определить оптимальное содержание ОФН в бетонной композиции, путем получения адекватной математической модели, для прогнозирования эксплуатационных характеристик эффективного бетона;

- оценить многофункциональность комплексной модифицирующей добавки ОФН и ее влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства предлагаемых бетонов;

- дать технико-экономическую оценку эффективности использования многофункциональной комплексной добавки ОФН в составах бетонов, опытно-промышленной апробации результатов исследований.

Научная новизна:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения эффективных бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками путем модифицирования бетонных композиций органической фракцией нефтеотходов, обладающей гидрофобно-пластифицирующим действием;

- выявлены особенности формирования структуры бетона, модифицированного комплексной добавкой ОФН, основанные на процессах адгезии и смачивания однородных поверхностей, а также особенности механизма действия добавки ОФН, изменяющей растворимость цементного вяжущего, но не вступающего с ней в химическое взаимодействие;

- установлено, что сочетание гидрофобизирующего и пластифицирующего действия ОФН в составах бетонных композиций способствует увеличению долговечности бетона, за счет уменьшения водопоглощения, водопроницаемости бетона, повышения его морозостойкости, что обусловлено гомогенизацией бетонной системы и

изменением структуры цементного камня;

- результаты экспериментальных исследований и построенная регрессионная модель подтверждает зависимость эксплуатационных характеристик эффективных бетонов от количества вводимой комплексной добавки ОФН;

- расширены представления о способах повышения качества бетонных композиций путем их модификации многофункциональными комплексными добавками, являющимися продуктами нефтехимического синтеза техногенной природы.

Практическая значимость работы. Выявлена и предложена новая многофункциональная комплексная добавка на основе продуктов и материалов нефтепереработки. Обоснована возможность эффективного использования органической фракции нефтеотходов (ОФН) в качестве гидрофобно-пластифицирующей добавки в бетоны. Разработаны оптимальные составы эффективного бетона, модифицированного гидрофобно-пластифицирующей добавкой органической фракции нефтеотходов, обладающие улучшенными эксплуатационными и технологическими показателями: водопоглощением, морозостойкостью и стойкостью к агрессивным средам, что способствует увеличению долговечности бетона. Гомогенизация бетонной системы за счет ее модификации сложной многокомпонентной системой ОФН и управление процессами структурообразования цементного камня на макро - и микроуровнях позволило оптимизировать свойства эффективного бетона, его однородность, удобоукладываемость, повысить прочность, при снижении расхода цемента. Использование продуктов и материалов нефтепереработки предприятий г. Волгограда позволило расширить номенклатуру высокоэффективных комплексных добавок, сырьевую базу строительных материалов, снизить себестоимость изделий, внести определенный вклад в решение экологической проблемы утилизации отходов.

Объект исследований. Эффективные бетоны нового поколения, модифицированные многофункциональной комплексной добавкой на основе продуктов и материалов нефтепереработки.

Предмет исследований. Процессы структурообразования бетонной системы, модифицированной комплексной гидрофобно-пластифицирующей добавкой органической фракцией нефтеотходов и оценка влияние модификатора на физико-механические характеристики бетонной композиции.

Положения, выносимые на защиту:

принципы повышения эффективности бетона, за счет его модификации химическими комплексными добавками в соответствии с их назначением для достижения максимального технического эффекта;

теоретические представления о механизме поведения модифицирующей добавки на основе органической фракции нефтеотходов, и проявления ею комплексных гидрофобно-пластифицирующих свойств;

результаты экспериментальных исследований влияния модифицирующей добавки ОФН на структурно- технологические и эксплуатационные свойства бетонной системы;

- новые составы и эксплуатационные характеристики эффективных бетонов, модифицированных многофункциональной комплексной добавкой органической фракции нефтеотходов и их опытно-промышленная апробация.

Достоверность исследований и выводов по диссертационной работе обеспечена обоснованным методическим комплексом, который предусматривает использование стандартных средств измерений и методов исследований; современные математические методы обработки экспериментальных данных в среде МаШСАО обеспечивают не противоречие и совпадение опытных испытаний и их положительных практических результатов с результатами расчетов и выводов известных положений.

и

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье - г