автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Эффективные декоративные фасадные бетонные изделия с использованием отсевов дробления бетонного лома

005045289

На правах рукописи

Пилипенко Антон Сергеевич

Эффективные декоративные фасадные бетонные изделия с использованием отсевов дробления бетонного лома.

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

~ 7 Шд':] 20%

Москва, 2012 г.

005045289

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджь образовательном учреждении высшего профессионального образовани «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор, Ефименко Анатолий Захарович

- Орешкин Дмитрий Владимирович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», заведующий кафедрой Строительных материалов

- Бессонов Игорь Вячеславович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН), заведующий лабораторией «Стройфизика-ТЕСТ»

- Государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт московского строительства «НИИМосстрой»

Защита состоится 19 июня 2012 года в часов на заседани

диссертационного совета Д 212.138.02 при ФГБОУ ВПО «Московски государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москв; Ярославское ш., д. 26, телестудия «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВП< «Московский государственный строительный университет». Автореферат разослан « М » мая 2012 г.

Ведущая организация

Ученый секретарь диссертационного совета

Алимов Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Декоративные цементно-песчаные изделия в настоящее время широко применяются в строительстве. Однако они не всегда удовлетворяют требованиям к эксплуатационным свойствам.

Повышение эффективности декоративных материалов возможно за счёт введения наполнителей, обеспечивающих получение более плотной структуры бетона. В роли таких наполнителей могут выступать микрокремнезём, золы ТЭЦ, шлаки и другие подобные материалы.

Возможным решением задачи повышения эффективности декоративных бетонных изделий может являться комплексное применение отсевов дробления бетонного лома и высокоэффективных гиперпластификаторов на основе поликарбоксилатных эфиров.

Работа выполнялась в соответствии сфедеральной целевой программой «Жилище» на 2011-2015 г, и была включена в план научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО МГСУ, а так же в рамках программы «Умник» в 2009-2011 г.

Цель и задачи работы.

Основной целью диссертации является разработка эффективных декоративных цветных цементно-песчаныхстроительных материаловдля фасадных систем с использованием отсевов дробления бетонного лома,при этом изделия должны обладать хорошими декоративными и эксплуатационными свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность эффективного использования отсевов дробления фракций 0-5 мм в качестве заполнителя для цветных фасадных бетонных изделий из мелкозернистого бетона;

- установить основные зависимости влияния исходных компонентов на свойства бетонных смесей;

- установить основные зависимости влияния исходных компонентов на эксплуатационные свойства фасадных бетонных изделий, в частности, на прочность, декоративность и эксплуатационную стойкость фасадных изделий на отсевах дробления;

- изучить влияние технологических факторов на структуру и свойства фасадных бетонных изделий на отсевах дробления;

- разработать технологию производства фасадных бетонных изделий на отсевах дробления, изучить технико-экономические параметры;

- разработать рекомендации по производству фасадных бетонных изделий на отсевах дробления.

Научная новизна.

- Обоснована возможность эффективного применения отсевов дробления бетонного лома в качестве механически активированной добавки в бетонные смеси для производства цветных фасадных изделий, которая позволяет за счёт своей активности и обеспечения наиболее плотной упаковки компонентов бетонной матрицы повысить эксплуатационные и декоративно-выразительные свойства изделий.

- Обоснована возможность получения эффективных цветных бетонных фасадных изделий на основе наполнителей из отсевов дробления бетонного лома в совокупности с микрокремнезёмом и высокоэффективными гиперпластификаторами на основе поликарбоксилатных эфиров, обеспечивающих получение плотных и высококачественных поверхностей изделий.

- Установлены основные закономерности изменения основных параметров процесса формирования бетонной матрицы в зависимости от времени твердения, количества и вида применяемых компонентов, в частности цемента, отсева дробления, природных заполнителей.

- Установлены зависимости изменения удельной поверхности и активности полиминеральной добавки, состоящей из отсевов дробления, цемента, микрокремнезёма и пигментов, в зависимости от времени механохимической активации.

- Получены четырёхфакторные квадратичные зависимости прочности и плотности фасадных бетонных изделий от расхода цемента, расхода гиперпластификатора, а так же количества песка и отсева дробления в смеси заполнителей, позволяющие оптимизировать составы бетона с заданными свойствами.

- С помощью методов рентгенофазового анализа и электронной микроскопии установлено, что контактная зона между заполнителем и матрицей является более плотной, что повышает эксплуатационные свойства бетонных изделий и подтверждает возможность использования их в качестве фасадных изделий.

- С помощью методов рентгенофазового анализа и электронной микроскопиипоказано, что механохимическая активация отсева дробления способствует обновлению связей и взаимодействию его с гидратными образованиями цемента с возникновением мелкокристаллических соединений типа низкоосновных силикатов и гидроалюминатов кальция.

Практическая значимость.

- Разработаны фасадные бетонные изделия из цветного мелкозернистого бетона на основе комплексного использования отсевов дробления бетонного лома фракции 0-5 мм, микрокремнезёма, пигмента и гиперпластифицирующих добавок, что приводит к экономии цемента при сохранении свойств изделий.

- Показано, что полиминеральная добавка на основе отсевов дробления обладает гидравлической активностью.

- Показано, что введение отсевов дробления в количестве до 40% не только не оказывает отрицательного влияния на декоративные и эксплуатационные свойства изделий, но и обеспечивает достижение ими требуемых характеристик.

- Разработана технология получения полиминеральной добавки, состоящей из цемента, микрокремнезёма, пигментов и отсевов дробления, обладающей активностью и положительно влияющей на процессы твердения.

- Показано, что применение пылевидных фракций отсевов дробления позволяет сократить количество применяемого микрокремнезёма и цемента.

- Разработана технология получения цветных бетонных изделий с использованием отсевов дробления в качестве наполнителей.

- Разработан проект технических условий для производства цветных бетонных изделий для фасадных систем на заполнителе из отсева дробления бетонного лома.

Внедрение результатов.

Проведено опытно-промышленное опробование разработанных предложений по получению цветной фасадной бетонной плитки с использованием отсевов дробления. Внедрение технологических рекомендаций по производству фасадных бетонных изделий на отсевах дробления осуществлялось на предприятии НИЦ РКП СМУ «Ниихиммаш». Была выпущена партия объемом 35 м3 и разработан проект технических условий.

Апробация работы.

Основные положения и практические результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов МГСУ за 2008-2009 учебный год; на десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2007 г.; на одиннадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2008 г.; на двенадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москвав 2009 г.; на тринадцатой международной межвузовской научно-практической

конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2010 г.; на научно-технической конференции программы «У.М.Н.И.К.» в 2009 г. в г. Москва, где была отмечена наградой; на научных чтениях «Современные строительные материалы» в рамках Международной недели строительных материалов в МГСУ в 2009 г., на третьей всероссийской научно-практической конференции «Экология: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий и устойчивого развития», ВоГТУ, 2010, на международной конференции «Здания и конструкции с применением новых материалов и технологий» ДонНАСА, в г. Донецк в 2010 г. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в двенадцати печатных работах, две из которых - в изданиях, входящих в перечень ВАК.

На защиту выносятся:

- обоснование возможности получения фасадных бетонных изделий на отсевах дробления за счет комплексного использования отсевов дробления, образующихся при производстве щебня совместно с гиперпластифицирующими добавками;

- результаты исследований свойств декоративных бетонных смесей на отсевах дробления;

- результаты исследований прочностных и деформативных свойств, морозостойкости декоративных бетонов в зависимости от типа и дозировки сырьевых компонентов;

- результаты исследований влияния технологических факторов на структуру и свойства декоративных бетонов;

- математические модели для подбора оптимальных составов фасадных бетонных изделий на отсевах дробления;

технологические приемы модификации бетонных смесей, обеспечивающие получение фасадных бетонных изделий с заданными эксплуатационными и декоративными свойствами;

- технология производства декоративных бетонных изделий для фасадных конструкций на отходах дробления бетонного лома;

- опытно-промышленное опробование полученных результатов.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 152 листах машинописного текста, иллюстрирована 32 рисунками и 25 таблицами. Она состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы (в количестве 160 источников) и 2-х приложений.

Содержание работы.

В связи с возрастанием объемов жилищного строительства большее значение приобретает проблема долговременной защиты фасадов и интерьеров зданий и сооружений от агрессивного воздействия окружающей среды. Одним из путей её решения является разработка декоративных материалов, обладающих высокой долговечностью в условиях городской среды. Подобные материалы на основе бетонов давно известны и хорошо зарекомендовали себя на рынке, они постоянно совершенствуются.

Вместе с этим представляет интерес проблема утилизации и вторичного использования отходов производства бетонных изделий и отходов от сноса исчерпавших свой ресурс панельных зданий.

В настоящее время завершается программа по сносу некондиционного жилья в г. Москва. Из 1722 пятиэтажных домов сносимых серий ликвидировано 1253 дома общей площадью 4,7 млн м2. На текущий момент в Москве из 1722 пятиэтажек «под снос» не снесено 472 дома - немного меньше трети (26,2%) объектов, включённых в программу ликвидации панельных зданий первого поколения. В 2012 году планируется снос 92 домов. Образовавшиеся бетонные отходы подлежат утилизации, однако её механизмы не проработаны.

Исследования целесообразности использования заполнителей из отходов

дробления бетонного лома проводилисьна протяжении долгого времени.

Различными исследователями было доказано, что использование щебня из

бетонного лома фракции 5-40 мм в железобетонных и бетонных изделиях

8

(количеством до 30% от массы крупного заполнителя) возможно, также были разработаны принципиальные схемы использования указанного заполнителя. Были рассмотрены вопросы применения отсевов дробления в качестве заполнителя для малощебёночных бетонов, возможности использования в составе пенобетонных изделий, разработаны технологические решения по производству тротуарной плитки на заполнителях из отхода дробления бетонного лома.

Основным недостатком используемых декоративных бетонных изделий является относительно низкая долговечность. Это обусловлено наличием в них разветвленной сети пор, капилляров, микротрещин и других дефектов структуры, которые образуются как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации.

Анализ патентной и научно-технической литературы позволил сформулировать рабочую гипотезу исследований, заключающуюся в том, что отсевы дробления бетонного лома могут за счёт своей высокой удельной поверхности и малого размера частиц выполнять роль микронаполнителя и участвовать в формировании плотной матрицы и поверхности бетонных изделий, при этом возможна дальнейшая гидратация составляющих отсев частиц непрогидратировавшего и механически активированного цемента и участие его в процессе формирования бетонной матрицы. При этом микрочастицы отсева дробления будут незначительно влиять на цветовые и декоративные характеристики изделий из бетона на серых цементах, а негативные свойства отсевов могут быть скомпенсированы введением высокоэффективных поликарбоксилатных гиперпластификаторов.

Для подтверждения рабочей гипотезы были проведены исследования на основе стандартных методик испытания и выявления свойств бетонных смесей, описанных в соответствующих нормативных документах ГОСТ, а так же современные методы исследования, такие, как рентгеноструктурный анализ, исследования с помощью электронного микроскопа и т.д.

В работе был использован заполнитель из дроблёного бетона фракции 0-5 мм, со средней плотностью 2,1 г/см3, насыпной плотностью 1,3 г/см3, пористостью 7%, пустотностью 38%, маркой по дробимости 400, производимый фирмой «Сатори», г. Москва. Также были использованы портландцемент

9

Воскресенского цементного завода марки М500, с нормальной густотой 27,5% и портландцемент Подольского завода марки М400, с нормальной густотой 27%, песок Люберецкого карьера с модулем крупности Мкр=1,35 и содержанием пылевидной фракции (0-0,14) в количестве 5%, вода техническая, удовлетворяющая требованиям ГОСТ, железнокислые пигменты фирмы Bayer линейки "Bayferrox" и отечественные пигменты, в качестве пластифицирующей добавки был использован суперпластификатор С-3 (СП С-3), соответствующий ТУ 6-36-0204229-625-90, гиперпластификатор «Неопласт» и гиперпластификатор «Glenium 51» фирмы BASF на основе поликарбоксилатных эфиров.

Характеристики используемых цементов приведены в табл. 1-3.

Таблица 1.

___Свойства используемых цементов__

№ Наименование Активность, МПа Сроки схватывания Удельная поверхность, м2/кг Нормальная густота, %

начало конец

1 Воскресенский 51,8 2 ч 25 мин 4 ч 50 мин 360 27,5

2 Подольский 44,1 2 ч 35 мин 5 ч 10 мин 320 27

Таблица 2.

Содержание основных минералов в цементном клинкере.

№ Наименование Содержание основных минералов, %

C3S C2S С3А C4AF

1 Воскресенский 54 19 9 15

2 Подольский 59 17 8 10

Химический состав цементов.

Таблица 3.

№ Наименование цементов Содержание оксидов, %

Si02 СаО А120з Fe203 MgO S03 R20

1 Воскресенский 20,47 63,8 6,49 5,09 2,1 0,11 0,64

2 Подольский 18,7 67,2 4,64 4,11 2,23 2,23 1,54

Основными требованиями к заполнителям для декоративных бетонов являются высокое качество, однородность гранулометрического состава и обеспечение высокой декоративности готовых материалов.

Исследования гранулометрического состава отсева дробления фракции 0-5 мм показало, что в исходном состоянии он малопригоден для использования в качестве заполнителя. Как показано на рис. 1., рассевы фракций не попадают в зону рекомендованных гранулометрических составов заполнителя.

Гранулометрические кривые рассева компонентов

Диаметр отверстий сит, мм

менее 0,16 0,16 0,314 0,63 1,25 2,5

Рис. 1. Гранулометрические кривые рассева компонентов.

Исследования также показали, что фракционный состав дроблёного бетона на участке 0,16-5 мм не совпадает с оптимальными значениями для обеспечения наиболее плотной степени упаковки. Однако форма зёрен отсева дробления по своей форме приближается к кубической, что повышает прочностные свойства бетонных изделий и позволяет рассматривать отсев дробления как эффективный мелкий заполнитель и наполнитель для декоративных бетонных изделий.

Ввиду как неоднородности компонентов бетонного отсева, так и различия в преобладающих фракциях, отход дробления бетонного лома целесообразно применять совместно с песком для достижения оптимального гранулометрического состава. Удовлетворительные результаты по степени упаковки достигнуты при смешении отсевов дробления с Мк=2,85 с песком Люберецкого карьера, Мк=1,35. При этом подтверждено, что оптимальным

соотношением цемента и наполнителя в смеси является соотношение Ц:Н = 1:3, а оптимальным соотношением отсева и песка в смеси наполнителей является соотношение П:Щ = 1:4, что согласуется с теоретическими данными.

Для изучения возможности применения частиц фракции менее 0,063 мм в качестве микронаполнителей были проведены исследования гранулометрического состава в указанном диапазоне при помощи ультразвукового анализатора частиц. Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что преобладающим размером частиц в отсеве дробления являются частицы диаметром 10-20, 40-100 и 110-120 мкм, по размерам сопоставимые с частицами традиционных микронаполнителей (рис. 2). Таким образом, пылевидные фракции отсева дробления в процессе создания бетонной структуры могут заменить микронаполнитель. Вместе с этим отсев дробления обладает микрочастицами размером менее 0,1 мкм (100 нм), что позволяет отнести их к классу наночастиц.

Рис. 2. Гистограмма и гранулометрическая кривая размеров частиц пылевидных фракций

отсева дробления.

Изучение химического состава отсева дробления проводилось методом рентгенофазового анализа (рис. 3). Результаты исследований представлены в таблице 5.

Показано, что по своему химическому составу отсев дробления бетонного лома не имеет противопоказаний для использования его в составе декоративных бетонов. Основным компонентом отсева дробления являются различные соединения оксидных групп, которые не смогут вступить в химическое

взаимодействие с железнокислыми пигментами и полиэфирными молекулами поликарбоксилатов.

Таблица 5.

Химический состав отсева дробления.

Содержание оксидов, %

5Ю2 А1,03 Ре203 СаО БОз К20 N320 ТЮ2 Мп02 СЮ2 Всего

51,4 5,01 3,72 35,23 1,25 0,6 1,5 0,51 0,31 0,087 0,29 99,907

Рис. 3. Рентгенограмма отсева дробления

Для изучения пластифицирующего эффекта были исследованы несколько видов пластификаторов - СЗ и гиперпластификаторы «Неопласт» и «С1епшт-51» (рис. 4). Исследования показали, что наилучшим пластифицирующим эффектом обладает гиперпластификатор «С1епшш-51», за счёт чего он был принят в качестве основного пластификатора для дальнейшей работы. Смеси на основе всех пластификаторов обладали примерно равным и незначительным водоотделением.

Для оптимизации составов цветных бетонных смесей на отсевах дробления бетонного лома был применен математический метод планирования эксперимента.

"о 25 50 75 100 Содержание отсева в смеси заполнителей, %

Рис. 4. Изменение подвижности бетонных смесей на различных пластификаторах в зависимости от содержания отсева дробления в смеси заполнителей. В качестве варьируемых факторов были приняты расходы цемента, песка, отсева, гиперпластификатора. Расход воды устанавливался в соответствии с В/Ц и не являлся независимым фактором. Условия эксперимента приведены в табл. 6. Функциями отклика приняты прочность бетона при сжатии (У,) и его средняя плотность (Уд).

Таблица 6.

Факторы варьирования в эксперименте.

Наименование фактора Символ X Среднее значение фактора, х, Интервал варьирован ия, ДХ, Значения фактора на уровнях

-1 + 1

Расход цемента, кг/м3 X, 400 50 350 450

Расход песка, кг/м3 х2 650 50 600 700

Расход отсева, кг/м3 Х3 650 50 600 700

Расход гиперпластификатора, кг/м3 Х4 5,2 1,5 3,7 6,7

В результате обработки экспериментальных данных получена четырёхфакторная квадратичная зависимость прочности бетона от указанных факторов:

- для прочности при сжатии

У!= 29,4+3,8Х1+1)9Х2+1,8Х3+1,7X4+1,8Х1Х3-1,6Х42

- для средней плотности:

У2=1899+51Х1-34Х2+32Х3+18X4+15Х,Х4-8Х42

Совместное влияние факторов на прочность и плотность бетона

Рис. 5. Графическая интерпретация интерполяционных решений: А - зависимость прочности бетона от варьируемых факторов; Б - зависимость средней плотности бетона от

варьируемых факторов Выбор составов для исследования структуры и свойств декоративного бетона производили исходя из вида заполнителя и расхода цемента при различной удобоукладываемости смеси.

Экспериментальные составы бетонных смесей представлены в табл. 7.

Таблица 7.

Составы смесей декоративных бетонов

№ п/ц Расход материалов, кг/м3 В/Ц Осадка конуса, см

Цемент Вода Заполнитель

Песок Щебень

1 350 125 600 700 0.37 4

2 400 145 600 600 0.36 5

3 350 125 650 700 0.32 4

4 400 145 650 600 0.32 5

5 450 162 650 650 0.3 4

Примечание: расход пластификатора 01ешит - 1.6% массы цемента; пигмент - ВауГеггох красный, расход пигмента- 5% массы цемента.

В процессе эксперимента определяли прочность при сжатии и водопоглощение декоративных бетонов. Прочность определялась по стандартным

методикам путём раздавливания образцов-кубов 70x70x70мм на прессе, общую и групповую пористости определяли по трем степеням насыщения.

Данные представлены в таблице 8.

Таблица 8.

Свойства декоративных бетонов

№ по табл. Водопоглощение по массе, % Пористость, % Прочность при сжатии, МПа

1 4,9 10,8 28,2

2 5,3 11,7 36,5

3 4,8 10,5 27,8

4 5,7 12,4 36,0

5 5,8 12,8 35,8

Введение микронаполнителя - отсева дробления и пластифицирующей добавки способствуют снижению содержания макропор и сохранению прочности при сохранении высокой подвижности бетонной смеси.

Бетонные изделия на основе отсева дробления бетона обладают меньшей прочностью по сравнению с бетонами на традиционных заполнителях. По результатам исследования прочностных свойств бетонов на отсевах дробления показано, что увеличение количества заполнителя-отхода свыше 40 % снижает прочность вторичных декоративных бетонов с 38 до 30 Мпа (рис. 6 и 7).

I» 10

да) I) 25 50 75 100

До.ш огсе&а в компяексйом юиолшлеле, %

Рис. 6. Зависимость прочности декоративных Рис. 7. Зависимость прочностных свойств

бетонов от соотношения отхода и цемента при бетонных смесей от количества отхода в

постоянстве остальных компонентов составе заполнителя (В/Ц=0,35, Ц=400

(В/Ц=0,35). кг/м3).

Для подтверждения рабочей гипотезы в её части, гласящей, что мелкие частицы отсева дробления размером менее 0,063 могут гидратировать и

участвовать в создании бетонной матрицы, были проведены рентгенографические исследования и исследования структуры бетона при помощи электронно-оптического микроскопа. Исследования проводились для бетона, содержащего только отход дробления и бетона, содержащего отход дробления и песок в соотношении 1:1.

Рис. 8. Сравнительное сопоставление рентгенограмм исследуемых бетонных смесей.

На рисунке 8 приведено сопоставление рентгенограмм исследуемых образцов. Введение кремнийсодержащих компонентов в бетон приводит к образованию новых пиков, характеризующих гидросиликатные образования. При использовании только дроблёного бетонного отхода наблюдается значительное увеличение пиков, характеризующих основные минералы цемента. Таким образом, мелкодисперсная фракция отсева дробления размером менее 0,063 мм может вступать в реакции и участвовать в процессах образования структуры бетона.

Рис. 9. Микрофотография контактной зоны между заполнителем и бетоном, хЗООО

Сопоставление результатов анализа структур, наблюдаемых при помощи электронно-оптического микроскопа, показало, что оба типа структур обладают малой пористостью, при этом пылевидная фракция отсева дробления оказывает влияние на формирование структуры бетона как микронаполнитель, активно участвуя в формировании матрицы бетона. При этом контактная зона между заполнителем и матрицей достаточно плотная, что повышает характеристики бетонных изделий (рис. 9).

Для изучения декоративных свойств получаемых изделий были проведены сравнительные сопоставления цвета смесей на отсевах дробления и смесей на традиционных заполнителях, а так же на белом и сером цементах. Исследования показали, что отсев дробления негативно влияет на цветовые характеристики изделий, однако при использовании тёмных пигментов насыщенность цвета падает незначительно. Введение гиперпластификатора в количестве от 1 до 5% не оказывает существенного влияния на цвет изделий.

Совместное использование мелкодисперсной фракции отсева дробления, микрокремнезёма, цемента и пигментов, сопоставимых между собой по размерам, позволяет получить качественную декоративную поверхность, обладающую хорошей эксплуатационной стойкостью и малым высолообразованием. При этом бетонные смеси на отсевах дробления могут быть применены как в составе декоративных изделий с глянцевой поверхностью, так и для изделий с традиционными методами обеспечения декоративности (вскрытие поверхности, применение совместно с природными заполнителями, бучардирование, пескоструйная обработка и т.д.). Возможно их применение и в качестве смесей для торкретирования.

Оптимизированные составы бетонов представлены в таблице 9.

По результатам исследований была предложена технология получения цветных фасадных изделий на заполнителях-отсевах дробления бетонного лома. Также предложены варианты модернизации существующих технологических линий для производства разработанных изделий.

Таблица 9.

Основные составы и свойства полученных бетонных изделий.

Состав Прочность Ксж, МПа Удобоукла-дываемостъ, ОК, см Пористост ь, % Водопог- лощение, % Марка по морозостойко сти, р. циклы Истираемость, г/см"

30% ОД (400-ПЦ500, 400-ОД, 900-П) 35-45 4 11,5 4,9 300 1,2

40% ОД (400-ПЦ500, 500-ОД, 800П) 30-40 3 11,8 5,1 300 1,5

50% ОД (400-ПЦ500, 700-ОД, 600-ГТ) 25-30 3 12,7 5,5 200 1,7

Экономический эффект от внедрения разработанных составов для производства 100 м3 бетонных изделий составил 132000 рублей. При этом разработанная технология обладает несомненной социальной и экологической значимостью, поскольку позволяет повторно использовать накопившиеся запасы отсева дробления бетонного лома.

Общие выводы:

1. Обоснована возможность получения цветных бетонных фасадных изделий на основе наполнителей из отсевов дробления бетонного лома в составе активной полиминеральной добавки, обладающей повышенной гидравлической активностью и способствующей получению контактной зоны с пониженной капиллярной пористостью, стабильными продуктами гидратации и повышенной прочностью сцепления цементного камня с заполнителем в совокупности с пигментами, микрокремнезёмом и высокоэффективными гиперпластификаторами на основе поликарбоксилатных эфиров.

2. Разработана технология получения полиминеральной добавки на основе отсевов дробления бетонного лома.

2. Получены основные зависимости свойств отсева дробления бетонного лома от его химического и гранулометрического состава.

3. Показано влияние дозировки поликарбоксилатных гиперпластификаторов на свойства бетонных смесей, содержащих отсев дробления, в частности, их

пониженное действие в смеси по сравнению со смесями на природных заполнителях.

4. Предложена технология виброформования в индивидуальных формах цветных бетонных изделий для фасадных систем из декоративных бетонов с наполнителем из отсева дробления с использованием гиперпластификаторов, обеспечивающих класс изделий по прочности ВЗО, плотность 1900-2100 кг/м3, морозостойкость БЗОО, достаточную атмосферостойкость и декоративные свойства при уменьшении расхода цемента.

5. Методом электронной микроскопии установлено, что образованная при помощи гиперпластификаторов в цементном камне структура является более однородной, поры более мелкие, контактная зона между наполнителем и цементным камнем более плотная с меньшей пористостью, что способствует повышению физико-механических свойств материала.

8. Методом рентгенофазового анализа установлен химический состав отсева дробления, также показана возможность вступления пылевидных частиц отсева дробления в химические реакции и участия в создании плотной матрицы бетона.

9. Получены многофакторные зависимости прочности и плотности фасадных бетонных изделий от количества цемента, пластификатора и соотношения песка и отсева дробления в смеси заполнителей, необходимые для оптимизации производства фасадных бетонных изделий.

10. Разработанпроект технических условий для производства цветных бетонных изделий для фасадных систем на заполнителе из отсева дробления бетонного лома и проведено опытно-промышленное опробование технологии получения цветных бетонных изделий на основе отсева дробления при изготовлении партии элементов фасадных систем на предприятии ФГУ НИЦ РКП «СМУ НИИХИММАШ».

Основные публикации по теме диссертации:

1. Ефпменко А.З., Пплипенко A.C. «Использование строительных отходов от сноса панельных зданий для производства цветных отделочных бетонов». Вестник МГСУ, Специальный выпуск № 1, 2008, Москва, МГСУ.

2. Ефименко А.З., Пилипенко A.C. «Получение декоративных отделочных материалов для фасадных систем на заполнителях из бетонных отходов». Вестник МГСУ, Специальный выпуск № 3, 2009, Москва, МГСУ.

3. Ефименко А.З., Пилипенко A.C. «Новые отделочные материалы: технология и применение» Десятая международная межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 25-26 апреля 2007 г, АСВ, Москва, с. 443-447

4. Ефименко А.З., Пилипенко A.C. «Цветные отделочные бетоны на заполнителях из бетонного боя» Двенадцатая международная межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 15-22 апреля 2009 года, АСВ, Москва, с. 433-435

5. Ефименко А.З., Пилипенко A.C. «Повышение энергоэффективности и экономия ресурсов в производстве бетонных изделий для фасадных систем за счёт применения заполнителей из техногенных отходов» Тринадцатая международная межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», апрель 2010 года, АСВ, Москва

6. Ефименко А.З., Пилипенко A.C. «Цветная фасадная бетонная плитка с использованием заполнителя из строительных отходов», Сборник трудов научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов института строительства и архитектуры, март 2008 года, Москва, с. 166-168

7. Ефименко А.З., Пилипенко A.C., Колядин A.A. «Фасадная цокольная плитка на заполнителе из строительных отходов», Технологии бетонов, №7-8, 2009, с. 31

8. Ефименко А.З., Пилипенко A.C. «Цветная фасадная бетонная плитка с использованием заполнителя из строительных отходов», Сборник трудов научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов института строительства и архитектуры, март 2008 года, Москва, с. 166-168

9. Ефименко А.З., Пилипенко A.C. «Экологические аспекты технологии производства цветных бетонных изделий для фасадных систем с использованием заполнителей из техногенных отходов», Сборник трудов третьей всероссийской научно-практической конференции «Экология: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий и устойчивого развития», ВоГТУ, 2010

10. Ефименко А.З., Пилипенко A.C. «Производство цветных бетонных изделий для фасадных систем с использованием заполнителей из техногенных отходов, повышение его энергоэффективности», Сборник докладов международной конференции «Здания и конструкции с применением новых материалов и технологий», Вестник ДонНАCA, 2010

Подписано в печать 17.05.2012 Формат 60x84/16 Печать офсетная Объём 1,5 п.л. Тираж 100 Заказ 30 К

Отпечатано в Типографии МГСУ 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д.26, корпус 8 Качество печати соответствует качеству предоставленных оригиначов

61 12-5/3704

ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный

университет

Пилипенко Антон Сергеевич

Эффективные декоративные фасадные бетонные изделия с использованием отсевов дробления бетонного лома.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Научный руководитель: проф., д.т.н. Ефименко А.З.

Москва, 2012 г.

Содержание:

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

1. Научно-технические предпосылки разработки цветных отделочных бетонов для фасадных систем на заполнителях из отхода дробления бетонного лома...................................... .........................................................10

1.1. Образование бетонных отходов и пути их переработки.......................10

1.2. Опыт переработки компонентов сносимых зданий и сооружений......12

1.3. Роль заполнителя в формировании структуры и свойств бетона.........18

1.4. Применение декоративных бетонов в строительстве............................32

1.5. Применение современных видов пластификаторов в строительстве... 44

1.6. Применение отсевов дробления в технологии бетона..........................50

1.7. Рабочая гипотеза......................................................................................51

2. Методология эксперимента и характеристики исходных компонентов. 54

2.1. Методики исследований и используемое оборудование......................54

2.2. Характеристики исходных компонентов...............................................59

3. Научно-практические основы получения цветных отделочных бетонов для фасадных систем на отходах дробления бетонного лома.....................62

3.1. Физико-механические свойства отсева дробления бетонного лома. ... 70

3.2. Гранулометрический состав отсева дробления бетонного лома..........71

3.3. Химический состав отсева дробления бетонного лома.........................77

4. Разработка рациональных составов и основных технологических параметров бетонных смесей для цветных отделочных бетонов для фасадных систем на отходах дробления бетонного лома............................82

4.1. Основные свойства бетонных смесей на отходах дробления бетонного лома.................................................................................................................82

4.2. Математическая модель основных зависимостей свойств бетонных смесей на отходах дробления бетонного лома.............................................84

5. Основные физико-технические свойства цветных отделочных бетонов

для фасадных систем на отходах дробления бетонного лома.....................95

5.1. Физико-механические характеристики и эксплуатационные свойства

бетонных изделий...........................................................................................95

5.2. Обеспечение декоративности бетонных изделий на основе отсева

дробления......................................................................................................103

5.2. Эксплуатационные свойства бетонных изделий.................................109

6. Технология изготовления цветных отделочных бетонов для фасадных систем на отходах дробления бетонного лома...........................................120

7. Технико-экономическая эффективность технологии цветных отделочных бетонов для фасадных систем на отходах дробления бетонного лома...............................................................................................................125

8. Производственное опробование технологии цветных отделочных

бетонов для фасадных систем на отходах дробления бетонного лома.....131

Общие выводы..............................................................................................132

Библиографический список.........................................................................134

Приложения..................................................................................................149

Приложение 1. Проект технических условий " Цветные бетонные плиты

для фасадных конструкций на отсевах дробления бетонного лома "......146

Приложение 2. Акт о внедрении...................................................161

Введение.

Актуальность работы.

Декоративные цементно-песчаные изделия в настоящее время широко применяются в строительстве. Однако они не всегда удовлетворяют требованиям к эксплуатационным свойствам.

Повышение эффективности декоративных материалов возможно за счёт введения наполнителей, обеспечивающих получение более плотной структуры бетона. В роли таких наполнителей могут выступать микрокремнезём, золы ТЭЦ, шлаки и другие подобные материалы.

Возможным решением задачи повышения эффективности декоративных бетонных изделий может являться комплексное применение отсевов дробления бетонного лома и высокоэффективных гиперпластификаторов на основе поликарбоксилатных эфиров.

Работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Жилище» на 2011-2015 г, и была включена в план научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО МГСУ, а так же в рамках программы «Умник» в 2009-2011 г.

Цель и задачи работы.

Основной целью диссертации является разработка эффективных декоративных цветных цементно-песчаных строительных материалов для фасадных систем с использованием отсевов дробления бетонного лома, при этом изделия должны обладать хорошими декоративными и эксплуатационными свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность эффективного использования отсевов дробления фракций 0-5 мм в качестве заполнителя для цветных фасадных бетонных изделий из мелкозернистого бетона;

- установить основные зависимости влияния исходных компонентов на свойства бетонных смесей;

- установить основные зависимости влияния исходных компонентов на эксплуатационные свойства фасадных бетонных изделий, в частности, на прочность, декоративность и эксплуатационную стойкость фасадных изделий на отсевах дробления;

- изучить влияние технологических факторов на структуру и свойства фасадных бетонных изделий на отсевах дробления;

- разработать технологию производства фасадных бетонных изделий на отсевах дробления, изучить технико-экономические параметры;

- разработать рекомендации по производству фасадных бетонных изделий на отсевах дробления.

Научная новизна.

- Обоснована возможность эффективного применения отсевов дробления бетонного лома в качестве механически активированной добавки в бетонные смеси для производства цветных фасадных изделий, которая позволяет за счёт своей активности и обеспечения наиболее плотной упаковки компонентов бетонной матрицы повысить эксплуатационные и декоративно-выразительные свойства изделий.

- Обоснована возможность получения эффективных цветных бетонных фасадных изделий на основе наполнителей из отсевов дробления бетонного лома в совокупности с микрокремнезёмом и высокоэффективными гиперпластификаторами на основе поликарбоксилатных эфиров, обеспечивающих получение плотных и высококачественных поверхностей изделий.

- Установлены основные закономерности изменения основных параметров процесса формирования бетонной матрицы в зависимости от времени твердения, количества и вида применяемых компонентов, в

частности цемента, отсева дробления, природных заполнителей.

- Установлены зависимости изменения удельной поверхности и активности полиминеральной добавки, состоящей из отсевов дробления, цемента, микрокремнезёма и пигментов, в зависимости от времени механохимической активации.

Получены четырёхфакторные квадратичные зависимости прочности и плотности фасадных бетонных изделий от расхода цемента, расхода гиперпластификатора, а так же количества песка и отсева дробления в смеси заполнителей, позволяющие оптимизировать составы бетона с заданными свойствами.

- С помощью методов рентгенофазового анализа и электронной микроскопии установлено, что контактная зона между заполнителем и матрицей является более плотной, что повышает эксплуатационные свойства бетонных изделий и подтверждает возможность использования их в качестве фасадных изделий.

- С помощью методов рентгенофазового анализа и электронной микроскопиипоказано, что механохимическая активация отсева дробления способствует обновлению связей и взаимодействию его с гидратными образованиями цемента с возникновением мелкокристаллических соединений типа низкоосновных силикатов и гидроалюминатов кальция.

Практическая значимость.

Разработаны фасадные бетонные изделия из цветного мелкозернистого бетона на основе комплексного использования отсевов дробления бетонного лома фракции 0-5 мм, микрокремнезёма, пигмента и гиперпластифицирующих добавок, что приводит к экономии цемента при сохранении свойств изделий.

- Показано, что полиминеральная добавка на основе отсевов дробления обладает гидравлической активностью.

- Показано, что введение отсевов дробления в количестве до 40% не только не оказывает отрицательного влияния на декоративные и эксплуатационные свойства изделий, но и обеспечивает достижение ими требуемых характеристик.

- Разработана технология получения полиминеральной добавки, состоящей из цемента, микрокремнезёма, пигментов и отсевов дробления, обладающей активностью и положительно влияющей на процессы твердения.

- Показано, что применение пылевидных фракций отсевов дробления позволяет сократить количество применяемого микрокремнезёма и цемента.

- Разработана технология получения цветных бетонных изделий с использованием отсевов дробления в качестве наполнителей.

- Разработан проект технических условий для производства цветных бетонных изделий для фасадных систем на заполнителе из отсева дробления бетонного лома.

Внедрение результатов.

Проведено опытно-промышленное опробование разработанных предложений по получению цветной фасадной бетонной плитки с использованием отсевов дробления. Внедрение технологических рекомендаций по производству фасадных бетонных изделий на отсевах дробления осуществлялось на предприятии НИЦ РКП СМУ «Ниихиммаш». Была выпущена партия объемом 35 м3 и разработан проект технических условий.

Апробация работы.

Основные положения и практические результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов МГСУ за 2008-2009 учебный год; на десятой международной межвузовской научно-

7

практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в

2007 г.; на одиннадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в

2008 г.; на двенадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москвав

2009 г.; на тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в

2010 г.; на научно-технической конференции программы «У.М.Н.И.К.» в 2009 г. в г. Москва, где была отмечена наградой; на научных чтениях «Современные строительные материалы» в рамках Международной недели строительных материалов в МГСУ в 2009 г., на третьей всероссийской научно-практической конференции «Экология: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий и устойчивого развития», ВоГТУ, 2010, на международной конференции «Здания и конструкции с применением новых материалов и технологий» ДонНАСА, в г. Донецк в 2010 г. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в двенадцати печатных работах, две из которых - в изданиях, входящих в перечень ВАК.

На защиту выносятся:

- обоснование возможности получения фасадных бетонных изделий на отсевах дробления за счет комплексного использования отсевов дробления, образующихся при производстве щебня совместно с гиперпластифицирующими добавками;

- результаты исследований свойств декоративных бетонных смесей на отсевах дробления;

- результаты исследований прочностных и деформативных свойств, морозостойкости декоративных бетонов в зависимости от типа и дозировки сырьевых компонентов;

- результаты исследований влияния технологических факторов на структуру и свойства декоративных бетонов;

- математические модели для подбора оптимальных составов фасадных бетонных изделий на отсевах дробления;

- технологические приемы модификации бетонных смесей, обеспечивающие получение фасадных бетонных изделий с заданными эксплуатационными и декоративными свойствами;

- технология производства декоративных бетонных изделий для фасадных конструкций на отходах дробления бетонного лома;

- опытно-промышленное опробование полученных результатов.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 152 листах машинописного текста, иллюстрирована 32 рисунками и 25 таблицами. Она состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы (в количестве 160 источников) и 2-х приложений.

1. Научно-технические предпосылки разработки цветных отделочных бетонов для фасадных систем на заполнителях из отхода дробления бетонного лома.

1.1. Образование бетонных отходов и пути их переработки.

Внимание к вопросу повторного использования бетона в строительном производстве усилилось в 90-е годы вновь ввиду повышения дефицитности природных заполнителей, необходимости охраны окружающей среды и увеличения количества старых, морально и физически изношенных зданий и сооружений из железобетона, подвергаемых сносу.

В отдельных странах (Японии, Германии, Дании, Нидерландах, Люксембурге и др.) практически нет территорий для организации свалок или захоронения бетонного лома. В то же время ряд стран работает на привозном щебне.

С 1974 г. проводятся широкомасштабные эксперименты по изучению свойств вторичных заполнителей и бетонов на их основе в Японии [1].

Многолетний опыт переработки бетона имеется в США. Более десяти лет ежегодно перерабатывается свыше 20 млн. т. бетонных отходов. По данным ряда американских фирм, при получении щебня из бетона расход топлива в 8 раз меньше, чем при его добыче в природных условиях, а себестоимость бетона на вторичном щебне снижена до 25% [2].

Первые исследования по применению в строительстве отходов из бетонного лома в странах-членах ЕЭС были проведены в 1977 г. голландскими учеными. В дальнейшем эксперименты проводились совместно учеными Нидерландов, Бельгии и Германии, образовавших Научно-исследовательский комитет «Повторное использование бетонного

и каменного лома» [3].

Последовательность образования и возможные пути утилизации отходов в промышленности можно проследить по схеме, приведенной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная схема образования и утилизации отходов.

К примеру, в хозяйственном цикле "добыча—обработка— потребление—утилизация" восполнение потерь из него в основном осуществляется за счет взятых у природы первичных материальных ресурсов, т. е. добытых вновь. В настоящее время при производстве стали вторичные материальные ресурсы составляют 30 %, а при производстве бумаги — 25%, цветных металлов — 20 %. В то же время капитальные вложения, необходимые для переработки вторичного сырья, примерно в 4 раза меньше, чем для получения первичного сырья.

Строительные отходы в Москве образуются главным образом при выполнении следующих видов работ:

- при реконструкции зданий и сооружений;

- при ремонте зданий и сооружений;

при производстве строительных материалов, деталей и

конструкции;

- при сносе зданий и сооружений;

- при новом строительстве.

По временному классификатору Минздрава СССР, 1989 г, при сносе, реконструкции и новом строительстве зданий и сооружений образуются отходы бетона и железобетона; сколы асфальта, отходы керамзитобетона; отходы древесины; лом черных металлов, отходы рубероида, отходы битума (мастики); отходы линолеума, обрез; минеральная вата использованная; бой асбошифера; макулатура и оргалит; стеклобой; санфаянс использованный; кирпич (бой); раствор отработанный; шлаки, зола, асбест отработанный; керамическая плитка (бой); тара бумажная загрязненная; тара металлическая использованная.

Преобладающими видами строительных отходов в городе является замусоренный грунт, асфальт, каменные материалы, кирпич, бетон и железобетон, картон, бумага.

По данным ЦНИИОМТП количество основных строительных отходов, приходящихся на одного жителя города составляет:

Замусоренный грунт 0,5 т (0,5 м )

Асфальт и битумосодержащие материалы 0,1 т (0,1 м )

Кирпич каменные материалы 0,2 т (0,1 м )

Бетон и железобетон 0,2 т (0,3 м )

Раствор 0,1 (0,05 м3).

1.2. Опыт переработки компонентов сносимых зданий и сооружений.

В связи с возрастающими объемами сноса пятиэтажных зданий, замены мостовых конструкций и дорожных покрытий, чрезвычайно актуальными становятся проблемы переработки элементов разрушаемых

сооружений и конструкций с целью получения вторичных нерудных строительных материалов.

Впервые дробленый материал из разрушаемых конструкций был предложен в 1946г