автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Эффективные литые бетоны с использованием отходов камнеобработки

На правах рукописи

У»

//

Кузнецова Екатерина Фёдоровна

ЭФФЕКТИВНЫЕ ЛИТЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ

КАМНЕОБРАБОТКИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 АВГ 2014 005551963

Москва 2014г.

005551963

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Костромская государственная сельскохозяйственная академия»

кандидат технических наук, доцент Соболев Геннадий Михайлович

Белов Владимир Владимирович - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тверской

государственный технический университет», проректор по инновационному развитию, заведующий кафедрой «Производство строительных изделий и конструкций» Краснов Михаил Валерьевич - кандидат технических наук, ЗАО «Международные Строительные Системы», главный инженер-технолог

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится «29» сентября 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, аудитория №

3 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», http://www.mgsu.ru Автореферат разослан «.2£Г> 2014 года.

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета

Алимов Лев Алексеевич

Общая характеристика работы

Актуальность.

В отечественной и зарубежной практике широко исследованы вопросы утилизации таких техногенных отходов как золы, шлаки, отработанные формовочные смеси литейного производства, микрокремнезем и другие. Однако применение местного сырья из отходов добычи и обработки камня сдерживается в связи с отсутствием научно-обоснованных зависимостей и рекомендаций.

Решение задачи получения эффективных литых бетонов на основе местных заполнителей и отходов камнеобработки возможно за счет их комплексного использования в виде заполнителей и микронаполнителей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является получение эффективных литых бетонов за счет комплексного использования отходов камнеобработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - обосновать возможность повышения эффективности литых бетонов путем комплексного использования отходов камнедробления;

разработать составы многокомпонентных бетонных смесей с использованием отходов камнеобработки в качестве микронаполнителей;

исследовать влияние добавок на структуру и свойства цементного камня; установить закономерности изменения свойств мелкозернистых многокомпонентных бетонных смесей и бетонов с использованием отходов камнеобработки;

обосновать возможность и целесообразность применения в литых бетонных смесях отсевов дробления гравия;

изучить гранулометрический состав отсевов и установить рекомендуемый зерновой состав мелкого заполнителя для литого бетона;

исследовать влияние многокомпонентной смеси с использованием минеральной добавки на основе отходов камнеобработки и гранулометрического состава заполнителей на свойства литых бетонных смесей и бетонов и установить закономерности изменения свойств;

осуществить внедрение разработанных литых бетонов с использованием отходов камнеобработки с оценкой их технико-экономической эффективности.

Научная новизна.

Обосновано получение эффективных литых бетонов путем введения минерального микронаполнителя из отходов добычи и обработки природных каменных материалов (известняка и габбро-диабаза), метакаолина, сульфата натрия и суперпластификатора С-3 в состав бетонных смесей, что способствует улучшению структуры цементного камня за счет снижения объема гидроксида кальция и образования вторичных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, а также снижению капиллярных пор, что приводит к повышению плотности контактной зоны.

Установлено, что микронаполнитель из отходов габбро-диабаза и известняка способствует самоуплотнению и формированию более прочного каркаса многокомпонентных бетонов на основе литой смеси.

С помощью рентгенофазового анализа (РФА) установлены химико-минералогические составы цемента, габбро-диабазового и известнякового микронаполнителей, а также образование вторичных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция в результате взаимодействия Са(ОН)2 с метакаолином.

Определены структурно-технологические характеристики, объемная концентрация цементного камня и его В/Ц в многокомпонентных бетонных смесях с помощью ультразвукового метода.

Микроскопические исследования показали, что комплексное использование добавок позволяет получать бетоны с улучшенной структурой и более плотной контактной зоной между заполнителем и цементным камнем.

Получены многофакторные математические модели прочности и подвижности мелкозернистых бетонов от объемной концентрации цементного камня, истинного водоцементного отношения, доли минерального микронаполнителя, метакаолина, суперпластификатора С-3.

Получены математические модели плотности и подвижности многокомпонентных бетонных смесей, плотности бетона, прочности на сжатие в возрасте 3 и 28 суток нормального твердения, прочности при изгибе, истираемости, класса бетона по водонепроницаемости и стоимости бетона в зависимости от структурных характеристик: объемной концентрации цементного камня С, истинного

водоцементного отношения ß/Ццсг, доли отсева дробления гравия в смеси мелкого заполнителя г, доли мелкого заполнителя в смеси заполнителей rh

Практическое значение.

Разработана технология получения многокомпонентной смеси с использованием отходов камнеобработки для производства эффективных литых бетонных смесей.

Установлены оптимальные соотношения цемента и добавок в многокомпонентной бетонной смеси:

- цемент + микронаполнитель, полученный при обработке габбро-диабаза + метакаолин + суперпластификатор С-3 в соотношении 1:0,06:0,09:0,009;

цемент + известняковый микронаполнитель + метакаолин и суперпластификатор С-3 в соотношении 1:0,075:0,09:0,012.

Получены литые бетонные смеси с комплексным использованием отходов камнеобработки на местных заполнителях, обеспечивающих получение бетона класса В15 - В40 с водонепроницаемостью до W 22.

Разработаны «Рекомендации по определению состава литых бетонных смесей с использованием отходов камнеобработки для устройства бетонных полов».

Внедрение результатов исследования. Осуществлено внедрение результатов исследований на объекте предприятия ООО «Высоковский бетон» (г. Кострома) при устройстве бетонных полов здания Костромской бумажной фабрики ООО «Восход» объемом 134 м3.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях по проблемам науки в агропромышленном комплексе в ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА в 2009-2012 годах, на V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 2010 году и на VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» в 2012 году.

Основное содержание работы опубликовано в 13 статьях.

На защиту диссертации выносятся:

- обоснование введения в многокомпонентную бетонную смесь добавок микронаполнителей из отходов камнеобработки (известняка и габбро-диабаза).

метакаолина и суперпластификатора С-3;

- обоснование регулирования гранулометрического состава заполнителей бетонной смеси введением отсева дробления гравия;

- математические модели прочности мелкозернистых бетонов и подвижности бетонных смесей в зависимости от вида и количества введенных добавок, а также значений концентрации цементного камня и истинного водоцементного отношения;

- составы разработанных многокомпонентных смесей с добавками из отходов камнеобработки, позволяющие получать нерасслаиваемые литые бетонные смеси с улучшенной структурой цементного камня;

- математические модели плотности бетонной смеси и подвижности бетонных смесей, плотности бетона, прочности на сжатие в возрасте 3 и 28 суток нормального твердения, прочности при изгибе, истираемости, класса бетона по водонепроницаемости и стоимости бетона в зависимости от структурных характеристик: объемной концентрации цементного камня С, истинного водоцементного отношения В/Цист> доли отсева дробления гравия в смеси мелкого заполнителя /-, доли мелкого заполнителя в смеси заполнителей г,\

- результат опытно-промышленной апробации.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 149 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 59 таблиц.

Содержание работы

Одним из направлений развития технологии строительных материалов является внедрение ресурсосберегающих технологий, в том числе за счет рационального использования местных материалов и отходов промышленности. Костромская область, также как и другие центральные регионы Российской Федерации, обладают значительными запасами полезных ископаемых осадочного происхождения. В области насчитываются десятки месторождений песчано-гравийных смесей, глины, известняков, торфа. Однако по ряду технико-экономических причин освоение этих месторождений не производится.

Основным ресурсом, который добывается в Костромской области, является песок и песчано-гравийные смеси. В свою очередь при переработке гравия в щебень образуется до 20% отсевов дробления.

Второй областью образования отходов данного типа является промышленность добычи и обработки природных каменных материалов (известняк, гранит, мрамор, габбро-диабаз и др.). В процессе добычи отходы (щебень разных фракций, песок, пылевидный материал) в зависимости от качества оборудования и технологии организации и производства работ могут достигать 45%, а при обработке на предприятии - до 40%.

Таким образом, в результате добычи и переработки каменных материалов образуется значительная доля отходов, сфера применения которых делится на 2 направления: введение в качестве мелкого заполнителя и микронаполнителя.

Введение микронаполнителей, в том числе из отходов камнеобработки, позволит регулировать гранулометрический состав системы «цемент + микронаполнитель + заполнитель», получать литые нерасслаиваемые бетонные смеси и бетоны с заданными свойствами. Применение бетонных смесей литой консистенции позволит осуществлять бетонирование конструкций при минимальных трудозатратах за счет отказа от уплотнения.

В исследованиях использовались следующие материалы:

Портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Н производства ЗАО «Осколцемент». Физико-механические свойства цемента: прочность на сжатие в возрасте 28 суток 51,5 МПа, рнас=1114 кг/м3, рист=3136 кг/м3, тонкость помола 428 м2/кг, нормальная густота 25,25 %. Химико-минералогический состав клинкера: С3Э - 55%, С23 - 16%,

С3А-9%,С4АР- 13%.

Портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б производства ОАО «Мордовцемент». Физико-механические свойства цемента: прочность на сжатие в возрасте 28 суток 50,0 МПа, р„ас=Ю58 кг/м3, рист=3099 кг/м3, тонкость помола 530 м2/кг, нормальная густота 30,6 %. Химико-минералогический состав клинкера: С38 - 62%, С23 - 14%, С3А - 6,5%, С4АР - 12%.

Габбро-диабаз (Карелия). Рассматривался в качестве микронаполнителя после механохимической активации отходов камнеобработки. Свойства микронаполнителя: Рнас=912 кг/м3, рист=3186 кг/м3, тонкость помола 905 м2/кг, водопотребность Вп=24,33 %. Химический состав представлен в табл. 1.

Химический состав микронаполнителя габбро-диабаз

Таблица 1

Компонент БЮ2 А^03 FeгOi по, СаО ГеО к2о ш2о ППП

Содержание, в % по массе 50,77 13,32 2,9 2,05 8,42 5,44 11,54 1,1 2,98 1,48

Мо

_ СаО + MgO _ 8,42 + 5,44

= 0,22 ,

(1)

БЮ2 + А12Оъ 50,77 + 13,32 где Мо - модуль основности, характеризующий устойчивость материала при известковом распаде (при Мо< 1 не подвержены распаду, то есть образованию кристаллогидратов при затворении водой)

= 0,26,

БЮ2 50,77

(2)

где Ма- модуль активности, характеризующий увеличение доли алюминатов кальция, обладающих большей скоростью протекания реакции гидратации (при Мо< 1, модуль активности должен быть более 0,5).

Известняковый микронаполнитель ОАО «Солигаличский известковый комбинат». Основные характеристики: рнас=1000 кг/м3, рист=2675 кг/м3, удельная поверхность 546 м2/кг, водопотребность Вп=36 %

Метакаолин. Для получения активной минеральной добавки был произведен обжиг каолина. Каолин не является активной минеральной добавкой в необожженном состоянии, однако, после термической обработки активно взаимодействует с Са(ОН)2.

^0,0.^0,212 + 0,228

БЮ1 + А11Ог 52,44 + 44,25 ' '

., А12Ог 44,25 пол Ма = —г—1 = —;— = 0.84, БЮ2 52,44 '

Химический состав метакаолина представлен в таблице 2.

Химический состав метакаолина

(4)

Таблица 2

Компонент ЗЮ2 ТЮ2 СаО к2о Ыа20 ППП

Содержание, в % по массе 52,44 44,25 1,0 0,771 0,212 0,228 0,361 0,089 -

удельная поверхность 1564 м2/кг, водопотребность Вп=65,8 %.

Для обеспечения высокой подвижности бетонной смеси качестве химической добавки был использован суперпластификатор С-3 (СП С-3), произведенный ОАО «Компонент», г. Владимир.

В качестве добавки-ускорителя схватывания и твердения был применен сульфат натрия (СН), соответствующий требованиям ГОСТ 6318-77.

Песок ГПКО «Карьеравтодор » Медениковское месторождение. Основные характеристики: рнас=1578 кг/м3, р„„=2677 кг/м3, пустотность П=41,0%, модуль крупности Мк=2,01, водопотребность Вп=10,7 %.

Песок ОАО «Хромцовский карьер». Основные характеристики: рнас=1603 кг/м3. Рисг=2751 кг/м3, пустотность П=41,7%, модуль крупности Мк=2,86, водопотребность Вп=7,1 %.

Отсев дробления гравия ООО «Столбовский карьер». Основные характеристики: рнас=1418 кг/м3, рист=2768 кг/м3, пустотность П=44,6 %, модуль крупности Мк=2,52, водопотребность Вп=14,75 %.

Щебень из гравия ООО «Столбовский карьер». Основные характеристики: марка по дробимости - 800, марка по износу в полочном барабане И-2, рнас=1418 кг/м3, рист=2768 кг/м3, водопотребность Вп=6,3 %.

Исследование растворов и мелкозернисты* бетонов.

На первоначальном этапе было произведено исследование влияния добавок на свойства растворов и мелкозернистых бетонов. Рассматривались эмпирические модели зависимости прочности от доли введения добавки.

Исследование процесса структурообразования цементных систем проводилось двумя способами: по скорости изменения температуры и при помощи ультразвуковых приборов по изменению скорости прохождения ультразвука. В результате были получены следующие данные, представленные в таблице 3.

Таблица 3

Зависимость структурообразования цементного теста от вида добавок

№ пп Наименование Сроки схватывания, часы-минуты

УЗК метод По изменению температуры

Начало начало конец

1 Контрольный состав 100% ПЦ "Оскольский" 2:41 2:47 7:32

2 100% ПЦ "Оскольский" 2:49 2:56 7:11

3 100% ПЦ "Оскольский" 2:27 2:35 7:35

4 Контрольный состав 100% ПЦ "Оскольский" 2:41 2:47 7:32

5 95% ПЦ "Оскольский"+5% молотого габбро-диабаз 2:48 2:50 7:34

6 92,5% ПЦ "Оскольский"+7,5% молотого габбро-диабаз 2:49 2:50 7:28

7 90% ПЦ "Оскольский"+Ю% молотого габбро-диабаз 2:50 2:52 7:36

8 Контрольный состав 100% ПЦ "Оскольский" 2:41 2:47 7:32

9 95% ПЦ "Оскольский"+5% метакаолина 2:41 2:47 7:47

10 92,5% ПЦ "Оскольский"+7,5% метакаолина 2:19 2:26 7:56

11 90% ПЦ "Оскольский"+Ю% метакаолина 2:27 2:35 8:20

12 Контрольный состав 100% ПЦ "Оскольский" 2:41 2:47 7:32

13 95% ПЦ "Оскольский"+5% известняковой муки 2:41 2:42 7:42

14 92,5% ПЦ "Оскольский"+7,5% известняковой муки 2:42 2:36 7:36

15 90% ПЦ "Оскольский"+Ю% известняковой муки 2:42 2:45 7:45

16 Контрольный состав 100% ПЦ "0скольский"+0,9% С-3 4:18 4:22 7:52

17 87% ПЦ "Оскольский"+5,2% Г+7,8% МК+0,9% С-3 5:30 5:16 9:01

18 85,9% ПЦ "Оскольский"+6,4% ИМ+7,7% МК+1,2% С-3 5:28 5:25 9:55

19 Контрольный состав 100% ПЦ "0скольский"+0,9% С-3+0.9СН 4:22 3:03 5:55

20 87% ПЦ "Оскольский"+5,2% Г+7,8% МК+0,9% С-3+0,9% СН 4:08 3:42 6:27

21 85,9% ПЦ "Оскольский"+6,4% ИМ+7,7% МК+1,2% С-3+0,9%СН 4:38 3:36 6:51

Исследование контрольных составов показало, что введение метакаолина в состав вяжущего увеличивает продолжительность структурообразования цементного камня, за счет протекания реакции с Са(ОН)2 и образования вторичных

10

гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Введение суперпластификатора С-3 значительно увеличивает время начала схватывания. Применение комплексной химической добавки (0,9% С-3 и 0,9% СН) позволяет изменить сроки схватывания.

После определения влияния добавок и их оптимального диапазона варьирования, был решен вопрос подбора рационального состава многокомпонентной мелкозернистой бетонной смеси с помощью метода математического планирования эксперимента, дающего возможность получить математические модели, характеризующие прочность бетонов и подвижность бетонных смесей в зависимости от структурных характеристик и доли вводимых добавок.

Для построения 5-и факторных моделей свойств мелкозернистых бетонов с использованием микронаполнителя, метакаолина, суперпластификатора С-3 были приняты факторы, представленные в таблице 4.

Таблица 4

Факторы и уровни их варьирования для математической модели мелкозернистого бетона на портландцементе с введением минерального микронаполнителя, метакаолина и суперпластификатора С-3

Факторы Значения интервалов варьирования

-2 -1 0 1 2

X! - объемная концентрация цементного камня, С 0,23 0,235 0,24 0,245 0,25

х2 - истинное водоцементное отношение, 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25

х3 - минеральный микронаполнитель, % 4,5 6 7,5 9 10.5

Х4 - метакаолин, % 1 3 5 7 9

х5 - суперпластификатор С-3. % 0,6 0,7 0,8 0,9 1

На основании анализа экспериментальных данных были получены следующие уравнения прочности мелкозернистых бетонов на смешанном вяжущем в возрасте 28 суг (^сж > МПа), 3 сут (, МПа) и расплыва смесей на встряхивающем столике (Р, см):

- для многокомпонентных бетонных смесей и бетонов с введением микронаполнителя из габбро-диабаза, метакаолина и суперпластификатора С-3: 1С = 41,76 + 0,88 • х, - 2,21 • хг - 0,18 • х, - 0,30 • х4 + 0,12 • х5 + 1,40 ■ х,2 + 0,47 • хг2 + + 0,94 • х; + 0,72 • х,2 + 0,24 • х, • х, - 0,38 • х, ■ х, + 0,39 • х, • х4 - 0,52 ■ х, ■ х5 + (5)

0,83 • дг, ■ .г, + 0,54 • х, • х4 - 0,64 • .г, ■ .г, - 0,82 • х, • х4 - 0,15 ■ х, • *5 + 0,55 • ,т4 - х,

= 22,72 + 0,18 • х, - 0,66 ■ х, - 0,13 • .г, - 0,27 • л:, + 0,31 • х5 + 0,25 ■ х,2 + 0,07 • хг2 -

- 0,01 • х32 + 0,20 ■ х,2 + 0,14 • х,2 - 0,51 • х, ■ х2 - 0,40 - х, • х3 + 0,06 ■ х, ■ х4 - 0,05 • х, ■ х5 - (6)

- 0,02 • х2 • д:, + 0,58 • х2 • х4 + 0,75 • х2 - х, - 0,22 • х3 • х4 - 0,34 • х, ■ х5 + 0,07 • х4 • х,

Р = 23,16 + 0,90 • х, + 0,79 • х2 + 0,23 -х3 + 0,28 • х4 + 1,74 • х5 + 0,66 ■ х,2 + 0,43 • х22 + + 0,58-х,2 + 0,65-х' + 0,37х52-0,11-х, -х2-0,18-х, -х,-0,33-х,-х4 +0,03-х,-х, - (7) -0,76-х2 -х3 -0,41 -х3 -х4 + 0,31 -х2 -х5 -0,73-х, -х4 + 0,13-х3 -х5 +0,20-х4 -х5

- для многокомпонентных бетонных смесей и бетонов с введением известнякового микронаполнителя, метакаолина и суперпластификатора С-3:

= 40,91 + 2,96 • х, -1,76 • хг + 0,03 • х, + 0,84 • х4 - 2,81 • х5 + 0,37 • х,2 + 2,24 • х32 + + 1,59-х3г +1,16-х4г +0,11-х/ +0,33-х, -х2 + 1,36-х, -х, + 1,37-х, -х4 - 0,19-х, -х5 + (8) + 0,82 • х2 • х3 + 2,62 • х, • х4 - 0,85 • х2 • х, +1,93 • х3 • х4 + 0,86 • х3 • х5 - 0,90 • х4 • х5

= 31,35 + 1,53 • х, - 0,62 • х2 + 0,09 ■ х3 - 0,39 • х4 + 0,49 • х5 - 0,10 ■ х,2 + 0,39 ■ х22 -

- 0,52 • х/ - 0,22 • х42 - 0,31 • х/ + 0,08 • х, ■ х2 +1,17 • х, ■ х3 + 0,62 • х, • х4 - 0,46 • х, • х5 (9) + 0,31 ■ хг • х3 - 0,53 • х, • х4 - 0,92 • х2 • х5 - 0,12 ■ х3 • х4 + 0,57 ■ х3 • х5 - 0,40 • х4 • х5

Р = 29,19 + 0,86• х, + 0,68• х2 + 0,62• х3 + 0,30• х4 + 2,41-х, -0,05• х,2 -0,17• х22 -

0,54 ■ х32 - 0,22 • х42 - 0,26 • х,2 - 0,13 • х, ■ х2 - 0,16 • х, ■ х3 - 0,29 ■ х, ■ х4 + 0,43 • х, • х5 + (10)

+ 0,39-х2-х3-0,54-хг-х4-0,04-х, х5-0,27-х,-х4 +0,26-х3-х5-0,16 х4-х5

Исследовав влияние добавок на физико-механические свойства мелкозернистых бетонов с введением микронаполнителя из габбро-диабаза, метакаолина и суперпластификатора С-3 (рис. 1), было принято решение о назначении доли минеральной добавки габбро-диабаза равной 6% (что соответствует минимуму диапазона варьирования), доли метакаолина равной 9% от массы от массы цемента.

Исследовав влияние добавок известнякового микронаполнителя, метакаолина и суперпластификатора С-3 на физико-механические свойства мелкозернистых бетонов (рис. 2), было принято решение о назначении доли известнякового микронаполнителя равной 7,5% (для обеспечения максимальной подвижности растворов), доли метакаолина равной 9% от массы.

Таким образом, были приняты оптимальные соотношения цемента и добавок в многокомпонентной бетонной смеси:

- цемент + микронаполнитель, полученный при обработке габбро-диабаза + метакаолин + суперпластификатор С-3 в соотношении 1:0,06:0,09:0,009;

Габбро-днабаз, %

а) С=0,24, \¥=0,23, С-3 0,9%

Габбро-диабаз. %

г) С =0.24, \У=0,23, С-3 0,9%

0.232 0.236 0,240 0.244 0.248 С

д) \¥=0,24, Метакаолин 9%, С-3 0,9%

0.232 0,236 0,240 0.244 0.248 °'236 °'240 °'244 °'248

а) У/=0,24, габбро-диабаз 6%, С-3 0,9% е> »=0,24, габбро-диабаз 6%, С-3 0,9%

Рис. 1. Изолинии влияния на прочность (а, б, в) и подвижность (расплыв конуса на встряхивающем столике) (г, д, е) бетонных смесей на многокомпонентном вяжущем с введением микронаполнителя габбро-диабаз, метакаолина и суперпластификатора С-3 а, г) микронаполнителя габбро-диабаз и метакаолина; б, д) объемной концентрации цементного камня и микронаполнителя из габбро-диабаза; в, е) объемной концентрации цементного камня и метакаолина

0,236 0,240 0,244 0,248 С

Метакаолин 9%. С-3 0,9%

0,232

Б) \У=0,24. 9 8

им, %

а) С =0,24, \У=0,22, С-3 1,2%

ИМ, %

г) С=0,24, \У=0,22, С-3 1,2%

С С

в) У/=0.22, ИМ 7.5%, С-3 1,2% е) w=0,22, ИМ 7,5%, С-3 1,2%

Рис.2. Изолинии влияния на прочность (а, б, в) и подвижность (расплыв конуса на встряхивающем столике) (г, д, е) бетонов и бетонных смесей на смешанном вяжущем с введением известнякового микронаполнителя, метакаолина и суперпластификатора С-3 а, г) известнякового микронаполнителя и метакаолина; б, д) объемной концентрации цементного камня и известнякового микронаполнителя; в, е) объемной концентрации цементного камня и метакаолина

С

б) \У=0,22, Метакаолин 9%, С-3 1,2%

С

Д) \У=0,22, Метакаолин 9%, С-3 1,2%

цемент + известняковый микронаполнитель + метакаолин и суперпластификатор С-3 в соотношении 1:0,075:0,09:0,012.

Для производства многокомпонентных бетонных смесей рекомендуется введение в технологический процесс смесителей с вибрационным перемешиванием сыпучих материалов с целью равномерного распределения минеральных наполнителей.

Исследование литых бетонных смесей и бетонов с использованием отходов камнеобработки.

Для исследования свойств многокомпонентных бетонных смесей и бетонов были составлены 4-х факторные матрицы планирования эксперимента. Критерии оптимизации и интервалы варьирования представлен^ в таблицах 5 и 6.

Таблица 5

Факторы и уровни их варьирования для построения математической модели свойств литых бетонных смесей и бетонов с комплексным использованием отходов

камнеобработки (с ведением микронаполнителя из габбро-диабаза)

Факторы Значения интервалов варьирования

-2 -1 0 1 2

Х| - объемная концентрация цементного камня вяжущего (С) 0,138 0,162 0,186 0,21 0,234

х2 - истинное водоцементное отношение (В/Цист) 0.205 0.21 0,215 0,22 0.225

х3 - доля отсева дробления гравия в смеси мелкого заполнителя (г) 0 0,05 0,1 0,15 0,2

Х4 - доля мелкого заполнителя в смеси заполнителей (г,) 0,39 0,42 0,45 0,48 0,51

Таблица 6

Факторы и уровни их варьирования для построения математической модели свойств литых бетонных смесей и бетонов с комплексным использованием отходов камнеобработки (с ведением известнякового микронаполнителя)

Факторы Значения интервалов варьирования

-2 -1 0 1 2

х, - объемная концентрация цементного камня (С) 0,133 0,156 0,179 0,202 0,255

х2 - истинное водоцементное отношение (В/Цист) 0,18 0,19 0,2 0.21 0.22

х3 - доля отсева дробления гравия в смеси мелкого заполнителя (г) 0 0,05 0,1 0,15 0,2

Х4 - доля мелкого заполнителя в смеси заполнителей Сг,) 0,39 0,42 0,45 0,48 0,51

В результате обработки экспериментальных данных были получены уравнения плотности (р, кг/м3) и подвижности (Р, см) бетонной смеси, плотности бетона (р£,кг/м3), прочности на сжатие в возрасте 28 суг (Лм, МПа) и 3 сут (Я,, МПа), прочности на изгиб (Лн, МПа), истираемости (Я, г/смг), водонепроницаемости (Вн), стоимости 1м3 бетона (Ц, руб):

-для многокомпонентных бетонов с введением микронаполнителя из габбро-диабаза, метакаолина и суперпластификатора С-3: р = 2 3 51,93 - 7,02 • л, - 2,04 • х2 -1,04 • х, - 4,80 • х4 + 0,01 ■ х2 + 0,03 • х; +

пп

+ 0,02 • х2, + 0,03 • х42 - 0,26 • х, • х2 + 0,04 • х, • х, + 0,19 • х, • х4 - 0,06 • х, • х4

Р = 56,57 + 6,76 • х, + 1,78 • х2 - 0,76 • х, - 2,23 • х4 -1,16 ■ х2 + 0,22 • х\ -

- 0,53 • х7г -1,03 • х2 -1,05 • х, ■ х2 - 0,67 • х, • х, + 0,70 • х, • х4 -1,08 • х2 • х, - (12) -0,70-х2 -х4 -1,33-х3 -х4

рБ = 2 342,86 + 6,83 • х, +1,42 • х2 + 1,17 • х, - 6,42 • х4 - 3,13 • х,2 - 7,01 • х\ -

- 2,01 • х\ -1,26 • х] - 2,88 • х, • х, -1,75 • х, ■ х, + 0,38 • х, - х4 - 0,50 • х, • х, - (13) + 0,88 ■ х2 х4-1,00-х,-х4

Я2!, = 39,46 + 4,28 ■ х, -1,21 • х2 - 0,45 • х, - 0,88 • х4 - 0,69 ■ х,! + 0,05 ■ х\ -

- 0,01 • х\ + 0,96 • х42 - 0,61 ■ х, • х2 - 0,79 • х, • х, - 0,58 • х, • х4 + 0,24 • х2 • х, + (14) + 0,53 • х2-х4-0,33-х,-х4

Я, = 15,04 + 2,48-х,-0,58-х2+0,19-х,-0,51-х4+0,17-х,2 +0,38-х2 + + 0,32 • х; + 0,52 • х42 + 0,03 • х, • х2 - 0,27 • х, • х, - 0,12 • х, • х4 + (15)

+ 0,11-х2-х,+0,21-х2-х4-0,13-х,-х4

Ра =4,11 + 0,28-х, -0,07• х2 -0,02-х, -0,05• х4 -0,06• х2 -0,01 ■ х\ -0,01 • х\ + + 0,04 • х; - 0,04 ■ х, • х2 - 0,05 - х, • х, - 0,05 • х, ■ х4 + 0,03 • х2 - х, + (16)

+ 0,02-х,-х4-0,01-х,-х4

И = 0,579 + 0,011-х, -0,008-х2 -0,010-х, -0,029-х4 +0,015-х2 -0,002-х2 -

- 0,002 - х2 + 0,002 • х2 + 0,010 • х, • х2 + 0,012 • х, ■ х, + 0,003 ■ х, ■ х4 - (17)

- 0,032 • х, • х, + 0,022 • х2 • х4 + 0,028 • х, ■ х4

Вн = 19,74 - 0,62 • х, + 0,42 • х2 + 0,57 • х, +1,61 • х4 - 0,85 ■ х,2 + 0,10 ■ х2 + + 0,12-х2-0,09-х2-0,53х,-х2-0,66-х,-х,-0,17-х,-х4 + 1,74-х,-х,- (18) -1,22 • х, ■ х4 -1,56 • х, ■ х4

(20)

Ц = 4085,62 + 342,13 • .г, - 21,44 • х2 + 5,31 ■ х, - 26,79 • х4 + 0,01 • х,2 + + 0,18-х2 +0,11-х; -2,19-х^-х2 -0,21-х, • х, +1,05-х, • х4 + 0,37-х, • х4

-для многокомпонентных бетонов с введением известнякового микронаполнителя, метакаолина и суперпластификатора С-3: р = 2 351,17-7,12• х, -4,03• х2 -1,03• х, -4,80■ х4 + 0,02• х\ + 0,08• х2 + + 0,02 • х\ + 0,04 • х2 - 0,52 • х, • х2 + 0,04 ■ х, • х, + 0,19 • х, • х4 - 0,06 • х, • х4

Р = 59,29 + 4,40 • х, +1,56 • х2 + 0,56 ■ х, - 0,98 • х4 + 0,40 • х,2 - 0,28 • xj + + 0,34-х,3 -0,03-х4 +1,22-х, -х2 -0,16-х, -х, -0,84-х, -х4 -1,09-х, -х, - (21)

- 0,78 • х2 • х4 + 0,59 • х, ■ х4

рБ= 2 306,14 -1,21 • х, - 2,29 • х2 +1,71 • х, - 8,38 - х4 +1,00 • х,2 - 5,63 - x¡ --1,25 • x¡ + 0,37 • х42 +1,19-х, • х2 + 2,31 -х, ■ х, + 4,56• х, • х4 + 2,81 • х2 ■ х, + (22) + 4,06 • х2 • х4 + 2,69 • X, - х4

R2s = 38,93 + 4,10-х, -1,48 • х2 - 0,75 • х, -1,14 • х4 - 0,56-х2 + 0,28-х2 + + 0,03 - х2 + 0,10 • х2 + 0,20 • х, • х2 -1,20 - х, - х, - 0,46 • х, • х4 + (23)

+ 0,64 ■ х2 - х, + 0,67 - х2 - х4 - 0,50 • х, ■ х4

R, = 14,34 + 2,35 • х, - 0,77 • х2 - 0,30 ■ х, - 0,71 - х4 - 0,06 • х; + 0,34 - х2 + + 0,54 - х2 + 0,55• х2 + 0,34 -х, • х2 + 0,19 • х, -х, - 0,14 • х, • х4 + (24)

+ 0,44 - х2 - х, + 0,24 - х2 • х4 + 0,06 - х, ■ х4

= 4,01 + 0,25 • х, - 0,10 • х2 - 0,02 - х, - 0,03 • х4 - 0,03 - х,2 + 0,02 • х2 + 0,01 • х2 + + 0,02 • х2 + 0,02 • х, - х2 - 0,07 • х, • х3 - 0,03 • х, - х4 + 0,06 • х2 ■ х, + (25)

+ 0,04-х2-Х4-0,04-Х,-Х4

Я = 0,591 + 0,013-х, -0,001-х, -0,004• х, -0,040• х4 + 0,015• х2 + 0,034• х2 + + 0,026 • х- + 0,014 • х42 - 0,025 - х, • х2 + 0,002 • х, ■ х, + 0,008 • х, • х4 + (26)

+ 0,010-х, -X, -0,012-х2 -х4 -0,010-х, -х4

Вн = 17,74 - 0,71 • х, + 0,04 ■ х2 + 0,24 • х, + 2,19 - х4 - 0,82 • X2 -1,85 • х2 --1,45 • x¡ - 0,75 • х2 +1,36 • х, - х2 - 0,11 • х, ■ х, - 0,45 - х, • х4 - (27)

- 0,53 - х2 • х, + 0,66 • х, • х4 + 0,57 ■ х, • х4

Ц = 4169,79 + 353,15 • х, - 43,73- х2 + 5,31 - х, - 26,77 • х4 + 0,01 ■ х] +

141 С28)

0,67-х\ + 0,11 ■ х2 - 5,69• х, • х2 -0,21-х, -х, + 1,06• х, • х4 + 0,37-х, -х4

Выполнена проверка значимости полученных коэффициентов и адекватности

математических уравнений. Построены экспериментально-расчетные модели в виде

изолиний, отображающих влияние концентрации цементного камня (С), истинного

водоцементного отношения (В/Цист), доли отсева дробления гравия в смеси мелкого заполнителя (г) и доли мелкого заполнителя в смеси заполнителей (г,).

Разработан алгоритм подбора (рис. 3) состава тяжелого бетона на местных заполнителях с использованием отходов камнеобработки и приведены примеры подбора состава для бетонов на многокомпонентном вяжущем с использованием отходов камнеобработки.

Установлено влияние введения ускорителя твердения (сульфата натрия) на прочностные характеристики бетона. Прирост прочности на 1 сутки достигает 43,7 %, на 3 сутки - 14,8%, на 7 сутки - 17,8%, начиная с 14 суток, прирост прочности не превышает 2%.

Определен экономический эффект от использования бетонов на местных материалах с использованием отходов камнеобработки. Снижение стоимости материала достигает 10%, без учета снижения стоимости работ за счет уменьшения трудозатрат.

Рис.3. Алгоритм подбора состава литого бетона

Общие выводы

1. Обосновано получение эффективных литых бетонов путем введения минерального микронаполнителя из отходов добычи и обработки природных каменных материалов (известняка и габбро-диабаза), метакаолина, сульфата натрия и суперпластификатора С-3 в состав бетонных смесей, что способствует улучшению структуры цементного камня за счет снижения объема гидроксида кальция и образования вторичных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, а также снижению капиллярных пор, что приводит к повышению плотности контактной зоны.

2. Разработана технология получения многокомпонентной смеси с использованием отходов камнеобработки для производства эффективных литых бетонных смесей.

3. Получены литые бетонные смеси с комплексным использованием отходов камнеобработки на местных заполнителях, обеспечивающих получение бетона класса В15 - В40 с водонепроницаемостью до W 22.

4. Установлено, что микронаполнитель из отходов габбро-диабаза и известняка способствует самоуплотнению и формированию более прочного каркаса многокомпонентных бетонов на основе литой смеси.

5. С помощью рентгенофазового анализа (РФА) установлены химико-минералогические составы цемента, габбро-диабазового и известнякового микронаполнителей, а также образование вторичных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция в результате взаимодействия Са(ОН)2 с метакаолином.

6. Определены структурно-технологические характеристики, объемная концентрация цементного камня и его В/Ц в многокомпонентных бетонных смесях с помощью ультразвукового метода.

7. Микроскопические исследования показали, что комплексное использование добавок позволяет получать бетоны с улучшенной структурой и более плотной контактной зоной между заполнителем и цементным камнем.

8. Установлены оптимальные соотношения цемента и добавок в многокомпонентной бетонной смеси:

- цемент + микронаполнитель, полученный при обработке габбро-диабаза + метакаолин + суперпластификатор С-3 в соотношении 1:0,06:0,09:0,009;

цемент + известняковый микронаполнитель + метакаолин и

суперпластификатор С-3 в соотношении 1:0,075:0,09:0,012.

9. Получены многофакторные математические модели прочности и подвижности мелкозернистых бетонов от объемной концентрации цементного камня, истинного водоцементного отношения, доли минерального микронаполнителя, метакаолина, суперпластификатора С-3.

10. Получены математические модели плотности и подвижности многокомпонентных бетонных смесей, плотности бетона, прочности на сжатие в возрасте 3 и 28 суток нормального твердения, прочности при изгибе, истираемости, класса бетона по водонепроницаемости и стоимости бетона в зависимости от структурных характеристик: объемной концентрации цементного камня С, истинного водоцементного отношения В/ЦИСт, доли отсева дробления гравия в смеси мелкого заполнителя г, доли мелкого заполнителя в смеси заполнителей Г/.

11. Разработаны «Рекомендации по определению состава литых бетонных смесей с использованием отходов камнеобработки для устройства бетонных полов».

12. Осуществлено внедрение результатов исследований при устройстве бетонных полов здания Костромской бумажной фабрики ООО «Восход» объемом 134 м3. Экономический эффект в ценах на 2 квартал 2013 года от внедрения результатов научных исследований составил 103,19 рублей на 1 м3 для класса бетона В22,5 за счет себестоимости бетона. Дополнительный эффект использования высокоподвижных смесей заключается в снижении затрат труда рабочих, так как уплотнение не требуется.

Содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Кузнецова Е.Ф., Соболев Г.М. Модификаторы для бетонов // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 60-й международной научно-практической конференции: в 3 т. - Кострома: КГСХА, 2009. - С. 68-70.

2. Соболев Г.М., Кузнецова Е.Ф. Добавки для бетонов // Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии. Выпуск 70. - Кострома: КГСХА,

2009.-С. 51-57.

3. Кузнецова Е.Ф. Высококачественные бетоны // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 61-й международной научно-практической конференции: в 3 т. - Кострома: КГСХА, 2010. - С. 28-30.

4. Кузнецова Е.Ф., Иванов Ф.В. Полифункциональные добавки-модификаторы для бетонов // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 61-й международной научно-практической конференции: в 3 т. -Кострома: КГСХА, 2010. - С. 30-32.

5. Соболев Г.М., Кузнецова Е.Ф. Основы технологии высококачественных бетонов // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 61-й международной научно-практической конференции: в 3 т. — Кострома: КГСХА,

2010.-С. 41-43.

6. Соболев Г.М., Кузнецова Е.Ф., Угольникова Т.В. Эффективные бетоны на основе модифицированных смешанных вяжущих // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 63-й международной научно-практической конференции: в 3 т. - Кострома: КГСХА, 2012. - С. 41-44.

7. Соболев Г.М., Кузнецова Е.Ф. Использование отходов камнеобработки в тяжелых бетонах // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 63-й международной научно-практической конференции: в 3 т. -Кострома: КГСХА, 2012. - С. 44-47.

8. Соболев Г.М., Кузнецова Е.Ф. Многокомпонентные вяжущие с использованием отходов камнеобработки // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: материалы 63-й международной научно-практической конференции: в 3 т. - Кострома: КГСХА, 2012. - С. 47-50.

9. Соболев Г.М., Кузнецова Е.Ф. Многокомпонентные вяжущие вещества в тяжелых бетонах // Труды Костромской государственной сельскохозяйственной

академии. Выпуск 76. - Кострома: КГСХА, 2012. - С. 26-34.

10. Кузнецова Е.Ф. Использование отходов камнеобработки в бетонах // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: Материалы V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. / Под общ. ред. Е.В. Королева-Пенза: ПГУАС,2010.-С. 145-148.

11. Кузнецова Е.Ф. Рациональное использование местных материалов и отходов камнеобработки для получения эффективных бетонов // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: Материалы VII Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. / Под общ. ред. Е.В. Королева-Пенза: ПГУАС, 2012.-С. 99-103.

В том числе публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:

12. Кузнецова Е.Ф., Алимов Л.А., Воронин В.В., Соболев Г.М., Григорьев М.А. Оптимизация и прогнозирование свойств литых бетонов с использованием отходов камнеобработки // Научно-технический вестник Поволжья. №6 2013 г. -Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2013. - С. 347-349.

13. Кузнецова Е. Ф., Соболев Г. М„ Соболев К. Г. Получение эффективных литых бетонных смесей и бетонов на основе наноматериалов и отходов камнеобработки // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. №2 2014 г. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2014. - С. 7-10.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Костромская государственная сельскохозяйственная академия»

04201460989

На правах рукописи

Кузнецова Екатерина Фёдоровна

ЭФФЕКТИВНЫЕ ЛИТЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ

КАМНЕОБРАБОТКИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Соболев Г.М.

Кострома 2014г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

Глава 1. Опыт применения и концепция литых бетонных смесей и бетонов с использованием отходов камнеобработки...............................................8

Глава 2. Материалы и методы исследования.............................................22

2.1. Характеристика материалов.......................................................................22

2.2. Методики исследований.............................................................................38

Глава 3. Разработка составов и исследование растворов.

Многокомпонентные мелкозернистые бетонные смеси........................................49

3.1. Теоретическое обоснование улучшения физико-механических свойств бетонов с использованием отходов камнеобработки..................................................49

3.2. Исследование свойств литых многокомпонентных мелкозернистых бетонов с введением добавок из отходов камнеобработки.........................................50

3.3. Исследование влияния добавок на процессы структурообразования ...56

3.4. Разработка составов многокомпонентных мелкозернистых бетонов с введением добавок—микронаполнителей из отходов камнеобработки......................70

3.5. Исследования микроструктуры цементного камня с введением минеральных добавок на основе отходов камнеобработки........................................78

Глава 4. Исследование свойств литых бетонных смесей с использованием отходов камнеобработки...............................................................82

4.1. Принципы определения состава смешанного вяжущего с использованием отходов камнеобработки....................................................................82

4.2. Литые бетонные смеси с введением микронаполнителя из габбро-диабаза, метакаолина и суперпластификатора С-3 на местных заполнителях с использованием отходов дробления гравия.................................................................87

4.3. Литые бетонные смеси с введением известнякового микронаполнителя, метакаолина и суперпластификатора С-3 на местных заполнителях с использованием отходов дробления гравия.................................................................91

Глава 5. Исследование свойств бетонов с использованием отходов камнеобработки.............................................................................................................96

5.1. Критерии оптимизации математических моделей свойств литых бетонов..............................................................................................................................96

5.2. Исследование свойств эффективных литых бетонов с введением микронаполнителя из габбро-диабаза, метакаолина и суперпластификатора С-3 на местных заполнителях и отсеве дробления гравия......................................................97

5.3. Исследование свойств эффективных литых бетонов с введением известнякового микронаполнителя, метакаолина и суперпластификатора С-3 на местных заполнителях и отсеве дробления гравия....................................................101

5.4. Исследование влияния введения ускорителя твердения на набор прочности бетона...........................................................................................................105

5.5.Методика определения состава литого бетона с использованием отходов камнеобработки.............................................................................................................107

Глава 6. Опытно-промышленное внедрение результатов исследований .........................................................................................................................................118

6.1. Опытно-промышленные испытания и внедрение технологии литых бетонов на основе смешанных вяжущих с использованием отходов камнеобработки .........................................................................................................................................118

6.2. Технико-экономическая эффективность бетонов на основе многокомпонентных вяжущих.....................................................................................123

Общие выводы................................................................................................131

Литература.......................................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность.

В отечественной и зарубежной практике широко исследованы вопросы утилизации таких техногенных отходов как золы, шлаки, отработанные формовочные смеси литейного производства, микрокремнезем и другие. Однако применение местного сырья из отходов добычи и обработки камня сдерживается в связи с отсутствием научно-обоснованных зависимостей и рекомендаций.

Решение задачи получения эффективных литых бетонов на основе местных заполнителей и отходов камнеобработки возможно за счет их комплексного использования в виде заполнителей и микронаполнителей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является получение эффективных литых бетонов за счет комплексного использования отходов камнеобработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - обосновать возможность повышения эффективности литых бетонов путем комплексного использования отходов камнедробления;

разработать составы многокомпонентных бетонных смесей с использованием отходов камнеобработки в качестве микронаполнителей;

исследовать влияние добавок на структуру и свойства цементного

камня;

установить закономерности изменения свойств мелкозернистых многокомпонентных бетонных смесей и бетонов с использованием отходов камнеобработки;

обосновать возможность и целесообразность применения в литых бетонных смесях отсевов дробления гравия;

изучить гранулометрический состав отсевов и установить рекомендуемый зерновой состав мелкого заполнителя для литого бетона;

исследовать влияние многокомпонентной смеси с использованием минеральной добавки на основе отходов камнеобработки и гранулометрического

состава заполнителей на свойства литых бетонных смесей и бетонов и установить закономерности изменения свойств;

осуществить внедрение разработанных литых бетонов с использованием отходов камнеобработки с оценкой их технико-экономической эффективности.

Научная новизна.

Обосновано получение эффективных литых бетонов путем введения минерального микронаполнителя из отходов добычи и обработки природных каменных материалов (известняка и габбро-диабаза), метакаолина, сульфата натрия и суперпластификатора С-3 в состав бетонных смесей, что способствует улучшению структуры цементного камня за счет снижения объема гидроксида кальция и образования вторичных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, а также снижению капиллярных пор, что приводит к повышению плотности контактной зоны.

Установлено, что микронаполнитель из отходов габбро-диабаза и известняка способствует самоуплотнению и формированию более прочного каркаса многокомпонентных бетонов на основе литой смеси.

С помощью рентгенофазового анализа (РФА) установлены химико-минералогические составы цемента, габбро-диабазового и известнякового микронаполнителей, а также образование вторичных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция в результате взаимодействия Са(ОН)2 с метакаолином.

Определены структурно-технологические характеристики, объемная концентрация цементного камня и его В/Ц в многокомпонентных бетонных смесях с помощью ультразвукового метода.

Микроскопические исследования показали, что комплексное использование добавок позволяет получать бетоны с улучшенной структурой и более плотной контактной зоной между заполнителем и цементным камнем.

Получены многофакторные математические модели прочности и подвижности мелкозернистых бетонов от объемной концентрации цементного камня, истинного водоцементного отношения, доли минерального микронаполнителя, метакаолина, суперпластификатора С-3.

Получены математические модели плотности и подвижности многокомпонентных бетонных смесей, плотности бетона, прочности на сжатие в возрасте 3 и 28 суток нормального твердения, прочности при изгибе, истираемости, класса бетона по водонепроницаемости и стоимости бетона в зависимости от структурных характеристик: объемной концентрации цементного камня С, истинного водоцементного отношения В/ЦИСт, доли отсева дробления гравия в смеси мелкого заполнителя г, доли мелкого заполнителя в смеси заполнителей г¡.

Практическое значение.

Разработана технология получения многокомпонентной смеси с использованием отходов камнеобработки для производства эффективных литых бетонных смесей.

Установлены оптимальные соотношения цемента и добавок в многокомпонентной бетонной смеси:

- цемент + микронаполнитель, полученный при обработке габбро-диабаза + метакаолин + суперпластификатор С-3 в соотношении 1:0,06:0,09:0,009;

цемент + известняковый микронаполнитель + метакаолин и суперпластификатор С-3 в соотношении 1:0,075:0,09:0,012.

Получены литые бетонные смеси с комплексным использованием отходов камнеобработки на местных заполнителях, обеспечивающих получение бетона класса В15 - В40 с водонепроницаемостью до W 22.

Разработаны «Рекомендации по определению состава литых бетонных смесей с использованием отходов камнеобработки для устройства бетонных полов».

Внедрение результатов исследования. Осуществлено внедрение результатов исследований на объекте предприятия ООО «Высоковский бетон» (г. Кострома) при выполнении бетонных полов здания Костромской бумажной фабрики ООО «Восход» объемом 134 mj.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях по проблемам науки в агропромышленном комплексе в ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА в 2009-2012

годах, на V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 2010 году и на VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» в 2012 году.

Основное содержание работы опубликовано в 13 статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 149 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 59 таблиц.

На защиту диссертации выносятся:

- обоснование введения в многокомпонентную бетонную смесь добавок микронаполнителей из отходов камнеобработки (известняка и габбро-диабаза), метакаолина и суперпластификатора С-3;

- обоснование регулирования гранулометрического состава заполнителей бетонной смеси введением отсева дробления гравия;

- математические модели прочности мелкозернистых бетонов и подвижности бетонных смесей в зависимости от вида и количества введенных добавок, а также значений концентрации цементного камня и истинного водоцементного отношения;

- составы разработанных многокомпонентных смесей с добавками из отходов камнеобработки, позволяющие получать нерасслаиваемые литые бетонные смеси с улучшенной структурой цементного камня;

- математические модели плотности бетонной смеси и подвижности бетонных смесей, плотности бетона, прочности на сжатие в возрасте 3 и 28 суток нормального твердения, прочности при изгибе, истираемости, класса бетона по водонепроницаемости и стоимости бетона в зависимости от структурных характеристик: объемной концентрации цементного камня С, истинного водоцементного отношения В/ЦИСт, доли отсева дробления гравия в смеси мелкого заполнителя г, доли мелкого заполнителя в смеси заполнителей г/;

- результат опытно-промышленной апробации.

Глава 1. Опыт применения и концепция литых бетонных смесей и бетонов с использованием отходов камнеобработки

С появлением суперпластификаторов началось широкомасштабное применение бетонных смесей высокой подвижности для выполнения монолитных конструкций зданий и сооружений. Такие бетонные смеси позволяют получать осадку конуса более 20 см, обладают способностью к самовыравниванию и характеризуются отсутствием расслоения на фракции. Бетоны с подобными свойствами называют литыми, самоуплотняющимися, текучими. [43]

Литые бетонные смеси - это смеси, стандартная осадка конуса у которых превышает 20 см, что по ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные» соответствует марке по осадке конуса П5. В этом же документе вводится маркировка удобоукладываемости по расплыву конуса для более точной характеристики подвижности бетонной смеси.

В конце 1970-х и начале 1980-х годов начались работы немецких, итальянских и японских исследователей по получению высокоподвижных бетонных смесей способных равномерно распределяться по всей конструкции и уплотнятся под действием собственного веса, которые планировалось применять в труднодоступных и густоармированных конструкциях. [92]

В 2002 ЕРКАЯС, опубликовал свои "Требования и рекомендации для Самоуплотняющихся бетонов". С тех пор было опубликовано много научных работ. [100]

Самоуплотняющийся бетон (СУБ) - это смесь, которая может течь и уплотнятся под действием собственного веса, полностью заполнять опалубку даже в присутствии большого количества арматуры, сохраняя при этом однородность и не требующая дополнительного уплотнения. [51, 59, 100]

Европейские правила предусматривают три класса самоуплотняющихся бетонов по удобоукладываемости:

- БП с диаметром расплыва 550-650 мм;

- 8Р2 с диаметром расплыва 660-750 мм;

- 8РЗ с диаметром расплыва 760-850 мм. [40]

В соответствии с европейскими стандартами в ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные» также была введена классификация подвижности по расплыву конуса. По данному стандарту смеси разделяются на 6 марок в зависимости от диаметра расплыва (Р1-Р6). Марки Р5 (расплыв конуса 56-62 см) и Р6 (расплыв более 62 см) являются аналогами классов 1 и БР2, однако ГОСТ не указывает на отношение бетонных смесей данных марок к самоуплотняющимся.

Область применения СУБ значительна, так как позволяет снизить материалоемкость конструкций при сохранении их несущей способности. Кроме того, самоуплотняющиеся бетоны позволяют выполнять конструкции сложной конфигурации при значительной экономии трудовых ресурсов, так как они не требуют уплотнения. [58].

Кроме песка, крупного заполнителя (максимальным размер 19-25 мм), и обычного или смешанного портландцемента при приготовлении самоуплотняющихся бетонных смесей вводят добавки суперпластификаторы, модификаторы и минеральные добавки - микронаполнители.

В зависимости от подхода все СУБ можно разделить на две категории:

- бетоны с высоким содержанием смешанного вяжущего (более 400 кг/м'5 цемента + зола-унос + пылевидный шлак)

- бетоны с добавками-модификаторами, такими как микрокремнезем и ультратонкий аморфный кремнезем.

Бетоны второй категории не требую высокого содержания вяжущего. [92].

Таким образом, самоуплотняющиеся бетонные смеси можно выделить в отдельную категорию литых бетонов, за счет большего количества требований, предъявляемых к ним.

Литые и самоуплотняющиеся бетонные смеси характеризуются высоким В/Ц, что может привести к расслоению. Поэтому при проектировании составов бетона выполняется ряд мероприятий:

- применяют цементы с повышенной водопотребностью;

- применяют супер- или гиперпластификаторы, позволяющие снизить В/Ц;

- вводят микронаполнители, обладающие высокой водопотребностью;

- регулируют гранулометрический состав заполнителей. [2]

Увеличить водопотребность цемента можно за счет роста его удельной поверхности. Что происходит при механохимической активации гидравлического вяжущего, то есть при домоле цемента, который производят с целью повышения его активности (марки). [16, 38] Высокомарочные цементы чаще всего используют в бетонах классом по прочности В60 и более, однако при возведении монолитных зданий этажностью менее 10 этажей применять бетоны высокой прочности не рационально (класс бетона обычно не превышает В35). Поэтому данное направление снижения вероятности расслоения бетонной смеси признается неэффективным, так как ведет к значительному увеличению стоимости вяжущего.

Суперпластификаторы и гиперпластификаторы занимают особое место в модификации бетонных смесей и растворов. Они позволяют значительно увеличить подвижность бетонных смесей при сохранении исходного соотношения материалов и В/Ц. [23, 55] С другой стороны применение пластификаторов позволяет снизить В/Ц при сохранении подвижности бетонной смеси, что приводит к росту прочности и долговечности конструкций.

Механизм действия пластификаторов заключается в создании структурированной пленки при адсорбции на поверхности твердых частиц, что приводит к снижению трения, сглаживанию микрорельефа частиц, а в ряде случае�