автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Эффективные мелкозернистые бетоны с использованием модифицированных отходов хризотилцементного производства

005009338

На правах рукописи У

МЕЖОВ Александр Григорьевич

ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕЖОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОТХОДОВ ХРИЗОТИЛЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.23,05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ОЕО Ш

Москва 2012

005009338

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»)

Научный руководитель

- кандидат технических наук, профессор Попов Кирилл Николаевич

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Соловьев Виталий Николаевич

- кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

Бессонов Игорь Вячеславович

Ведущая организация

- Государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт Московского строительства»

Защита состоится «1\ » 02. 2012 года в Щ'

часов на

заседании диссертационного совета Д.212.138.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, ауд<с4ЧАУС

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « 2 О » Ученый секретарь диссертационного совета

2012 года

Алимов Л.А.

Введение

Актуальность работы

Одним из путей повышения эффективности мелкозернистых бетонов является использование техногенных отходов.

При производстве хризотилцементных изделий отходы составляют до 10 % от массы выпускаемой продукции. Полное использование таких отходов затруднено ввиду их неоднородности и низкой химической активности.

Решение проблемы повышения эффективности мелкозернистых бетонов связано с возможностью применения в качестве органоминеральной добавки отходов хризотилцементного производства, подвергнутых механохимической активации.

Работа выполнена в соответствии с НИР МГСУ в рамках локального проекта НИУСА МГСУ за 2010 - 2011г. «Формирование научно -образовательного направления по разработке новых высокоэффективных конструкционных, изоляционных и отделочных строительных материалов и технологий для гражданского, промышленного и специального строительства».

Цель и задачи работы

Основная цель диссертации - разработка эффективных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированных отходов хризотилцементного производства.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность повышения эффективности мелкозернистых бетонов за счет использования отходов хризотилцементного производства;

- разработать технологию получения органоминеральной добавки на основе отходов хризотилцементного производства;

- установить закономерность изменения структуры и свойств мелкозернистых бетонов от главных факторов;

- провести опытно-производственное опробование результатов исследования.

Научная новизна

- обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования отходов хризотилцементного производства в виде органоминеральной добавки, обеспечивающей повышение однородности, понижение капиллярной пористости и получение мелкокристаллических новообразований низко- и высокоосновных гидросиликатов, влияющих на прочностные показатели мелкозернистого бетона;

- установлена зависимость величины удельной поверхности органоминеральной добавки от длительности механохимической активации и наличия ПАВ;

- с помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что механохимическая активация отходов хризотилцементного производства в присутствии ПАВ способствует интенсивному взаимодействию их с гидратными образованиями цемента с возникновением низко- и высокоосновных гидросиликатов;

- с помощью метода математического планирования эксперимента были получены многофакторные квадратичные зависимости

водопотребности и прочности мелкозернистых бетонов от удельной поверхности, состава и содержания органоминеральной добавки;

- установлено, влияние органоминеральной добавки на кинетику набора прочности мелкозернистого бетона;

Практическая значимость

- разработана технология производства органоминеральной добавки с помощью механохимической активации отходоб хризотилцементного производства совместно с суперпластификатором С-3;

- разработана технология получения эффективных мелкозернистых бетонов с органоминеральной добавкой на основе отходов хризотилцементного производства;

- получены мелкозернистые бетоны с прочностью при сжатии 45,2 МГГа, при растяжении 5,8 МПа и морозостойкостью Р 200.

Внедрение результатов исследований

Опытно-производственное опробование разработанных рекомендаций было проведено на заводе ООО «Зацарицынское» г. Волгоград. Выпущена опытная партия тротуарных плит из мелкозернистого бетона с органоминеральной добавкой в объеме 50 м3.

Апробация работы

Результаты, полученные в диссертации, были доложены и обсуждены: на научно-практических конференциях в Московском государственном строительном университете: «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в 2008 и 2011 годах, на специализированной выставке

Отечественные строительные материалы на семинаре «Энергоэффекгивные технологии в строительстве», 2010 г., на Международной научной конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ, «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», 2011 г.

На защиту выносятся:

- обоснование возможности создания эффективных мелкозернистых бетонов путем введения в их состав механохимически активированных отходов хризотилцементного производства;

- технология получения органоминеральной добавки на основе отходов хризотилцементного производства;

- многофакторные зависимости, необходимые для оптимизации составов мелкозернистых бетонов;

- закономерности изменения основных свойств мелкозернистых бетонов от главных факторов;

- результаты опытно-производственного опробования.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 114 наименований и 3 приложения. Работа изложена на 125 листах машинописного текста и содержит 25 рисунков и 27 таблиц.

Содержание работы

Мелкозернистые бетоны ввиду отсутствия в их составе крупного заполнителя обладают более однородной структурой, чем бетоны с

крупным и мелким заполнителем. Однако наличие в составе бетона только мелкой фракции заполнителя обусловливает ряд недостатков, таких как увеличение удельной поверхность заполнителя и его пустотность. Чтобы получить равноподвижную смесь по сравнению с бетоном на крупном заполнителе, требуется на 15...25% увеличить количество воды, что приводит к росту усадочных деформации и проявлению внутренних напряжений в процессе твердения бетона, кроме того, повышенное содержание воды приводит к увеличению капиллярной пористости бетона, что существенно снижает его морозостойкость.

Для повышения эффективности мелкозернистых бетонов существует несколько способов: введение в состав бетонной смеси комплексных добавок, совершенствование способов формования изделий, использование модифицированных техногенных отходов и т.п.

Ежегодно, по данным НО «Хризотиловая ассоциация», в России производится около 1 260 тыс. тонн хризотилцементных изделий. Примерное суммарное количество отходов, образующихся на хризотилцементных предприятиях, составляет 8 - 10 % от массы выпускаемой продукции, т.е. около 100 - 126 тыс. тонн в год.

В состав сырья для получения хризотилцементных изделий входят цемент в количестве 80...85 % и хризотил 15...20 % по массе.

Как показали исследования, состав, структура и свойства хризотилцементных отходов существенно зависят от способа их образования, можно выделить два типа: сухие или влажные. К сухим отходам относится некондиционная продукция, стружка от обточки труб, обрезки изделий и т.п. Вследствие этого в них присутствуют негидратированные клинкерные минералы, а их структура и свойства отличаются более постоянным составом, чем у влажных отходов, образующихся в отстойниках и представляющих собой осадок сточных вод.

Эффективные мелкозернистые бетоны могут быть получены за счет использования отходов хризотилцементного производства в виде органоминеральной добавки (ОМД), позволяющей модифицировать мелкозернистые бетоны и сокращать расхода цемента.

Для подтверждения высказанных положений необходимо установление обобщенных зависимостей формирования структуры и свойств мелкозернистых бетонных смесей с применением механохимически активированных отходов хризотилцементного производства.

Исследования проводились на следующих материалах.

Портландцемент Евроцемент ЗАО «Белгородский цементный завод» марки ЦЕМ I 42,5 Н, с нормальной густотой 25,25%. Характеристики используемого цемента приведены в табл. 1; 2; 3.

Таблица 1

Характеристики используемого цемента

Цемент Активность, МПа Сроки схватывания, мин Удельная поверхность, м2/кг Нормальная густота, %

начало конец

Белгородский 47,4 140 205 335 25,25

Таблица 2

Химический состав клинкера

Цемент Содержание оксидов, % ППП

ЭЮг СаО А1203 РегОз N^0 БОз я2о

Белгородский 21,6 66,7 5,34 4,27 0,7 0,15 0,6 0,64

Минералогический состав клинкера

Цемент Содержание основных минералов, %

Сзв С28 С3А с4ар

Белгородский 62,6 14,9 6,9 13,0

Пески кварцевые с модулем крупности М,ф=2,5.

В качестве добавки был использован суперпластификатор С-3 (СП С-3), соответствующий ТУ 5870-005-58042865-2005, произведенный п/о «Полипласт».

Прочность на изгиб и сжатие определялась по ГОСТ 310.4-81 на образцах размером 40x40x160 мм.

Прочность бетона на сжатие определялась по ГОСТ 10180 - 90 на образцах размером 70,7x70,7x70,7 мм.

Исследование образцов вели методами РФА, ДТА, электронной микроскопии и лазерного анализа размеров частиц.

В работе использовались отходы с комбината ОАО «Красный строитель» МО, г. Воскресенск.

С целью обоснования выбора типа отходов для применения в мелкозернистых бетонах с помощью методов РФА, ДГА, электронной микроскопии был проведен анализ. На рис. 1 представлена рентгенограмма сухих отходов.

Sanple X!>: Obr4 03, San©le пщвв: Po«ov, Trass 23.0*C Date: 03/16/10 16:47 Steg : 0.Ö40" Integration Time: 0.960 eeo Range: 4.000 - 80.000» Cont. Scan Bates 2.500 [VaiJt]

tfert. Scale Unit: [C?S] Horz. Scale Unit: [deg]

•-г-

8 я я сч * °!esi ?, « ow » w ,1 ®S _ * « ?

^ n « ■« ^.o ц -j « и п « q „« «p ^ j^jjj

Рис. 1. Рентгенограмма сухих отходов.

С помощью рентгенофазового анализа, рис. 1, зафиксированы следующие соединения: кальцит - СаСОз с <1 = [3,86; 3,038; 2,49; 2,28...]*10А, эттрингит с сЗ = [9,73; 4,98; 3,88...]*10А, ватерит - ц-форма СаСОз с а = [3,56; 3,29; 2,03...]* 10А, хризотил с <1 = [7,38; 3,66; 2,48; 1,53]*10А; минералы портландцементного клинкера с <1 = [2,77; 2,65; ...1,766; ]*10А.

Анализ рентгенограммы показал, что степень гидратации сухих отходов составляет 70-75 %. Т.о. с помощью механохимической активации может быть повышена гидравлическая активность отходов.

Для выявления оптимального режима механохимической активации были проведены исследования влияния времени помола и наличия ПАВ на величину удельной поверхности помола.

В шаровой мельнице при соотношении массы материала к массе мелющих тел 1:10, помол производился в течение 160 минут, каждые 20 минут на приборе Блейн проводилось измерение полученной удельной поверхности. Помол производился в двух вариантах: отход без С-3 и отход

совместно с порошком С-3. По результатам помола были получены экспериментальные зависимости изменения удельной поверхности от времени помола и наличия ПАВ рис.2.

После установления режима помола, были изготовлены образцы, табл. 4, для определения оптимального способа введения С-3.

Анализ полученных данных показывает, что способ введения пластификатора оказывает существенное влияние на водопотребность смесей табл.4. Замена 10% цемента на молотые отходы приводит к увеличению водопотребности смеси, что обусловлено повышенной удельной поверхностью помола. Составы № 3 и 4 отличаются способом введения пластификатора, в первом случае водопотребность по сравнению с № 2 снижается, но остается выше состава № 1 - контрольного. При этом состав № 4 имеет наименьшую водопотребность, а также наибольшую активность в возрасте 28 суток, среди всех представленных.

Рис.2. Зависимость изменения удельной поверхности от времени помола и наличия ПАВ. 1 - помол совместно с С-3; 2 - помол без С-3.

Экспериментальные составы

№ Расход материалов, кг/м3 В/Ц Способ введения С-3 Изгиб Сжатие

ц П О В С-3 ^нзг, МПа МПа

1 514 1542 - 247 - 0,48 без С-3 5,0 38,6

2 450 1500 50 270 - 0,54 без С-3 4,4 30,8

3 456 1521 51 259 3,54 0,51 с водой затворения 4,8 33,8

4 475 1584 53 197 3,68 0,43 совместный помол с отходами 4,9 42,8

Все образцы изготовлены с одинаковой подвижностью 106 -115 мм.

Ц - цемент; П - песок; О - отходы; В - вода.

Это свидетельствует о том, что свойства мелкозернистых бетонных смесей с ОМД зависят главным образом от трех факторов: от удельной поверхности, состава и количества ОМД в бетонной смеси. Также установлено, что совместный сухой помол отходов совместно с С-3 является оптимальным для получения ОМД.

Для оптимизации состава ОМД был использован метод математического планирования эксперимента. В качестве факторов варьирования были выбраны: удельная поверхность, состав и количество ОМД в составе смешанного вяжущего. Уровни варьирования факторов представлены в табл. 5.

Факторы и уровни их варьирования

№ п/п Факторы Уровни варьирования факторов Интервал варьирования

В натуральном значении В кодовом значении + 0 -

1 Удельная поверхность, Б XI 600 500 400 100

2 Добавка С-3, Д Х2 1.2 0.7 0.2 0.5

3 Наполнитель, Н ХЗ 0.20 0.15 0.10 0.05

В результате обработки экспериментальных данных были получены трехфакторные квадратичные зависимости в кодовом и натуральном значении переменных: водопотребности (В) и прочности (Я) мелкозернистого бетона, содержащего ОМД:

- зависимость водопотребности:

В = 197 + 6.5Х, - 5.2Х2- 3.4Х3 + 5.2Х!2 - 7.4Х22 + ЗХ32 - 1.5X1 Х2 -1.5Х,Хз + 0.5Х2Хз

- зависимость прочности:

= 45.4 + 1.6X1 + О.86Х2- 1.24Х3 - 3.5Х,2 - 1.3Х22 - 4.6 Х32 - 0.35Х, Х2+ 1.3Х1Хз + 0.43Х2Хз

Анализ уравнений показывает, что водопотребность цементных паст повышается с увеличением содержания ОМД и ее удельной поверхности, а прочность зависит не столько от удельной поверхности ОМД, сколько от ее содержания в составе смешанного вяжущего.

Оптимизированный состав ОМД представлен в табл. 6.

Оптимизированный состав ОМД

Состав ОМД в % по массе удельная поверхность, м2/кг Истинная плотность, г/см3 Насыпная плотность, г/см3

отходы С-3

95 5 550 2,34 0,63

Свойства мелкозернистых бетонов зависят также и от гранулометрического состава ОМД. Для исследования влияния этого фактора на лазерном анализаторе размеров частиц были получены гранулометрические составы двух порошков - молотые отходы и молотые отходы совместно с порошком С-3 (ОМД) рис.3 и 4. Гранулометрические составы представлены в табл. 7. Также представлен гранулометрический состав применяемого цемента.

Таблица 7

Гранулометрические составы

Массовая доля частиц размеров, мкм, %

<1 <5 <10 <50 <100 <200 >200

цемент 10,93 35,07 19,30 35,72 0 0 0

отходы 4,71 19,20 12,30 42,03 11,46 6,99 3,4

отходы + С-3 (ОМД) 6,34 22,09 12,50 44,06 13,42 2,6 0

Рис.3 Гистограмма и интегральная кривая помолотых отходов без С-3.

Рис.4 Гистограмма и интегральная кривая помолотых отходов с С-3 (ОМД).

По полученным гранулометрическим составам отмечено, что при помоле с С-3 частиц в интервале 0,5 - 10 мкм образуется на 8 - 10 % больше, а частиц > 100 мкм на 7 - 9 % меньше, чем при помоле без С-3.

Как показали исследования, механохимическая активация позволила увеличить реакционную способность отходов, при помоле в присутствии С-3. В процессе помола волокна хризотила делятся по плоскостям спайности, распушаясь на еще более тонкие рис 5.6. Увеличение удельной поверхности волокон приводит к увеличению степени дисперсного армирования материала, что положительно сказывается на прочности при изгибе табл.4.

а) —НИМММ б)

Рис.5 Микрофотографии а) отходы до помола; б) ОМД.

В табл. 8 представлены прочностные показатели контрольного и оптимизированного составов мелкозернистого бетона.

Таблица 8

Прочностные показатели мелкозернистого бетона

№ Расход материалов Добавка ^•ИЗГ, Исж,

Ц П В количество, % количество, кг МПа МПа

1 514 1542 247 . 5,0 39,6

2 446 1575 231 15 79 5,8 45,2

Для исследования влияния ОМД на структуру мелкозернистого бетона был проведен сравнительный рентгенографический анализ, рис. 6 и 7, затвердевших составов из табл. 8.

10 и 1« « 18

Рис. 6. Рентгенограмма затвердевшего образца № 1 из табл. 8.

В -

'У я

• *; 1-1 I » М I ||.

| * 4 $ /тда

f Щ 11г Г 'Г 1« Л | Г

Рис. 7. Рентгенограмма затвердевшего образца № 2 из табл. 8.

С помощью рентгенофазового анализа, рис. 6 и 7, зафиксированы следующие соединения: кальцит - СаСОз с (1 = [3,86; 3,038; 2,49; 2,28; 1,876; 1,52...]*10А, эттрингит с й = [9,73; 4,98; 3,88...]*10А, хризотил с с! = [7,29; 3,66; 2,48; 1,53]* 10А (присутствует только в образце № 2, рис. 7); портландцемент негидратированный с с! = [2,77; 2,65; ...1,766; ]*10А, СБН (В) с й »[3,07; 2,80; 1,83]*10А, С3АН6 сё = [5,14; 2,82; 2,44; 2,30; 1,71]*10А.

Рентгенофазовый анализ образцов показал повышенное содержание СаСОз у образца № 2 на 8 - 10 % и СБН на 5 - 7 %. Также отмечается пониженное на 25 - 30 % содержание СзАНб, повышенное содержание которого в составе бетона негативно сказывается на его морозостойкости.

Представляет интерес исследование кинетики набора прочности в зависимости от содержания ОМД в составе мелкозернистого бетона. Для исследования этого были изготовлены образцы составов из табл. 8 для испытания в разные сроки твердения. По полученным данным была построена экспериментальная кривая рис.8.

Экспериментальный кривая показывает, что в ранние сроки твердения (до 7 суток), наличие ОМД в составе мелкозернистого бетона замедляет набор прочности, но в более поздние сроки состав с ОМД активнее набирает прочность. Это обусловлено различием в гранулометрических составах цемента и ОМД табл.7.

Известно, что частицы размером 0-5 мкм оказывают решающее влияние на рост прочности в первые часы твердения, от частиц этого размера зависят сроки начала схватывания. Частицы размером 5-10 мкм влияют на прочность в 3 - 7 суток, а фракции >10 мкм определяют прочность в более поздние сроки твердения.

Рис.8. График набора прочности образцов: 1 - контрольного, 2-е ОМД.

Также по стандартным методикам были испытаны пористость, водопоглощение и истираемость составов из табл.8. Результаты приведены в табл. 9.

Таблица 9

Показатели водопоглощения, пористости и истираемости

№ Составы wm,% Общая пористость, % Истираемость, г/см2

1 котрольный 3,69 7,7 18,1 0,57

2 с ОМД 2,7 5,6 16,8 0,56

Морозостойкость определяли по ГОСТ 10060.2 - 95 «Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при многовариантном замораживании и оттаивании» по базовому методу № 2, как наиболее близкому к условиям работы этих бетонных элементов и конструкций. Морозостойкость составов из табл. 7 соответствует марке Б 200.

На основании исследований был разработан Технологический регламент на приготовление и применение добавки на основе отходов хризотилцементного производства, включающий следующие операции: складирование исходных компонентов, сушку, помол, подачу ОМД в бункер готовой продукции.

Опытно-производственное опробование и технико-экологическая оценка показали, что использование отходов хризотилцементного производства позволяет расширить сырьевую базу для производства мелкозернистых бетонов и способствовать решению экологической проблемы.

Основные выводы

1. Обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования отходов хризотилцементного производства в виде органоминеральной добавки, обеспечивающей повышение однородности, понижение капиллярной пористости и получение мелкокристаллических новообразований низко- и высокоосновных гидросиликатов, влияющих на прочностные показатели мелкозернистого бетона.

2. Разработана технология получения органоминеральной добавки на основе отходов хризотилцементного производства.

3. Установлена зависимость величины удельной поверхности органоминеральной добавки от длительности механохимической активации и наличия ПАВ.

4. С помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что механохимическая активация отходов хризотилцементного производства в присутствии ПАВ способствует

интенсивному взаимодействию их с гидратными новообразованиями цемента с возникновением низко- и высокоосновных гидросиликатов.

5. С помощью метода математического планирования эксперимента были получены многофакторные квадратичные зависимости водопотребности и прочности мелкозернистых бетонов от удельной поверхности, состава и содержания органомннеральной добавки.

6. Установлено влияние органомннеральной добавки на кинетику набора прочности мелкозернистого бетона.

7. Разработаны составы мелкозернистого бетона с прочностью при сжатии 45,2 МПа, при растяжении 5,8 МПа и морозостойкостью Б 200.

8. Проведено опытно-промышленное опробование на заводе ООО «Зацарицынское» г. Волгоград, для производства бетонных тротуарных плит в объеме 50 м3.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Попов К.Н., Межов А.Г. Проблема утилизации асбестоцементных изделий // Сб. трудов научных чтений, посвященных памяти Горчакова Г.И. и 75-летию с момента основания кафедры «Строительные материалы» МГСУ, 2009г., с. 207 - 209.

2. Козлов В.В., Попов К.Н., Межов А.Г., Лиляк А.И. Пути использования отходов хризотилцементного производства // Вестник МГСУ 1/2011 т.2. с. 284-287.

3. Ореппшн ДВ., Попов К.Н., Лиляк А. И., Межов А.Г. Утилизация асбестоцементных отходов в строительстве // Вестник МГСУ 1/2011 т.2. с. 296-298.

4. Попов К.Н., Межов А.Г. Органоминеральная добавка на основе отходов хризотилцементного производства // Сб. трудов. Международная межвузовская научно-практическая конференция

молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» 2011 г., с. 217 - 219.

5. Нейман С.М., Попов К.Н., Межов А.Г. Исследование свойств хризотилцементных кровельных листов различного срока эксплуатации // Строительные материалы № 5. - 2011., с. 23 - 27.

6. Козлов В.В., Попов К.Н., Межов А.Г. Активная минеральная добавка на основе отходов хризотилцементного производства // Сб. трудов. Международная научная конференция, посвященная 90-летию МГСУ-МИСИ, «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», 2011 г., с. 345 - 347.

61 12-5/3461

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «московский государственный строительный университет»

(фгбоу впо «мгсу»)

МЕЖОВ АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ

ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОТХОДОВ ХРИЗОТИЛЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.23.05 - строительные материалы и изделия

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель -

кандидат технических наук, профессор

Попов К.Н.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

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

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи работы..............................8

Глава 2. Материалы и методика исследований...................................39

2.1 Применяемые материалы...................................................39

2.1.1 Цемент.........................................................................39

2.1.2 Песок...........................................................................40

2.1.3 Добавка.......................................................................41

2.1.4 Отходы хризотилцементного производства..........................42

2.1.5 Вода...........................................................................42

2.2. Методы исследования......................................................42

2.3 Аппаратура.....................................................................44

2.3.1 Рентгенофазовый анализ.................................................44

2.3.2 Дифференциальный термический анализ.............................46

2.3.3 Лазерный анализ размеров частиц......................................48

2.3.4 Электронно-микроскопический анализ................................49

Глава 3. Органоминеральная добавка (ОМД) на основе отходов хризотилцементного производства.................................................50

3.1 Механохимическая активация отходов.............. ....................50

3.2 Мельница и режим помола..................................................53

3.2.1 Измельчительно-активирующие аппараты............................54

3.3 Выбор ПАВ.....................................................................56

3.4 Выбор применяемых отходов..............................................59

3.4.1 Сухие отходы...............................................................60

3.4.2 Влажные отходы............................................................64

3.5 Состав и свойства ОМД............................................................70

3.5.1 Изучаемые факторы, параметры оптимизации и матрица

планирования эксперимента..........................................................74

2

3.5.2 Свойства ОМД..............................................................80

3.6 Технология производства ОМД...........................................88

Выводы по третьей главе..............................................................92

Глава 4. Исследование структуры и свойств мелкозернистых бетонов с ОМД........................................................................................93

4.1 Физико-механические свойства мелкозернистых бетонов с ОМД........................................................................................93

4.1.1 Влияние ОМД на кинетику набора прочности.......................96

4.1.2 Пористость и водопоглощение..........................................98

4.2 Основные эксплуатационные свойства мелкозернистого бетона с ОМД.......................................................................................102

4.2.1 Морозостойкость........................ .................................102

4.2.2 Истираемость..............................................................104

4.3 Структура мелкозернистого бетона с ОМД...........................106

4. 4Техни ко-экономическая эффективность применения ОМД........106

4.5 Основные профилактические меры, применяемые при переработке

хризотилцементных отходов........................................................110

Выводы по четвертой главе..........................................................112

Основные выводы.....................................................................ИЗ

Список литературы.....................................................................115

Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3

Введение

Актуальность работы

Одним из путей повышения эффективности мелкозернистых бетонов является использование техногенных отходов.

При производстве хризотилцементных изделий отходы составляют до 10 % от массы выпускаемой продукции. Полное использование таких отходов затруднено ввиду их неоднородности и низкой химической активности.

Решение проблемы повышения эффективности мелкозернистых бетонов связано с возможностью применения в качестве органоминеральной добавки отходов хризотилцементного производства, подвергнутых механохимической активации.

Работа выполнена в соответствии с НИР МГСУ в рамках локального проекта НИУСА МГСУ за 2010 - 20 И г. «Формирование научно - образовательного направления по разработке новых высокоэффективных конструкционных, изоляционных и отделочных строительных материалов и технологий для гражданского, промышленного и специального строительства».

Цель и задачи работы

Основная цель диссертации - разработка эффективных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированных отходов хризотилцементного производства.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность повышения эффективности мелкозернистых бетонов за счет использования отходов хризотилцементного производства;

- разработать технологию получения органоминеральной добавки на основе отходов хризотилцементного производства;

- установить закономерность изменения структуры и свойств мелкозернистых бетонов от главных факторов;

- провести опытно-производственное опробование результатов исследования.

Научная новизна

- обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования отходов хризотилцементного производства в виде органоминеральной добавки, обеспечивающей повышение однородности, понижение капиллярной пористости и получение мелкокристаллических новообразований низко- и высокоосновных гидросиликатов, влияющих на прочностные показатели мелкозернистого бетона;

- установлена зависимость величины удельной поверхности органоминеральной добавки от длительности механохимической активации и наличия ПАВ;

- с помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что механохимическая активация отходов хризотилцементного производства в присутствии ПАВ способствует интенсивному взаимодействию их с гидратными образованиями цемента с возникновением низко- и высокоосновных гидросиликатов;

- с помощью метода математического планирования эксперимента были получены многофакторные квадратичные зависимости водопотребности и прочности мелкозернистых бетонов от удельной поверхности, состава и содержания органоминеральной добавки;

- установлено, влияние органоминеральной добавки на кинетику набора прочности мелкозернистого бетона;

Практическая значимость

- разработана технология производства органоминеральной добавки с помощью механохимической активации отходов хризотилцементного производства совместно с суперпластификатором С-3;

- разработана технология получения эффективных мелкозернистых бетонов с органоминеральной добавкой на основе отходов хризотилцементного производства;

- получены мелкозернистые бетоны с прочностью при сжатии 45,2 МПа, при растяжении 5,8 МПа и морозостойкостью Р 200.

Внедрение результатов исследований

Опытно-производственное опробование разработанных

рекомендаций было проведено на заводе ООО «Зацарицынское» г. Волгоград. Выпущена опытная партия тротуарных плит из мелкозернистого бетона с органоминеральной добавкой в объеме 50 м .

Апробация работы

Результаты, полученные в диссертации, были доложены и обсуждены: на научно-практических конференциях в Московском государственном строительном университете: «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» в 2008 и 2011 годах, на специализированной выставке Отечественные строительные материалы на семинаре «Энергоэффективные технологии в строительстве», 2010 г., на Международной научной конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ, «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», 2011 г.

На защиту выносятся:

- обоснование возможности создания эффективных мелкозернистых бетонов путем введения в их состав механохимически активированных отходов хризотилцементного производства;

- технология получения органоминеральной добавки на основе отходов хризотилцементного производства;

- многофакторные зависимости, необходимые для оптимизации составов мелкозернистых бетонов;

- закономерности изменения основных свойств мелкозернистых бетонов от главных факторов;

- результаты опытно-производственного опробования.

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

Мелкозернистые бетоны

В последние годы все больше внимания уделяется производству и применению элементов для покрытия дорог и тротуаров из мелкозернистого бетона. Широкому распространению этих изделий способствует их механическая прочность, долговечность, точность геометрических размеров, высокая архитектурная выразительность и т.д.

Применяемые для мощения дорог и тротуаров фигурные элементы, как правило, характеризуются следующими основными свойствами: прочность на сжатие и изгиб, морозостойкость, истираемость, стойкость к воздействию агрессивных сред.

Кроме этого, мелкозернистые бетоны часто используются для ремонта железобетонных конструкций транспортных сооружений [97]. Это необходимо в случае малой толщины и большой площади покрытий, устраиваемых при ремонте, а также необходимостью качественного заполнения ремонтным составом дефектов конструкций (трещин, выбоин и т.д.). Мелкозернистая структура материала обладает также рядом достоинств, среди которых можно выделить:

- возможность создания однородной тонкодисперсной высококачественной структуры без крупных включений;

- высокая тиксотропия и способность к трансформации бетонной смеси;

- высокая технологичность - возможность формования конструкций различными методами (литье, экструзия, прессование и т.д.);

Кроме этого важным является то, что мелкий заполнитель в средней полосе России распространен повсеместно, а многие исследования

показывают, что мелкозернистые бетоны по качеству и эксплуатационным свойствам не уступают обычному бетону [10, 12, 106].

Свойства мелкозернистого бетона определяются теми же факторами, что и обычного бетона, но имеют некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерно высокое содержание цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенная пористость и удельная поверхность твердой фазы. Все эти особенности обуславливают как положительные, так и отрицательные свойства мелкозернистого бетона.

Прочность пористых материалов определяется произведением числа контактов на единицу поверхности и средней прочностью индивидуального контакта [8]. В мелкозернистом бетоне наблюдается увеличенное число контактов, что обусловлено уменьшением размеров частиц и уплотнением их упаковки. В этом случае увеличивается и суммарная сила сцепления заполнителя с цементным камнем, что согласно структурной теории прочности бетона, оказывает положительное влияние на качество мелкозернистого бетона.

Известно [17, 59], что у мелкозернистого бетона отношение Я,«, / Ясж равно 0,15 - 0,25, а у обычного бетона 0,10-0,15, что объясняется высокой однородностью структуры. Также известно, что мелкозернистый бетон более деформативен, чем бетон с крупным заполнителем. Модуль упругости на 30 - 50% ниже, чем у равнопрочных по изгибу обычных бетонов. Относительная прочность мелкозернистых бетонов при растяжении составляет от 0,07 до 0,1 прочности при сжатии (для бетонов марок 400 - 600). Коэффициент призменной прочности близок к единице (у обычного бетона 0,7 - 0,75).

Усадка мелкозернистого плотного бетона находиться в пределах 0,4 - 0,7 мм / п.м. в месячном возрасте [16].

Бетоны мелкозернистого строения характеризуются более высокой удельной поверхностью заполнителя, а иногда и повышенным объемом межзерновой пустотности и поэтому нуждаются в увеличенном содержании цементного теста в смеси, по сравнению с обычным крупнозернистым бетоном. Вместе с тем мелкозернистые бетоны характеризуются более однородным строением и равномерным распределением зерен заполнителя, благодаря чему значительно снижается концентрация напряжений в местах контакта цементного камня с заполнителем. Отсутствие концентрации напряжений особенно важно в тонкостенных элементах нагруженных конструкций.

В научной литературе нередко встречается термин «песчаный бетон», по сведениям [31] это бетон, приготовленный на рядовом нефракционном песке без крупного заполнителя, вследствие этого он имеет повышенный расход цемента. Мелкозернистые бетоны имеют хорошо подобранный зерновой состав, благодаря чему снижается расход цемента.

При подборе состава мелкозернистого бетона следует стремиться к уменьшению начального содержания воды в смеси, используя для этого поверхностно-активные вещества (ПАВ), а также по возможности применяя умеренно жесткие и жесткие смеси с эффективным уплотнением при формовании. Это позволит уменьшить толщину цементных прослоек между зернами заполнителя и таким образом повысить объемную концентрацию заполнителя в бетоне.

Следует также отметить и отрицательные особенности

эксплуатации мелкозернистых бетонов. Применение в качестве

заполнителя только песка вызывает значительное увеличение удельной

поверхности заполнителя и его пустотности. Для того чтобы получить

равноподвижную бетонную смесь по сравнению с бетоном на крупном

заполнителе, требуется на 15 - 25% увеличить количество воды [90]. Это

10

приводит к увеличению усадочных деформаций и проявлению внутренних напряжений в процессе твердения бетона, кроме того, повышенное содержание воды приводит к увеличению капиллярной пористости бетона, что существенно снижает его морозостойкость [3, 34].

Анализ причин разрушения мелкозернистого бетона при попеременном замораживании оттаивании [10, 12, 28, 31, 66], показал, что одним из основных факторов, определяющих недостаточную морозостойкость бетонов, является неоднородность структуры, и в различиях коэффициентов линейно - температурного расширения (КЛТР) заполнителя и раствора. При величине напряжений, превышающих прочность бетона на растяжение, происходит образование трещин, приводящих к снижению прочности бетона.

Для получения долговечных и морозостойких бетрнов целесообразно применять мелкозернистые бетоны. Т.к. в результате отсутствия в них крупного заполнителя, они обладают более однородной структурой.

Широкое применение получило модифицирование мелкозернистых бетонов комплексными химическими добавками, состоящими из различных пластифицирующих и воздуховолвекающих добавок [16, 41, 64, 84], что при оптимальном способе формования изделий позволяет значительно повысить их эксплуатационные характеристики и сократить расход цемента.

Для обеспечения требуемой морозостойкости, назначаемой в

соответствии с климатическими условиями, рекомендуется применение

бетонных смесей с В/Ц не более 0,5 содержащие соответствующие ПАВ.

Также в состав песка иногда вводят мелкий гранитный щебень.

Соотношение цемент : заполнитель составляет от 1:3 до 1:6. Также

нужно всегда учитывать [17], что наибольший водоредуцирующий

11

эффект при введении ПАВ наблюдается при использовании крупного песка, что объясняется его меньшей водопотребностью.

Имеется большой опыт применения в цементно-песчаных смесях химических добавок, в частности ПАВ [11, 16, 29], химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Также отмечается [29], что мелкозернистый бетон с ПАВ отличается более высоким отношением RH3r / Re«, в следствии чего является более трещиностойким. Также указывается на пониженную до 1,5 раз усадку.

Особое внимание уделяется созданию высококачественных мелкозернистых бетонов с повышенными эксплуатационными показателями [12], в частности с морозостойкостью до 600 циклов, прочность на сжатие от 100 - 180 МПа.

По механизму взаимодействия с компонентами бетонных смесей ПАВ можно условно разделить на две группы: гидрофильные и гидрофобные [84, 99].

Гидрофильные добавки способствуют диспергированию компонентов коллоидной системы (цементного теста) и тем самым улучшают его подвижность. Гидрофильные добавки адсорбируются на поверхности раздела фаз «воздух - вода», снижают поверхностное натяжение жидкости вовлекая в бетонную смесь мельчайшие пузырьки воздуха, стабилизируют их в цементном тесте. Из гидрофильных ПАВ наибольшее распространение получили лигносульфонаты технические (ЛСТ) и их модификации (ЛСТ-М, НИЛ-20 и т.д.) и продукт поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида - СП С-3.

Действие гидрофобизирующих добавок связано с

диспергирующими и дефлокулирующими способностями. Основной

признак гидрофобизирующих ПАВ - резкая асимметрия их молекул,

12

сбалансированных таким образом, что при этом обеспечивается их ярко выраженная дефильность. Для гидрофобизирующих ПАВ физическая адсорбция обычно является только первой стадией, за которой следует основная для них - хемосорбция или даже химическая реакция в объеме[84].

Гидрофобизирующие ПАВ, адсо