автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Эффективные сухие строительные смеси на основе местных материалов

iJ

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

.о'

Дубошина Надежда Михайловна

d

ЭФФЕКТИВНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ МЕСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор В.И. Калашников

кандидат технических наук, доцент B.C. Демьянова

Пенза 1999

Оглавление

Введение.....................................................5

Глава 1.Особенности и перспективы производства и применения высокоэффективных сухих строительных смесей широкого ассортимента и

назначения........................................................9

1.1 .Зарубежный и отечественный опыт производства и применения сухих смесей в строительстве..................................9

1.2.Рациональное использование местных сырьевых ресурсов и отходов промышленности в производстве сухих смесей.................19

1.3. Химические многофункциональные добавки - модифицирующий компонент сухих строительных смесей..........................30

1.4. Цель и задачи исследования.................................37

Глава 2. Характеристика применяемых материалов и методика

экспериментальных исследований...................................39

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

2.2. Методика экспериментальных исследований................48

Глава 3. Физико-механические процессы формирования структуры и

физико-технические свойства смешанного вяжущего....................61

3.1. Реологические и структурно-механические свойства смешанного вяжущего...................................................62

3.2. Кинетика набора прочности смешанного вяжущего............73

3.3.Управление процессами структурообразования и твердения смешанного вяжущего........................................78

3.3.1. Активация процессов структурообразования и твердения смешанного вяжущего водопонижающими добавками пластификаторами............................................78

3.3.2.Активация процессов твердения известково-минеральной смеси цементом и добавками ускорителями............................85

3.3.3.Топологическая и химическая обусловленность формирования структуры и прочности карбонатнонаполненных композиций.......94

3.4.Водопоглощение и пористость камня на основе смешанного вяжущего..................................................105

3.5.Сорбционное увлажнение смешанного вяжущего при хранении и

потеря его активности........................................108

Выводы к главе..............................................113

Глава 4.Физико-технические свойства растворов на основе сухих

строительных смесей с порошкообразными минеральными наполнителями..................................................115

4.1. Моделирование состава и свойств строительных растворов на основе сухих смесей.........................................115

4.2. Технологические свойства пластифицированных и непластифицированных растворных смесей.....................124

4.3. Экспериментальные исследования кинетики набора прочности строительного раствора при нормальных и отрицательных температурах...............................................136

4.3.1. Прочность строительных растворов, модифицированных химическими добавками......................................136

4.3.2. Кинетика набора прочности строительного раствора в условиях отрицательных температур...................................147

4.4. Усадка строительного раствора.............................151

4.5. Морозостойкость строительного раствора...................156

Выводы к главе..............................................158

Глава 5. Модифицирование сухих строительных смесей

водорастворимыми добавками полимеров............................161

5.1.Влияние вида и концентрации полимерных добавок на реологические свойства и жизнеспособность растворных смесей.....................................................161

5.2.Когезионно-адгезионные свойства растворных смесей с полимерными добавками.....................................168

5.3.Прочность сцепления строительного раствора с поверхностью

каменных материалов и оценка их совместной работы............172

Выводы к главе..............................................182

Глава 6. Технология получения, хранения и применения сухих

строительных смесей и технико-экономическая эффективность производства и применения сухих строительных смесей...........................183

6.1. Технология получения, хранения и применения сухих строительных смесей........................................183

6.2. Технико-экономическая эффективность производства и

применения сухих строительных смесей........................190

Выводы к главе..............................................198

Общие выводы..............................................200

Литература.................................................203

Приложение................................................222

ВВЕДЕНИЕ

В мировой практике строительства для реставрации памятников, ремонта старых зданий, строительных и отделочных работ все большее применение находят сухие строительные смеси.

Для потребителей привлекательность сухих смесей заключается в том, что они являются практически готовыми к употреблению, продаются удобно расфасованными и при правильной эксплуатации длительное время сохраняют свои свойства.

Объективным показателем мирового уровня развития выпуска сухих смесей является их потребление на душу населения. Первое место по применению сухих строительных смесей на душу населения занимает Германия - 80 кг/чел., второе Финляндия и Швеция - 60 кг/чел. В Венгрии приходится 10 кг/чел.

Отечественное производство и применение сухих смесей в строительстве только начинает развиваться, о чем свидетельствует низкий объем потребления смесей на душу населения, не превышающий 4 кг/чел., что в 15-20 раз меньше, чем в передовых странах Западной Европы, таких, как Германия, Швеция, Финляндия и др. Это объясняется тем, что внедрение сухих смесей производится без учета экономических факторов, влияющих на организацию промышленного выпуска смесей и возможности комплексного использования сырьевых ресурсов страны.

В последние годы наблюдается тенденция к улучшению состояния этой отрасли. Прежде всего, это касается разработки высокоавтоматизированных модульных заводов сухих смесей производительностью 10, 50 и 100 тыс. т в год и успешный опыт их эксплуатации.

Однако потребляемые в настоящее время сухие смеси производятся на основе традиционных цементно-песчаных и известковоцементнопесчаных растворов на базе серийно выпускаемых цементов высоких марок ПЦ 400, а нередко и ПЦ 500, что не всегда оправдано, так как отдельные виды вяжущих находятся за пределами многих регионов и требуют транспортировки их к

потребителю, что повышает стоимость. Вместе с тем, сырьевая база многих регионов располагает достаточными месторождениями местных пород для организации производства вяжущих и сухих строительных смесей низких и средних марок на их основе.

Цель работы. Целью настоящих исследований является разработка и исследование свойств эффективных сухих строительных смесей различного ассортимента и назначения на базе местных материалов, попутных продуктов нерудной промышленности и химических добавок-модификаторов.

Научная новизна работы. Научно обоснована возможность и целесообразность использования кремнеземистых и карбонатных дисперсных наполнителей в качестве активных компонентов малоклинкерного смешанного вяжущего сухих смесей, исходя из достаточной реакционной активности наполнителей в смесях с химическими добавками, взаимно усиливающих технологические и когезионно-адгезионные свойства и обеспечивающих ускоренное формирование твердеющей структуры во времени.

Выявлена реакционная способность осадочных кремнеземистых и карбонатных, магматических интрузивных и эффузивных пород в смеси с известью по кинетике нарастания прочности. Установлено, что для карбонатных пород положительное влияние оказывают примеси, а для магматических - содержание полевошпатовых, известково-натриевых плагиоклазов и степени кристалличности пород.

Изучена кинетика структурообразования малоклинкерных смешанных вяжущих на основе кремнеземистых и карбонатных пород с различными модифицирующими добавками.

Разработаны оптимальные рецепты сухих строительных смесей и растворов на их основе, получены математические модели, позволяющие установить зависимости различных характеристик вяжущего и раствора от соотношения компонентов.

Установлено влияние совокупности технологических факторов, соотношения компонентов вяжущего и раствора, вида и количества химических добавок, на реологические, когезионно-адгезионные и физико-механические свойства строительных растворов.

Практическое значение работы. Экспериментально полученное смешанное вяжущее М200-М300 позволяет использовать его для приготовления сухих смесей и средне- и низкомарочных строительных растворов различного назначения. В качестве тонкомолотых дисперсных наполнителей в вяжущем рекомендуется использовать местные карбонатные и кремнеземистые породы, а также тонкодисперсные отходы нерудной промышленности, что значительно расширяет минерально-сырьевую базу стройматериалов и является одним из направлений ресурсо- и энергосбережения в технологии строительного производства.

Разработаны рекомендации по применению и способам введения химических добавок в сухие строительные смеси и показана возможность использования отечественных сухих порошкообразных водорастворимых и гелеобразующих полимеров для улучшения водоудерживающих и адгезионно-когезионных свойств растворов.

Результаты исследований использованы при выпуске опытной партии сухих смесей для строительных растворов на ОАО "Завод ЖБК" г. Пензы.

По результатам диссертационной работы были сделаны доклады и сообщения на следующих семинарах и конференциях: III и IV международных научно-практических конференциях "Вопросы планировки и застройки городов" (1996, 1997 г.), г. Пенза; международной научно-технической конференции "Молодая наука - новому тысячелетию" (1996 г.), г. Набережные Челны; XXIX научно-технической конференции ПГАСА (1997 г.), г. Пенза; на 3-х академических чтениях РААСН (1997 г.), г. Саранск; на 4-х академических чтениях РААСН (1998 г.), г. Пенза; международной научно-практической конференции "Строительство" (1998 г.), г. Ростов-на-Дону; международной научно-практической конференции

"Современное строительство" (1998 г.), г. Пенза; первой межрегиональной научно-практической конференции "Энергосбережение в регионе: проблемы и возможности" (1998 г.), г. Пенза.

Глава 1. Особенности и перспективы производства и применения высокоэффективных сухих строительных смесей широкого ассортимента и назначения

1.1. Зарубежный и отечественный опыт производства и применения сухих смесей в строительстве

Сухие строительные смеси представляют собой мелкозернистые композиции, в состав которых входят минеральные вяжущие, заполнители строго фракционированного состава и оптимальной гранулометрии и химические добавки [12,42,51,55,61,117]. Ведущими зарубежными фирмами по производству сухих строительных смесей являются "Knauf', "Babkok -BSKH", "Sakret -Zentrale", "Simpelkamp", "PCJ" (Германия), "Sika AG" (Швеция), "Lohja", "Fexima", "Raute Dry Mix" (Финляндия), "Serett" (Super Carocol) (Франция) и др. [142].

Сухие смеси предназначены для выполнения монтажных, кладочных, штукатурных и обливочных работ, устранения дефектов и повреждений, профилактической защиты и санации бетона, а также для создания декоративных покрытий различной фактуры и цветовой гаммы.

Монтажные смеси подразделяются на два типа: смеси для заделки (замоноличивания) стыков и смеси для производства каменных работ (кладочные растворные смеси).

При заделке стыков применяют мелкозернистые бетонные смеси, а также бетонные смеси на плотных и пористых заполнителях [142], которые не являются предметом рассмотрения настоящей работы.

Кладочные растворные сухие смеси состоят из портландцемента, извести-пушонки в качестве минерального структурного пластификатора, кварцевого песка и многофункциональных химических добавок [118]. Кварцевый песок, используемый для кладочных сухих смесей, имеет определенный гранулометрический состав, %: фр. 0-0,5 мм - 50-51; фр. 0,51,2 мм - 30-31; фр. 1,2-3,0 мм - 18-20. Плотность песка составляет 1500-1550

о

кг/м . Класс по прочности цементно-песчаных кладочных смесей - В5-В7,5 при расходе цемента 185-230 кг/м . Соотношение цемента к песку составляет 1:4-5 (мас.ч.).

Цементно-известковые кладочные сухие смеси выпускают классов по

о

прочности В3,5-В5 при расходе цемента 160-180 кг/м , количество извести-пушонки составляет 40 кг/м3. Соотношение цемента к песку поддерживается в пределах 1:4,5-5 (мас.ч.).

В то же время, в мировой практике строительства наряду с разработкой строительных растворов низких классов В1-В 12,5 наблюдается тенденция в создании растворов специального назначения на основе многокомпонентных полимерных веществ [146]. Фирма "8АККЕТ=гЕЭТКАЬЕ" (ФРГ), занимающаяся производством строительных растворов различного целевого назначения для горной индустрии и промышленного строительства, разработала заливочный раствор высокой плотности, предназначенный для фиксации оборудования на фундаменте, а также для выполнения подготовительных вспомогательных и ремонтных операций. Перечень работ, производимых с использованием раствора, включает бетонирование анкеров, заделку монтажных выемок и углублений, крепление станин, крановых рельсов, опор мостов, стеллажных конструкций, шахтной крепи, отделку руслов каналов, дорожной одежды и т.д.

Для ремонтно-восстановительных работ фирмой РС1 (ФРГ) разработан и используется специальный быстротвердеющий раствор "РЕРАИХ 50", предназначенный для ремонта бетонных полов, лестниц и стен. Слой раствора толщиной 50 мм выдерживает шаговую нагрузку через 45 мин. после укладки, а через 6 ч. он полностью пригоден для эксплуатации. Сухие смеси для быстротвердеющего раствора "РЕРАИХ 50" изготавливаются на основе специальных цементов и заполнителей с полимерными добавками, кроме того для ремонта полов промышленных зданий большой площади фирмой РС1 разработан безусадочный и трещиностойкий цементный раствор "КЕРАМЕОТ 15", способный воспринимать шаговую нагрузку через 3-4 ч.

после укладки, а в возрасте 28 сут. характеризуется показателями прочности при изгибе и сжатии 7МПа и ЗЗМПа соответственно. Затвердевший раствор отличается водостойкостью и морозостойкостью, в том числе в присутствии солей [16].

Наиболее широкое применение в зарубежной промышленности сухие смеси находят в штукатурных покрытиях [26]. Ведущими фирмами "Knauf', "PFT", "M-Tek" по производству сухих штукатурных покрытий разработаны цементно-песчаные и цементноизвестковопесчаные сухие смеси, содержащие портландцемент, известь-пушонку, строительный кварцевый песок и многофункциональные химические добавки. В качестве многофункциональных химических добавок применяют многокомпонентные составы, включающие эфиры целлюлозы, поверхностно-активные вещества, стабилизаторы и ингибиторы. Строительный кварцевый песок перед смешиванием с другими компонентами сухой смеси подвергают также тщательному рассеву на следующие фракции: фр.0-0,5; фр. 0,5-1,2 и фр. 1,2-3,-0 мм с последующим их дозированием для подбора оптимального гранулометрического состава песка с модулем крупности, не превышающим

Мкр-2.

По данным авторов [142] фирма "Wacher KG" специализируется на выпуске сухих строительных смесей для выполнения фасадных штукатурных покрытий как в новом строительстве, так и для ремонта эксплуатируемых зданий. Фирма выпускает одиннадцать видов сухих смесей различного назначения для выполнения штукатурных покрытий по кирпичным поверхностям, создания крупнобугристых покрытий, наносимых методом набрызга; тонких штукатурных накрывочных покрытий, разравниваемых шпателем и т.д. Смеси фирмы также можно использовать для лепных работ. Растворы, приготовленные из этой смеси, обладают ускоренным твердением, по всей вероятности, смесь содержит добавки, интенсифицирующие процессы схватывания и затвердевания состава.

Сухая смесь фирмы Raute Dry Mix успешно используется во всех сферах жилищного строительства как для внутренних, так и для наружных работ [147]. Предварительно замешанный раствор на цементной основе превосходен для кладки кирпичей и блоков, дает сухие бетонные смеси как для высокомасштабной заливки, так и для мелкого литья. Однородные по качеству смеси требуют лишь добавки воды непосредственно на месте строительства. Компоненты те же, что и для традиционных растворов, однако песок тщательно отобран по размеру фракций и введены добавки для уменьшения усадки раствора.

Особой популярностью для декоративной отделки фасадов зданий ,.....j

пользуются терразитовые сухие смеси. В Финляндии фирмой Lohja производится выпуск терразитовых сухих смесей классов В 1,5 и В5,0, содержащих портландцемент- 20-30% и кварцевый песок различных фракций: фр. 0-0,5 мм - 10-18%, фр. 0,5-1,2 мм - 24-28%, фр. 1,2-3,0 мм - 2528%.

Рассмотрев общие вопросы, связанные с видами и свойствами штукатурных растворов, применяемых для наружной и внутренней отделки стен, специалисты Германии разработали стандарт DIN 18550, в соответствии с которым проч�