автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Фибробетон для монолитного строительства

На правах рукописи

КАЗЛИТИНА Ольга Викторовна

ФИБРОБЕТОН ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДЕК 2013

Белгород-2013

005544020

005544020

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородском государственном технологическом университете им. В. Г. Шухова»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Лесовик Валерий Станиславович

- Пухаренко Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» заведующий кафедрой строительных материалов и технологий

- Ракитченко Константин Сергеевич кандидат технических наук, ведущий специалист отдела МТО ОАО «Белгородская теплое етевая компания»

- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в 14- часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В. Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова».

Ведущая организация

Автореферат разослан «27» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета д-р техн. наук, проф.

Г. А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время из всех существующих технологий возведения зданий и сооружений наиболее перспективным является монолитное строительство - способ возведения сооружений из бетона, которая позволяет в короткие сроки возводить объекты строительства практически любой этажности и формы.

Возрастающие требования, предъявляемые к современным объектам, создают необходимость применения такой методики строительства, которая дает возможность возведения зданий с разнообразными архитектурными и объемно-планировочными решениями. В условиях стесненной застройки или реконструкции в исторически сложившейся среде способ монолитного строительства является не только оптимальным, но и зачастую, единственно возможным.

В связи с активным развитием программы развития жилищного строительства в Российской Федерации, в том числе Белгородчины на рынке индивидуального жилищного строительства появилось большое разнообразие применяемых материалов для монолитного строительства. Известно, что для монолитного строительства бетоны должны обладать высокой степенью трещиностойкости, прочностью при сжатии, растяжении и изгибе, низкой усадкой, достаточной водонепроницаемостью и морозостойкостью. Для обеспечения таких свойств необходимо создание эффективных высокопрочных бетонов.

Армированный бетон является классическим сочетанием мелкозернистых бетонов с добавками различных армирующих средств -стальных, стеклянных или синтетических. Этот вид бетона называется фибробетоном и предназначается для создания особо прочных конструкций. Фибробетои, который применяется при монолитном строительстве, позволяет создавать конструкции любой сложности и конфигурации, а фибробетонные смеси значительно улучшают качество и долговечность здания.

Диссертационная работа выполнена в рамках: ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы, внутревузовских грантов «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012 - 2014 гг. и «Фибробетон с

использованием нанодисперсного модификатора для каркасно-монолитного строительства» Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г..

Цель и задачи работы. Повышение эффективности эксплуатационных характеристик дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов с использованием нанодисперсного порошка (НДП) из гидротермальных источников вулканогенных областей для монолитного строительства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка составов и оптимизация структуры композиционных вяжущих с использованием нанодисперсного порошка из гидротермальных источников;

- исследование характера влияния эффективных пластификаторов и НДП на свойства композиционных вяжущих и бетонов на их основе;

- проектирование составов и изучение свойств высококачественных армированных мелкозернистых бетонов для монолитного строительства;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Внедрение результатов исследования.

Научная новизна работы. Установлена возможность повышения эффективности композиционного вяжущего, полученного путем домола портландцемента с пластифицирующей добавкой «Полипласт ПРИМЕИУМ» в вибромельнице до удельной поверхности 600 м2/кг за счет управления процессами структурообразования при синтезе цементной матрицы путем использования нанодисперсного порошка с удельной поверхностью до 160000 м2/кг, полученного из гидротермальных источников вулканогенных областей. Введение НДП в количестве 0,01% от массы вяжущего ускоряет процесс синтеза новообразований связывая выделяющие при гидратации алита СаО в гидросиликаты кальция различной основности. Оптимизируя таким образом микроструктуру цементного камня, что позволяет получить вяжущее

активностью 120 МПа.

Предложены принципы оптимизации структуры мелкозернистых бетонов на наноуровне за счет использования композиционного вяжущего и нанодисперсного порошка; на микроуровне за счет создания высокоплотной упаковки заполнителя; на макроуровне за счет введения стальной и полипропиленовой фибры. Это позволило разработать широкую номенклатуру

использования мелкозернистого фибробетона для монолитного строительства с пределом прочности при сжатии до 169,6 МПа, морозостойкостью Р 700 и высокими деформативными характеристиками.

Установлен характер влияния состава вяжущего, количества нанодисперсного порошка, суперпластификатора и фибр на деформативные характеристики мелкозернистого бетона для монолитного строительства. Оптимизация структуры на нано-, и микроуровне позволила повысить призменную прочность бетона до 130 МПа. Введение стальной и полипропиленовой фибр увеличило модуль упругости бетона до 113.

Практическое значение работы. Предложены составы композиционных вяжущих на основе портландцемента, пластифицирующей добавки и нанодисперсного порошка с обеспечением активности вяжущего 120 МПа.

Разработаны мелкозернистые фибробетоны с использованием композиционных вяжущих, отсева дробления кварцитопесчаника и песка, для монолитного строительства с пределом прочности при сжатии до 169,6 МПа, прочностью на изгиб до 21,6 МПа и морозостойкостью Р 700.

Полученные результаты и основанные на них рекомендации позволяют повысить надежность, долговечность и экономичность зданий и сооружений.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена на предприятии ООО «Хрусталь» с. Верхопенье, Белгородской области.

Для внедрения результатов работы разработаны рекомендации на изготовление монолитного фибробетона для промышленного и гражданского строительства; стандарт организации «Фибробетоны для монолитного строительства с использованием нанодисперсного порошка, полученного из гидротермальных источников»; протокол о намерениях с ООО «Строительная компания №1» о внедрении результатов при строительстве жилых и промышленных объектах.

Теоретические положения и результаты исследований и опытно-практическое внедрение использовались в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106.65 «Производство строительных материалов, изделии и конструкций»; бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство», магистров по направлению 270800.68 «Строительство»

магистерской программы «Технология производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Инновации и трансфер технологии».

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы доложены на Областной научно-практической конференции (г. Белгород, 2010 г.) «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее»; 68-ой Всероссийской научно-технической конференции, (г. Самара, 2011 г.) «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре»;; на Международной научно-технической конференции молодых учёных БГТУ им. В .Г. Шухова (г. Белгород, 2011 г.); на Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения), БГТУ им. В.Г. Шухова (г. Белгород, 2011г.); VIII Международной научно-практической конференции «Дни науки - 2012» (Чехия, Прага); на Конференции «Экологические проблемы горнопромышленных регионов» (г. Казань, 2012 г.); на Международной научной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» 18-19 сентября 2013 (г. Белгород).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в тринадцати научных публикациях, в том числе, в двух статьях ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых для публикации по диссертационным исследованиям. Зарегистрировано ноу-хау № 20130036.

На защиту выносятся:

- причины повышения эффективности комплексных вяжущих за счет использования нанодисперсного порошка;

- механизм влияния нанодисперсного порошка из гидротермальных источников на физико-механические свойства и структуру композиционного вяжущего;

- принципы проектирования мелкозернистых бетонов для монолитного строительства зданий;

- вопросы оптимального дисперсного армирования стальной и полипропиленовой фиброй мелкозернистого бетона;

- результаты экспериментально-теоретических исследований влияния нанодисперсного порошка на состав, свойства и микроструктурные особенности фибробетона для монолитного строительства;

- технико-экономическое обоснование и внедрение результатов исследований.

ОбъелI и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 63 рисунка и фотографии, списка литературы из 240 наименований, 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Технология изготовления бетонных и железобетонных конструкций оказывает непосредственное воздействие на архитектуру зданий. На сегодняшний день из существующих способов возведения зданий и сооружений наиболее перспективным является монолитное строительство, которое целесообразно применять в индивидуальных проектах зданий и комплексов, выполняющих роль градостроительных акцентов, исторических центров городов; для зданий при комплексной застройке монолитными домами микрорайонов в городах и поселках, а также для зданий комбинированных систем, предусматривающих сочетание монолитных конструкций со сборными, кирпичными и другими.

Бетонные смеси, применяемые для монолитного строительства должны обладать высокой стойкостью к воздействиям температур, влажности, быстрым застыванием и особой устойчивостью. В связи с этим необходимо модифицировать бетоны для получения высококачественных смесей. Для разрешения данной проблемы были разработаны составы мелкозернистого фибробетона на основе композиционных вяжущих с использованием НДП. С целью оптимизации структуры цементного камня на наноуровне использовали НДП, полученный из природных гидротермальных источников Камчатки.

Для получения НДП кремнезема природные гидротермальные растворы концентрировали баромембранным фильтрованием с применением ультрафильтрационных мембран (данный способ был разработан профессором Потаповым В.В.). Ультрафильтрация обеспечивает достаточно низкое содержание примесей и стабильность водных золей кремнезема вплоть до самых высоких содержаний 8Ю2. Оставшийся в золях растворитель - воду удаляли с использованием криохимической технологией путем

криокристаллизации капель золя в жидком азоте с последующей сублимацией под вакуумом твердого льда. Способ позволяет получить порошки с размерами частиц в диапазоне 10-100 нм, удельной поверхностью до 160000 м"/кг, средними диаметрами частиц 3-10 нм.

Порошок, который вводили как нанодобавку в цементные образцы, имел удельную поверхность равную 156000 м2/кг (определения были проведены путем низкотемпературной адсорбции азота на порометре А8АР-2010 N МюготегШсв), средний диаметр частиц 7,3 нм, плотность 35кг/м (рис.1).

Рисунок 1. Общий вид НМ, полученного путем выделения из гидротермальных вод

Рисунок 2. Результаты химического анализа НДП

НДП вводили в водную фазу перед затворением смеси в пределах 0,001 % до 0,2 % от массы цемента. Однородность распределения частиц порошка в объеме жидкости достигалась с помощью ультразвуковой обработки.

Таблица 1

Результаты определения прочности на сжатие (МПа) цементных

образцов

Возраст образца, сут. Количество добавленного ианодисперсного кремнезема, масс. % по отношению к цементу

0 0,001 0,1 0,2

3 32 41,6 39,5 42,3

7 40,8 52,9 48,3 54

28 50,9 65,8 63,4 66,2

Введение НДП в цементную систему позволяет повысить активность вяжущего до 65,8 МПа. Прирост прочности при введении НДП объясняется улучшением структуры цементного камня. Анализ микроструктуры (рис. 3) показал, что цементный камень с оптимальной дозировкой НДП отличается более плотной матрицей, состоящей из низкоосновных гидросиликатов кальция, в то время как цементный камень без добавки представлен более высокоосновными гидросиликатами кальция и гексагональными пластинами портландита. Это объясняется тем, что нанодисперстные составляющие, способствующие более раннему связыванию портландита, интенсифицируют процесс гидратации клинкерных минералов. И в то же время более крупные частицы НДП выступают в качестве центров кристаллизации, а также выполняют роль микронаполнителя, снижая усадочные деформации, улучшают эксплуатационные характеристики композита. Характерной чертой структуры цементного камня с НДП является существенно меньшее количество микротрещин

Рисунок 3. Характер новообразований: а - цементный камень; б - цементный камень с оптимальной дозировкой НДП

Ввод наночастиц порошка приводит не только к увеличению конечной прочности при сжатии, но и к увеличению скорости набора прочности образцами с нанодобавками.

Свойства высококачественного мелкозернистого бетона во многом зависят от свойств вяжущего. Для получения мелкозернистых фибробетонов необходимо применение высокоактивных композиционных вяжущих. В качестве основы для получения таких вяжущих был выбран ЦЕМ I 42,5Н производства ЗАО «Белгородский цемент» (г. Белгород). Композиционное вяжущее получали путем домола портландцемента с пластифицирующей добавкой «Полипласт ПРИМЕИУМ» в вибромельнице до удельной поверхности 600 м2/кг. С целью определения наиболее подходящей добавки пластификаторов с оптимальной дозировкой было изучено их влияние на тонкомолотый цемент (табл. 2).

Таблица 2

Результаты определения оптимального содержания добавки для композиционного вяжущего

Содержание добавки, % от массы Расход материалов на миниконус Диаметр расплыва миниконуса, О, мм

ТМЦ, г Вода, г

«Полипласт ПРЕМИУМ» «Полипласт СП-1» СБ-3

0,1 100 35 119 60 61

0,2 100 35 137 82 68

0,3 100 35 164 94 77

0,4 100 35 169 120 100

0,5 100 35 170 158 113

0,6 100 35 170 167 134

0,7 100 35 171 170 153

0.8 100 35 - 171 166

0,9 100 35 - 171

1 100 35 - -

Из полученных результатов видно, что содержание «Полипласт ПРЕМИУМ» в количестве 0,3 % от массы вяжущего дает оптимальный расплыв миниконуса - 0=164 мм, в то время, как другие добавки требуют введения большей дозировки добавок, для получения идентичного пластифицирующего эффекта (Рис.4). Это свидетельствует, что из испытанных добавок, наиболее

эффективной является добавка «Полипласт ПРЕМИУМ», которая и была принята для дальнейших исследований.

Рисунок 4. Зависимость расплыва миниконуса от количества добавки

Структура цементного камня на композиционном вяжущем плотнее по сравнению с обычным портландцементом, она представляет собой очень плотную упаковку зерен в общей массе новообразований.

В результате проведенных исследований и анализа полученных данных установлено, что образцы на основе композиционного вяжущего имеют наилучшие физико-механические показатели с активностью до 98 МПа. Это объясняется низким значением водопотребности смеси, а также лучшей пространственной упаковкой частиц в полученном композите.

Можно сделать вывод, что применение тонкомолотых вяжущих с добавкой суперпластификатора позволяет существенно увеличить прочностные характеристики бетона.

Таблица 3

Результаты определения прочности на сжатие (МПа) образцов на

композиционном вяжущем

Возраст образца,сут Содержание НДМ в разработанном композиционном вяжущем, %

0,1 0,01 0,001

3 91,5 89,1 77,1

7 103.6 101,2 95,4

28 124 120,8 118,3

Дальнейшая оптимизация структуры цементной матрицы осуществлялась путем введения в композиционное вяжущее нанодисперсного порошка из гидротермальных источников вулканогенных областей (табл. 3).

Эксперименты показали, что введение нанодисперсного порошка в количестве 0,01 % оптимизирует структуру цементного камня композиционного вяжущего, что приводит к значительному повышению активности вяжущего до 120,8 МПа (рис. 5).

э

и Содержание 11ДП 0.1% В Содержание НДП 0,01% ы Содержание НДП 0,001%

Рисунок 5. Зависимость прочности при сжатии образцов от количества добавки

Нанодисперсный порошок вступает в реакцию с гидрооксидом кальция, освобождаемого при гидратации портландцемента, при этом синтезируется гидросиликат кальция второй генерации. Очень высокая удельная поверхность НДП способствует более эффективной и быстрой реакции. При надлежащем рассеивании тысячи реактивных сферических микрочастиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный камень, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями.

Эффект заполнения пор гидросиликата кальция второй генерации способствует значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Фактически непроницаемый бетон можно получить при умеренном содержании порошка и сравнительно низком содержании обычного портландцемента.

Следует отметить универсальность добавки как дисперсии, влияющей на тиксотропные свойства системы, через изменение протяженности структурных элементов-цепочек и их перехода при контактных взаимодействиях в

пространственные каркасные ячейки. Это условие соответствует минимальным значениям межфазного натяжения при максимальном развитии граничных поверхностей, что предполагает существование большого числа точечных коагуляционных контактов вплоть до создания предельно наполненной системы, в которой коллективный переход к сцеплению в ближнем порядке вызывает резкое упрочнение. Такой этап гидратообразования с коллоидацией кремнеземных частиц, за счет которых формируется пространственные упаковки, приводит к самоармированию твердеющей цементной системы композита. В целом добавка НДП является высокоэффективным модификатором структуры бетона как композиционного материала, полученного на основе наукоемкой технологии.

Для монолитного строительства зданий и сооружений применяемые бетоны должны обладать высокими эксплуатационными свойствами. С целью разрешения этой проблемы были разработаны составы мелкозернистого бетона на основе техногенного песка — отсева дробления кварцитопесчаника ОАО «Лебединского ГОКа» (Белгородская обл.), обогащенного песком Шебекинского месторождения и композиционных вяжущих.

Рисунок 6. Микрофотоснимки отсева дробления КВП: а) фр.0.16; б) фр 0,315; в) фр. 1,25; г) фр.2,5.

В отличие от природного песка с округлой формой зерен и гладкой поверхностью, техногенные имеют угловатые формы зерен и шероховатые поверхности, что способствует высокой адгезии с цементным камнем (рис.)

Физико-механические характеристики обогащенного отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского месторождения, удовлетворяют требованиям нормативных документов: истинная плотность составляет 2700 кг/м , насыпная плотность в неуплотненном и уплотненном состоянии 1520 кг/м3 и 1590 кг/м3, пустотность 47,8%.

Исследование физико-механических свойств мелкозернистого бетона показало, что применение композиционного вяжущего с использованием нанодисперсного порошка позволяет повысить характеристики бетона, по

сравнению с аналогичными составами, изготовленными с применением иных вяжущих материалов. Данный факт объясняется более плотной структурой цементного камня разработанного композиционного вяжущего, меньшей пористостью, в следствии меньшего количества воды в бетоне (табл.4).

Таблица 4

Физико-механические характеристики мелкозернистого бетона в зависимости от состава вяжущего

№ со ста ва Расход материалов на 1м"' В/В Предел прочное ти при сжатии, Я, (МПа) Предел прочное типри изгибе, Я, (МПа) Призме нная прочно сть, Я, (МПа) Модуль упругости

Вяжущее, кг Отсев дробле ния КВП, кг Песок, кг Вода, л

Ц СП ндп

1 710 - - 1540 - 262 0,37 47,1 5,3 36,2 31,4

2 710 - - 1150 390 273 0,38 51,3 6,1 39,4 34,2

3 710 2,13 - 1540 - 224 0,32 85,2 8,6 65,5 56,8

4 710 2,13 - 1150 390 257 0,36 93,7 10,4 72 62,5

5 710 2,13 0,071 1540 - 180 0,25 120,8 11 92,3 80,5

6 710 2,13 0,071 1150 390 210 0,30 130,5 13,4 100,4 87

Дальнейшее получение бетона осуществлялась на основе кварцитопесчаника и композиционного вяжущего с использованием нанодисперсного порошка из гидротермальных источников Камчатки.

С целью получения высококачественных фибробетонов было изучено влияние введения в бетонную матрицу армирующих волокон.

Рисунок 8. Виды применяемой фибры: а) полипропиленовая; б) стальная

Таблица 5

Основные характеристики армирующего волокна

Характеристики волокна Плотность, кг/м3 Длина, мм Диаметр, мкм Прочность на растяжение, МПа Удлинение до разрыва, %

Полипропиленовое волокно 910 3-12 22 170-260 150 - 250

Стальная волновая фибра 7800 15-65 200 - 700 600-3150 3-4

Для оценки возможности применения оптимальной дозировки фибры при производстве высококачественного мелкозернистого фибробетона были разработаны составы.

Для установления оптимального процента армирования мелкозернистого сталефибробетона были заформованы образцы бетона одинакового состава с различным содержанием стальной фибры (табл. 6).

Таблица 6

Зависимость прочности мелкозернистого сталефибробетона от процента армирования

Номер состава № Состав Процент армирования по объему, % Шзк, МПа

Цем I 42,5 Н, кг Отсев дробления КВП, кг Вода, л Фибра стальная, кг

1 710 1540 262 - 0 46,1

2 710 1540 262 25,85 1 47,9

3 710 1540 261 31 1,2 48,2

4 710 1540 261 36,2 1,4 49

5 710 1540 261 41,4 1.6 53,6

6 710 1540 260 46,5 1,8 54,1

7 710 1540 260 51,7 2 53,9

Установлено, что при 1,6 % армировании по объему удается получить максимальные физико-механические показатели.

Дальнейшее увеличение процента армирования не целесообразно, так как вызывает снижения прочностных и эксплуатационных характеристик сталеф ибробетона.

Для дальнейшей оптимизации структурообразования, предотвращения возникновения трещин, увеличения прочности и долговечности конструкции

было использовано полипропиленовое волокно ООО «Альянс-Строительные Технологии».

Таблица 7

Зависимость прочности мелкозернистого фибробетона от процента

армирования

Номер состава № Состав Процент армирования по объёму, % Rc-ж, МПа

Цем1 42,5 Н, кг Отсев дробления КВП, кг Вода, л Фибра полипропиленовая, кг

1 710 1540 262 - 0 46,1

2 710 1540 261 1,2 0,05 47,8

3 710 1540 259 2,4 0,1 49,2

4 710 1540 259 3,6 0,15 51,3

■ ' 5 ' 710 1540 257 4,8 0,2 51,9

6 710 1540 257 6 0,25 51,1

7 710 1540 256 7,2 0,3 49,4

8 710 1540 256 8,4 0,35 48,9

Установлено, что при 0,2% армировании по объему удается получить максимальные физико-механические показатели.

На основании комплексных исследований разработаны составы мелкозернистых фибробетонов на композиционном вяжущем с использованием нанодисперсного порошка, полученного из гидротермальных источников вулканогенных областей с применением армирующих волокон (табл 8).

Таблица 8

Физико-механические характеристики мелкозернистого бетона в зависимости от состава вяжущего

№ сери и Расход материалов на 1 м3 Добавк а Murapl ast FK68, кг Фибра, кг В/В Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочное та при изгибе, МПа Призмен ная прочност ь Модуль упругое та Морозостойк ость

Вяжущее, кг Отсев дробл ения КВП, кг Песок, кг Вода, л Сталь ная Поли пропи ленов ая

ц СП ндп

1-1 710 - - 1540 - 262 - - - 0,37 47,1 5,3 36,2 31,4 F300

1-2 710 - - 1150 390 273 - - - 0,38 51,3 6,1 39,4 34.2

1-3 710 - - 1150 390 240 5,76 - - 0,34 59 7,9 45,4 39,3

1-4 710 - - 1150 390 238 5,76 41,4 4,77 0,34 68,4 11,4 52,6 45,6

2-1 710 2,13 - 1540 - 224 - - - 0,32 85,2 8,6 65,5 56,8 F500

2-2 710 2,13 - 1150 390 257 - ■ - 0,36 93,7 10,4 72 62,5

2-3 710 2,13 - 1150 390 210 5,76 - 0,30 110,6 13 85 67

2-4 710 2,13 - 1150 390 205 5,76 41,4 4,77 0,29 126 15,6 96,9 84

3-1 710 2,13 0.071 1540 . 180 - 0,25 120,8 11 92,3 80,5 F700

3-2 710 2,13 0,071 1150 390 210 - ■ 0,30 130,5 13,4 100,4 87

3-3 710 2,13 0,071 1150 390 166 5,76 ■ - 0,23 150,1 16,9 115,5 100

3-4 710 2,13 0,071 1150 390 164 5,76 41,4 4,77 0,23 169,6 21,6 130 113,1

Таким образом, с учетом вышеизложенного обосновано и разработано композиционное вяжущее с использованием НДП, обеспечивающее снижение клинкерной составляющей в 2 раза, улучшение долговечности зданий.

Для широкомасштабного внедрения разработаны нормативные рекомендации на изготовление монолитного фибробетона для промышленного и гражданского строительства; стандарт организации «Фибробегоны для монолитного строительства с использованием нанодисперсного порошка, полученного из гидротермальных источников»; протокол о намерениях с ООО «Строительная компания №1» о внедрении результатов при строительстве

жилых и промышленных объектах.

Экономическая эффективность производства и применения разработанных фибробетонов на основе композиционного вяжущего с использованием НДП заключается в повышении эксплуатационных характеристик при снижении расхода клинкерной составляющей в 2 раза, применение техногенного сырья улучшает качество строительно-монтажных

работ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны составы высокоэффективных мелкозернистых бетонов на основе композиционного вяжущего с использованием нанодисперсного порошка, полученнго из гидротермальных источников и отсева дробления кварцитопесчаника, обогащенного Шебекинским песком для производства высококачественного бетона. Установлено, что количество песка Щебекинского карьера для повышения плотности упаковки зерен отсева дробления гранита составляет 45 % от массы отсева.

2. С целью управления структурообразованием бетона, технологией его производства и регулированием свойств использовали: композиционное вяжущее с использованием НДП; комплексные модификаторы структуры и свойств, включающие в себя различные химические модификаторы; минеральное сырье заполнителей, обеспечивающее получение экономичных и долговечных бетонов.

3. Предложен состав композиционного вяжущего с использованием нанодисперсного порошка с обеспечением предела прочности при сжатии до 120,8 МПа.

4. Разработаны мелкозернистые фибробетоны на композиционном вяжущем с использованием НДП и песка для монолитного строительства с пределом прочности при сжатии до 169,6 МПа, прочностью на изгиб 21,6 МПа и морозостойкостью Р700.

5. Полученные результаты и основанные на них рекомендации позволяют повысить надежность и экономичность бетонов для монолитного строительства. Они могут быть использованы в учебном процессе в дисциплинах строительного профиля.

6. Обеспечено внедрение научных результатов разработанными нормативными документами: стандарт организации «Фибробетоны для монолитного строительства с использованием нанодисперсного порошка, полученного из гидротермальных источников».

7. Экономическая эффективность применения мелкозернистых бетонов обусловлена в снижении себестоимости смеси более по сравнению с традиционно-использованным материалом. Применение высококачественного мелкозернистого фибробетона будет способствовать не только удешевлению монолитного возведения зданий и сооружений, но и сокращению сроков их устройства.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Клюев, С. В. Фибробетон для каркасного строительства / С. В. Клюев, О. В. Ивашова (О. В. Казлитина) // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы областной научно-практической конференции, Белгород, 22 декабря 2010 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. З.-С. 103.

2. Классификация стальных фибр для дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов / Р. В. Лесовик, С. В. Клюев, К. С. Ракитченко, О. В. Ивашова (О. В. Казлитина) // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: сб. мат. 68-ой Всероссийской научно-технической конференции, Самара, 11-15 апр. 2011 г. / Самарский гос. арх.-строит. ун-т. - Самара, 2011. - С.493 -495.

3. Ивашова, О. В. (Казлитина О. В.) Сборные элементы конструкций на основе дисперсно-армированного мелкозернистого бетона / О. В. Ивашова, Л. Ю. Пириева, А. В. Клюев // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: сб. мат. 68-ой Всероссийской научно-технической конференции, Самара, 11-15 апр. 2011 г. - Самарский гос. арх.-строит. ун-т. - Самара, 2011. -С. 499-501.

4. Ивашова, О. В. (Казлитина О. В.) Композиционные вяжущие для монолитного бетона / О. В. Ивашова, А. В. Савин, С. А. Казлитин // Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения): Междун. науч,-практ. конф., Белгород, 11-12 окт. 2011г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. Ч. 1. -С. 107-109.

5. Ивашова, О. В. (Казлитина О. В.) Фибробетон для строительства, ремонта и реконструкции зданий и сооружений / О. В. Ивашова // Международная научно-техническая конференция молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова, Белгород 2011. - С. 58 - 61.

6. Сопин, Д. М. Предпосылки использования высококачественного бетона в строительстве / Д. М. Сопин, О. В. Ивашова (О. В. Казлитина), А. В. Волобуев // Международная научно-техническая конференция молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова, Белгород 2011. - С. 84 - 86.

7. Лесовик, В. С. Повышение эффективности вяжущих за счет использования наномодификаторов / В. С. Лесовик, В. В. Потапов, Н. И. Алфимова, О. В. Ивашова // Строительные материалы. - 2011. - №12. - С. 60 -62.

8. Лесовик, В. С. Наномодификатор из гидротермальных источников для бетона / В. С. Лесовик, В. В. Потапов, О. В. Ивашова (О. В. Казлитина) // Дни

науки - 2012: Материалы VII] Международной научно-практ. конфер., Чехия, Прага, 2012,- С. 28-30.

9. Ивашова, О. В. (Казлитина О. В.) Фибробетон для каркасно-монолитного строительства с использованием промышленных отходов / О. В. Ивашова // Международная молодежная конференция 12 - 13 сентября «Экологические проблемы горнопромышленных регионов», г. Казань. — 2012. — С. 68 - 70.

10. Микроструктура продуктов гидратации цемента, содержащего отходы флотацинного обогащения железных руд / Н. А. Шаповалов, Л. X. Загороднюк, А. Ю. Щекина, М. С. Агеева, О. В. Ивашова (О. В. Казлитина) // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2013. - №5. - С. 57 - 63.

11. Клюев, С. В. Фибробетон для монолитного строительства с использованием нанодисперсного модификатора / С. В. Клюев, О. В. Ивашова (О. В. Казлитина) // Международная научная конференция «Эффективные композиты для архитектурной геоники», Белгород, 18—19 сентября 2013 г. - С. 74 - 76.

12. Ивашова, О. В. (Казлитина О. В.) Применение фибробетона на композиционном вяжущем для создания малых архитектурных форм / О. В. Ивашова // Международная научная конференция «Эффективные композиты для архитектурной геоники», Белгород, 18-19 сентября 2013 г. - С. 62-65.

13. Ноу-хау № 20130036. Фибробетон для монолитного строительства на основе нанодисперсного модификатора / Клюев С. В., Клюев А. В., О. В. Ивашова (О. В. Казлитина); Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгор.гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. Дата регистр. 04/09/2013. Срок охраны сведений: 5 лет.

Автор выражает огромную благодарность заведующему лабораторией "Химии кремнезема в гидротермальных процессах" НИГТЦ ДВО РАН, доктору технических наук, профессору Потапову Вадиму Владимировичу за активное участие и консультации в подготовке и обсуждении результатов работы!

Казлитина Ольга Викторовна

ФИБРОБЕТОН ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.11.2013 / Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ № ЬЪН

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете

им. В. Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Белгородский государственный технологический университет

имени В. Г. Шухова

На правах рукописи

04201455556

КАЗЛИТИНА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА

ФИБРОБЕТОН ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Лесовик Валерий Станиславович

Белгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОНОЛИТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ 9

1.1. Типы строительства 9

1.2. Материалы, применяемые для каркаса 18

1.3. Повышение эффективности композитов для монолитного строительства 26

1.4. Нанодисперсные материалы для оптимизации цементного камня 29

1.5. Фибробетон 32

1.6. Выводы 35

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ 37

2.1. Методика исследований 3 7

2.1.1. Исследование морфологических особенностей микроструктуры с помощью РЭМ 37

2.1.2. Рентгенофазовый анализ 3 8

2.1.3. Ультразвуковая установка 47

2.1.4. Изучение свойств бетонных смесей 50

2.1.5. Определение призменной прочности и модуля упругости и коэффициента Пуассона 52

2.2. Применяемые материалы 57

2.2.1. Заполнитель 57

2.2.2. Вяжущее 57

2.2.3. Вода 59

2.2.4. Стальная и полипропиленовая фибры 59

2.3. Выводы 60

3. НАНОМОДИФИКАТОР И ЦЕМЕНТНЫЙ КАМЕНЬ 62

3.1. Характеристики гидротемральных источников 62

3.2. Методы получения нанодиспрерсного порошка из гидротермальных источников 64

3.3.Состав и свойства нанодисперсного порошка 76

3.4. Особенности формирования структуры бетона 89

3.5. Характер процесса структурообразования цементного камня с нанодисперсным порошком 97

3.6. Выводы 101

4. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА БЕТОНА ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА 103

4.1. Изучение свойств композиционного вяжущего для мелкозернистого фибробетона 105

4.2. Повышение эффективности бетона на композиционном вяжущем за счет использования мелкого заполнителя 109

4.3. Мелкозернистый бетон с дисперсным армированием 1 14

4.3.1. Свойства армирующих волокон 1 14

4.3.2. Фибробетоны 121

4.3.3. Фибробетон для монолитного строительства 126

4.4. Выводы 133

5. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 134

5.1. Разработка технической документации для внедрения полученных результатов 134

5.2. Особенности приготовления и транспортировки бетонной смеси 136

5.3. Особенности строительства с использованием монолитного фибробетона 139

5.4. Технико-экономическое обоснование проекта 140 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 146 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147 ПРИЛОЖЕНИЯ 170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

В настоящее время из всех существующих технологий возведения зданий и сооружений наиболее перспективным является монолитное строительство -способ возведения сооружений из бетона, которая позволяет в короткие сроки возводить объекты строительства практически любой этажности и формы.

Возрастающие требования, предъявляемые к современным объектам, создают необходимость применения такой методики строительства, которая дает возможность возведения зданий с разнообразными архитектурными и объемно-планировочными решениями. В условиях стесненной застройки или реконструкции в исторически сложившейся среде способ монолитного строительства является не только оптимальным, но и зачастую, единственно возможным.

В связи с активным развитием программы развития жилищного строительства в Российской Федерации, в том числе Белгородчины на рынке индивидуального жилищного строительства появилось большое разнообразие применяемых материалов для монолитного строительства. Известно, что для монолитного строительства бетоны должны обладать высокой степенью трещиностойкости, прочностью при сжатии, растяжении и изгибе, низкой усадкой, достаточной водонепроницаемостью и морозостойкостью. Для обеспечения таких свойств необходимо создание эффективных высокопрочных бетонов.

Армированный бетон является классическим сочетанием мелкозернистых бетонов с добавками различных армирующих средств - стальных, стеклянных или синтетических. Этот вид бетона называется фибробетоном и предназначается для создания особо прочных конструкций. Фибробетон, который применяется при монолитном строительстве, позволяет создавать конструкции любой сложности и конфигурации, а фибробетонные смеси значительно улучшают качество и долговечность здания.

Диссертационная работа выполнена в рамках: ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы, внутревузовских грантов «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012 - 2014 гг. и «Фибробетон с использованием нанодисперсного модификатора для каркасно-монолитного строительства» Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г.

Цель диссертационной работы.

Повышение эффективности эксплуатационных характеристик дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов с использованием нанодисперсного порошка (НДП) из гидротермальных источников вулканогенных областей для монолитного строительства.

Задачи:

- разработка составов и оптимизация структуры композиционных вяжущих с использованием нанодисперсного порошка из гидротермальных источников;

- исследование характера влияния эффективных пластификаторов и НДП на свойства композиционных вяжущих и бетонов на их основе;

- проектирование составов и изучение свойств высококачественных армированных мелкозернистых бетонов для монолитного строительства;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Внедрение результатов исследования.

Научная новизна работы.

Установлена возможность повышения эффективности композиционного вяжущего, полученного путем домола портландцемента с пластифицирующей добавкой «Полипласт ПРИМЕИУМ» в вибромельнице до удельной поверхности 600 м /кг за счет управления процессами структурообразования при синтезе цементной матрицы путем использования нанодисперсного порошка с удельной поверхностью до 160000 м2/кг, полученного из гидротермальных источников вулканогенных областей. Введение НДП в количестве 0,01% от массы вяжущего ускоряет процесс синтеза новообразований связывая выделяющие при гидратации алита СаО в гидросиликаты кальция различной основности. Оптимизируя таким

образом микроструктуру цементного камня, что позволяет получить вяжущее активностью 120 МПа.

Предложены принципы оптимизации структуры мелкозернистых бетонов на наноуровне за счет использования композиционного вяжущего и нанодисперсного порошка; на микроуровне за счет создания высокоплотной упаковки заполнителя; на макроуровне за счет введения стальной и полипропиленовой фибры. Это позволило разработать широкую номенклатуру использования мелкозернистого фибробетона для монолитного строительства с пределом прочности при сжатии до 169,6 МПа, морозостойкостью Р 700 и высокими деформативными характеристиками.

Установлен характер влияния состава вяжущего: количества нанодисперсного порошка, суперпластификатора и фибр на деформативные характеристики мелкозернистого бетона для монолитного строительства. Оптимизация структуры на нано-, и микроуровне позволила повысить призменную прочность бетона до 130 МПа. Введение стальной и полипропиленовой фибр увеличило модуль упругости бетона до 1 13 МПа.

Теоретическая и практическая значимости работы.

Теоретические положения и результаты исследований и опытно-практическое внедрение использовались в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106.65 «Производство строительных материалов, изделии и конструкций»; бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство», магистров по направлению 270800.68 «Строительство» магистерской программы «Технология производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Инновации и трансфер технологии».

Предложены составы композиционных вяжущих на основе портландцемента, пластифицирующей добавки и нанодисперсного порошка с обеспечением активности вяжущего 120 МПа.

Разработаны мелкозернистые фибробетоны с использованием композиционных вяжущих, отсева дробления кварцитопесчаника и песка, для

монолитного строительства с пределом прочности при сжатии до 169,6 МПа, прочностью на изгиб до 21,6 МПа и морозостойкостью Р 700.

Полученные результаты и основанные на них рекомендации позволяют повысить надежность, долговечность и экономичность зданий и сооружений.

Положения, выносимые на защиту:

- причины повышения эффективности комплексных вяжущих за счет использования нанодисперсного порошка;

механизм влияния нанодисперсного порошка из гидротермальных источников на физико-механические свойства и структуру композиционного вяжущего;

- принципы проектирования мелкозернистых бетонов для монолитного строительства зданий;

вопросы оптимального дисперсного армирования стальной и полипропиленовой фиброй мелкозернистого бетона;

- результаты экспериментально-теоретических исследований влияния нанодисперсного порошка на состав, свойства и микроструктурные особенности фибробетона для монолитного строительства;

технико-экономическое обоснование и внедрение результатов исследований.

Степень достоверности.

О достоверности результатов диссертационного исследования свидетельствует большой объем экспериментального материала, использование современных методов исследований и высокоточных приборов, статистическая обработка результатов текущих измерений, подтверждение теоретических предпосылок результатами лабораторных исследований.

Апробация результатов исследований.

Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы доложены на Областной научно-практической конференции (г. Белгород, 2010 г.) «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее»; 68-ой Всероссийской научно-технической конференции, (г. Самара, 2011 г.) «Традиции и инновации в

строительстве и архитектуре»;; на Международной научно-технической конференции молодых учёных БГТУ им. В.Г. Шухова (г. Белгород, 201 1 г.); на Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения), БГТУ им. В.Г. Шухова (г. Белгород, 201 1 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Дни науки - 2012» (Чехия, Прага); на Конференции «Экологические проблемы горнопромышленных регионов» (г. Казань, 2012 г.); на Международной научной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» 18-19 сентября 2013 (г. Белгород).

Публикации.

Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в тринадцати научных публикациях, в том числе, в двух статьях ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых для публикации по диссертационным исследованиям. Зарегистрировано ноу-хау № 20130036.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 36 рисунков и фотографии, списка литературы из 240 наименований, 6 приложений.

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОНОЛИТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВ!

1.1 Типы строительства

Строительство представляет собой целый комплекс строительно-монтажных работ по возведению зданий и сооружений производственною и непроизводственного назначения. В зависимости от назначения строительство делят на следующие типы:

1) промышленное строительство, направлено на сооружение и ввод новых площадей, а также на расширение действующих производственных площадей;

2) жилищно-гражданское строительство охватывает все виды работ по возведению жилых, общественных, торговых, лечебных и других зданий и сооружений, независимо от вида собственности и принадлежности;

3) транспортное строительство предусматривает сооружение новых и реконструкцию действующих автомобильных, железнодорожных, авиационных или водных магистралей, а также трубопроводных магистралей;

Рисунок 1.1— Виды строительства

4) гидротехническое строительство осуществляет возведение водоемов и каналов, дамб и плотин, а также других гидротехнических сооружений, связанных с эксплуатацией водных ресурсов страны и рыбоводческих объектов;

5) сельское строительство направлено на возведение новых и реконструкцию старых объектов сельскохозяйственной и животноводческой деятельности, а также на строительство жилья, культурно-бытовых комплексов, расположенных в сельской местности.

В современном строительстве используются все виды как традиционных, так и новых материалов и технологий, направленные на повышение качества работ, сокращение сроков строительства, улучшение эксплуатационных качеств возводимых сооружений. Материалы и технологии, используемые в современном строительстве, должны отвечать условиям экологической безопасности.

В жилищно-гражданском строительстве существуют следующие способы домостроения:

Рисунок 1.2 - Способы домостроения

Крупнопанельное домостроение основано на использовании предварительно изготовленных крупных железобетонных панелей и плит заводского производства при возведении крупных жилых, административных зданий общественного назначения.

*—-

Рисунок 1.3 - Панельное домостроение

Крупнопанельные конструкции - один из наиболее прогрессивных, и индустриальных типов строительства. Строительство первых опытных крупнопанельных жилых домов были осуществлены в СССР в 40 - 50-х годах. В это же время этому направлению было посвящено множество работ.

С началом массового жилищного строительства, развернувшегося в стране в 1 958 г., количество публикаций по данной проблеме заметно возросло.

Важным моментом явились исследования регионального строительства, особенностей конкретной практической деятельности отрасли.

В монографии Н. А. Калинина и А. А. Цвида нашли отражение проблемы крупнопанельного домостроения. Калинин пишет о том, как зарождалось крупнопанельное домостроение, какие трудности пришлось решать строителям в процессе овладения новой технологией строительства, А. А. Цвид сосредоточил внимание на процессе становления производственной базы крупнопанельного домостроения, возведении первых заводов по выпуску панелей.

В 1960-е гг. интерес к теме был настолько велик, что исследователи обратились к изучению зарубежного опыта строительства жилья. В 1966 г.вышла книга Б. Р. Рубаненко «Крупнопанельное строительство в странах Западной Европы». В последующие 1970-е и 1980-е г.г. основной упор в решении жилищной проблемы был сделан на строительстве крупнопанельных домов. В своей работе Б. Р. Рубаненко показал два процесса в крупнопанельном

домостроении - планировка квартир и отделка панелей, не рассматривая дру! ие аспекты.

1990-е гг. заставили исследователей давать более взвешенные оценки всему, что было сделано в годы советской власти. Показательным в этом плане является сборник статей отечественных и зарубежных ученых «Жилище в России: век XX», который вышел за границей в 1993 г., затем в России в 2001 г.

Неудачи социальной политики 1990-х гг. заставили исследователей подходить к освещению советского опыта в жилищном строительстве более объективно, без излишней негативной риторики, что отразилось в работах Ю. Л. Косенковой, Н. Б. Лебиной и А. Н. Чистикова и др.[1]. Взвешенность и объективность оценок проявилась и в диссертационных работах [2].

В современной работе А.Н. Давидюка показано, что при сложившемся уровне цен на строительные материалы и строительно-монтажные работы крупнопанельное домостроение отвечает базовым показателям себестоимости строительства социального жилья, заложенным в государственные программы по жилищному строительству [3].

Кирпичное домостроение отличается от крупнопанельного, тем. что каждый новый строительный объект может обладать индивидуальным архитектурным обликом, удивительной пластикой фасада. Основано оно на кирпичной кладке это конструкция из уложенных в определенном порядке и скрепленных между собой строительным раствором кирпичей. Но высокая трудоемкость классического кирпичного домостроения и дороговизна ручного груда повышают себестоимость такого жилья [4].

Рисунок 1.4 - Кирпичное домостроение

Деревянное домостроение - вид строительства, основанный на использовании материалов из дерева. Изделия и конструкции из дерева надёжны, долговечны и доступны в обработке, а самое главное - экологичны.

Рисунок 1.5 - Деревянное домостроение

История деревянного домостроения насчитывает несколько тысячелетий. Так, например, около знаменитого Стоунхенджа учёными было найдено в результате раскопок несколько домов из дерева [5]. В России деревянное домостроение уступило своё положение строениям из камня лишь в конце 19-го века. Однако и в начале ХХ-го века в России появлялись выдающиеся постройки, целиком сделанные из дерева. Примером может служить павильон «Махорка» архитект