автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Керамзито- и туфобетоны пониженной теплопроводности с комплексным использованием туфа

Работа выполнена в лаборатории легких бетонов НИИЖБ (г.Москва), НШ1СТР0М ВСГТУ (г.Улан-Удэ).

Научный руководитель - кандидат технических наук,

САВИН В. И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

РЕМНЕВ В.В. кандидат технических наук СТЕПАНОВА В.Ф.

Ведущая организация: ОАО "Дарханинвестстрой",г.Улан-Удэ

Защита состоится 10 декабря_ 1998 г. в _15_ час. на заседании диссертационного Совета К 064.68.02 ВосточноСибирского государственного технологического университета по адресу: 670013, г.Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 10 ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Он-

М.Е. Заяханов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Экономия тепловой и электрической энергии при производстве строительных материалов, конструкций и отоплении зданий - генеральное направление политики строительного комплекса России. Одним из путей сохранения тепловой энергии зданий в целях удовлетворения требованиям новых норм строительной теплотехники (СНиП 11-3-79*, 1995 г.) является повышение теплозащитных свойств наружных стен.

Успешное решение этой проблемы неразрывно связано со снижением средней плотности и теплопроводности легких бетонов, а также с конструированием эффективных решений стен, позволяющих существенно сократить теплопотери через наружные стены, а также расходы на отопление зданий. При этом должна учитываться комплексная оценка тепловой эффективности указанных конструкций, включающая не только эксплуатационные затраты на отопление, но и энергоемкость производства компонентов бетона, а также затраты на изготовление изделий и конструкций.

Сокращение сырьевой базы для выпуска наиболее распространенного среди легких пористых заполнителей керамзита насыпной плотностью 200-400 кг/м"1, требуемого для эффективных конструкционно-теплоизоляционных

бетонов, высокая энергоемкость его производства, а также дефицит легких пористых песков предопределяют необходимость более широкого использования природных пористых заполнителей, в частности, вулканических туфов и шлако , запасы которых в ряде регионов Российской Федерации и СНГ весьма значительны.

Практическому осуществлению поставленных задач могут способствовать исследования по комплексному использованию вулканических туфов, как в качестве пористого заполнителя в легких бетонах, так и в качестве активной минеральной добавки в смешанных вяжущих (СВ) в сочетании с химическими модификаторами структурирующего действия.

Таким образом, исследование возможности совместного использования вулканических туфов в легких бетонах и смешанных вяжущих является актуальной задачей, решение которой открывает перспективы увеличения объемов производства легких бетонов с заданными

свойствами, а также значительно расширяет сырьевую базу цементной промышленности и промышленности домостроения.

Диссертационная работа и внедрение ее результатов выполнены в рамках Государственной научно-технической программы "Стройпрогресс-2000", проекта 1.4 "Новое поколение объемных блоков из легких бетонов на основе высокоэффективных вяжущих с полной заводской отделкой, изготовляемых на высокоавтоматизированных линиях", этап 1.4.1.2 "Разработать высокоподвижные легкобетонные смеси на основе смешанного вяжущего, исследовать их реологические свойства, изучить комплекс эксплуатационных характеристик легких бетонов из этих смесей классов В 3,5 - В 5,0 на смешанном вяжущем (физические, прочностные, деформативные, защитные свойства по отношению к арматуре и др.) и разработать рекомендации по технологии, нормированию физико-механических свойств и областям применения исследованных видов бетонов."

Цель работы заключается в разработке составов и исследовании физико-технических свойств конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов с улучшенными тепло-физическими свойствами на эффективных многокомпонентных смешанных вяжущих и с использованием природных вулканических туфов как в качестве заполнителя, так и в качестве гидравлически активных компонентов вяжущих.

Автор выносит на Защиту:

- представления о природе и механизме поведения вулканических туфов в смешанных вяжущих и конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах (керамзитотуфобетоне и туфобетоне) при его комплексном использовании;

составы и технологии производства СВ пониженной теплопроводности с учетом особенностей поведения вулканических туфов в твердеющих композициях;

- составы, технологии и результаты исследований физико-механических и физико-технических свойств конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов на СВ;

- результаты опытно-промышленных проверок разработанных составов и технологию изготовления легких бетонов с комплексным использованием туфа.

Научную новизну диссертации составляют научно обоснованные предложения, позволившие создать новый вид легкого конструкционно-теплоизоляционного бетона на базе керамзитового гравия и комплексного использования туфа, отличающегося пониженными теплопроводностью и

сорбцией, повышенной морозостойкостью.

Элементами научной новизны также являются:

- результаты комплексных исследований основных физико-механических и физико-технических свойств смешанных вяжущих на основе цементного клинкера или товарного портландцемента, туфа, суперпластификатора С-3 в зависимости от состава, способа приготовления, тонкости помола и других технологических факторов;

- экспериментальные данные об особенностях твердения СВ на основе портландцемента, туфа и СП С-3;

- сведения о показателях качества легких бетонов на СВ плотной и поризованной структуры классов В3,5 - В7,5 (теплопроводность, морозостойкость, усадка, сорбционная влажность, прочность на сжатие и растяжение, предельная сжимаемость и растяжимость, ползучесть, сцепление бетона с арматурой, защитные свойства бетона по отношению к арматуре и др.) для норм проектирования.

Практическая ценность работы. Установлены составы и технологические параметры приготовления многокомпонентных цементов с добавками вулканического туфа. Определены основные физико-механические характеристики легких бетонов на СВ, необходимые для проектирования конструкций. С учетом физико-механических свойств рекомендована наиболее целесообразная область применения легких бетонов на смешанных вяжущих.

Внедрение результатов работы. Легкие бетоны пониженной теплопроводности на СВ внедрены на домостроительном комбинате ППСО "Каббалкпроектстрой" (г.Нальчик) , а также освоены на предприятиях НПК "Монолит" (г.Улан-Удэ) при производстве мелких стеновых камней.

Результаты исследований легли в основу "Рекомендаций по нормированию физико-механических и физических свойств конструкционных легких бетонов на смешанном вяжущем", НИИЖБ Госстроя СССР,М:1991.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на региональном совещании: "Пути повышения эффективности и долговечности наружных стеновых панелей в условиях Дальневосточного региона" (Хабаровск, 1989 г.), на XXII международной конференции молодых ученых и специалистов в области бетона и железобетона (Иркутск, 1990 г.), на ХХУ1 и XXIX научных конференциях преподавателей и сотрудников ВСГТУ (Улан-Удэ, 1987г. и 1990 г. ) .

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 печатных работах.

Объем диссертации. Диссертация изложена на 182 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, основных выводов, библиографического списка 137 наименований, содержит 33 рисунка, 47 таблиц и 3 приложения.

Автор выражает признательность своему руководителю, а также доктору тех .наук, профессору Путляеву И.Е. за внимание, консультации и помощь в выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана краткая аннотация работы, ее научная новизна, а также основные положения, вынесенные на защиту.

Первая глава посвящена анализу современного состояния теоретических и экспериментальных исследований конструкционно-теплоизоляционных бетонов и их теплозащитных свойств, обоснованию цели и задач исследований.

Благодаря работам Ю.М.Баженова, Г.А.Бужевича, А.И.Ваганова, Г.И.Горчакова, И.А.Иванова, Л.П.Орентли-хер, Б.Г.Скрамтаева, М.З.Симонова, Н.Я.Спивака и других отечественных и зарубежных исследователей легкий бетон получил всеобщее признание и широко применяется в современном строительстве.

Пористые заполнители оказывают доминирующее влияние на формирование структуры и свойств искусственных строительных конгломератов на основе цементных вяжущих. В то же время, при оценке эксплуатационных свойств легких бетонов особое внимание следует уделять капиллярно-пористой структуре цементного камня, определяющей гидро- и теплофизические свойства бетона.

На основе проведенного анализа отмечается, что актуальной задачей дальнейшего совершенствования технологии конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов является снижение их теплопроводности. Как показывают исследования В.С.Грызлова, Г.В.Геммерлинга, Л.Б.Циммер-маниса, В.В.Ремнева, Н.Я.Спивака, В.Н.Ярмаковского и других, наибольшей теплопроводностью из всех составляющих легкого бетона обладает цементный камень. Так, величина коэффициента теплопроводности (А,) портланд-

цементного камня составляет 0,515-0,535 Вт/(м°С), а величина X пористых заполнителей - 0,04-0,18 Вт/(м°С) . В этих же работах показано, что замена портландцемента шлакопортландцементом, части цемента гидравлически активной минеральной тонкомолотой добавкой доменного шлака или отходом метизного производства в виде тонкодисперсного шлама позволяет на 5-15 % сократить требуемый расход цемента.

В последние годы в нашей стране разработаны принципиально новые виды вяжущих - вяжущие низкой водопотребности (ВНВ), основанные на тонком измельчении товарных портландцементов с дополнительным вводом минеральных добавок и суперпластификаторов. Анализ работ В.Г. Батракова, Ш.Т. Бабаева, A.B. Волженского, Л.А. Малининой, JI.H. Попова, В.И. Саломатова, М.Кокубу, В.М. Мальхотры и других показывает, что применение ВНВ позволяет радикально снизить расход цемента при сохранении его активности либо значительно улучшить свойства бетона при сохранении расхода вяжущего.

В ряде работ отечественных и зарубежных ученых показана возможность использования пористых вулканических горных пород (туфы, пемзы, шлаки и т.д.), обладающих аморфизированной структурой и пуццоланической активностью, в качестве минеральной добавки в цементы, а также в качестве заполнителя в легких бетонах.

Поскольку эффективная эксплуатация легкого бетона во многом определяется его структурой, гидро- и тепло-физическими свойствами, то при использовании пористых заполнителей улучшение этих свойств необходимо обеспечивать модификаторами структурирующего действия.

Исходя из вышеизложенного была сформулирована рабочая гипотеза, согласно которой комплексное использование пористых заполнителей с максимально аморфизированной структурой как в качестве макрокомпонентов легких бетонов, так и в качестве компонентов смешанных вяжущих, позволяет улучшить теплофизические характеристики бетонов за счет пониженной теплопроводности цементного камня, а также прочностные и деформативные свойства бетонов за счет совместимости элементов микро- и макроструктуры легких бетонов.

Во второй главе дается характеристика применяемых материалов, приборов и оборудования, методов изготов-ения и испытания опытных образцов, обосновывается выбор

методики проведения экспериментов.

Для проверки вышеизложенной гипотезы в качестве компонентов смешанных вяжущих были использованы туф Каменского месторождения КБАССР и сухой пластификатор С—3 Новомосковского ПО "Оргсинтез". В отдельных экспериментах по рекомендации НИИцемента вместо С-3 использовалась комплексная добавка (ЛСТМ-2 + Иа2304) . Вяжущими веществами служили портландцемент с минеральными добавками (до 20%) Карачаево-Черкесского цементного завода (далее ПЦ-Д20) с марочной активностью 40 МПа, бездобавочный цемент (ПЦ-ДО) с активностью 50 МПа, получаемый в лабораторных условиях на основе клинкера и гипсового камня Подольского завода (далее ПЦ-ДО). При определении активности цементов и вяжущих на их основе применялся нормальный Вольский песок.

В качестве крупного заполнителя легких бетонов применялись керамзитовый гравий Лианозовского завода фракции 5-20 мм марок по насыпной плотности 350,500 и 700, а также щебень из туфов Каменского месторождения Кабардино-Балкарии марки 700. Мелким заполнителем был песок из туфов того же месторождения насыпной плотностью 1000-1100 кг/м3. Вулканические туфы Каменского месторождения представляют собой пористые стекловатые породы, характеризующиеся дацитлипаритовым составом. Основной фазой этих пород является алюмосиликатное щелочное стекло, содержание которого в туфах достигает 80%. Активность туфа по отношению к СаО достигает 35 мг/г, что свидетельствует о его пуццоланической активности. Содержание растворимого кремнезема (БЮг) в туфе достигает 224 ммоль/л, что свидетельствует о его повышенной реакционной способности. Цемент, крупный и мелкий заполнитель и вода, принятые для приготовления СВ, растворов и бетонных смесей, удовлетворяют требованиям ГОСТ. Для поризации легкобетонных смесей использовались воздухововлекакяцая добавка СДО (смола древесная омыленная по ТУ 13-05-02-83) и вязкая пена на основе СДО и извести, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 9179-77,

Исследование материалов, образцов вяжущего,

растворов и бетонных смесей, а также легких бетонов проводили с привлечением стандартных методик.

В третьей главе рассматриваются технология приготовления и разработка составов смешанных вяжущих.

С целью установления размалываемости клинкера, цемента и туфа были проведены предварительные опыты, на основании которых были установлены последовательность загрузки компонентов и продолжительность их помола. Оптимальной принята минимальная продолжительность помола, при которой достигалась максимальная активность вяжущего без существенного возрастания активности при дальнейшем помоле.

Помол вяжущих на основе портландцемента ПЦ-Д20, содержащего 20% доменного шлака, проводили в вибрационной мельнице СВМх0,4 с производительностью 130 кг/час.

Оптимизация составов и исследования свойств СВ на основе ПЦ-Д20 проводились с применением центрального композиционного ротатабельного планирования эксперимента. Было исследовано воздействие двух факторов -содержания цемента в смешанном вяжущем Ц/(Ц+Т) и расхода СП С-3 в % от массы цемента, на свойства цементного камня и растворов.

Условия планирования эксперимента даны в таблице 1.

Таблица 1

Технологические факторы Код Основной уровень Хо Интервал варьирования Уровни варьирования перемзнных

-1,41 -1,0 0 +1,0 +1,41

1.Доля цемента

в смешанном

вяжущем Ц/ (Ц+Т) XI 0,7 0,21 0,4 0,44 0,7 0,81 1,0

2.Содержание С-3

в % от массы

цемента Х2 0,5 0,35 0 0,15 0,5 0,85 1,0

Параметрами оптимизации состава вяжущих являлись: тонкость помола вяжущих (Зуд, см2/г); нормальная густота цементного теста (Н.Г.,%); предел прочности при сжатии цементного камня после пропаривания (НсЖ.п" ,МПа) , а также через 3,7 и 28 суток нормального твердения; то же при изгибе (К и П,И и 3, И „ 7,Н и 28,МПа) ;

Полученные уравнения представлены ниже: Эуд =бб22-828-Х1+18 8-Х2-140-Х1г+232-Хг2-220-ХгХ2; Н.Г.=25, 58-3, 2-Х!-2,б-Х2+0, 2-Х/+0, 45-Х/+0, 12-ХгХ2; Ксж.1п=4б, 5+9-Х1+4-Х2-1, 9-Х!г-2, 2-Х22-1-ХгХ2; И сж 28.=56+11, 5-Х1+1,8-Х2-б, 1-Х12-2-Х22-3-Х1-Х2; Ки 1п =7,81-1,37-Х1+0,94-Х2-0,64-Х12-0,59-Х2г+0,01-ХгХ2;

К„гв = 7,18+0,91-Х1+0,16-Х2-0,06-Х12+0,19-Хгг+0,25-ХгХ2; Графическая интерпретация некоторых уравнений дана на рис.1.

Рис.1. Влияние доли цемента ПЦ-Д20 и расхода С-3 в смешанном вяжущем на: а) нормальную густоту цементного теста,%; б) прочность цементного камня при сжатии И а28, МПа.

Анализ уравнений регрессии позволяет сделать вывод о том, что более существенное влияние на свойства вяжущего оказывает первый фактор - содержание цемента в СВ. Об этом свидетельствует превышение коэффициентов при первом переменном Х1 над коэффициентами при Х2. Вяжущее, содержащее 90% ПЦ-Д20, 10% туфа при расходе С-3 в интервале 0,1...0,7% от массы цемента, имеет наибольшую марочную активность - 60...61 МПа. При отношении Ц/(Ц+Т)=0,5, т.е. при замене 50% цемента туфом и при расходе СП С-3 0,67...1% активность вяжущего достигает 40 МПа, что соответствует активности исходного немолотого цемента. Анализируя представленные уравнения регрессии, а также их графические интерпретации, можно выделить составы СВ марок 300,400,500,600 с оптимальным содержанием туфа и СП С-3. Для дальнейших исследований был выбран по ряду критериев состав

Рис.1а

Рис.16

вяжущего марки 400, имеющий максимальное содержание туфа - 50 % и наименьшую нормальную густоту цементного теста - 26% при расходе С-3, равном 1%. Некоторые физико-технические характеристики выбранного состава приведены в табл.3.

Аналогичный эксперимент был проведен для подбора состава СВ на основе клинкера и гипса Подольского цементного завода (ПЦ-ДО). С учетом результатов предыдущего эксперимента интервал варьирования расхода С-3 в составе СВ был расширен от 0 до 2% от массы клинкерного цемента.

Условия планирования экс!, ¿гримента даны в таблице 2.

Таблица 2

Технологические факторы Код Основной уровень Хо Интервал варьирования Уровни варьирования переменных

-1,41 -1,0 0 +1,0 +1,41

1. Доля цемента

в смешанном

вяжущем Ц/(Ц+Т) Хг 0,7 0,21 0,4 0,44 0,7 0,81 1,0

2.Содержание С-3

в % от массы

цемента Х2 1,0 0,7 0 0,3 1,0 1,7 2,0

Параметрами оптимизации состава вяжущих являлись следующие свойства цементного камня: средняя плотность в сухом состоянии (рсц.к., кг/м3) , предел прочности при сжатии после пропаривания (^."^МПа) и через 3,7,28 сут нормального твердения; при изгибе (Я и п, Я и 3, Я и 7, Г? и 2В) . С целью выбора составов вяжущих, проявляющих наилучшие теплофизические свойства в условиях эксплуатационной влажности, определены теплопроводность цементного камня в сухом состоянии (Хсц.к/Вт/м°С), приращение теплопроводности на 1% влажности {АХ,Вт/м°С) ; сорбционное увлажне ние (С1 и С2,% по массе) соответственно при относительной влажности окружающего воздуха ф1 =90%, ср2 =97%. Некоторые полученные уравнения представлены ниже: Н. Г. = 22, 24-4, 39-Х1-2, 08-Х2+0, 55-ХГ+1, 05-Х22+0, 625-ХгХ2; Р\.к.= 1810+175-Х1+44-Х2+28-Х12-30-Х22-9-ХгХ2; Я сж г8.= 46, 62+11, 74-Х1+3,9-Х2-4,63-Х12-2,85-Х2г+3,73-Х1-Х2; Я.сц.к.=0, 432+0, 017-Х1-0, 01б-Х2-0, 021-Х^+О, 003-Х22+0, 007-Х1Х2, АХ = 0,017+0,005-Х1+0, 003-Х2+0,003-Х1г-0,002-Х22- 0 , 0 0 3-Х!Х2; Сх = 0,117-0, 018-Х1-0, 001-Х2-0, 004-Х12-0, 009-Х2г+0, 009-ХаХг;

С2 = 0,183-0,029-Х1-0,004-Х2~0,007.Х12-0,013-Хг2+0,013-Х1Х2; Графические модели исследованных свойств составов СБ приведены на рис. 2.

Рис. 2а. Рис. 26 Рис. 2в

С-3, 8 от Ц Ц/(Ц+Т>

Рис. 2г. Рис. 2д Рис. 2е

Рис.2 Влияние доли цемента ПЦ-ДО и расхода С-3 в СВ на свойства цементного камня: а)прочность при сжатии; 6) среднюю плотность в сухом состоянии; в)теплопроводность в сухом состоянии; г)приращение теплопроводности на 1% влажности цементного камня; д)сорбционное увлажнение в % по массе при относительной влажности окружающего воздуха =90%; е) то же при ср2 =97%.

С помощью математической обработки результатов экспериментов были рассчитаны уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимость теплопроводности цементного камня на СВ в условиях эксплуатации от варьируемых факторов - доли цемента в СВ и расхода СП С-3:

ХА = 0, 604-0, 002-ХГ-0, 006-Х2-0, 024-Х!2-0, 012-Х22+0, 002-ХгХ2; ХБ = 0,700-0, 012-Х1-0, 002-Х2-0, 026-Х1г-0, 018-Х22-0, 002-ХгХ2; Графические модели теплопроводности даны на рис. 3.

с-г.ъ от ц

2

0,4 0,6 0,6 0,7 0,В 0,9 1 Ц/Щ+Т)

0,4 0,5 0,6 0,1 0,8 0,9

Ц/ (Ц+Т)

й 1,15 \ -г, 05 ^ О, 95 W.0,85 V.0,75 - -0,65

,Вт/мО

Рис. За

Рис. 36

Рис >3 . Влияние доли цемента и расхода С-3 в СВ на: а) теплопроводность цементного камня в условиях А по СниП 11-3-79* (при ф =90%); б) то же в условиях Б(ср =97%).

Анализ результатов показывает, что увеличение

снижением нормальной густоты цементного теста и повышением активности вяжущего. При этом влияние доли цемента более значимо, чем влияние С-3.

Влияние варьируемых факторов на теплопроводность и сорбционное увлажнение имело несколько иной характер. При снижении доли цемента в вяжущем теплопроводность снижается, а сорбционное увлажнение повышается. Установлено, что введение в состав вяжущего до 60% туфа позволяет снизить теплопроводность цементного камня в сухом состоянии с 0,537 до 0,4 Вт/(м-°С) , т.е. на 34 %. В то же время сорбционное увлажнение цементного камня при относительной влажности окружающей среды ф = 90% и 97%, что соответствует условиям эксплуатации А и Б, возрастает соответственно с 10,2% до 13,7% и с 16,2% до 21,5%. Приращение теплопроводности ДЯ.Ц.К, на 1% влажности снижается с 0,016 [Вт/ (м-°С)]/% до 0,008 при Ц/(Ц+Т), равном 0,7, а при дальнейшем увеличении содержания туфа в составе СВ увеличивается до 0,013 [Вт/(м-°С) ]/%. Введение в состав СВ суперпластификаюра позволяет существенно снизить теплопроводность цементного камня в сухом состоянии в составах с высоким содержанием ПЦ-ДО, т.е. при Ц/(Ц+Т)>0,7, а прОи максимальных содержаниях

содержания цемента и С-3 в вяжущих сопровождается

туфа (40...50%) несколько повышает ее. Наибольшую зависимость от увеличения содержания С-3 от 0 до 2% имеет приращение теплопроводности на 1% влажности цементного камня при Ц/ (Ц+Т)=0,8...1,0: оно возрастает с 0,01...0,016 до 0,023.-0, 037 [Вт/(м-°С)]/%, т.е. в 2,3 раза. В составах СВ с высоким содержанием туфа (Ц/(Ц+Т)= 0,4...0,7) увеличение расхода С-3 почти не влияет на этот показатель. Максимальные значения приращения теплопроводности не превышают 0, 015.„О, 017 [Вт/(м-°С) ]/%. Это свидетельствует о том, что оптимальное сочетание вводимых в состав цемента добавок (туфа и СП С-3) находится в указанном факторном пространстве.

Характер изменения сорбционных свойств цементного камня при относительной влажности воздуха 90% и 97% одинаков и свидетельствует об определяющей роли содержания туфа в вяжущем. Независимо от расхода С-3 сорбционная влажность цементного камня при снижении отношения Ц/(Ц+Т) от 1 до 0,4 возрастает в 1,3...1,9 раз, достигая 12,5...15%. При этом увеличение расхода С-3 до 0,8...1,2% снижает сорбционную способность для всех цементно-туфовых сочетаний на 10...30%. Дальнейшее увеличение расхода С-3 влечет за собой рост сорбционной влажности, т.е. наиболее целесообразным является содержание С-3 в пределах 0,8-1,2% от массы цемента.

Наиболее показательный эффект сочетания добавок туфа и суперпластификатора в вяжущих на основе ПЦ-Д0 наблюдается при анализе зависимости теплопроводности цементного камня при эксплуатационных уровнях влажности от варьируемых факторов. Поскольку коэффициент теплопроводности материалов эксплуатационной влажности определяется формулой

X = Ха + ДХ-С, Бт/м°С, то за счет пониженных коэффициентов теплопроводности цементного камня в сухом состоянии Ха и приращения теплопроводности на 1% влажности АХ можно получить вяжущие, обеспечивающие существенно сниженный уровень теплопроводности цементного камня в условиях эксплуатации. Так, введение туфа в количестве 25...50% от массы цементно-туфовой композиции позволяет снизить коэффициент теплопроводности X с 0,82-0,86 до 0,56-0,59 Вт/м°С в условиях А, и с 1,0-1,11 до 0,67-0,75 Вт/м°С в условиях Б, т.е. на 30-33 % в обоих случаях. Оптимальные расходы туфа и С-3 по критериям активности и теплопроводности

соответствуют значениям Х1=-0,5 и Х2=0, т.е. составу вяжущего на основе ПЦ-ДО, содержащего 40% туфа,1% от массы цемента порошкообразного суперпластификатора С-3, и обеспечивающего марку вяжущего 400.

Результаты исследований физико-механических и теплофизических свойств смешанных вяжущих

удовлетворительно согласуются с результатами физико-химических исследований структуры цементного камня.

На основании обобщения и анализа экспериментальных данных для дальнейших исследований были выбраны составы СБ на основе портландцемента с минеральными добавками Карачаево-Черкесского цементного завода (ПЦ-Д20) и клинкерного цемента Подольского завода (ПЦ-ДО).

Основные строительно-технические свойства СВ по сравнению с базовыми (цемент Карачаево-Черкесского завода - состав 1, и бездобавочный цемент на основе клинкера Подольского завода - состав 2) приведены в табл.3.

Таблица 3

Наименование показателей, единицы измерений Контрольнью составы Предлагаемые составы

СВ-50 на ПЦ-Д20 СВ-60 на ПЦ-ДО

1 2

1. Истинная плотность. 3,09 - 3,12 -

кг/м3 3,12 3,19 2,8-2,85 2,8-2,9

2. Тонкость помола:

-остаток на сите №008, % 6,4 9,4 4,9 11,2

-удельная поверхность,см2/г 3700 3700 5100 4800

3. Нормальная густота

цементного теста, % 24-25 21-22 26-27 23-24

4. Сроки схватывания,

ч-мин: - начало 3-00 1-40 2-40 1-20

- конец 4-30 3-10 4-10 3-20

5. Предел прочности после

пропаривания, Мпа 27,3 33,1 31 28,2

6. Предел прочности при

сжатии, МПа: - 3 сут. 22,4 27,1 13,2 16,0

- 7 сут. 28,9 36,7 23,0 23,1

- 28 сут. 39,9 46,2 40,8 39,3

6. Марка вяжущего по ГОСТ

10178-85 400 400 400 400

С помощью термического анализа выявлено и при электронно-микроскопических исследованиях подтверждено,

что при химическом взаимодействии туфа с продуктами гидратации цемента в присутствии С-3 образуется повышенное количество мелкодисперсных гидросиликатов и гидроалюминатов, которые оказывают модифицирующее влияние на поровую структуру цементного камня. Это происходит на фоне снижения содержания гидроокиси кальция, крупные кристаллы которого снижают прочность цементного камня. Суперпластификатор С-3,принципиально не изменяя состав новообразований, также оказывает модифицирующее влияние: структура гидросиликатной массы становится более плотной и однородной за счет увеличения абсолютного объема новообразований, возрастает доля пор с размерами до 1000 ангстрем.

В четвертой главе приведены результаты исследований по подбору составов керамзито- и туфобетонов плотной и поризованной структуры. Подбор составов бетонов осуществляли расчетно-экспериментальным способом. В качестве вяжущих использовали цемент ПЦ-Д20 и на СВ на основе ПЦ-Д20, характеристики которых указаны в табл.2. Дозирование вяжущего и воды производили по массе, а крупного, мелкого заполнителя, СДО и вязкой пены - по объему с контролем массы. При поризации бетонной смеси использовали раствор СДО либо вязкую пену. Вязкую пену приготавливали из смеси 10-процентного раствора СДО и 7-процентного раствора извести в соотношении 1:1 по объему в турбулентном смесителе С-868Б (СБ-43Б).

Расходы заполнителей и воздухововлекающих добавок в бетонах на ПЦ и СВ для сравнения эффективности вяжущих были приняты одинаковыми. Как показали опыты, смешанные вяжущие оказывают водоредуцирующее и пластифицирующее влияние на легкобетонные смеси. Расход воды для достижения одинаковой удобоукладываемости туфобетонной смеси на СВ понижается на 5-7 %, а керамзитотуфобетонной смеси - на 12-18 %. Замена в вяжущем 50% цемента туфом практически не приводит к. увеличению водопотребности равноподвижных бетонных смесей. В ходе исследований было установлено, что несмотря на двукратное уменьшение клинкерной составляющей, прочностные характеристики бетонов поризованной структуры практически не уступают характеристикам бетонов на основе ПЦ-Д20. В бетонах плотной структуры при использовании СВ выявлено 'снижение прочности на 10...25%. Основные характеристики некоторых составов

легких бетонов плотной структуры и поризованных разными способами, приведены в табл.4.

_ _Таблица 4

и £ и >> о. О Вид бетона Вяжущее В/Ц Средняя плотность в сухсм состоянии, кг/м3 Прочность после 28сут норм.твердения, МПа

Вид Расход, Кг/м5

Плотная 1. Туфобетон 2. Керамзито-туфобетон Щ CS г; СВ 140 140 140 140 2,8 2,8 1,7 1,7 1340 1330 1000 1060 4,9 4,0 7Д 6,4

З.Керамзито- пц 260 0,6 1160 9,0

пенобетон СВ 230 0,6 1220 10,0

я 4.Туфопено- пц 340 0,8 1220 8,2

о П бетон СВ 320 0,6 1250 8,2

f 5. Керамзитобе- пц 235 0,8 1260 14,5

с тон (СДОО,6%) СВ 235 0,8 1230 18,0

В результате анализа результатов подбора составов легких бетонов классов по прочности В 3,5 - В 10 установлено, что использование смешанных вяжущих в них достаточно эффективно и более целесообразно в поризованных бетонах.

Оценка влияния керамзитового гравия и туфового щебня на прочностные свойства бетонов, имеющих сопоставимую структуру, то есть одинаковые значения объемной концентрации цементного камня в бетоне, выявила, что керамзитовый гравий обеспечивает более высокую прочность, чем равнопрочный туфовый щебень ввиду меньшей водопотребности зерен гравия.

Вязкая пена, в отличие от СДО, обеспечивает более высокую степень поризации и меньшее замедление скорости твердения бетона. Это объясняется тем, что регулирование дисперсности и стабильности воздушных пузырьков, вводимых в бетонные смеси, осуществляется на стадии генерирования пены. Поризация бетонов вязкой пеной позволяет полностью исключить применение пористого песка. При этом использование смешанных вяжущих, имеющих повышенную удельную поверхность, способствует стабилизации и экранированию воздушных пузырьков.

Пэтсая глава диссертационной работы посвящена исследованию физико-технических и физико-механических свойств легких бетонов (керамзитотуфобетона и туфобетона) на СВ. Производилось определение этих характеристик легких бетонов и на контрольных составах бетонов на исходных цементах ПЦ-ДО и ПЦ-Д20.

Получены данные по прочности и деформативным характеристикам керамзито- и туфобетонов классов В 3,5 - В 7,5 на СВ, необходимые для расчета и проектирования конструкций, которые представлены в табл. 5.

Таблица 5

Наименование и характеристика бетона Е д. изм Класс бетона по прочности на сжата®

В 3,5 В 5 В 7,5 В 10

1. Средняя плотность в Кг/м3

сухом состоянии:

- керамзитобетон 800-1000 900-1100 1000-1200 1000-1200

- туфобетон 1100-1300 1200-1400 1300-1500 1300-1500

2. Средняя прочность

бетона данного класса Цз, МПа 4,6 6,6 9,8 13,1

З.Призменная прочность Г^р

- керамзитобетон МПа 2,7 3,5 5,5 7,5

- туфобетон 2,7 3,5 5,5 7,5

4. Модуль упругости при

сжатии Ев-10"3:

- керамзитобетон 4,5-5,5 5,7-7,0 7,2-8,7 8-9,5

- туфобетон 3,3-4,3 4,6-5,7 6,2-7,6 7-8,5

5. Сопротивление при

осевом растяжении К :

- керамзитобетон МПа 0,39 0,55 0,7 0,85

- туфобетон 0,39 0,55 0,7 0,85

б. Влажность бетона по

¡чиссе после пропариваиия:

- керамзитобетон % 10 11 12 12

- туфобетон 12 13 14 14

7. Морозостойкость:

- керамзитобетон цикл 25 35 50 50

- туфобетон 15 25 35 50

Сопоставление данных табл. 5 с характеристиками нормируемыми СниП 2.03.01-84 и контрольными составами позволило выявить следующее: - значения коэффициентов призменной прочности отличаются от принятых для легких

бетонов равной прочности по СниП и равны: 0,75 - для керамзитотуфо^-бетона плотной и поризованной структуры; 0,79 - для туфобетона плотной и поризованной структуры;- начальный модуль упругости при сжатии и растяжении ниже нормируемых по СниП для бетонов равной прочности и средней плотности в среднем на 5-10 % для керамзито-туфобетона плотной и поризованной структуры; 35-4 5 % - для туфобетона плотной и поризованной структуры;

Начальный модуль упругости туфобетона плотной и поризованной структуры описывается уравнением: Ев= 2750-р6-?л/р£, МПа; относительная предельная сжимаемость керамзитотуфо-бетона находится в пределах 0,14-0,16 мм/м; величина усадки легких бетонов на смешанных вяжущих в 1,3-1,5 раза выше, чем у аналогичных составов бетонов на портландцементе и достигает 0,4...0,57 мм/м у бетонов плотной структуры и 0,3...1,3 мм/м у поризованных легких бетонов;

- сцепление арматуры с легкими бетонами на СВ на 5-15 % ниже по сравнению с обычными бетонами. Соответственно этому, требования по анкеровке арматуры в данных видах бетона должны быть более жесткими по сравнению с положениями СНиП 2.03.01-84.

При исследовании теплофизических свойств керамзито- и туфобетонов было выявлено, что замена цемента в бетонах на смешанное вяжущее при прочих равных условиях позволяет на 9...11% снизить теплопроводность бетона, что подтверждает выдвинутую в данной работе гипотезу о возможности снижения теплопроводности, не связанной с изменением средней плотности бетона. Отношение теплопроводности к средней плотности бетона ре,, характеризующее теплотехническую эффективность заполнителя, у туфобетона меньше, чем у керамзитобетона на 5...12%. Сорбционная влажность у туфобетонов на СВ с увеличением доли туфа в вяжущем уменьшается, что также свидетельствует об эффективности разработанных вяжущих и бетонов в натурных условиях.

В результате сравнительного анализа теплопроводности, сорбционного увлажнения, морозостойкости, пассивирующей способности легких бетонов по отношению к арматуре установлено, что комплексное использование туфа как в качестве мелкого заполнителя легких бетонов,

так и в качестве гидравлически активной минеральной добавки в сочетании с СП С-3 в смешанных вяжущих существенно улучшает их эксплуатационные характеристики: водопоглощение снижается на 10-20 %; сорбционная способность уменьшается в 1,1-1,3 раза;

- теплопроводность уменьшается на 15-20%;

- морозостойкость повышается на одну ступень.

СВ не оказывает влияний на снижение защитных свойств легких бетонов по отношению к стальной арматуре и не изменяет диффузионную проницаемость бетонов.

В шестой главе выполнено теплотехническое и технико-экономическое обоснование строительства

наружных стен из легкобетонных стеновых камней по ГОСТ 6133-84 со средней плотностью 800 кг/м3 и маркой 50 из керамзитотуфобетона на смешанном вяжущем марки 4 00. Согласно расчетов стоимость 1 м2 наружной стены по предлагаемому варианту составляет ¿03,42 РУб, что в сравнении со стоимостью стены из туфобетонных стеновых камней на обычном цементе ниже на 2 О %.

Опытно-промышленное внедрение результатов

исследований подтвердило эффективность применения СВ илегких бетонов на их основе при строительстве наружных ограждающих конструкций.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Комплексное использование туфов в качестве заполнителей в легких бетонах и тонкомолотой минеральной добавки в сочетании с СП С-3 в СВ является эффективным путем повышения теплоза.-щитных свойств наружных стен с одновременным снижением материало- и трудоемкости их производства, а также снижением расхода цемента и конечной стоимости продукции.

2.Для внедрения предложены составы СВ пониженной теплопроводности на основе цемента, туфа и СП С-3. Рекомендованные составы позволяют сократить расход ПЦ на 20-50 % в зависимости от марки требуемого вяжущего.

3.Составы СВ с добавками оптимальных количеств туфа и СП С-3 отличаются от контрольных пониженной плотностью, повышением эффективности при пропаривакии, улучшением реологических свойств цементных паст, однородности и удобоукладываемости легкобетонных смесей, теплофизических качеств цементного камня, его микро- и макроструктуры, увеличением морозостойкости легких бетонов на их основе.

4. Установлено увеличение степени гидратации как клинкерных минералов, так и туфового стекла, качественное улучшение структуры новообразований, повышение однородности цементного камня.

5. Сравнительные исследования поровой структуры позволили установить преимущества легких бетонов на СБ, с точки зрения долговечности, перед легкими бетонами на ПЦ, что подтверждено испытаниями на водопоглощение, коррозионную стойкость и морозостойкость.

6. Выявлено, что замена цемента на СВ позволяет снизить на 7-12% теплопроводность и на 8-15% сорбционнук влажность бетонов, на 10-15 % повысить термическое сопро-тивление слоя ограждающей конструкции.

7. Установлено, что улучшение гидро- и теплофизи-ческих свойств легких бетонов на СВ обусловлено следующим:

- повышением степени гидратации клинкера в результате диспергирующего действия суперпластификатора;

- увеличением абсолютного объема новообразований и формированием более плотной и однородной структуры;

снижением расхода воды затворения в результате пластифицирующего эффекта;

модифицирующим воздействием на кристаллические новообразования с образованием более мелкодисперсной структуры и изменением характера и величины пор.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Марактаев K.M., Архинчеева Н.В., Цыремпилов А. Д., Гончиков З.М., Сиденов С. А. Состояние и перспективы развития производства легких бетонов и конструкций из них из вулканических шлаков Забайкалья // Тезисы докладов Ш-й Всесоюзной конференции по легким бетонам, Ереван, 5-7 августа 1985 г, с.30.

2. Марактаев K.M., Архинчеева Н.В., Гончиков З.М. Легкий бетон из вулканического шлака." Инф. листок Бурятского ЦНТИ № 41-86,-Улан-Удэ, 1986

3. Марактаев K.M., Архинчеева Н.В., Гончиков З.М., Дамдинов Ц.Д. Пустотелый стеновой шлакоблок Г Инф. листок № 103-86 Бурятского ЦНТИ,- Улан-Удэ, 1986

4. Гончиков З.М., Лодомпилов В.Г. О перспективах освоения производства штучных стеновых изделий из природных пористых пород Бурятской АССР Л Тезисы

докладов ХХУ1 научной конференции преподавателей и сотрудников ВСТИ,- Улан-Удз, 1987

5. Савин В.И., Давидюк А.Н., Костарев В.А., Гончиков З.М. К вопросу ресурсосбережения в технологии легких бетонов // Пути повышения эффективности и долговечности наружных стеновых панелей в условиях Дальневосточного региона: Тезисы докладов регионального совещания.-Хабаровск.' ДальНИИС, 1989. - С. 22-30.

6. Гончиков З.М. Конструкционно-теплоизоляционные бетоны на сметанных вяжущих// Тезисы докладов XXIX научной конференции преподавателей и сотрудников ВСТИ," Улан-Удэ, 1990 ■.

7. Гончиков З.М. Легкие бетоны с улучшенными теплофизическими свойствами // Материалы XXIX международной конференции молодых ученых и специалистов в области бетона и железобетона. Том 1. - Иркутск, 1990.- С.41-43;

8. Савин В.И., Гончиков З.М., Широкова O.A. Конструкционно-теплоизоляционные легкие бетоны на эффективных смешанных вяжущих // Тезисы докладов республиканской конференции "Научно-технический прогресс в технологии строительных материалов"," Алма-Ата, 1990.

9. Гончиков З.М. Теплозащитные свойства легких бетонов на эффективных смешанных вяжущих// Сб. трудов преподавателей и сотрудников ВСГТУ,- Улан-Удэ, 1998

10. Урханова Л.А., Гончикова Е.В., Гончиков З.М. Вяжущие на основе отходов промышленности // Тезисы докладов YII польско-российского семинара "Теоретические основы строительства"Варшава, 1998 .-С.239-240.

Госстрой Российской Федерации Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона

( НИИЖБ )

од

- -з пс:/ <л«чо „

I ДиМ На правах рукописи

УДК 666.973.2

ГОНЧИКОВ Зоригто Михайлович

Керамэито- и туфобетоны пониженной теплопроводности с комплексным использованием туфа

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и

изделия.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ 1998

А -(. • ао ~ к я а - -/

и / { ,] J ^ / : / ^ и /

(

госстрои российской федерации научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона

-ниижб-

На правах рукописи удк 666.973.2

Гончиков Зоригто Михайлович

КЕРАМЗИТО- И ТУФОБЕТОНЫ ПОНИЖЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ С КОМПЛЕКСНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТУФА

Специальность 05.23.05.- Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -К.т.н., с.н.с. САВИН В.И.

Москва 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ ........................... 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ....... 8

1.1. Анализ опыта по применению легких бетонов ...... 8

1.2. Обзор производства и применения активных минеральных добавок в вяжущих и бетонах.............14

1.3. Выводы и постановка задач исследований........17

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ . .20

2.1. Характеристики исходных материалов ......... 2 0

2.1.1. Вяжущие ....................... 20

2.1.2. Заполнители ..................... 2 0

2.1.3. Химические добавки..................25

2.2. Методика исследований ................ 2 6

2.2.1. Свойства цементов, смешанных вяжущих и бетонов. ... 26

2.2.2. Общие методические положения, принятые при проведении экспериментов...............2 6

Глава 3. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ТУФОВ......2 8

3.1. Особенности поведения туфов в многокомпонентных вяжущих.......................2 8

3.2. Подбор составов смешанных вяжущих..........32

3.2.1. Подбор составов смешанного вяжущего на основе

бездобавочного портландцемента ........... 33

3.2.2. Подбор составов смешанных вяжущих на основе портландцемента с минеральными добавками.......4 0

3.3. Исследование процессов структурообразования смешанных вяжущих с суперпластификатором С-3.....47

3.4. Фазовый состав продуктов гидратации .........

3.5. Микроструктура'цементного камня и легких бетонов

на смешанных вяжущих.................55

Выводы по главе...................58

Глава 4. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ ЛЁГКИХ БЕТОНОВ ПОНИЖЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТУФОВ.................59

4.1. Легкие бетоны плотной структуры...........59

4.2. Легкие бетоны, поризованные вязкой пеной ...... 67

4.3. Легкие бетоны, поризованные воздухововлекающей

добавкой.......................69

Выводы по главе...................74

Глава 5. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ЛЕГКИХ БЕТОНОВ ПОНИЖЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТУФОВ.........75

5.1. Физические, гидрофизические и теплофизические свойства легких бетонов...............7 5

5.1.1. Средняя плотность..................75

5.1.2. Водопоглощение и структурные показатели.......7 8

5.1.3. Морозостойкость...................7 8

5.1.4. Теплофизические и сорбционные показатели.......84

5.2. Прочностные свойства легких бетонов

при кратковременном нагружении............92

5.2.1. Прочность кубиковая и призменная.

Коэффициент призменной прочности...........92

5.2.2. Прочность при осевом растяжении.

Предельная растяжимость...............96

5.2.3. Модуль упругости. Коэффициент Пуассона.

Предельная сжимаемость бетона............99

5.2.4. Усадка бетона ................... 107

5.2.5. Ползучесть.....................113

5.2.6. Прочность сцепления арматуры с легким бетоном . . . 113

5.3. Защитные свойства легких бетонов по отношению

к стальной арматуре ................ 117

Выводы по главе..................124

Глава 6. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 12 6 6.1 Опытное освоение производства легких бетонов

пониженной теплопроводности при комплексном

использовании туфов ............... .12 6

6.2. Технико-экономическая оценка эффективности

изготовления легких бетонов пониженной теплопроводности при комплексном использовании туфов . . 127

Выводы по главе..................134

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................136

Список использованной литературы .............. 138

Приложения:.........................148

1. Технологическая схема приготовления смешанного вяжущего . 149

2. Акты внедрения......................151

3. Рекомендации по нормированию физико-механических

и физических свойств конструкционных легких бетонов на смешанном вяжущем...................163

ВВЕДЕНИЕ

Экономия тепловой и электрической энергии при производстве строительных материалов, конструкций и отоплении зданий генеральное направление политики строительного комплекса России. Одним из путей сохранения тепловой энергии зданий в целях удовлетворения требованиям новых норм строительной теплотехники [105] является повышение теплозащитных свойств наружных стен.

Успешное решение этой проблемы неразрывно связано со снижением средней плотности и теплопроводности легких бетонов, а также с конструированием эффективных решений стен, позволяющих существенно сократить теплопотери через наружные стены, а также расходы на отопление зданий. При этом должна учитываться комплексная оценка тепловой эффективности указанных конструкций, включающая не только эксплуатационные затраты на отопление, но и энергоемкость производства компонентов бетона, а также затраты на изготовление изделий и конструкций.

Сокращение сырьевой базы для выпуска наиболее распространенного среди легких пористых заполнителей керамзита насыпной плотностью 2 00-4 00 кг/м3, требуемого для эффективных конструкционно-теплоизоляционных бетонов, высокая энергоемкость его производства, а также дефицит легких пористых песков предопределяют необходимость более широкого использования природных пористых заполнителей, в частности, вулканических туфов и шлаков, запасы которых в ряде регионов Российской Федерации и СНГ весьма значительны.

Практическому осуществлению поставленных задач могут способствовать исследования по комплексному использованию вулканических туфов, как в качестве пористого заполнителя в легких бетонах, так и в качестве активной минеральной добавки в смешанных вяжущих (СВ) в сочетании с химическими модификаторами структурирующего действия.

Повышение эффективности производства стеновых конструкций и их качества имеет первостепенное значение особенно с ужесточением требований по экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). В связи с тем, что запасов углеводородного

топлива в России осталось всего на 100 лет, необходим переход на сторжайшую экономию топлива и сохранение его для будущих поколений [101]. В экономически развитых странах в течение последних десятилетий неоднократно повышались требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций [125].

Для удовлетворения новых требований необходимо снижение расхода ТЭР за счет рационального использования цемента, создания смешанных цементов, широкого применения химических добавок, природных пористых заполнителей, а также получение легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов с пониженной теплопроводностью.

Важной задачей современного строительства является снижение материалоемкости и массы конструкций, что позволит уменьшить энергетические и материальные затраты.

Очевидно, что поставленные задачи в области легкобетонного строительства следует решать как на базе совершенствования традиционных видов легких бетонов и технологий, так и на базе создания новых, наиболее эффективных легких бетонов, обладающих минимальной средней плотностью, при условии сохранения необходимой прочности и стоимости.

Однако снижение средней плотности легких бетонов для повышения теплофизических свойств ограждающих конструкций сдерживается из-за недостаточного объема выпуска эффективных легких заполнителей.

Удельный вес продукции с насыпной плотностью до 450 кг/м3 составил около 30%, в производстве керамзита - примерно 25%. Однако практически на том же уровне осталось производство пористых песков. Остаются высокими стоимость и расход топлива при производстве искусственных пористых заполнителей.

Приведенные данные показывают, что состояние технического прогресса в области традиционных пористых заполнителей нельзя считать удовлетворительными Для того, чтобы легкий бетон соответствовал современным требованиям строительства, необходимо более 50% пористых заполнителей производить с насыпной плотностью 200-400 кг/м3. При этом объем производства пористых песков должен составлять не менее 30%.

Крупнейшим сырьевым ресурсом для крупного и мелкого заполнителя легких бетонов являются пористые горные породы вулканического происхождения (пемзы, шлаки, туфы, пеплы). Более широкое использование этих заполнителей позволило бы снять ряд энергетических, экономических и экологических проблем, связанных с производством пористых заполнителей.

Одним из важных путей экономии и более полного использования вяжущих свойств портландцементного клинкера является производство смешанных цементов путем повторного помола цемента совместно с активными минеральными добавками.

Использование вулканических пород, имеющих низкую теплопроводность и достаточно высокую активность как в смешанных вяжущих, так и в качестве заполнителей в легких бетонах позволит в комплексе решить проблемы снижения теплопроводности бетона и рационального применения клинкерного фонда.

Цель работы заключается в разработке составов и исследовании физико-технических свойств конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов с улучшенными теплофизическими свойствами на эффективных многокомпонентных смешанных вяжущих и с использованием природных туфов как в качестве минеральных тонкомолотых добавок в портландцементе, так и мелкого заполнителя в легких бетонах.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ опыта по применению легких бетонов Одним из основных направлений в снижении расхода материальных и энергетических ресурсов при изготовлении легкобетонных конструкций является дальнейшее совершенствование конструкций наружных стеновых ограждений и технологии их производства [7,100,103,117].

Наружные стеновые панели на практике не всегда удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по теплозащите вследствие использования в легких бетонах некондиционных по плотности крупных заполнителей, тяжелых песков [74,79]. Использование кварцевого песка вызвано тем, что увеличение объема выпуска крупного легкого заполнителя не сопровождается аналогичным ростом производства мелкого. Удельный вес ежегодного выпуска пористых заполнителей с насыпной плотностью до 4 60 кг/м3 составляет около 30%, а в производстве керамзита - примерно 25%. При этом насыпная плотность керамзитового гравия в среднем по стране колеблется в пределах 500-520 кг/м3. Анализ деятельности промышленности пористых заполнителей в течение последних лет свидетельствует в том, что существенного изменения свойств пористых заполнителей в лучшую сторону в ближайшее время ожидать не приходится. В этих условиях для кардинального изменения существующего положения для необходимо искать другие пути повышения теплозащитных свойств наружных стеновых ограждений.

Известно, что наибольшую теплопроводность имеют материалы с кристаллической структурой и наименьшую - с аморфизированной (стекловидной) фазой. По данным [111] коэффициент теплопроводности твердых фаз (скелета) строительных материалов при кристаллической структуре составляет 3,44-10,3 Вт/(м,0С), а при аморфной (мелкокристаллической) - 1,72-3,0 Вт/ (м-°С) .

Следовательно, снижение теплопроводности (X) легких бетонов может быть достигнуто следующими способами:

- широким использованием природных пористых заполнителей (в т.ч. вулканических туфов, шлаков, пемз и т.п.), имеющих аморфизированную структуру, частичной или полной заменой

керамзитового гравия вспученным полистиролом;

снижением теплопроводности растворной части бетона за счет применения пористых песков, поризадии цементного камня, а также применения вяжущих, способствующих улучшению теплофизических характеристик цементного камня.

Известно, что среди пористых заполнителей наиболее низкую теплопроводность имеют шлаки доменного производства и вулканического происхождения [25,43,91,131]. Вулканические пористые горные породы, сырьевые запасы которых в ряде регионов страны значительны, характеризуются повышенным содержанием стеклофазы по сравнению с керамзитовым гравием и достаточно высокой гидравлической активностью. Стоимость получения природных пористых заполнителей в 2-4 раза меньше стоимости искусственных заполнителей. Несмотря на это, производство легких бетонов на пористых природных заполнителях занимает в настоящее время всего 1,4% общего объема производства легких бетонов [3,58,59].

Сопоставление теплофизических свойств бетонов на природных пористых заполнителях с керамзитобетоном на керамзитовом песке [105] показывает, что при одинаковой средней плотности первые имеют на 10-2 0% более низкие значения коэффициентов теплопроводности. В то же время отличительной особенностью легкобетонных смесей на пористых заполнителях (щебне и песке) из вулканических горных пород является повышенная водопотребность, обусловленная большой открытый пористостью и водопоглощением зерен заполнителя и большим содержанием пылевидных фракций в пористом песке. И, как следствие, бетоны на природных пористых заполнителях по сравнению с керамзитобетоном характеризуются более высокими величинами капиллярной пористости и сорбции, что несколько ухудшает их теплофизические свойства при эксплуатационной влажности.

Улучшить сорбционные свойства материала, уменьшить величину водопоглощения с одновременным снижением плотности и расхода цемента в конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах можно путем применения эффективных гидрофовизирующих порообразующих добавок. Снижение плотности легкого бетона с помощью поризации цементной матрицы не является вынужденным приемом. С точки

зрения теплозащитных свойств нелогично с пористым заполнителем, имеющим коэффициент теплопроводности 0,1-0,14 Вт/(м-°С) применять матрицу с коэффициентом теплопроводности свыше 0,5 Вт/(м*°С), т.е. с разницей почти в 5 раз. При таком высоком градиенте теплопроводностей цементный камень при содержании его в пределах 20-30% общего объема выполняет роль компонента, фактически определяющего теплофизические характеристики бетона в целом. Поризация легкобетонной смеси, кроме снижения градиента теплопроводностей за счет воздухововлечения в растворную часть, позволяет улучшить ряд технологических свойств смесей. Она способствует уменьшению расслаиваемости смеси в процессе транспортирования и уплотнения. В результате пластифицирующего действия пузырьков воздуха улучшается удобоукладываемость смеси. Поризация легкобетонной смеси позволяет снизить среднюю плотность бетона по сравнению с бетоном плотной структуры на том же заполнителе на 100-250 кг/м3 или при сохранении средней плотности бетона, изготавливать его на крупном пористом заполнителе на 2-4 марки по насыпной плотности выше. Одновременно появляется возможность уменьшить (или полностью исключить) расход пористого песка [28,29,110].

Однако установлено, что каждый процент вовлечения воздуха снижает прочность бетона на 4% [14,32,50]. Поэтому применение поризации бетонной смеси может быть эффективным только в комплексе с другими мерами: оптимизацией гранулометрического состава заполнителей и увеличением объемной концентрации цементного камня при снижении его плотности.

Гранулометрический состав заполнителей определяет структуру бетона и характер его пористости. В зависимости от структуры коэффициент теплопроводности при одной и той же плотности бетона может колебаться в пределах 30% [70].

Сравнительное исследование теплопроводности бетона на керамзитовом гравии и керамзитовом щебне, дробленом из гравия, выявило преимущества равноплотного бетона на пористом щебне, что может быть объяснено преобладанием в нем более эффективной аморфизированной структуры [21]. В диапазоне расхода цемента 176...318 кг/м3 коэффициент теплопроводности керамзитобетона на

гравии изменяется от 0,21 до 0,26 Вт/(м-°С), а на щебне - от 0,14 до 0,20 Вт/(м'°С) . Причем, разница особенно заметна в бетоне с малым расходом цемента. При увеличении расхода она уменьшается, поскольку образуется достаточно мощная теплопроводная система цементного камня.

За счет изменения вида пористого заполнителя А легкого бетона может изменяться на 25%. Это объясняется разным фазовым составом применяемого пористого заполнителя: содержание стеклофазы в вулканических породах, в т.ч. в туфах, больше чем в пористом заполнителе из вспученной глины. Однако это объяснение не исчерпывающее. Как следствие термических напряжений в стекле и кристаллах вулканических продуктов в процессе их образования появляются дислокации. Их взаимодействие приводит к образованию микротрещин на атомном уровне, т.е. клиновидных трещин с устьем, сходящимся до межатомного расстояния (по П.А.Ребиндеру). Микротрещины, по-видимому, играют заметную роль в снижении теплопроводности. Это особенность структуры и свойств пористых запо�