автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Легкие силикатные бетоны и изделия на основе эффузивных пород

Р Г Б ОЛ

2 2 ШН 1933

На правах рукописи

БИТУЕВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

ЛЕГКИЕ СИЛИКАТНЫЕ БЕТОНЫ И ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ ЭФФУЗИВНЫХ ПОРОД

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ -

1998

Работа выполнена в

Восточно-Сибирском государственном

технологическом университете.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

заслуженный деятель науки

Республики Бурятия, доктор технических наук,

профессор А.Д.Цыремпилов

доктор технических наук, профессор В.Н. Соков

кандидат технических наук, доцент К.М.Марактаев

Ведущая организация Завод железобетонных

изделий № 1, г.Шелехов

Защита состоится « 25 » июня 1998г. , в 14 часов на заседании диссертационного совета К 064.68.02 Восточно-Сибирского государственного технологического университета по адресу: 670013, г.Улан-Удэ, ул.Ключевская 40-а, зал ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу: 670013, г.Улан-Удэ, ул.Ключевская, 40 -а, ученому секретарю.

Автореферат разослан « М » »¿¿й^_ 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Заяханов М.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Экономия топливно-энергетических затрат является одним из необходимых условий развития современного общества, ибо это решающим образом влияет на экономические аспекты промышленности и других отраслей, а также экологическое состояние окружающей среды. Поэтому данной проблеме все более уделяется внимания на всех уровнях управления во всех странах. Свидетельством тому в России является выход в свет в 1996 году нового СНиП, требующего в целях экономии эксплуатационных энергетических затрат увеличения толщины наружных стен в среднем в 1,6 раза. В условиях Восточно-Сибирского региона это утолщение стен из полнотелой кирпичной клади составит : от 64 см существующих до 103 требуемых. Это, безусловно, приводит к ряду социально-экономических последствий, включая удорожание, усложнение как строительства так и реализацию возведенных объектов.

Решение данной проблемы в комплексном масштабном подходе, основанном на учете местных факторов, включая тип используемых стеновых материалов. Легкие стеновые материалы, обладая лучшими теплозащитными свойствами по сравнению с традиционными плотными материалами, позволяют снизить толщину ограждающих стен при одновременном обеспечении нормативных тепловых потерь.

Снижение плотности штучных материалов при сохранении остальных ключевых физико-механических свойств предпочтительно, на наш взгляд, производить в силикатных материалах, которые более эффективны, чем керамические.

В связи с этим, проведение исследований по разработке легких силикатных бетонов и изделий на основе местного сырья является одной из актуальных задач в промышленности строительных материалов.

Работа проводилась в составе научно-технической программы Госстроя Республики Бурятия « Повышение эффективности и качества строительства», программы научных исследований Бурятского института естественных наук БНЦ СО РАН «Комплексное использование минерального сырья Бурятии».

Цель диссертационной работы. Разработка составов и технологии легких силикатных бетонов и изделий на основе эффузивных пород.

Научная новизна работы:

■ создана энергосберегающая технология получения легкого силикатного бетона на основе эффузивных пород, используемых как в виде алюмосиликатного компонента вяжущего,так и в виде пористого заполнителя;

■ доказана эффективность работы и установлены технологические режимы модификации пористых заполнителей силикатных бетонов в водо-щелочной среде;

в установлены зависимости параметров тепловлажностной обработки силикатных бетонов от типа вяжущего, его состава, дисперсности;

о определены зависимости прочностных свойств, водопоглощения, морозостойкости силикатных бетонов от содержания вяжущего в бетоне и его состава.

Практическая значимость работы. Реализация технологических решений данной работы позволяет:

в снизить энергозатраты при производстве силикатных стеновых материалов на 15 - 20 %;

в сократить толщину ограждающих стен до 35 - 40 %, снизить их массу и повысить сейсмостойкость зданий в целом.

Реализация результатов исследований . Разработанная технологии легких силикатных бетонов и изделий прошла апробацию в условиях Улан-Удэнского силикатного завода ( 1980 - 1985 гг.), промбазы Тугнуйскогс разрезостроительного управления ( 1995 - 1997 гг.), где были выпущень: опытно-промышленный партии стеновых материалов. Разработань:

технические условия, проектно-сметная документация и начато строительство технологической линии по выпуску силикатных бетонов мощностью 5000м3/год в условиях Тугнуйского РСУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на : Всесоюзной научной конференции «Научные основы создания энергосберегающих технологий и техники» (г.Москва, МЭИ, 1990 г.), V, VI, VII Российско-польских международных конференциях «Теоретические основы строительства» (г.Варшава, ВПУ, 1996г., Улан-Удэ, ВСГТУ, 1997 г., г.Краков, КПУ, 1998 г.), ежегодных научно-практических конференциях Восточно-Сибирского Государственного Технологического Университета (г.Улан-Удэ, ВСГТУ, 1995 - 1998 гг.).

За цикл работ по строительству и развитию топливно-энергетической базы Восточной Сибири, Бурятии автор удостоен в 1992 г. почетного звания «Заслуженный строитель Российской Федерации».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных трудов,в том числе 1 монография.

Обьем и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста и включает 15 таблиц, 36 рисунков. Она состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка использованной литературы из 261 наименований.

На защиту выносится:

п теоретическое обоснование возможности получения легких силикатных бетонов на основе эффузивных пород по энергосберегающих технологиям;

и результаты физико-химических исследований процессов гидротермального давления вяжущих, а также продуктов контактной зоны на границе «заполнитель-вяжущее»;

в составы и технология легких силикатных бетонов на основе эффузивных пород;

и результаты исследований физико-технических свойств силикатных бетонов;

■ результаты активации заполнителей, исследования по снижению потребности в вяжущих от заполнителя;

■ технико-экономическое обоснование эффективности производства и применения легких силикатных бетонных изделий;

в результаты опытно-промышленной проверки полученных экспериментальных данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблеме совершенствования качества и технологии силикатных материалов посвящены многочисленные труды отечественных и зарубежных исследователей. Повышенное внимание к данному виду стеновых материалов вызвано простотой технологии их изготовления, развитой сырьевой базой, высокими эстетическими и физико-механическими свойствами по сравнению с керамическими. Так по данным Хавкина Л.М. приведенные затраты на изготовление стеновых материалов из плотного силикатного бетона меньше чем из керамических масс на 35 - 40 %, трудоемкость изготовления изделий на 25 - 28%, а удельные капитальные вложения в организацию производства на 110-120%.

Исследования Боженова П.й. показывают, что сырьевая база силикатных автоклавных бетонов очень широка: от магнезиальной извести до кальциевой, от полевошпатовых песков до кварцевых.

Анализ многочисленных трудов по проблеме совершенствования технологий силикатных бетонов показывает, что разработка эффективных вяжущих для данных бетонов занимает особо важное место, так как вяжущие, естественно, составляют основу любых бетонов, включая силикатные. Из всего многообразия бесцементных вяжущих для силикатных бетонов повышенной

эффективностью отличаются комплексные вяжущие на основе извести и активных алюмосиликатов, например, эффузивных пород.

Силикатные бетоны на 90% по массе состоят из заполнителя, как правило, плотного в виде силикатных песков кварц-полевошпатового состава. Анализ многочисленных трудов исследователей посвященных изучению влияния плотных заполнителей на свойства силикатных бетонов показывает, что довольно глубоко изучены механизм воздействия данных заполнителей с вяжущим веществом. Также подробно исследованы процессы оптимизации гранулометрического состава песков, управления формой и поверхностью зерен. Так, например, установлено, что при повышенных режимах ТВО силикатных изделий наблюдается образование контактной зоны на поверхности зерен, состоящей преимущественно из гидратов силикатов кальция. При этом активность роста контактной зоны зависит во многом от химического, фазового состава заполнителя, характера его поверхности. Установлен более интенсивный рост новообразований при наличии аморфной алюмокремнеземнистой составляющей фазы в заполнителях, свежей неокисленной поверхности зерен, а также повышенной основности окружающей среды гидратации вяжущего. Это позволяет направленно синтезировать высококачественные силикатные бетоны на этой сырьевой базе с прочностью до 50 МПа, морозостойкостью до 100 циклов, водостойкостью до 0,9, а водопоглощением от 6 до 10 % по массе.

Кроме того, по сведениям из трудов Волженского A.B., Бурова Ю.С., Паримбетова Б.П., известно, что возможно эффективное использование и пористых заполнителей в виде зол, шлаков ТЭЦ, которое приводит к активизации процессов твердения и улучшению физико-механических свойств как сырца, так и готового изделия. Вместе с тем отмечается резкое увеличение расхода вяжущего в легких силикатных бетонах по сравнению с плотными из-за развитой поверхности пористых заполнителей.

Как показывает анализ исследований по данной проблеме., отсутствуют сведения о комплексном использовании эффузивных пород в силикатных

бетонах как в качестве компонента вяжущих, так и заполнителей. В связи с этим представляет научно-практический интерес изучение возможности снижения расходов вяжущего модификацией пористого заполнителя из эффузивных пород, определение путей улучшения капиллярно-пористой структуры камня для повышения морозостойкости и долговечности силикатных изделий, сокращения энергетических затрат на процессы ТВО путем предварительной подготовки различными способами механохимической активации вяжущего и заполнителя.

Исследования по разработке теоретических положений, содержания технологий получения легкого силикатного бетона и изделий проводили на минеральном сырье Забайкалья искусственного и естественного происхождения, включая эффузивные породы, пески и известь.

Использованы эффузивные породы различного типа: закристаллизованные, стекловидные перлиты, вулканические шлаки, а также искусственный продукт на их основе - вспученный перлит. Перлитовые породы различных месторождений имеют определенные особенности в химическом составе, хотя в целом они близки по данной характеристике.

По химическому составу данные породы относятся к кисльш вулканическим породам липарито-дацитового состава с содержанием 5102 I пределах 72,1 - 74,75% и щелочных окислов 8 - 8,9%.

Для изготовления плотного и легкого силикатного бетонов щ бесцементных вяжущих были использованы крупные и мелкие заполнители с плотной и пористой структурой.

В качестве мелкого заполнителя в работе представлены Вольскш кварцевый песок (по ГОСТ 310.4 - 81) и природный кварц - полевошпатовьп песок.

В работе были использованы пористые заполнители: вулканически! шлак, вспученный перлит . Отличия в свойствах приведенных пористы; заполнителей объясняются их структурой, составом, так для вулканической шлака, характерна крупнопористая ( тэфф = 2 - 2,4 мм ) структура <

массивными межпоровыми перегородками и открытыми порами. Вспученный перлит имеет напротив мелкопористую тонкостенную структуру с наличием открытой пористости. В результате вспученный перлит имеет пониженную объемную насыпную массу, менее прочен и морозостоек, чем вулканический шлак. В целом указанные пористые заполнители пригодны для изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных бетонов классов В 1,5-В 15.

Компоненты исследуемых бесцементных вяжущих систем в заданных соотношениях переводили в тонкомолотое состояние в виде порошка или шликера механическим измельчением в устройствах: агатовый измельчитель тип СМБП, планетарная мельница типа МСТИ, РПА, шаровая горизонтальная мельница тип МБЛ. Дисперсность полученных вяжущих оценивали комплексным методом, включающим ситовой анализ, определение удельной поверхности по скорости прохождения воздуха, калориметрическим и оптическими способами. Образцы вяжущих исследуемых систем готовили пластическим и полусухим формованием. В первом случае образцы размером 20 х 20 х 20 мм готовили из теста нормальной густости, контролируемого прибором Вика. Образцы вяжущих полусухого формования высотой и диаметром 16мм готовили прессованием при определенных давлениях в пресс-форме. Изготовленные образцы вяжущих подвергали автоклавированию, пропариванию или сушке. Запаривание производили в лабораторном автоклаве типа «ОПМ» при давлениях от 0,4 до 1,6 МПа. Пропаривание в лабораторной пропарочной камере с автоматической регуляцией температуры, сушку - в термостате типа «К - С200» при температурах от 150 до 250 °С.

Приготовленные соответствующим образом порошковые пробы образцов вяжущих подвергали физико-химическим исследованиям для выявления фазового состава новообразований. Эти исследования производили рентгенофазовым, дифференциальнотермическим, химическим анализом и методом инфракрасной спектроскопии.

Морфология кристаллов индентифицированы электронно микроскопическим способом (э/м типа « tesla ») и оптическо; микроскопией (о/м типа ММЛ - 200).

ДТА выполнен на дериватографе фирмы « Paulik - Erdei » в интервал температур от 20 до 1000 0С со скоростью подъема до 10 °С в минуту.

Рентгеновские спектры снимали на установке ДРОН - 2 с Си- катодом ] Ni - фильтром со скоростью угломера 2 0 в минуту в интервале от 2 до 50 0 Сьемка ИК-спектров произведена на спектрометре « UR- 20 » в области 400 4000 см 4

Идентификация новообразований осуществлялась по известный методикам и справочным данным.

В дополнение к стандартным испытаниям проведено определени свойств бетонных смесей и вяжущих по оригинальным методикам. Tai опредлены: строение и свойства контактного слоя на заполнителях при разны: условиях их предварительной подготовки, степень гидратации вяжущих ni критерию полноты взаимодействия зерен-эффузивов с активной (щелочной щелочно-земельной) частью вяжущих, изменение давления в твердеюще] бетонной смеси и др.

На физико-химическую активность эффузивных пород, в том числе и н; перлитовые породы, оказывает влияние их структура. Неупорядоченна структура стекловидных пород, с отсутствием дальнего порядка кристаллической решетке, как известно, предполагает наличие дефекта (линейных, точечных, поверхностных, обьемных), увеличивают!! поверхностную энергию и общую гидравлическую активность поро^ Повышение термических параметров при тепловлажностной обработк приводит к дальнейшему нарушению стабильности структуры поро, вследствие растворения и выщелачивания катионов и расширения полостей имеющихся каналов. Следовательно, физико-химическая активность поро, должна находиться в корреляционной зависимости не только от их структуры но и от термодинамических параметров процесса обработки.

Эффузивные породы размалывали до порошкообразного состояния с Буд = 300, 350, 400, 450 м 2/кг и помещали в водный раствор СаО концентрацией 20 г/л. Согласно методике, снижение концентрации водного раствора указывает на процессы поглощения СаО эффузивной породой.

Анализ результатов исследования гидравлической активности при постоянной температуре показывает, что они находятся в зависимости от физического состояния, химического, фазового состава эффузивных пород. Так, гидравлическая активность выше у пород с большим содержанием стеклофазы, достигающая за 1 год хранения по показателю поглощения Cao 130 - 150 мг/г. Отмечается, что увеличение содержания в породах амфотерных оксидов AI2O3, FejOj при постоянном физическом состоянии пород приводит к некоторой активизации процесса, а увеличение в породах оксидов щелочных щелочноземельных металлов практически не влияет на активность поглощения СаО.

Динамика поглощения СаО породами в целом однотипна - интенсивная стадия в течение первого месяца ( 70 - 80 %), переходящая в стадию замедления процесса до практического затухания к 1 году хранения.

Гидравлическая активность эффузивных пород, имеющих стекловидную структуру по отношению к закристаллизованным выше на 20 -25%. Это объясняется большей термодинамической нестабильностью вещества стекловидного состояния, характеризуемой нарушениями кристаллической структуры, наличием дефектов в решетке (линейных, точечных), нескомпенсированных связей. Как известно, вышеуказанное предопределяет активное развитие процессов дифузии и химических реакций. В результате оптических наблюдений за процессом гидратации перлитовых зерен установлен более интенсивный рост микроскопических хлопьевидных образований, новых фаз на стекловидных разновидностях пород чем на закристаллизованных. При этом следует отметить, что с увеличением дисперсности пород эта разница уменьшается. Очевидно, это вызвано механоактивацией зерен закристаллизованных перлитов, выражающейся в их

объемной аморфизации. Синтез искусственного камня в данной вяжущей системе происходит в результате взаимодействия алюмосиликатной составляющей пород и гидроокиси кальция с образованием в водной среде малорастворимых криталлогидратов, различных групп : СаО * А1203 * у5Ю2 * тН20, СаО * пБЮг * тН20. Данные новообразования и составляют пространственный каркас твердеющего искусственного камня.

Вышеприведенные результаты косвенно указывают на особенности в активности пород при формировании искусственного камня, т.к. поглощенная известь и др. соединения щелочноземельных металлов идут на синтез новообразований.

Для определения фазового состава продуктов гидратации вяжущих рассматриваемой системы на основе эффузивных пород реализован комплексный метод физико-химических исследований, включающий дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы. С учетом полученных представлений о характерных тенденциях гидратации вяжущих с использованием соединений различных щелочноземельных металлов в данном случае были исследованы вяжущие на базе только оксида кальция. О полноте связывания компонентов вяжущих в новообразования судили по наличию и параметрам эндотермического эффекта дегидратации Са(ОН)г в области температур 500 ± 20 °С. Содержание СаО изменяли в пределах 10 - 30 % от массы вяжущего. Наиболее остеклованная порода твердеет в условиях пропаривания с образованием низкоосновного гидросиликата кальция -тоберморига (1/п = 1,84; 2,07; 2,41; 2,25; 2,50; 3,07; 3,50 А и также 2-х основного гидросиликата СгБЩА) ¿1а = 1,92; 2,10; 2,87; 3,26; 3,92А. Тогда как вяжущее на основе породы менее остеклованной твердеет с образованием только СгБЩА) с1/п = 1,92; 2,24; 2,42; 2,60; 2,87; 3,27 А. Очевидно этим можно объяснить большой перепад в прочностях между этими вяжущими системами в условиях пропаривания.

В дальнейшем в условиях автоклавирования растворимость стекла породы растет, что и приводит к образованию еще менее основного продукта -

тоберморита ( С53бНб).При дальнейшем воздействии на вяжущую систему гидротермальных условий ( до 10 циклов) осуществляется почти полный переход породы в раствор и образование с алюмокремниевой составляющей породы, новообразования типа гидроалюмосиликата натрия - анальцима ИаБ^г сЗ/п = 1,00; 2,50; 2,92; 3,45; 5,60 А (дополнительно к ранее образованному тобермориту). Примерно аналогичное, только с большей затратой энергии на активацию процесса, наблюдалось Р.Ф.Руновой при работе с гранитами.

Следует отметить, что механоактивация вяжущих на основе закристаллизованных пород приводит к интенсификации структурообразования. Так с увеличением их удельной поверхности до 450 м2/кг состав продуктов гидратации становится практически идентичным с вяжущим на основе стекловидного перлита.

Таким образом, фазовый состав перлитовых пород, характеризующих степень остеклованности, оказывает значительное влияние на процесс взаимодействия их с Са(ОН)2. Наиболее остеклованная порода имеет большую гидравлическую активность по сравнению с остальными породами, что выражается в поглощающей способности и механической прочности образцов на ее основе при постоянных термических параметрах условий гидратации.

Для установления оптимального состава вяжущей системы «порода -СаО - НгО» использован метод математического планирования эксперимента, в частности, полный факторный эксперимент по методу Бокса - Уилсона -методу крутого восхождения. Устанавливали функциональную зависимость между оптимизируемым свойством - пределом прочности при сжатии образцов (у) в МПа и входными параметрами - содержанием в вяжущей системе: воды ( X)), окиси кальция (хг) и перлита ( хз). Прочность на сжатие определяли на образцах пластического формования размерами 2x2x2 см, изготовленных пропариванием.

Для оценки коэффициентов регрессивного уравнения, характеризующих искомую связь между х^ Х2, хз и у, достаточно проведение двухуровневого

ПФЭ типа 23. Первый уровень состоит в определении почти стационарной области. По результатам вычислений она находится около точки XI = 34,6; х2 = 22,6; х3 = 42,8 в.ч. (рис.1.).

После соответствующих математических действий определен вид уравнения регрессии, которое адекватно описывает почти стационарную область поверхности отклика.

У = 57,54 + 0,01X1 - 0,061Х2 + 0,022Хз + 0,025X1X2 - 0,018X1X3 + + 0,015Х2Х3 + 0,07Х!2 - 0,132Х22 - 0,013Х32.

Установлено, что полученное вяжущее на основе системы «порода -СаО - Н20» твердеет в условиях как автоклавирования, так и пропаривания. В дополнение к известным данным, посвященным исследованиям в этой области установлено, что состав вяжущего может существенно меняться в зависимости от его дисперсности. Иными словами - механоактивация вяжущего вносит существенные корректировки в его состав. При этом установлено, что с увеличением механоактивации вяжущих, а соответственно дисперсности явно уменьшается необходимость в активной извести. Как показывают результаты физико-химических исследований существенно механоактивация влияет на кинетику структурообразования, оставляя при этом относительно постоянным конечный состав новообразований.

На следующем этапе работы исследован процесс модификации пористых заполнителей.

Известен состав легкого силикатного бетона с включением в его состав вспученного перлитового песка, который позволяет получать изделия со средней плотностью 1500 кг/м3, что на 25 % ниже, чем у обычного силикатного бетона. При этом прочность готового легкобетонного изделия достаточно высока 10-15 МПа. Однако существенным недостатком является относительно высокий расход вяжущего 660 - 670 кг/1000 шт кирпича, обусловленный наличием открытой пористости легкого заполнителя. Таким образом, стоит задача уменьшить открытую пористость легкого заполнителя. Предполагалось решить данную задачу предварительной подготовкой - модифицированием,

^ -lo го зо 4o 5o äо M v

*»0 2 о 20 40 So 60 M

Рис. d • Диаграммы состояния БЦВ на основе: а)- закристаллизованного перлита, б) стекло -перлита. Прим.: I - плоскость данных по БЦВ с Буд = 250 мг/кг; И - то же 300 м2/кг; III - 350м2/кг; IV - 400 м*/кг; V - 450 мУкг.

заключающейся в окатывании заполнителя по специальной технологии, этим самым ожидается создание условий по замоноличиванию. Открытых поверхностных пор и образования активного поверхностного слоя на заполнителях. Для исследований использовали заполнители двух видов: вспученный перлит и вулканические шлаки (Табл. 1.).

В оптимальных пределах в/т- отношения под воздействием водощелочного раствора на заполнителе образуется тонкий поверхностный слой. Этот слой (оболочка), как показывают физико-химические исследования, представлен микрочастицами исходного заполнителя, скрепленными гелевидной массой из продуктов взаимодействия ашомосиликатной части заполнителя и щелочных компонентов в водных условиях. В порах заполнителя консервируется влага - водощелочный раствор, общая влажность заполнителей из перлитов при этом составляет 17 -18 % по массе.

Таким образом, модификация исходных пористых заполнителей возможна и она приводит к уменьшению открытой пористости. В рамках выбранного способа модификации при ограниченном круге варьируемых параметров предлагаются следующие условия: в/т - отношения - 0,2 - 0,25; соотношение объемов заполнителя и барабана - 1/5; продолжительность модификации - 25 мин; концентрация водощелочного раствора - 5 %. При проведении отдельных целенаправленных исследований по данному вопросу, безусловно, определение более эффективных способов, устройств и параметров модификации.

Физико-химические исследования комплексного твердения модифицированных заполнителей в вяжущем проведены как в условиях цементных, так и бесцементных вяжущих . Для исследований использован портландцемент М 400 (Тимлюйский ЦЗ, Бурятия) и известково-перлитовое вяжущее оптимального состава на основе стекловидного перлита. Изучалось влияние модифицирования заполнителя на изменение расхода вяжущего, прочность искусственного камня и вид, содержание контактной зоны «заполнитель - вяжущее».

Таблица i

Условия модификации заполнителей

Тип заполнителя Вид модификации Соотношение объем заполнителя к объему барабана Фракции,мм Продолжительность модификации мин. Свойства после модификации

средняя насыпная плотность, кг/мЗ Пористость общяя, % Пористость открытая,%

Вспученный перлит сухое 1/5 3-5 25 295 40 10

5-10 25 330 32 8,5

10-20 25 370 28 5,5

мокрое в чист.воде 1/5 3-5 25 310 39 7,5

5-10 25 350 31 8

в водном растворе щелочи 5% к-ции 1/5 3-5 25 315 39 6

5-10 25 355 31 6,5

Вулканическ ий шлак сухое 1/5 3-5 25 530 34 9,5

5-10 25 580 30 8

мокрое в чист.воде 1/5 3-5 25 560 33 5,5

5-10 25 610 29 4,5

в водном растворе щелочи 5% к-ции 1/5 3-5 25 565 33 4,2

5-10 25 620 29 3,7

Исходная влажность силикатной смеси, составленной из песка легкого заполнителя, вяжущего и воды, составляла 7 - 8% на портландцементе и 14 -16% на бесцементном вяжущем. Для исследований влияния модифицирования легкого заполнителя на процессы синтеза бетона были выбраны образцы-кубы с ребром 50 мм, получаемые прессованием с удельным давлением от 100 до 200 кг/см2.

Результаты оптического анализа контактной зоны на разных этапах ТВО показывают, что происходит новое фазообразование на поверхности зерен заполнителей. Это вызвано взаимодействием продуктом поверхностного слоя на заполнителях с вяжущим веществом . Оптические измерения показывают, что на всех этапах ТВО бесцементные вяжущие ведут себя более активно нежели чем портландцемент. Это проявляется в образовании контактного слоя.

Наиболее интенсивный рост контактного слоя во всех системах наблюдается до 5 -б часов ТВО (изотермической выдержки), достигая толщины слоя от 300 до 900 мкм. Толщина слоя и интенсивность его роста зависят от вида модифицируемого заполнителя и вяжущего.

Так наибольший рост контактного слоя наблюдается на зернах вспученного перлита в бесцементном вяжущем. Это объясняется активным взаимодействием родственных веществ поверхностного слоя и вяжущего.

Таким образом, наличие поверхностного слоя на модифицированных заполнителях, избыточной влажности в них и вследствие этого протекания массопереноса при ТВО препятствуют проникновению в заполнитель вяжущего теста. Это приводит к экономии вяжущего и более эффективному использованию его потенциала.

Как показывает анализ структуры камня изготовленного из смеси немодифицированных заполнителей и вяжущих, открытые поры заполнителя заполнены вяжущим тестом, превращающимся впоследствии в искусственный камень.

Осуществлена оптимизация состава легкого силикатного бетона. За основу был взят известный состав легкого силикатного бетона, с учетом

произведенных изменений в виде модификации двух типов заполнителя, а также двух типов вяжущих (портландцемента и бесцементное вяжущее). Для определения оптимального состава по критерию прочности готового изделия был реализован метод математического планирования эксперимента по Боксу -Уилсону. Исходные условия: постоянные технологические параметры (давление формования смеси - 12,5 МПа, дисперсность вяжущих - 3,5 тыс. см2/гр, ТВО - пропаривание при температуре 85 0 С, по режиму 1,5 + 8 + 2 час., требуемые параметры свойств готового изделия: прочность при сжатии -12,5 МПа, средняя плотность - 1450 - 1500 кг/м3. Вводимые переменные: Х\ -содержание легкого заполнителя, %, Хг - содержание полевошпатового песка, %, Хз - содержание вяжущего,%, У - прочность готового силикатного изделия (Табл. 2.).

Свойства и долговечность легких силикатных бетонов исследована для всех разработанных систем: «ПТЦ - вулканический шлак», «ПТЦ - вспученный перлит», «БЦВ - вулканический шлак», « БЦВ - вспученный перлит». Для сравнения изготавливались контрольные образцы из плотного силикатного бетона. Испытания проводились как на стандартных образцах 250 х 120 х 65 мм, так и на образцах - кубах с ребром 50 мм.

Как видно из результатов наблюдается рост прочности во всех составах легких бетонов. В первые два месяца наиболее интенсивный рост прочности характерен для образцов двух систем: «ПТЦ - вулканический шлак», «ПТЦ -вспученный перлит». Однако в дальнейшем при сроках более 4-х месяцев хранения образцы силикатных бетонов на основе бесцементных вяжущих начинают превышать абсолютные показатели прочности на сжатие предыдущих систем, достигая к году 15 МПа (система: «БЦВ - вулканический шлак») и 13,% МПа (система: «БЦВ - вспученный перлит»). При этом прочность бетонов тех же систем, но на основе модифицированных заполнителей выше на 10 -12 %, чем бетонов на основе немодифицированных заполнителей. Как показывает анализ образцов и контактной зоны в составе последней образуется слой из промежуточных продуктов от совместной

Таблица^

Оптимизация составов легких силикатных бетонов

№№ п/п Система Уравнение регрессии Состав, % масс

XI Х2 хз

! "Бесцементное вяжущее (БЦВ) - вспученный перлит (мод.)" * У = 6,2 + 0,1 Х( - 0,15Хг + 0,23Хз + 0,01 Х|Х2 + 0,015Х,Хз + 0,018Х2Хз+0,06 Х12 + 0,08Хг2 - 0,17Хз2 15,2 66,8 18

2 "Портландцемент (ПТЦ) - вспученный перлит (мод.)" У = 6,2 + 0,1X1 - 0,14Хг + 0,2Хз + 0,01X1X2 + 0,01Х1Хз+ 0,02Х2Хз + 0,02X2X3 + 0.07Х12 + 0,09Х22 - 0,14Хз2 14,8 66,1 20,1

3 "Бесцементное вяжущее (БЦВ) - вулканический шлак (мод.)" 1 У = 7,5 + 0,05X1 - 0,1 Х2 + 0,17Хэ + 0,02Х|Х2 + 0,01X1X3 + О.ООЗХз + 0,09X12 + 0,09Хг2 - 0,2Х32 25,2 40,3' 24,5

4 " Портландцемент (ПТЦ) - вулкнический шлак (мод.)" У = 7,5 + 0,06X1 - 0,1X2 + 0,17Хз + 0,02Х|Хз + 0,01X1X3 + 0,003Хз + 0,09X12 + 0.09Х22 - 0,2Хз2 24,4 40,3 ' 25,0

* - Прим.: 1 "Мод." - модифицированный; 2 -состав бетона включает еще полевошпатовый песок.

гидратации вяжущего и поверхностных веществ, соединений заполнителя подвергнутого модификации. Превышение же прочности бетонов на вулканических шлаках объясняется наличием большего объема вяжущего в бетоне, а также более высокой исходной прочностью заполнителей. Как известно, прочность на сжатие бетонов во многом характеризует прочность на изгиб. При этом показатели прочности на изгиб определяют когезионные силы на границе «заполнитель-вяжущее». Именно этим обьясняется большая прочность на изгиб бесцементных систем как на вулканическом шлаке, так и на вспученном перлите, чем на цементных системах. На контакте заполнителя и бесцементного вяжущего имеются, как было отмечено выше, новообразования, составляющие контактный слой, чего нет в системе с ПТЦ.

Обобщая физико-технические свойства материалов ( табл.3 ) можно сделать заключение о их положительных свойствах и долговечности.

Разработана технологическая схема производства легкобетонных силикатных штучных изделий, позволяющая перейти к менее энергоемким процессам ТВО, сокращению расхода вяжущего.

.Положительные экспериментальные результаты позволили провести серию опытно-промышленных испытаний по выпуску легких стеновых изделий в условиях Тугнуйского РСУ, Улан-Удэнского силикатного завода и Шелеховского ЗЖБИ, соответствующих требованиям ГОСТ.

Из сравнения технико-экономических расчетов совокупная экономическая эффективность легких силикатных бетонов в стеновых конструкциях относительно тяжелых составляет 40 - 42%. Данная экономическая эффективность несомненно увеличивается с учетом снижения материальных затрат на кладочный раствор, уменьшения трудоемкости строительства, понижения массивности зданий и расхода тяжелого бетона на фундаменты, повышения сейсмостойкости зданий, а также существенного сокращения сроков строительства.

Таблица 5 V

Основные физико-механические свойства легких силикатных бетонов

№№ п/п Наименование свойств Ед.изм. Виды легких силикатных бетонов

"БЦВ -вспученный перлит (М)" "БЦВ-вулканический шлак (М)" "ПТЦ -вспученный перлит (М)" "ПТЦ - вулканический шлак (М)"

I. Предел прочности при сжатии (на 3 сутки после запаривания) МПа 12,5 12,5-15 12,5 12,5-15

2 Предел прочности при изгибе МПа 3,5 - 3,7 3,5-3,7 3,0 - 3,2 3,1 - 3,4

3 Средняя плотность т/м3 1,4-1,45 1,45 1,4-1,45 1,45

4. Водопоглощение %, масс 14- 14,5 15 14-14,5 15

5. Морозостойкость циклы 35 35-50 35 35

6. Водостойкость 0,77 - 0,84 0,77 - 0,85 0,77 - 0,82 0,77 - 0,82

7. Усадка (общая) мм/м 0,24 0,15 0,21 0,16

8. Теплопроводность вт/м°С 0,55 0,58-0,72 0,56-0,7 0,58 - 0,7

9. Воздухостойкость циклы 75 75 50-75 50-75

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана энергосберегающая технология с меньшими на 15 - 20 % энергозатратами легкого силикатного бетона на основе эффузивных пород, используемых в виде алюмосиликатного компонента вяжущего и в виде пористого заполнителя.

2. Доказана эффективность и установлены технологические режимы модификации заполнителей легких силикатных бетонов в водощелочных растворах, приводящей к уменьшению до 10% открытой пористости заполнителей за счет омоноличивания их развитой поверхности.

3. Установлен эффект снижения расхода вяжущего до 10% при повышении прочности бетонов от применения модифицированных пористых заполнителей.

4. Изучен механизм процессов взаимодействия и определен состав новообразований на границе «заполнитель - вяжущее». Он представлен соединениями гидросиликатного, гидроалюмосиликатного ряда и смешанными Na, Са гидросиликатами.

5. Установлено преимущество ввода щелочей в поры заполнителя по сравнению с традиционным вводом щелочного активизатора в состав вяжущего за счет целенаправленного синтеза адгезионного слоя на поверхности заполнителя - прочного каркаса, обеспечивающего рост прочности бетона в целом.

6. Установлены зависимости параметров ТВО легких силикатных бетонов от типа вяжущего, его состава, дисперсности.

7. Произведена оптимизация составов бесцементных вяжущих, бетонов методами математического планирования эксперимента четырех систем.

8. Определены зависимости прочностных свойств, водопоглощения, морозостойкости легких силикатных бетонов от содержания вяжущего и его состава. Получен легкий силикатный бетон со средней плотностью до 1500 кг /м3, марки 125,150, теплопроводностью 0,55 - 0,57 вт/мС.

9. Разработаны технологические схемы производства стеновых материалов на основе легких силикатных бетонов. Произведен детальный расчет технико-экономической эффективности для условий производства изделий и строительства на них.

Ю. Произведен выпуск опытных партий стеновых изделий из легкого силикатного бетона в условиях Тугнуйского РСУ (Бурятия). Доказана возможность сокращения толщины стен на 35 - 40 % против полнотелой кладки из тяжело бетонных стеновых материалов.

Основные положения диссертации отражены в следующих опубликованных работах:

1. Цыремпилов А.Д., Заяханов М.Е., Битуев A.B. и др. Эффективные вяжущие и бетоны на основе эффузивных пород,- Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 1997.

2. Битуев A.B. Легкие силикатные бетоны // Тез.докл.науч .-практ.конф./ВСТИ. - Улан-Удэ, 1989.

3. Цыремпилов А.Д., Битуев A.B. Легкие стеновые материалы на основе эффузивных пород. // Тез.докл. XXII Международной конференции молодых ученых и специалистов. - Иркутск, 1990.

4. Битуев A.B. Технология легкого силикатного бетона на основе эффузивных пород. // Тр. VI научной конференции «Теоретические основы строительства» . - Варшава, 1997.

5. Битуев A.B. Бесцементные вяжущие и бетоны на основе вулканических пород.// Тр.VII научной конференции «Теоретические основы строительства». - Варшава, 1998.

6. Битуев A.B., Цыремпилов А.Д. Технология и эффективность легких силикатных бетонов. // Тр.БНЦ СО РАН. - Улан-Удэ, 1997