автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Малоцементные прессованные строительные материалы

Министерство общего и профессионального образования

Российской федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет

на правах рукописи ЩУКИНА ЕЛЕНА ГРИГОРЬЕВНА

МАЛОЦЕМЕНТНЫЕ ПРЕССОВАННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Специальность 05.23.05.- Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., проф. Цы рем н и лов А.Д. к.х.н., доц. Архинчеева Н.В.

Улан-Удэ 1999

СОДЕРЖАНИЕ-

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ- ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 11

1.1. Применение прессованных бетонов в строительных материалах и конструкциях 11 1.1.1 Некоторые исследования тяжелых бетонов, уплотненных прессованием. 12

1.1.2. Особенности физико-химических процессов формирования структуры после уплотнения прессованием. 17

1.1.3. Теоретические аспекты повышения долговечности прессованных бетонов. 23

1.1.4. Теоретические основы прочности сырца, уплотняемого прессованием 25

1.2. Применение отсевов дробления изверженных горных пород. 26

1.3. Карбонатные микронаполнители в технологии, бетона. 27

1.4. Влияние адгезионных сил на прочность бетона. 33

1.5. Пути снижения материало- и энергоемкости в производстве строительных материалов. 38

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ,

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. 42

2.1. Вяжущие. 42

2.2. Заполнители. 42

2.3. Наполнители. 43

2.4. Добавки. 45

2.5. Применяемое оборудование и методы исследований. 45

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ГИПЕРПРЕССОВАНИЯ НА

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ 46

3.1. Влияние технологических параметров на свойства цементных образцов. 46

3.1.1 Выбор оптимального способа формования. 46

3.1.2 Тепловлажностная обработка и ее влияние на свойства образцов 50

3.2. Влияние вида наполнителей на процессы структурообразования цементного камня. 55

3.2.1. Определение оптимального количества наполнителя. 5 5

3.2.2. Поверхностная активность и адсорбционные характеристики наполнителей. 59

3.2.3. Влияние раннего замораживания на процессы гидратации

цемента. 66

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3. 70

ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕНИЕ КИРПИЧА НА ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ. 72

4.1. Получение безобжигового кирпича на основе золы ТЭЦ. 72 4.1.1 Определение оптимального водотвердого отношения

и расхода цемента. 72

4.1.2. Условия твердения и их влияние на свойства бетона. 72

4.2. Использование мартеновского шлака для производства

кирпича. 88

4.3. Получение кирпича на основе золы ТЭЦ и мартеновского шлака. 92 4.4 Использование котельного шлака в производстве кирпича. 97 4.5. Получение кирпича на основе вулканического шлака. 103

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4. 109 ГЛАВА 5 .ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЛОТНЫХ

ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ. 110

5.1. Получение кирпича на плотных заполнителях. 110

ч

5.1.1. Вид заполнителя и его влияние на свойства бетона. 110

5.1.2. Зерновой состав заполнителя и его влияние на свойства бетона. 113

5.1.3. Влияние расхода цемента на прочность бетона. 116

5.1.4. Зависимость свойств бетона от удельной поверхности наполнителя. 117

5.2. Гидрофизические свойства . 123

5.2.1. Водопоглощение и морозостойкость. 123

5.2.2. Адгезионные свойства кирпича с кладочным раствором. 126

5.3. Получение лицевого кирпича . 128

5.4 Получение дорожных материалов. 135

5.5. Влияние гиперпрессования на процессы твердения бетона. 139

5.6. Теплотехнический расчет. 142 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 144 ГЛАВА б. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА. 147 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ. 160 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 163 ПРИЛОЖЕНИЕ. 175

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние технологии бетонов и изделий из них представляется исключительно важным. Очевиден переход от привычных экстенсивных методов к интенсивным технологиям, обеспечивающим резкое ускорение процессов с существенной экономией цемента, энергии и трудозатрат. Для увеличения объемов производства предусмотрено широкое использование отходов промышленности , большое внимание уделяется повышению качества продукции, улучшению условий труда.

Увеличение объема изготавливаемых строительных материалов и изделий реализуется на практике за счет применения различных цементно-сберегающих технологий. Они предполагают использование добавок пластификаторов, минеральных добавок, интенсивных методов приготовления бетонных смесей, интенсивных способов формования смесей. Наибольшая экономия цемента достигается сочетанием различных технологических приемов.

Из полиструктурной теории следует необходимость оптимального наполнения связующих, т.е. необходима оптимизация составов по количеству, дисперсности и физико-химической активности наполнителей.

Введение кварцевых, известняковых, доломитовых, шлаковых и других наполнителей требуемой дисперсности и активности позволяет экономить до 60% и более цемента без ущерба для механических свойств изделий с одновременным повышением эксплуатационных свойств.

Решению специальных задач уплотнения и упрочнения бетона, ускорения его твердения способствует наполнение его тонкодисперсными минеральными веществами и отходами производства.

Введение наполнителей- самый простой , доступный и эффективный путь экономии цемента, особенно при приготовлении сухих смесей, штукатурных и кладочных растворов и мелкоштучных изделий.

Активное участие частиц наполнителей в организации структуры цементных связующих подтверждается опытами по изучению кинетики изменения структурной прочности твердеющих композиций [ 81, 82]

Наиболее распространенными наполнителями в цементных композициях являются карбонатные и кремнеземистые .

Перспективным направлением решения проблемы ресурсо- и энергосбережения при производстве строительных материалов, по нашему мнению является разработка технологий с использованием высоких давлений прессования в сочетании с различными наполнителями и добавками.

Материалы, полученные по этим технологиям , не уступая традиционным керамическим и силикатным по физико-механическим свойствам, выгодно отличаются от них следующими особенностями:

- меньшей энергоемкостью, поскольку для их производства не требуется ни обжига, ни тепловлажностной обработки;

- более широкой сырьевой базой, так как для их производства можно эффективно использовать местное недефицитное природное сырье, некоторые промышленные отходы и побочные продукты;

- снижением расхода вяжущего;

- ускорением процесса твердения;

- более простой технологией, в связи с чем их производство может быть организовано с минимальными капиталовложениями.

По этим технологиям можно изготавливать штучные стеновые материалы широкой номенклатуры, такие как кирпич, камни, облицовочную плитку, а также тротуарные плиты и бордюрные камни, размер и форма которых определяется возможностью формующего оборудования, что позволит существенно расширить ассортимент стеновых, облицовочных и дорожных материалов.

Несмотря на очевидные потенциальные возможности, процесс гиперпрессования в настоящее время в должной мере не изучен, что сдерживалось отсутствием необходимого прессующего оборудования. Поэтому детальное изучение процессов , происходящих при гиперпрессовании и создание на его основе

безобжиговых технологий цементных композиций является актуальной задачей.

Целью работы является создание наиболее эффективного материала, удовлетворяющего наперед заданным показателям свойств, имеющего одновременно и оптимальные их значения, обеспечивающие наибольшую долговечность и максимальную экономию материала и топливно-энергетических ресурсов на стадии его изготовления. А также изучение механизма структурообразо-вания цементного камня, получаемого методом гиперпрессования, и влияние вида и количества наполнителей и заполнителей на его свойства.

Разработка составов и исследование физико-технических свойств цементных композиций для получения безобжиговых изделий с использованием местного сырья и отходов промышленности с целью максимальной экономии цемента при одновременном обеспечении нормативных требований. Уточнение оптимальных пределов давления прессования в зависимости от химической природы заполнителей и наполнителей.

В основу работы положена рабочая гипотеза о взаимосвязи основных закономерностей структурообразования цементного камня со свойствами наполненного бетона и возможности направленного регулирования свойств бетонов путем применения различных наполнителей и высокого давления прессования. При сильном сжатии во время прессования между макрочастицами формовочной смеси , состоящей из частично гидратированных минералов клинкера, заполнителя и наполнителя возникают многочисленнные контакты, упрочняющиеся при последующем «дозревании камня». Предполагается , что между этими частицами во время прессования , учитывая большое количество контактов, возникает межмолекулярное взаимодействие за счет вандерваальсовых сил и ненасыщенных валентных связей , которые вовлекаются в синтез прочности цементного камня. При этом частицы наполнителя, как частицы дисперсной фазы с иными значениями поверхностной энергии должны выполнять функцию структурообразующих центров.

Научная новизна работы:

разработка малоцементных композиций с использованием принципиально нового метода формирования структуры искусственного камня-технологии гиперпрессования;

- установлено, что гиперпрессование позволило уменьшить толщину водных оболочек в контактной зоне и вовлечь в синтез прочности контактно-конденсационных связей величину поверхностной энергии , что позволило снизить расход вяжущего, увеличить прочность сырца, ускорить процессы твердения;

- выявлено, что несмотря на стесненные условия , обеспечивается нормальная гидратация цемента, так как водоцементное отношение сохраняется в пределах 0,5-1;

- показано, что при гиперпрессовании в большей степени, чем при обычных условиях формования проявляется химическая природа и заполнителей и наполнителей , имеющих различное энергетическое состояние поверхности;

- установлено, что гиперпрессование нивелирует влияние некондиционных заполнителей на прочность и морозостойкость бетона;

- доказано, что способностью к активному взаимодействию с гидросиликатами кальция обладают карбонатные материалы в большей степени , чем в пластичных композициях.

Автор выносит на защиту:

- представления о природе и механизме поведения плотных и пористых заполнителей и напол нителей в гиперпрессованных бетонах;

- разработанные составы бетонов и технологические параметры производства;

- физико-механические и гидрофизические характеристики стеновых и дорожных материалов;

- разработка составов для производства дорожных бетонов;

-результаты производственной апробации и внедрение разработанной технологии, экономическая эффективность производства и применения полученных материалов;

-научные выводы и практические рекомендации по результатам исследований.

Практическая значимость работы

- разработана новая энерго- и материалосберегающая технология производства безобжиговых изделий из местного недефицитного сырья;

- использование данной технологии открывает пути для утилизации ряда промышленных отходов и побочных продуктов;

- создан новый строительный материал- безобжиговый кирпич, что расширяет существующую номенклатуру стеновых материалов;

- разработка выполнена на уровне , достаточном для тиражирования в любом районе России.

Внедрение результатов работы -результаты выполненных исследований использовались при разработке технологического регламента для Тугнуйского разрезостроительного управления республики Бурятия, который принят для внедрения;

-по разработанной технологии в названном управлении изготовлена опытная партия кирпича марки 75-300 на основе гранитных отсевов дробильно-сортировочной фабрики;

-методические разработки, подготовленные по результатам исследований, используются в учебном процессе кафедры «Производство строительных материалов , изделий и конструкций».

Апробация работы

Результаты исследований доложены на научно-технической конференции «Утилизация промышленных отходов» в г. Пенза в 1995 г, на научно-практической конференции « Строительная наука- основа жилищной реформы» в г. Улан-Удэ в 1998 г, на научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВСГТУ в 1988 г., на научно-практической конференции «Строительный комплекс Востока России. Проблемы, перспективы, кадры» в г. Улан-Удэ в 1999 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Объем работы:

Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы (135 наименований), содержит страниц машинописного текста, 25" рисунков , 42. таблицы.

Работа выполнялась в лаборатории строительных материалов ВСГТУ и лаборатории химии минерального сырья БНЦ академии наук.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность д.т.н., проф. Цыремпилову А.Д., к.х.н., доц.Архинчеевой Н.В. за научное руководство к.х.н. Константановой К.К., к.х.н., доц. Цыреновой С Б. за полезные советы и помощь в проведении исследований, а также д.т.н., проф. Магдееву У.Х. за необходимые консультации по теме исследований.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Применение прессованных бетонов в строительных материалах и конструкциях.

Еще в конце 19-го, начале 20-х веков [ 56,79,114 ] прессованные бетоны применялись во Франции, Германии и Швеции для изготовления монолитных отделок тоннелей малых диаметров в строительстве портовых сооружений .

Более широкое применение прессованных бетонов сдерживалось несовершенством применяемого оборудования, обоснованных научных теорий структурообразования бетонов, уплотняемых прессованием под приложенным внешним давлением [5,9,11].

В России изучение возможности уплотнения бетонной смеси прессованием началось в начале 30-х годов нашего столетия. В ЦНИИПС был предложен и проверен способ формования двухпустотных настилов прессованием в амкнутой форме посредством металлорезиновых надувных вкладышей [ 13].

В 1956 году на заводе ЖБК г. Новокуйбышевск начал действовать беспрокатный стан, выпускавший облицовочные бетонные и гипсобетонные плиты. Давление прессования составляло 6,0 МПа. Прессованию подвергались очень жесткие «сухие» смеси [54].

В настоящее время в России имеется ряд предприятий, на которых существуют и успешно эксплуатируются линии, производящие формование и уплотнение бетонной смеси методами прессования и вибропрессования.

Так, на Мелеузском заводе треста «Волготрансстрой» освоено изготовление железобетонных колец диаметром от 75 до 200 см и длиной 100 см на установке, обеспечивающей прессующее усилие до 3,0 МПа [62].

Метод прессования широко применяется при производстве бордюрного камня, тротуарной плитки. Имеется опыт изготовления прессованием пустотных настилов, ребристых плит, колонн и балок [ 53].

1.1.1. Некоторые исследования тяжелых бетонов, уплотненных

прессованием

В 30-х годах нашего столетия делались попытки дать теоретическое обоснование физико-химических процессов, происходящих в бетоне под приложенным внешним давлением. Средй исследователей не существовало единого мнения о влиянии состава бетонной смеси на конечную прочность бетона при прессовании, зависимости состава бетонной смеси от прилагаемого давления.

Так, Боломей [13,22] , в качестве оптимального давлейия предлагал давление в 2,0 МПа, бетонная смесь предлагалась подвижной с В/Ц = 0, 6. Фрейсине [22] считал оптимальным прессование с усилием в пределах 2-10, МПа, прикладываемое также на подвижную бетонную смесь. В исследованиях Р.Лермита [22], прикладываемое давление колебалось в широких пределах от 1,0 МПа до 250 МПа. Водоцементное отношение изучаемого им цементного теста принималось 0,05-0,1.

А.Н.Попов [54] бетонную смесь с В/Ц =0,4-0,5; прессующее давление 20,0 МПа, а Р. Флодин[122 ] изучал образование цементного камня с В/Ц= 0,1-0,15; внешним давлением 20 МПа [45]

Р.Лермитом показано, что прочность цементного камня , отформованного давлением 10 МПа и 250 МПа в 3-х месячном возрасте практически одинакова [22].

О.П. Мчедлов-Петросян на основании экспериментальных данных делает выводы, что при принятых составах прочность бетонных образцов , уплотненных прессованием выше прочности образцов , изготовленных вибрированием и превышение характерно для всех стадий твердения, но особенно существенным является в раннем возрасте [58].

Прочность образцов, уплотненных прессованием в возрасте 28 суток незначительно отличается от прочности образцов в возрасте 7 суток, и, следовательно, прессование ускоряет процесс твердения цементного теста в бетоне, так как под его влиянием высвобождается экранированная ранее толстыми пленками жидкости избыточная поверхностная энергия, которая способствует более сильному взаимодействию частиц и происходит значительное ускорение формирования