автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Мелкозернистый фибробетон на композиционном вяжущем для монолитного строительства в условиях Камбоджи

На правах рукописи

Ж-

ЧХИН Сованн

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ ФИБРОБЕТОН НА КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ КАМБОДЖИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

11 ноя 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ-2015

005564269

005564269

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лесовик Валерий Станиславович

Официальные оппоненты: Ильина Лилия Владимировна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет», декан факультета инженерных и информационных технологий

Ракитченко Константин Сергеевич

кандидат технических наук ООО « Альфа-Транс», технический директор

Ведущая организация Санкт -Петербургский

государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится 17 декабря 2015 г. в 14— на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 в Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 426, стр.4, ауд. 8-124. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГУТУ и на сайте:

Ь11р://]оЬ.ея51ц.п|/ироПа1/{1!55ег1а11оп/(]|55егГа1!опСоттеп1агу.Ь1т?сИ55ег1а11оп1

с1—466

Автореферат разослан

« ^ »

2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дамдинова Дарима Ракшаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Индокитай является одним из регионов с большим потенциалом стройиндустрии. Учитывая специфические климатические и геологические условия, особенности сырьевой базы и геоморфологию территории, производство материалов и строительство в государствах этого региона имеет свои особенности. В Камбодже в настоящее время существенно возросли объемы строительства, значительное количество зданий и сооружений нуждается в ремонте и восстановлении. Важной задачей является управление процессами структурообразования бетона в условиях жаркого климата. Быстрое испарение влаги из бетонной смеси может привести к пластической усадке и трещинообразованию.

Поэтому, разработка эффективных составов фибробетонов на композиционных вяжущих, управление процессом структурообразования, гранулометрией заполнителей и синтезом новообразований позволит решить накопившиеся проблемы в современном строительстве Камбоджи.

Важное значение имеет применение нанострутурированных модифицирующих добавок, местного сырья, что приводит к значительному повышению реологических характеристик формовочной смеси и строительно-технических свойств полученного фибробетона, существенно увеличивает сроки службы конструкций и их долговечность.

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

Степень разработанности. Одним из способов повышения эксплуатационных свойств фибробетона является оптимизация его структуры и разработка методов управления структурообразования при твердении. В работах выполненных ранее, недостаточно уделено внимание работе над созданием высокоэффективных добавок-модификаторов, которые на микро- и нано уровне способны создать высокую степень упорядоченности элементов структуры композиционного материала. Мало внимания также уделялось влиянию на адгезионные процессы цементного камня с фиброволокном в бетонах на композиционных материалах с применением местных материалов государства Камбоджи.

Цель работы: повышение эффективности мелкозернистого фибробетона для монолитного строительства на основе сырья Камбоджи.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ сырьевых ресурсов Камбоджи, их вещественного состава и строения;

. - разработка составов композиционного вяжущего и мелкозенистого фибробетона на его основе;

- исследование и оптимизация структуры и свойств мелкозернистого фибробетона;

- подготовка научно-технической документации для реализации теоретических и экспериментальных исследований, внедрение результатов исследований.

Научная новизна работы. Установлен характер процессов структурообразования композиционного вяжущего, полученного путем введения в портландцемент суперпластификатора и

нанострутурированного модификатора (НМ) (состоящего из равных частей домолотого до Буд = 600 м2/кг базальта, мела, полиминеральной глинистой породы), заключающийся в избирательном воздействии этих компонентов на процессы синтеза новообразований. Особенности состава и строения глинистой породы позволяют повысить реологию бетонной смеси; снизить водовяжущее отношение, при синтезе новообразований; «отдавать» законсервированную часть жидкости при трещинообразовании, стимулируя «залечивание» мнкротрещин при эксплуатации бетона. Нано- и микродисперсные зерна базальта служат затравками при кристаллизации гидросиликатов кальция и, наряду с рентгеноаморфным глинистым веществом, связывают Са(ОН)2, выделяющийся при гидратации алита. Мел способствует образованию гидрокарбоалюминатов кальция.

Введение в состав суперпластификатора «Полипласт СП-1» в присутствии НМ существенно повышает водоудерживающую способность формовочной смеси и снижает ее расслаиваемость. При равной подвижности, смесь композиционного вяжущего с добавкой суперпластификатора отличается большей вязкостью, значительно меньшей расслаиваемостыо и большей пластичностью по сравнению с традиционными бетонными смесями. Изготовление мелкозернистого бетона на таком вяжущем позволяет сократить время, энерго- и материальные затраты на производство, получить бетоны с высокой водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Предложен способ оптимизации структуры мелкозернистых бетонов:

— за счет использования композиционного вяжущего с нанострутурированным модификатором на наноуровне;

— создания высокоплотной упаковки заполнителя из базальта на микроуровне;

— введения стальной и полипропиленовой фибры на макроуровне, что приводит к образованию более однородной структуры с минимальным количеством пор и микротрещин. Это позволило разработать широкую

номенклатуру мелкозернистых фибробетонов для монолитного строительства с пределом прочности при сжатии до 97,5 МПа, морозостойкостью F 300 и высокими деформативными характеристиками.

Выявлен характер зависимости эксплуатационных характеристик мелкозернистого фибробетона - предела прочности, при сжатии и изгибе, истираемости и деформативных показателей, от содержания нанострутурированного модификатора, свойств и количества суперпластификатора и фибры.

Достоверность результатов работы обеспечена системой проведенных исследований с применением стандартного оборудования и методов измерения, использованием современных методов физико-химического анализа, электронной микроскопии, большим объемом экспериментальных.

Практическая значимость работы. Предложены состав и технология производства нанострутурированного модификатора для производства композиционного вяжущего на основе горных пород Камбоджи.

Разработаны составы композиционных вяжущих на основе портландцемента, пластифицирующей добавки и нанострутурированного модификатора. Введение в состав композиционного вяжущего базальта, глинистой породы и мела позволяет не только управлять процессами структурообразования бетона, но и существенно расширить сырьевую базу Камбоджи.

Предложены составы мелкозернистого фибробетона для монолитного строительства с использованием композиционного вяжущего, базальта стальной и полипропиленовой фибры.

Полученные результаты и основанные на них рекомендации позволят повысить надежность, долговечность и экономичность зданий и сооружений в условиях строительства в Камбодже.

Методология и методы исследования.

Методологические аспекты исследования композиционного вяжущего и фибробетона составляют структурную систему организации и проведения экспериментальных методов и методик, позволяющих целенаправленно осуществлять изучение определенной проблемы, показывающую связь объектов «человек - материал - окружающая среда» и обеспечивающую получение достоверных результатов.

Микроструктурные исследования и количественный анализ новообразований образцов проводились с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего высокоразрешающий сканирующий электронный микроскоп TESCAN MIRA 3 LMU, включающий энергодисперсионный спектрометр (ЭДС), совмещенный с персональным компьютером.

Качественный и количественный анализ структуры опытных образцов проводился на аналитическом рентгеновском дифрактометре ARL9900 Intellipower Workstation и ARLX'TRA по методу порошков.

Изучение влияния суперпластификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов осуществляли комплексными методами исследований, регламентируемых государственными стандартами. Исследование подвижности цементных суспензий в присутствии суперпластификаторов производили с помощью мини-конуса в соответствии с методикой, разработанной НИИЖБ.

Внедрение результатов исследований. Разработаны технологический регламент и технические условия на производство мелкозернистого фибробетона для монолитного строительства на сырьевых материалах Камбоджы.

На основании разработанной нормативно-технической документации осуществлено строительство каркасно-монолитного жилого дома в г. Пномпень — столице Камбоджи.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению по направлению 270800.62 «Строительство», по магистерским программам «Технология производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Инновации и трансферт технологии» направление 270800.68 «Строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011,2012 г.г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых (Белгород, 2013, 2014 г.г.); Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (2015 г.).

Публикации. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы изложены в 7 научных публикациях, в том числе в 3 статьях в центральных рецензируемых изданиях.

Зарегистрировано НОУ-ХАУ № 20150004.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 204 наименования и приложения. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 37 таблиц, 50 рисунков и фотографий.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование и возможность получения нанострутурированного модификатора и композиционных вяжущих для мелкозернистого фибробетона с использованием суперпластификатора;

— составы и свойства мелкозернистого фибробетона с использованием энергоэффективного сырья месторождений Камбоджи;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований состава, свойств и особенностей микроструктуры фибробетона для монолитного строительства;

— технико-экономическое обоснование и внедрение результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время на территории Камбоджи осуществляется крупномасштабное строительство зданий и сооружений различного назначения, в том числе и высотных. Для их возведения преимущественно используется технология монолитного строительства из железобетона. Учитывая климатические условия (температура и влажность), монолитное бетонирование — оптимальный способ строительства, но повышенная сейсмичность региона вызывает необходимость применения фибробетона.

Строительство ведется известными способами (рис. 1).

Шгаеедение-здаиий-м.

1______, _______ ..... ■ .1 ..........1

И

МоиодитмоеТ-

I . Сбормо- | Сборно- | | .... Сборно- | | Паиелвмо.%, ,. Олоцнемп, , трикн/кЯ ^ исмвдуфгниеТ! кардаонвсД ,

Рисунок 1 - Способы возведения зданий и сооружений из бетона

Перспективным направлением в строительной индустрии, особенно при возведении высотных зданий, является применение фибробетонных монолитных конструкций различного назначения.

Дисперсно-армированный бетон обладает значительным преимуществом по сравнению с обычным бетоном. Он имеет большую степень сопротивления трещинообразованию, повышенные пределы прочности при сжатии, растяжении и изгибе, высокие показатели водонепроницаемости и морозостойкости.

В работе исследовали в качестве дисперсного армирующего компонента стальную и полипропиленовую фибру.

Фибра стальная волновая имеет повышенные показатели прочности (до 35000 МПа на разрыв), пригодна как для изготовления обычного, так и высокопрочного бетона. Производится из низкоуглеродистой стали и имеет размеры: длина - 30 мм, диаметр - 0,8 мм.

Фибра полипропиленовая — это тонкое синтетическое волокно, изготавливается из полипропилена - термопластичного полимера, является

многофункциональным микроармирукнцим компонентом. Она используется в качестве добавки в различных видах бетонов (тяжелых, гидротехнических), сухих строительных смесях (штукатурных, монтажных, кладочных).

Теоретический анализ и практическая апробация позволили перейти к углубленному изучению способов оптимизации структуры и свойств цементного камня и фибробетона на сырьевых материалов Камбоджи, а также способствовали разработке композиционного вяжущего на их основе.

Характеристики цемента ООО «Кампот Цемент» г. Пномпень (Камбоджа) имеют близкие по значению показатели химического и минерального состава продукции ЗАО «Белгородский цемент». Поэтому для изготовления опытных образцов применяли товарный цемент ЗАО «Белгородский цемент» марки ЦЕМ I 42,5Н. Химический состав и основные строительно-технические показатели цемента с их пределами варьирования приведены в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав цемента

Марка цемента Химический состав, % по массе

ЭЮз АЬОз ИегОз СаО МвО БОз к2о СаО„ ппп

ЦЕМ 142,5Н 22,49 4,77 4,40 67,22 0,43 2,04 0,20 0,20 1,5

Цемент производств а Камбоджи 22,20 5,17 4,46 66,22 0,43 2,37 0,25 0,21 1,6

В качестве заполнителя и компонента НМ использовали базальт месторождения Мондол Кири, расположенного в Камбодже. Он содержит в своем составе кальциевый полевой шпат - анортит, авгит и оливин, что подтверждают снимки растровой электронной микроскопии (рис. 2).

Рисунок 2. Фотографии микроструктуры базальта: ЮООх (а), 10000 х (б)

Основными оксидами в составе базальта являются 8Ю2, А1203. В пределах 10 % содержатся оксиды кальция и железа. Доли процента составляют кислотные и оксиды щелочноземельных металлов.

Базальт имеет более высокие значения истинной и насыпной плотности, чем гранит, что объясняется присутствием авгита и оливина.

Вторым компонентом НМ была представлена глинистая порода месторождения Пномпень. Продуктивные глины данного месторождения приурочены к верхнемиоценовым и верхнеплиоценовым отложениям. Их залежи имеют пластовую и линзовидную форму. Большая часть месторождения перекрыта базальтами верхнеплиоценового возраста.

Рисунок 3 - Рентгенограмма глинистой породы монтмориллонит:о- каолинит: п- кварц: х - кальцит; * - Гидрослюд

Глина состоит из смешаннослойных образований, монтмориллонита ((1 = 17,49; 13,91; 4,50; 3,96; 3,21; 3,00; 2,57 А), каолинита (9,11; 8,23; 7,46; 6,73; 5,56; 2,88 А), тонкодисперсного слабоокатанного кварца (<1 = 5,38; 4,28; 3,35; 2,50; 2,29; 1,95; 1,82 А), кальцита (с! = 3,96; 3,00; 2,50; 2.29; 2,10; 1,91; 1,82 А), гидрослюд(с! = 10,16, 4,50, 3,55; 2,36 А), а также содержит рентгеноаморфную фазу (рис. 3).

Это подтверждается результатами растровой электронной микроскопии (рис. 4), которые свидетельствуют о указанных составляющих глины.

Рисунок 4 - Микроструктура глины Пномпеньского месторождения

Третьим компонентом НМ является мел месторождения Компонг Чам. На снимке видны образования, характеризующие органогенное происхождение данной породы (рис. 5). Основными минералами являются кальцит и арагонит. Порода отличается высокой рыхлостью и удоборазмалываемостью.

Рисунок 5 - Микроструктура мела Компонгчамского месторождения

Мел состоит из обломков скелетов многоклеточных организмов, раковин одноклеточных корненожек - фораминифер - около 10 %, обломков микроскопических водорослей кокколитофорид (-'0-40 /0), тонкодисперсного кальцита (35-45 %) и др. В мелу встречаются раковины

моллюсков, морских ежей и губок.

В качестве пластифицирующей добавки использовали «Полипласт С11-1» состоящий из смеси натриевых солей продуктов конденсации нафталинсульфокислот с формальдегидом, лигносульфонатом и сульфатом натрия, удовлетворяющий требованиям ТУ 6-36-0204229-625. Аналогичный по свойствам суперпластификатор (также на основе нафталинсульфокислот) - МАРЕРШГО N100 применяется при изготовлении бетонных конструкций в Камбодже.

Микроармирующие элементы вводили на стадии перемешивания сухих компонентов смеси, а так же в готовую товарную смесь бетона или строительного раствора в объёме 0,6-0,9 кг/м3. Дополнительное время

перемешивания - 10-15 мин.

Для повышения эффективности фибробетона существенное значение имеет наиболее полное использование возможностей вяжущих, создание

оптимальной структуры бетона.

Разработанное композиционное вяжущее (КВ), состоит из цемента, суперпластификатора и нанострутурированного модификатора, полученного совместным помолом в вибрационной мельнице базальта, глинистой породы и мела месторождений Камбоджи в соотношении 2:2:1

до удельной поверхности 600 м2/кг. КВ получали смешиванием цемента с суперпластификатором и нанострутурированного модификатора в соотношении 97 % и 3 %, соответственно.

Сравнительные испытания различных суперпластификаторов для определения оптимального их количества показали, что наиболее эффективным является «Полипласт СП-1» с оптимальной дозировкой 0,5 % от массы цемента (табл. 2).

Анализ результатов исследований показал, что добавление «Полипласта СП-1» в количестве 0,5 % от массы вяжущего приводит к получению оптимального расплыва миниконуса-0=162 мм (В/Ц=0,32).

Таблица 2

Влияние вида суперпластификатора на подвижность смеси

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

1Ц42,5Н г Вода, г

«Полипласт СП-1» «Карбоксилат» С-3»

0,1 100 34,6 62 60

0,2 33,5 113 96

0,3 33,1 133 112

0,4 33,0 147 120

0,5 32,9 162 128

0,6 32,0 166 134

0,7 31,8 171 142

0,8 31,0 178 153

0,9 30,5 180 160

Растекаемость расплыва вяжущего с пластификатором определяли измерением ее диаметра в направлении наименьшего и наибольшего размера и вычисляли среднее арифметическое (рис. 6).

Установлен характер влияния суперпластификаторов на расплыв миниконуса Эффективность «Полипласта СП-1» не вызывает сомнений, поэтому этот суперпластификатор и выбран для дальнейших исследований.

Механохимическое взаимодействие клинкерных минералов портландцемента с суперпластификатором в процессе смешивания и истирания способствовало снижению водопотребности и повышению реологических свойств, что существенно повысило и прочностные характеристики цементного камня.

Исходя из теоретических положений о недорустимости большого количества ионов Са+2 в твердеющей смеси в присутствии суперпластификатора, приняли соотношение глины:базальта:мела = 2:2:1. Указанные материалы измельчались совместно и раздельно в вибромельнице, до разной степени помола, после чего смешивались в разных пропорциях с цементом и пластификатором.

В начале исследовали КВ, полученное совместным измельчением до 600 м2/кг НМ состава - глина:базальт:мел = 2:2:1 при его содержании 1,3,5,7 и 10 % (табл. 3). Согласно полученным данным, композиционное вяжущее, состоящее из цемента, суперпластификатора «Полипласт СП-1» и НМ состава глина:базальт:мел = 2:2:1 обладает более высокими показателями прочности по сравнению с составом без нанострутурированного модификатора. Оптимальная дозировка НМ составляет 3 %. Увеличение прочностных показателей связано со снижением значения водопотребности смеси и уплотнением пространственной компоновки новообразований в полученном цементном камне.

Таблица 3

Влияние количества нанострутурированиого модификатора на прочность цементного камня (соотношение глина:базальт:мел= 2:2:1)

№ п/п Состав вяжущего Предел прочности при сжатии, МПа Прир ост прочност и, %

1 Цемент 41,4 -

2 Ц+0,5 % «Полипласт СП-1» 48,2 16,4

3 Ц+0,5 % «Полипласт СП-1»+1 % НМ 57,1 38,0

4 Ц+0,5 % «Полипласт СП-1»+3 % НМ 67,5 45,5

5 Ц+0,5 % «Полипласт СП-1 »+5 % НМ 59,0 42,6

6 Ц+0,5 % «Полипласт СП-1 »+7 % НМ 56,9 37,6

7 Ц+0,5 % «Полипласт СП-1 »+10 % НМ 65,5 34,9

Сравнительные испытания КВ с разным соотношением компонентов в нанострутурированном модификаторе подтвердили правильность теоретических предпосылок и экспериментальных исследований об оптимальности выбранного соотношения (глина:базальт:мел -2:2:1). Образцы данного состава с общим содержанием добавки нанострутурированиого модификатора 3 % показали наибольший прирост прочности при сжатии в 28-суточком возрасте - 45,5 %.

Установлено влияние тонкости помола композиционного вяжу-щего на прочность цементного камня с содержанием НМ 3 % (табл. 4).

Наиболее интенсивный рост физико-механических свойств композиционного вяжущего наблюдается в интервале значений удельной поверхности до 600 м2/кг, при дальнейшем помоле этот показатель повышается незначительно. Поэтому в целях экономии энергозатрат принята в дальнейших экспериментах удельная поверхность вяжущего 600 м2/кг (состав 3).

Прочность образцов КВ различных сроков твердения свидетельствует о правильности подбора состава и формировании плотной структуры цементной матрицы с установленной удельной поверхности и содержанием добавки НМ.

Таблица 4

Прочность образцов композиционного вяжущего с нанострутурированным модификатором различной дисперсности

Состав, % Тонкость помола, м2/кг Прочность при сжатии, МПа Прочность при изгибе, МПа

№ п/ п Ц+0,5 % «Полипласт СП-1» НМ В/Ц

1 100 - 0,28 300 48,2 8,3

2 0,29 450 60,2 8,9

3 97 3 0,32 600 67,5 9,5

4 0,34 900 66,8 9,4

Результаты эксперимента показывают значительный рост предела прочности при сжатии образцов композиционного вяжущего-до 85-90 % к 14-суточному возрасту. При этом наибольшая скорость гидратации имеет место у вяжущего с 3% добавки нанострутурированного модификатора, также как и наибольшее значение предела прочности при сжатии - 67,5 МПа (рис. 7).

3 7 14 28

Возрасттвердения, сутки

Рисунок 7 - Прочность при сжатии образцов в зависимости от количества добавки нанострутурированного модификатора и сроков твердения

Водопотребность композиционного вяжущего различной тонкости помола колеблется в от 0,3 до 0,4, что соответствует прямой зависимости объема воды для смачивания поверхности частиц от величины удельной поверхности без уменьшения подвижности цементного теста. В итоге была подтверждена доля НМ и его удельная поверхность (рис. 8).

Данные по срокам схватывания (рис. 9) указывают на то, что используемый модификатор влияет на продолжительность начала схватывания композиционного вяжущего, несколько продлевая данный период.

а 5=450 м2/кг В 5=600 м2/кг а5=900кг2/кг

Содержание НДМ в колшоз^^ондомвяжущем,

Рисунок 8 - Динамика изменения водопотребности КВ с разной дозировкой

и дисперсностью НМ Это связано с экранирующим эффектом поверхности частиц портландцемента и их модификацией при совместном помоле, что замедляет реакцию гидратации клинкерных минералов.

Для условий жаркого влажного климата Камбоджи это даст положительный эффект, так как приведет к замедлению экзотермической реакции гидратации и предотвращению растрескивания бетона от внутренних термонапряжений. Сроки начала схватывания сдвигаются в сторону увеличения до 1 ч. 36 мин. - 1 ч 59 мин., а промежуток между началом и концом схватывания сохраняется в пределах 2 ч. 16 мин.- 2 ч. 44 мин.

Содержание добавки НДМ, %

Рисунок 9 - Изменение сроков схватывания композиционного вяжущего в зависимости от содержания нанострутурированного модификатора

Анализ строительно-технических свойств КВ показывает эффективность использования разработанной добавки-модификатора при ее содержании 3%.

Структура композиционного вяжущего, полученного раздельным помолом и последующим смешением компонентов, характеризуется не таким однородным составом, как при совместном помоле. Заметны поры, пространство которых заполнено игольчатыми кристаллами длиной до 5 мкм, во всем объеме материала. Наличие значительного количества пор объясняется меньшей механоактивацией и наличием более крупных микрочастиц отдельных компонентов НМ. Это приводит к снижению предела прочности при сжатии по сравнению с нанострутурированным модификатором, полученным совместном помолом (рис. 10).

Поэтому в дальнейшем при получении нанострутурированного модификатора для изготовления мелкозернистого бетона была принята схема совместного помола компонентов - глины, известняка и базальта.

Рисунок 10 - Микроструктура образцов вяжущего: без модификатора (верхние снимки) и с 3 % содержанием модификатора (нижние снимки)

Таким образом, установлен характер процессов структурообразования композиционного вяжущего, полученного путем введения в портландцемент суперпластификатора и нанострутурированного

модификатора (с Яуд = 600 м2/кг), состоящего из базальта, мела, полиминеральной глинистой породы, смешанными в соотношении 2:2:1. Особенности состава и строения глинистой породы позволяют повысить реологию бетонной смеси; снизить водовяжущее отношение, при синтезе новообразований; «отдавать» законсервированную часть жидкости при трещинообразовании, стимулируя «залечивание» микротрещин при эксплуатации бетона. Нано- и микродисперсные зерна базальта служат затравками при кристаллизации гидросиликатов кальция и, наряду с рентгеноаморфным глинистым веществом, связывают Са(ОН)2, выделяющийся при гидратации алита. Мел способствует образованию гидрокарбоалюминатов кальция.

Введение в состав суперпластификатора «Полипласт СП-1» в присутствии нанострутурированного модификатора существенно повышает водоудерживающую способность формовочной смеси и снижает ее расслаиваемость. Основное избирательное воздействие компонентов на процессы синтеза новообразований заключается в вытеснении ионов Са+2 ионами Ыа+ в результате обменных реакций, протекающих одновременно с реациями гидратации, что сопровождается существенным водоредуцирующим эффектом. При равной подвижности, смесь композиционного вяжущего с добавкой суперпластификатора отличается большей вязкостью, значительно меньшей расслаиваемостью и большей пластичностью по сравнению с традиционной бетонной смесью. Изготовление мелкозернистого бетона на таком вяжущем позволяет сократить время, и энерго- и материальные затраты на производство, получить бетоны с высокой водонепроницаемостью и морозостойкостью.

о 1|

я

$

а а

к

№

(|з ¿а

и

4Й

Ц$ к

5 V

О С«0+1|) й (КО.

а <зм|1)

ООШ.а С4АН14

О

»3

Рисунок 11 - Рентгенограмма цементного камня на основе композиционного вяжущего

Это объясняется тем, что структура цементного камня на КВ значительно плотнее, чем у обычного портландцемента, и представляет собой систему новообразований, количество которых существенно больше, чем в структуре цементного камня (<1= 15,084; 9,948; 3,171; 2772 А -СБН(1); 13,435; 8,319; 6,399; 2,701 А - САНЮ; с!= 3,873; 2,743; 2,453; 2,307 А - С4АН19) (рис. 11). Формируемый цементный камень твердеющего КВ является более плотным и однородным с небольшими включениями микропор. Уплотнение структуры цементного камня с нанострутурированным модификатором объясняется быстрым увеличением объема кристаллической фазы и уменьшением водных прослоек между отдельными кристаллами новообразований.

Полученные результаты позволили разработать технологию изготовления композиционного вяжущего с добавкой нанострутурированного модификатора:

- подготовка исходных компонентов (измельчение глинистой породы, базальта и мела, их дозировку);

- смешивание исходных компонентов в соотношении 2:2:1;

- совместный помол до удельной поверхности Буд= 600 м2/кг;

- дозировка цемента и суперпластификатора (0,5 % от массы цемента);

- смешивание цемента с суперпластификатором;

- смешивание цемента и суперпластификатора с тонкомолотыми компонентами НМ.

Для повышения эффективности монолитного фибробетона в качестве заполнителя применяли отсев дробления базальтовых пород Камбоджи. Установлена возможность получения качественных мелкозернистых бетонов с использованием отсева дробления базальта. При этом прочность увеличилась почти на 15 % по сравнению с кварцевым песком.

Исследование физико-механических характеристик базальтовых пород месторождения Мондол Кири показали их высокое качества, сравнимое с гранитным щебнем. Отсевы дробления отличаются шероховатостью поверхности частиц и угловатой их формой с высокоразвитой поверхностью, что повышает адгезию цементного камня (рис. 12).

В настоящее время в Камбодже базальтовый заполнитель применяют в технологии обычных тяжелых бетонов. При его дроблении образуется 1216 % частиц размером менее 5 мм.

Возможность применения отсева дробления базальта, как сырья для производства высококачественного бетона, проводили сравнительными испытаниями составов, содержащих мелкий заполнитель из кварцевого песка и базальта, с добавкой скперпластификатора и без него.

в г

Рисунок 12 - Фотоснимки дробленого базальта: а) фр. 0,315-0,63; б) фр. 0,63-1,25; в) фр. 1,25-2,5; г) фр. 2,5-5 мм Дальнейшую оптимизацию структуры осуществляли путем подбора высокоплотной упаковки заполнителя. Для этой цели использовали песок с модулем крупности 1,9 карьера ОГУП «Дорстрой» с. Графовка Белгородской области, аналогичного по свойствам, применяемому для строительства в Камбодже (табл. 5).

Таблица 5

Свойства мелкозернистого бетона на основе

Вяжущее, кг/мЗ Базальтовый запол- Кварцевый песок, кг/мЗ Вод В/Ц «Полипласт СП-1», кг Предел прочност -и при Призм-енная прочно Предел прочно -сти при

Ц кв нитель кг/мЗ л/мЗ сжатии Ясж, МПа Rnp, МПа, изгибе, Яиз, МПа

1850 320 0,46 - 41,4 26,4 12,1

„ 250 0,36 2,25 66,2 54,1 15,6

700 1840 2,25 66,5 54,3 15,7

700 1840 245 0,35 - 70,6 55,2 15,9

450 1400 330 153 0,45 - 44,1 22,5 10,8

500 1380 320 190 0,38 2,00 49,2 28,5 12,2

_ 600 1340 310 216 0,36 2,52 53,6 42,2 13,4

650 1280 300 221 0,34 2,64 65,0 51,4 14,1

700 1240 295 224 0,32 3,40 71,2 57,2 16,0

Установлено, что образцы мелкозернистого бетона на композиционном вяжущем с мелким заполнителем из базальта имеют более плотную структуру цементного камня, чем на обычном портландцементе. Применение композиционного вяжущего позволило не только сократить расход клинкера, но и улучшить эксплуатационные характеристики бетона. Так, при расходе КВ 500 кг/мЗ (экономия цемента 200 кг/мЗ) получили прочность при сжатии 49,2 МПа, т.е. на 15,6 % выше, чем при использовании цемента и кварцевого песка с расходом 700 кг на мЗ.

Оптимальный состав мелкозернистого бетона получен на на заполнителе с высокоплотной упаковкой при расходе КВ 700 кг/мЗ. Предел прочности при сжатии увеличился на 71,9 % по сравнению с мелкозернистым бетоном на цементе и кварцевом песке.

Это объясняется микроструктурой мелкозернистого бетона (рис. 13). Его микроструктура отличается меньшим количеством защемленного в толще воздуха за счет высокоплотной упаковки частиц заполнителя. Поскольку заполнитель представлен частицами разных фракций, разной формы и разного происхождения (отсев базальта и кварцевый песок), что обеспечивает эффект заполнения порового пространства более крупных частиц более мелкими с большим процентом твердого вещества.

Оптимизация структуры на макроуровне осуществляется за счет введения мелкодисперсной арматуры - фибры. Для этой цели использовали металлическую волновую и полипропиленовую фибры. Ее оптимальное количество составило 1,6 и 0,24 % соответственно. При этом увеличились прочностные показатели бетона на КВ, по сравнению С мелкозернистым бетоном на цементном камне: предел прочности при сжатии на 30 2 % при изгибе - 22,9 %.

Контактная зона цементного камня с арматурой у фибробетона, приготовленного на КВ, более плотная, сцепление более прочное, чем у обычного фибробетона (рис. 13).

Рисунок 13 - Микроструктура мелкозернистого бетона в зависимости от вида вяжущих: а - новообразования цементного камня на Цем I 42,5Н; б - новообразования цементного камня на КВ

Структура фибробетона, в котором в качестве вяжущего использовали портландцемент, характеризуется более высокой пористостью и менее плотным контактом цементной матрицы с поверхностью армирующих волокон.

Рисунок 14 - Микроструктура фибробетона на основе: а) КВ (97% Ц + 3% НМ); б) цемента (ЦЕМ 42,5Н)

Таким образом, добавление оптимального количества стальной и полипропиленовой фибры в формовочную массу, и использование композиционных вяжущих дает возможность изготовить фибробетон на местных сырьевых материалах Камбоджи с высокими показателями прочности и деформативности: предел прочности при сжатии - до 87,6 МПа, при изгибе - 17,8 МПа.

Важной характеристикой является долговечность фибробетона, который должен выдерживать стабильные характеристики в течении расчетного времени в установленных условиях эксплуатации, для которых он был предназначен. Долговечность тесным образом связана с такими его свойствами как морозостойкость, водонепроницаемость, трещиностойкость и др., и во многом определяется ими. По экспериментальным данным, морозостойкость фибробетонов на композиционном вяжущем с добавкой нанострутурированного модификатора при объемном коэффициенте армирования 0,01 повышается на 2-3 марки по сравнению с обычным бетоном. Водонепроницаемость фибробетона повышается на 50-100 %. Результаты исследований долговечности и других характеристик фибробетонов оптимального состава приведены в таблице 6, данные которой показывают на высокие показатели истираемости и водопоглощения соответственно на 36% и 17%.

Фибробетон на композиционном вяжущем с нанострутурированным модификатором и суперпластификатором обладает повышенными защитными свойствами по отношению к армирующим волокнам. Экспериментально доказано, что в этом материале образуются капилляры с размером не более 0,01 мм, что значительно повышает водонепроницаемость, а значит и коррозионную стойкость, превышающую почти в 1,5 раза коррозионную стойкость обычного железобетона.

Таблица 6

Основные характеристики мелкозернистого бетона

Наименование показателя Значения для бетона

на цем. на КВ фибро

Средняя плотность, кг/мЗ 2250 2270 2315

Прочность при сжатии, МПа 87,6 96,8 98,1

Прочность сцепления с основанием, МПа 0,7 0,9 0,9

Морозостойкость, И 200 250 300

Марка по водонепроницаемости, 2 2 2,5

Истираемость, кг/м2 0,3 0,35 0,65

Усадка трещины отсутствуют

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) 1,20 1,22 1,32

Таким образом, предложен способ оптимизации структуры мелкозернистых бетонов: за счет использования композиционного вяжущего с нанострутурированным модификатором на наноуровне; создания высокоплотной упаковки заполнителя из базальта на микроуровне; введения стальной и полипропиленовой фибры на макроуровне, что приводит к образованию более однородной структуры с минимальным количеством пор и микротрещин. Это позволило разработать широкую номенклатуру мелкозернистых фибробетонов для монолитного строительства с пределом прочности при сжатии до 87,6 МПа, морозостойкостью Р 300 и высокими деформативными характеристиками.

Для внедрения результатов исследования были разработаны технологический регламент и технические условия на фибробетон, которые использованы строительной организацией г. Пномпеня при строительстве каркасно-монолитного жилого дома.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итоги выполненного исследования:

1. Изучены бетонные смеси и бетоны, применяемые для монолитного строительства, стойкие к воздействиям переменных температур, влажности, отличающиеся быстрым схватыванием и высокой стойкостью против действия агрессивных сред и долговечностью. Данный вид материалов широко используется для монолитного строительства с использованием местного сырья и отходов промышленности. Актуальным является снижение расхода портландцемента за счет разработки высокоактивных композиционных вяжущих веществ, способствующих получению материала высокой плотности.

2. Для изучения возможности использования местного экологически чистого сырья государства Камбоджи для получения композиционного вяжущего и мелкозернистого фибробетона проведен достаточный комплекс экспериментальных и теоретических исследований.

3. Предложен состав композиционного вяжущего с использованием нанострутурированного модификатора (НМ) с обеспечением класса по прочности В 78,6 и выше. Разработаны мелкозернистые фибробетоны на композиционном вяжущем с использованием НМ и заполнителя из базальта для монолитного бетона, имеющего прочность при сжатии 69,6 МПа, прочность при изгибе 12,6 МПа и морозостойкость Р 300.

4. Установлен характер процессов структурообразования фибробетонной смеси в условиях теплого и влажного климата Камбоджи. Эффекте «внутреннего ухода», заключающийся в повышении водосодержащей способности частичек НМ, и блокировании при перемешивании и формовании смеси, в начальный период твердения приводит к высвобождению «лишней» воды и продлению процесса гидратации на более длительное время. Постоянное наращивание продуктов гидратации в бетоне обеспечивает релаксацию напряжений в твердеющем цементе и снижение микротрещинообразования, что в свою очередь, способствует получению материала с высокими эксплуатационными характеристиками.

5. Определено оптимальное количество базальтового компонента, как в нанострутурированном модификаторе, так и как заполнителя фибробетона. Изучено влияние способа и тонкости помола НМ на физико-механические характеристики комплексного вяжущего.

6. Установлено, что контактная зона цементного камня и поверхностью фибры отличается повышенной прочностью сцепления между ними и уменьшенным количеством пор. Определено, что волокна фибры значительно упрочняют структуру, о чем свидетельствует прочность при разрыве испытанных образцов.

7. Предложены составы вьгсокоплотных фибробетонов на композиционном вяжущем с использованием местного сырья Камбоджи. Введение стальной волновой и полипропиленовой фибры повысило деформативные характеристики материала, сделало его эффективным композитом для монолитного строительства зданий и сооружений в регионах Индокитая.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы: Теоретические и экспериментальные результаты диссертационный работы могут быть рекомендованы к применению в практике проектирования искусственных композитов различного назначения, а также использованы в учебном процессе при подготовке студентов бакалавриата по направлению 270800.62 «Строительство» профиль «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; студентов магистратуры профилей 270800.68-03 «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и 270800.68-04 «Инновации и трансфер технологий», что отражено в учебных программах дисциплин «Современные технологии композиционных материалов», «Инновационные технологии и материалы в строительстве».

Внедрение результатов диссертационной работы заключалось в разработке нормативных документов: рекомендации по применению композиционного вяжущего; технические условия «Фибробетоны с комплексной тонкомолотой добавкой» и технологический регламент на производство фибробетона.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензированных научных журналах и изданиях:

1 .Володченко, A.A. Энергосберегающие стеновые материалы с использованием нетрадиционного сырья / A.A. Володченко, Чхин Сованн // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014, 5, С.53-57.

2.Володченко, A.A. Повышение эксплуатационных характеристик стеновых материалов / A.A. Володченко, B.C. Лесовик, Чхин Сованн // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014, № 3, С.29-34.

3. Володченко,АА. Нетрадиционное глинистое сырье как компонент неорганических дисперсных систем / A.A. Володченко,JI.X. Загороднюк, Е.О. Прасолова, Чхин Сованн // Вестник МГСУ. 2014 №9 с 67-75. ' " ' '

Отраслевые издания и материалы конференций:

1. Чхин Сованн. Перспективы применения фибробетона с использованием сырьевых ресурсов Камбоджи в строительной индустрии / Чхин Сованн // Сб.докладов Международной науч.-практ. конференции «Иновационные материалы и технологии. БГТУ им. В.Г. Шухова Белгород, 2011. Ч. 4. С. 294-296.

2. Чхин Сованн. Сырьевая база Камбоджи для производства портландцемента/ Чхин Сованн //Сб. докладов Международной науч.-техн. конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2011. С. 35-37.

3. Чхин Сованн. Сырьевая база Камбоджи для получения бетона / Чхин Сованн // Сб. докладов Международной науч.-техн. конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2011. С. 55-57.

4. Чхин Сованн. Мелкозернистый фибробетон для монолитного строительства в Камбодже / Чхин Сованн // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова».- г. Грозный, т. 1, 2015, с. 417424.

ЧХИН СОВАНН

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ ФИБРОБЕТОН НА КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУ ЩЕМ ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ

КАМБОДЖИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 17.07.2015. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 139

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова,46