автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Модифицированный водо-износостойкий щелочесиликатный бетон для водохозяйственного строительства

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ ПОДБОРА составов, технолог™ приготовления и свойств

ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Износостойкие строительные материалы, их свойства и применение.

1.2. Абразивный износ, коррозионная стойкость и защитные к стальной арматуре свойства жидкостекольных бетонов.

1.3. Теоретический подход к разработке щелочесиликатного бетона повышенной водо-износостойкости для водохозяйственного строительства.

Выводы по главе 1 и задачи исследований.

Глава 2. МЕТОДИКА И ОБЪЁМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЩЕЛОЧЕСИЛИКАТНЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА.

2.1. Исходные материалы и опытные образцы.

2.2. Методика разработки рационального состава водо-износостойкого щелочесиликатного бетона для водохозяйственного строительства.

2.3. Методика определения износостойкости бетона.

2.4. Методика исследования физико-механических свойств бетона.

2.5. Методика физико-химических исследований щелочесиликатного бетона с добавкой обожженной глины.

2.6. Методика исследования коррозионной стойкости бетона.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЩЕЛОЧЕСИЛИКАТНОГО БЕТОНА.

3.1. Исследование исходных глин, их химико-минералогический состав и свойства.

3.2. Оптимизация состава щелочесиликатного бетона повышенной водо-износостойкости

3.3. Определение рациональных технологических параметров приготовления и укладки щелочесиликатной бетонной смеси.

3.4. Определение оптимальных параметров гидротермального режима твердения щелочесиликатного бетона.

Выводы по главе 3.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

СВОЙСТВ ЩЕЛОЧЕСИЛИКАТНОГО БЕТОНА.

4.1. Исследования основных физико-механических свойства щелочесиликатного бетона.

4.2. Стойкость щелочесиликатного бетона к износу в нормальных температурно-влажностных условиях и при действии агрессивных сред.

4.3. Коррозионная стойкость щелочесиликатного бетона при длительном действии агрессивных сред.

4.4. Исследования защитных свойств щелочесиликатного бетона по отношению к арматурным сталям железобетонных конструкций.

4.5. Морозостойкость щелочесиликатного бетона.

4.6. Оценка кавитационной стойкости щелочесиликатного бетона.

Выводы по главе 4.

Глава 5. ОПЫТНО- ПРОМЫШЛЕННАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКИХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВНЕДРЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЩЕЛОЧЕСИЛИКАТНОГО БЕТОНА.

5.1. Технология производства изделий из щелочесиликатного бетона.

5.2. Опытно-промышленная оценка технических показателей внедрения изделий из щелочесиликатного бетона.

5.3. Использование отходов катализаторного производства крекинга нефти -путь снижения себестоимости щелочесиликатных бетонов.

Выводы по главе 5.

В настоящее время актуальна проблема возведения надежных и долговечных сооружений для гидротехнического, транспортного ^ строительства, химической промышленности, черной и цветной металлургии, предприятий горно-обогатительных комбинатов, перерабатывающей промышленности АПК и других отраслей народного хозяйства, технологические процессы которых требуют эффективных средств защиты строительных конструкций от абразивного воздействия (бетонных облицовок оросительных каналов, проточных трактов водопропускных сооружений, водозаборов, отстойников, песколовок и гравиеловок, селепроводов и др. гидротехнических сооружений, а также дорожных и аэродромных плит покрытий, конструкций рудоспусков, гидроциклонов, сливных каналов, лотков и желобов систем гидро-золоудаления, бункеров, балок железнодорожного полотна эстакад для разгрузки сыпучих материалов и т.д.).

Кроме абразивного воздействия, зачастую в технологических процессах ► присутствуют растворы солей (сульфатов, хлоридов и др.), а на предприятиях сельскохозяйственных и перерабатывающих комплексов, общей химии, нефтехимии и др. - кислые агрессивные среды, нефтепродукты, которые обусловливают, в свою очередь, развитие коррозионных процессов в материале. Совместное действие механических, коррозионных и климатических факторов усиливает износ бетона конструкций и приводит к более интенсивному его разрушению. Рассматриваемые воздействия, в том или ином сочетании, приводящие к быстрому износу основного строительного материала, вынуждают в ряде случаев применять дорогостоящие, дефицитные материалы с использованием их как в первичной, так и во вторичной защитах (каменное литьё; отбеленный или легированный чугун с примесями марганца, никеля, хрома; карбиды кремния, бора и пластмассы), к Вследствие высокой трудоемкости работ, высокой стоимости материалов и недостаточной долговечности защита ряда изделий футеровками из каменного литья, применением полимерных материалов и другими методами зачастую не оправдывает себя по технологическим и экономическим факторам.

Актуальность проблемы. В связи с этим вопросы разработки и совершенствования специальных бетонов, обладающих высокими физико-механическими свойствами, водо-износостойкостью, коррозионной стойкостью, стойкостью к климатическим и кавитационным воздействиям, для гидротехнических сооружений и специальных конструкций, являются весьма актуальными.

Перспективным направлением решения проблемы повышения долговечности и обеспечения надежности конструкций, работающих в условиях истирающих воздействий, является изготовление их из специальных износостойких бетонов, сочетающих химическую стойкость с необходимыми конструкционными свойствами. Конструкции и изделия, выполненные из таких бетонов, не требуют нанесения какой-либо дополнительной защиты как в период изготовления, так и в процессе эксплуатации, что с учетом повышенной долговечности значительно снижает их материало- и трудоемкость. К таким бетонам можно отнести щелочесиликатный бетон на основе жидкого стекла и перлита.

Высокопрочный (и 100 МПа), щелочесиликатный бетон, разработанный в НИИЖБе (Гузеев Е.А., Отрепьев В.А., Пименов А.Н, Путляев И.Е., Тонких Г.П., Борисенко В.М. и др.), обладает комплексом положительных свойств, как коррозионная стойкость, морозостойкость (F800), твердость матричного камня порядка 6.7 по шкале Мооса /9, 59, 60, 90, 115, 120, 127/. Однако прочность этого бетона снижается в водной среде, а износостойкость и кавитационная стойкость до настоящего времени не исследованы. В связи с этим возникла необходимость разработки бетона с определенными физико-механическими свойствами и необходимыми водо-износостойкостью для водохозяйственного строительства.

В настоящей работе представлены результаты исследований обеспечивающих получение бетонов, отвечающих перечисленным выше требованиям.

Цель работы: разработка модифицированного щелочесиликатного бетона (ЩСБ-1) для применения в конструкциях гидротехнических и гидромелиоративных сооружений работающих в условиях воздействия водной и агрессивных сред, абразивных воздействий, отрицательных температур и кавитации.

Поставленная цель предопределила необходимость решения следующих задач:

- разработка и оптимизация состава, технологии изготовления модифицированного щелочесиликатного бетона (ЩСБ-1) для гидротехнического и гидромелиоративного строительства;

- исследование основных физико-механических характеристик ЩСБ-1;

- разработка метода ускоренных испытаний износостойкости бетона с учетом условий его эксплуатации;

- исследование щелочесиликатных бетонов ЩСБ и ЩСБ-1 на износостойкость (истирание, абразивное воздействие, ударно- абразивное воздействие после экспонирования в различных средах);

- исследование коррозионных и защитных свойств к арматурной стали, морозо- и кавитационной стойкости модифицированного бетона ЩСБ-1;

- опытно-промышленная оценка технических показателей ЩСБ-1.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен способ улучшения структуры щелочесиликатного бетона;

- экспериментально получены физико-механические характеристики модифицированного бетона ЩСБ-1;

- предложен метод ускоренных испытаний бетона на сопротивление износу, который учитывает условия эксплуатации;

- экспериментально получены результаты по износостойкости, морозо- и кавитационной стойкости бетона ЩСБ-1.

Достоверность результатов исследований обусловлена:

- большим объемом экспериментального материала, применением в исследованиях методик, соответствующих требованиям государственных стандартов и метрологически аттестованных приборов НИИЖБ;

- оценкой показателей исследованных характеристик бетона на основе вероятностно-статистического анализа.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенный модифицированный щелочесиликатный бетон и технология его изготовления позволяют применить его в конструкциях гидротехнических и гидромелиоративных сооружений. Это повысит их эксплуатационные качества и сроки службы.

Реализация работы. Из модифицированного бетона ЩСБ-1 и по технологии предложенной в работе изготовлены и испытаны в производственных условиях партия насадок для гидроциклонов (Костомукшский горно-обогатительный комбинат) и партия лопастей для бетоносмесителя СБ-169 (ПО Сибстроймаш). Результаты исследований используются в учебном процессе МГУП при чтении спецкурса "Строительство и эксплуатация аэродромов и защитных сооружений".

Апробация научных разработок. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседании секции коррозии и спецбетонов НИИЖБ в июне 1987 г.; на научно-технической конференции "Композиционные строительные материалы" Мордовского государственного университета (г.Саранск, 1987г.); на III Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Усиление роли и развитие творческой активности молодых строителей в ускорении научно-технического прогресса в строительстве" (г. Уфа, 1988 г.); на научно-технических конференциях МГУП "Экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации" (г. Москва, 2000 г.) и "Природообустройство сельскохозяйственных территорий" (г. Москва, 2001 г.), на Третьей Всероссийской конференции "Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции" (г. Чебоксары, 2001 г.). По теме диссертации опубликовано 12 работ, получено одно авторское свидетельство.

На защиту выносятся:

- модифицированный щелочесиликатный бетон ЩСБ-1 на основе композиций жидкого стекла, перлита и добавки глины;

- результаты исследований физико-механических и деформативных свойств бетона ЩСБ-1;

- метод ускоренных испытаний износостойкости бетона с учетом условий его эксплуатации;

- результаты исследований износа бетонов ЩСБ и ЩСБ-1 после экспонирования в различных средах;

- результаты исследования коррозионных и защитных свойств по отношению к арматурной стали, морозо- и кавитационной стойкости модифицированного бетона ЩСБ-1.

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства под руководством кандидата технических наук, профессора Семёнова В.Б., экспериментальная часть - в Центральной лаборатории коррозии НИИЖБ Госстроя России под руководством доктора технических наук, профессора [Гузеева Е.А,

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 179 наименований и приложения.

Выводы по главе 5

1. Испытания бетонных Песковых насадок на Костомукшском горнообогатительном комбинате подтвердили высокую эффективность использования щелочесиликатного бетона с добавкой обожженной глины в изделиях подверженных абразивным воздействиям. Экономический эффект от их применения в гидроциклонах марки ГЦ-710 вместо традиционного (каменного литья) составляет по данным института Гипромашобогащение (Санкт-Петербург) 860 р. на 1 гидроциклон в ценах 1984 г. (приложение 1,2).

2. Полученные данные при испытаниях лопастей бетоносмесителя СБ-169, выполненных из щелочесиликатного бетона с добавкой обожженной глины по заказу ПО "Сибстроймаш", позволяют ожидать увеличения долговечности лопастей в 1,5-2 раза по сравнению со стандартными (приложение 3).

3.Расширению сырьевой базы производства щелочесиликатных бетонов способствует разработка вяжущих на основе щелочесодержащих отходов нефтехимической промышленности. Несмотря на снижение основных физико-механических и эксплуатационных характеристик бетона на щелочесодержащем отходе катализаторного производства по сравнению со щелочесиликатным бетоном с добавкой обожженных глин, его возможно использовать в изделиях, подверженных истиранию и воздействию агрессивных сред.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью аттестационной работы основное внимание было уделено разработке и исследованию свойств модифицированного водо-» износостойкого щелочесиликатного бетона для применения в конструкциях гидротехнических и гидромелиоративных сооружений работающих в условиях воздействия водной и агрессивных сред, абразивных воздействий, отрицательных температур и кавитации, разработке метода ускоренных испытаний бетона на сопротивлению износу с учетом условий его эксплуатации, а также технологии его изготовления.

Актуальность, научная и практическая значимость результатов определяется: экспериментально-теоретическим подходом к разработке и оптимизации составов щелочесиликатных бетонов; рекомендацией метода ускоренных испытаний износостойкости бетона с учетом условий его эксплуатации; ' - экспериментальным подтверждением данных о свойствах модифицированного щелочесиликатного бетона; - изготовлением и внедрением в производство опытных образцов из модифицированного щелочесиликатного бетона.

На основании выполненных в работе экспериментально-теоретических исследований решены задачи по разработке высокопрочного, водо-износостойкого щелочесиликатного бетона, предназначенного для водохозяйственного строительства и сделаны следующие выводы:

1. Основными свойствами высокопрочных водо-износостойких строительных материалов являются: плотность структуры, твердость заполнителей и матрицы, их адгезия и степень закристаллизованности.

Водостойкость в пределах 0,60.0,65 и абразивный износ в водной среде щелочесиликатного бетона ЩСБ в 2.2,5 раза выше чем модифицированного бетона, ограничивают его применение в водохозяйственном строительстве.

2. Предложен состав модифицированного щелочесиликатного бетона высокой прочности и водо-износостойкости - ЩСБ-1 и технология его приготовления (а.с. 1506846).

Оптимальный состав бетона ЩСБ-1 следующий (на 1 м3 смеси): жидкое натриевое стекло - 200 кг; перлит - 390 кг; песок - 600 кг; щебень - 1140 кг; глина (модифицирующая добавка) - 35 кг. 10.

Рациональными параметрами приготовления бетона из смеси предложенного состава являются: перемешивание в течение 3.4 минут в бетономешалках принудительного действия; укладка на стандартной виброплощадке с амплитудой 0,35.0,5 мм и с частотой 3000 колебаний/мин в течение 3.4 минут; твердение в автоклаве по режиму 2+8+2 ч. при температуре около 175°С и давлении насыщенного пара 0,8 МПа.

3. Основные физико-механические характеристики бетона ЩСБ-1 воздушно-сухого хранения следующие: средняя плотность - 2400 кг/м ; кубиковая прочность - 95. 100 МПа; призменная прочность - 90.92 МПа; прочность на о растяжение 9,2.9,4 МПа; начальный модуль деформации (53.55) • 10 МПа.

Основные контрольные характеристики модифицированного бетона ЩСБ-1: класс по прочности на сжатие - В 80; марка по водонепроницаемости - W 8; марка по морозостойкости - F1000.

4. Разработан метод ускоренных испытаний бетона на сопротивление износу с учетом условий эксплуатации. В отличие от известных методик, где в качестве исследуемых образцов используются кубы и цилиндры, нами использовались в лабораторных условиях в абразивной массе образцы в виде шаров.

Предложенная автором методика определения износа бетона показала, что в условиях эксплуатации абразивный износ будет в 3-4 раза ниже по сравнению со стандартной методикой.

6. Модифицированный бетон ЩСБ-1 характеризуется высокой устойчивостью к абразивным воздействиям. Истираемость образцов из этого бетона после экспонирования на воздухе и в водной среде, определенная по стандартной

2 2 методике, составила соответственно 0,07 г/см и 0,16 г/см .

7. Исследования коррозионной стойкости щелочесиликатного бетона ЩСБ-1 при длительном действии агрессивных сред показали, что введение в состав щелочесвязывающей добавки в виде обожженной глины обеспечивает коэффициент водостойкости бетона 0,85-0,88.

Установлено, что введение глинозема AI2O3, связывающего избыток щелочи, обусловливает перераспределение фаз в матрице и максимальный увод из системы растворимой щелочи.

8. Модифицированный бетон ЩСБ-1 обладает высокой устойчивостью к воздействию агрессивных сред и надежно защищает стальную арматуру от коррозии.

Установлено, что стальная арматура в щелочесиликатном бетоне с добавкой обожженной глины находится в пассивном состоянии. Коррозия арматуры в щелочесиликатном бетоне начинается лишь при непосредственном контакте кислоты с арматурой. Глубина проникания кислоты в бетон обратно пропорциональна ее концентрации. Экспериментально установлено и

I теоретически обосновано, что защитный слой щелочесиликатного бетона толщиной 35 мм практически непроницаем для 5% и более концентрированных растворов серной кислоты.

Действие воды в течение 360 суток не влияет на пассивное состояние арматуры в бетоне.

9. Кавитационная стойкость модифицированного бетона на порядок выше стойкости гидротехнического бетона на цементном вяжущем. Исследования показали, что после 110 часов испытаний интенсивность эрозии по площади модифицированного щелочесиликатного бетона составила is= 0,051 см2/ч, что в 15,4 раза ниже чем гидротехнического бетона. Инкубационный период этого бетона в 8-9 раз больше, чем у гидротехнического бетона.

10. Опытно-промышленное внедрение изделий из модифицированного щелочесиликатного бетона, подтвердило техническую возможность и целесообразность его использования в качестве водо-износостойкого материала.

11. Модифицированный щелочесиликатный бетон обладает комплексом свойств, которые позволяют рекомендовать его в водохозяйственном строительстве для конструктивных элементов гидротехнических сооружений подверженных абразивным, коррозионным, климатическим и кавитационным > воздействиям. Также рассматриваемый бетон может найти применение на предприятиях горно-обогатительных комбинатов, на объектах транспортного строительства, черной и цветной металлургии, машиностроения, химической промышленности и др. it

1. Абакумов А.В., Савельев В.Г., Меликсетян С.А. К проблеме повышения износостойкости бетонных композиций для футеровки пылеулавливающих циклонов // Сб. науч. тр. / МХТИ им. Д.И. Менделеева. 1983. -Вып. 128. -С.126-134.

2. А.С. 264958 СССР, МКИ С 04 В 31/10. Жаростойкий бетон / Н.С. Угликова (СССР) // Открытия. Изобретения. -1970. -№9.

3. А.С. 579252 СССР, М.Кл2. С 04 В 15/00. Бетонная смесь / Э.В. Моссиолик, Г.М.Васильева, И.Д.Жиров и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. -1977. -№41.

4. А.С. 637392 СССР, М.Кл2.С 04 В 41/28. Композиция для пропитки бетонных изделий / А.И. Левченко, В.Я. Ващук и Э.И. Некрасова (СССР) // Открытия. Изобретения. -1978. -№46.

5. А.С. 656999 СССР, М . Сырьевая смесь для изготовления железобетонных изделий/ Г.П. Тонких и др. (СССР)// Открытия. Изобретения. -1979. -№14.

6. А.С. 697440 СССР, МКИ С 04 В 15/00. Сырьевая смесь для изготовления жаростойкого бетона / М.А. Найман, В.Е. Худосевич, В.И. Шкарупа и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. -1979. -№42.

7. А.С. 814993 СССР, М.Кл3.С 04 В 41/28. Композиция для пропитки бетона / Н.Д. Доронина и A.M. Шейкин (СССР) // Открытия. Изобретения. -1981. -№11.

8. А.С. 833891 СССР. М.Кл3. С 04 В 41/28. Композиция для пропитки бетона (Н.Д. Доронина и A.M. Шейкин (СССР) // Открытия. Изобретения. -1981. -№20.

9. А.С. 882 965 СССР, МКИ С 04 В 19/04. Бетонная смесь для изготовления химически стойких конструкций и изделий / А.Н. Пименов, И.Е. Путляев, В.А. Отрепьев, Е.А. Гузеев и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. -1981. -№43.

10. А.С. 887513 СССР. М.Кл3. С 04 В 13/24. Бетонная смесь / Р.А. Марусяк, Л.П. Смык, В.П. Нестор и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. -1981. -№45.

11. А.С. 887521 СССР, МКИ С 04 В 19/04. Сырьевая смесь для изготовлениякислотоупорного бетона / Р.А. Марусяк, А.С. Малахов, Б.М. Шемердяк и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. -1981. -№45.

12. А. С. 903338 СССР. Способ изготовления химически стойких бетонных изделий / Е.А. Гузеев, И.Е. Путляев, А.Н. Пименов и др. // Открытия. Изобретения. -1982. -№5.

13. А.С. 924017 СССР, М.Кл3.С 04 В 41/28. Композиция для пропитки бетонных изделий / B.J1. Разумяк, С.Н. Панарин и В.А. Голубенков (СССР) // Открытия. Изобретения.-1982 -№16.

14. А.С. 935492 СССР. МКИ С 04 В 19/04. Бетонная смесь /В.В. Пивоваров, Ф.К. Яковишин, Н.А. Перепелкина и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. -1982. -№22.

15. А.С. 950696 СССР, МКИ С 04 В 19/04. Бетонная смесь Н.А. Перепелкина, J1.M. Мурзин, И.И. Саулькина и др. (СССР) // Открытия. Изобретения. -1982. -№30.

16. А.С. 963971 СССР, МКИ С 04 В 19/04. Композиция для покрытия строительных изделий / К.С. Станявичене, М.А. Дауноравичюс, Б.Ю. Вектарис (СССР) // Открытия. Изобретения. 1982. -№37.

17. А.с. 1506846. Способ изготовления изделий из бетонных смесей/ Е.А. Гузеев, И.Е. Путляев, А.Н. Пименов, А.Н. Клюев и др.// Открытия. Изобретения.- 1989.- № 33.

18. Алексеев С.Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1968. -232с.

19. Алексеев С.Н., Степанова Р.Б. Коррозия арматурной стали в кислотоупорном бетоне // в кн. Защита строительных конструкций от коррозии / М.: Стройиздат. 1966. -252с.

20. Баженов Ю.М., Иванов Ф.М. Современные проблемы бетоноведения // Бетон и железобетон. -1988. -№1. -С. 4-6.18.23,24,25