автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Модифицирующие органоминеральные комплексы для цементных композиций

На правах рукописи

ЗИНЧЕНКО Сергей Михайлович

МОДИФИЦИРУЮЩИЕ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2012

? 5 ¿012

005014261

005014261

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Иващенко Юрий Григорьевич

Официальные оппоненты: Корнеев Александр Дмитриевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»,

заведующий кафедрой «Строительные материалы»

Вовко Владимир Владимирович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский государственный

архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 22 марта 2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан 17 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Т. К. Акчурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Динамичное развитие отечественной промышленности строительных материалов в целом, и технологии бетона в частности, невозможно без решения проблемы удовлетворения спроса на качественные цементные вяжущие в прогнозируемых объемах, при исчерпании большинством цементных заводов производственных потенциалов и неудовлетворительном уровне ресурсо- и энергоэффективности выпуска продукции.

Современные тенденции в области бетоноведения направлены на разработку и внедрение технологий, обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение производства, а также получение бетонов с высокими темпами набора прочности. Для этого необходимо изучить и внедрить новые подходы к разработке составов бетонов с применением эффективных вяжущих веществ, химических модификаторов, активных минеральных добавок, наполнителей различной природы и фракционного состава с содержанием высокодисперсных минеральных частиц.

Принятие Федерального закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности», появление новых требований в нормативно-технических документах, ГОСТ 31108-2003, а также разработка долгосрочных программ развития страны в области строительства определяют необходимость пересмотра принципов работы цементной промышленности с переходом на выпуск эффективных вяжущих по ресурсо- и энергоэкономичным технологиям.

Стратегией развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года, разработанной Министерством регионального развития РФ в рамках Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации, определен ряд задач, установленных приоритетными национальными проектами, и предполагается полное обеспечение потребностей страны в основных видах энергосберегающих строительных материалов с высокими показателями качества продукции. Достижение этих целей потребует ввода к 2020 году дополнительных мощностей производства цемента с доведением удельного расхода топливно-энергетических ресурсов при его производстве до мирового и европейского уровней.

Соответственно разработка эффективных модифицирующих органоми-неральных комплексов для цементных композиций с применением доступного минерального сырья и побочных продуктов промышленности, повышающих физико-механические и эксплуатационные характеристики изделий, является актуальной задачей, способствующей расширению сырьевой базы строительной отрасли, снижению энергозатрат, улучшению экологии окружающей среды.

Диссертационная работа выполнялась при поддержке индивидуального гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К. 2011 г., в рамках государственного контракта 9553р / 17177 от 4 июля 2011 года, в рамках тематического плана НИР СГТУ в 2009 - 2011 годах.

Цель работы - разработка оптимальных составов эффективных композиционных вяжущих на основе портландцемента, наполненных активными минеральными добавками алюмосиликатного состава с использованием органической добавки на основе техногенных побочных продуктов химической промышленности, а также многокомпонентных добавок, повышающих кинетику набора прочности цементных композиций.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследований:

- оценка активности минеральных добавок алюмосиликатного состава природного и техногенного происхождения, проведение анализа возможности их использования с определением эффективности их применения в составе цементных композиций;

- разработка органоминерального комплекса на основе минеральных добавок алюмосиликатного состава и синтезированной органической добавки (пКФ) из побочного продукта производства фенола для модифицирования цементных композиций с определением структурно-реологических свойств и физико-механических характеристик;

- разработка и оптимизация составов композиционных вяжущих типа ТМЦ и ВНВ, обладающих высокими технологическими свойствами;

- научное обоснование и экспериментальное подтверждение выбора сырьевых материалов для получения многокомпонентных добавок на основе разработанного органоминерального комплекса для получения цементных композиций с высокими темпами набора прочности;

- разработка технологии производства композиционных вяжущих, многокомпонентных добавок и бетонов на их основе с определением технико-экономических показателей их применения.

Научная новизна работы. Определены особенности процесса гидратации цементных вяжущих систем с установлением синергетического эффекта при совместном использовании молотого пумицита и добавки пКФ, заключающегося в их активном взаимодействии с образованием эффективного органоминерального комплекса. Изучены механизмы влияния компонентов разработанного органоминерального комплекса на гидратационные процессы и факторы, определяющие эффективность его работы, с целью назначения оптимальных составов композиционных вяжущих.

Установлен характер влияния вещественного состава композиционных вяжущих систем на технологические свойства при изготовлении, как бетонных смесей, так и на строительно-технические свойства и усадочные деформации получаемых бетонов.

Предложен способ повышения кинетики набора прочности, ускорения гидратационных процессов и оптимизации структурообразования цементных композиций за счет использования многокомпонентных добавок на основе разработанного органоминерального комплекса.

Практическая значимость работы. Разработаны и предложены оптимальные составы композиционных вяжущих и модифицирующих добавок многокомпонентного состава на основе разработанного эффективного орга-

номинерального комплекса с использованием минеральных добавок алюмо-силикатного состава и синтезированной органической добавки пКФ из побочного продукта производства фенола, что позволяет комплексно решать проблемы получения высококачественных цементных композиций, энерго- и ресурсосбережения производства, использования побочных продуктов промышленности.

Внедрение результатов исследования. Результаты работы внедрены на заводе ЖБИ-6 - филиал ОАО «БЭТ», г. Энгельс при производстве железобетонных плит покрытия дорог серии 1П 35.28-30. Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе: при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Достоверность исследований, проведенных в работе, обеспечена использованием современного комплекса методов исследований с применением апробируемых средств измерений и методов исследований; получением положительных практических результатов, совпадающих с общими положениями строительного материаловедения; применением современных методов создания научной графики, статистической обработки экспериментальных данных с использованием пакета программ OгiginLab.

На защиту выносятся следующие положения:

- комплекс экспериментальных данных по исследованию влияния минеральных добавок алюмосиликатного состава на свойства цементных композиций, характер гидратации, кинетику фазообразования твердеющих цементных систем;

- результаты исследования влияния синтезированной органической добавки из побочного продукта производства фенола на реологические характеристики, характер процессов гидратации и структурообразования цементных композиций;

- результаты комплексных исследований по разработке органоминераль-ного модифицирующего комплекса, а также результаты исследований его влияния на образование продуктов гидратации в цементных системах;

- разработанные эффективные составы композиционных вяжущих типа ТМЦ и ВНВ, многокомпонентных добавок, ускоряющих кинетику набора прочности цементных композиций, а также технология их производства и изготовления бетонов на их основе.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, доложены на: научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета (2008 - 2011 гг.); Международной научно-практической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2008 г.); Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. Материалы XV академических чтений РААСН» (Казань, 2010 г.); Международном научно-практическом симпозиуме «Социально-экономические проблемы жилищного

строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (Саратов, 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2011 г.); аккредитованной по программе научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К. Всероссийской конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2008,2010 и 2011 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, в их числе 2 работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях. Техническая новизна исследований подтверждается выдачей патента РФ № 2373165 С1 «Комплексная добавка для бетонной смеси», опубликованного 20.11.2009 по заявке на изобретение №2008121474/03.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 145 наименований, приложения; изложена на 150 страницах текста, содержит 29 рисунков, 51 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Указана целесообразность разработки цементных композиционных вяжущих с применением доступного минерального сырья и побочных продуктов промышленности, отвечающих современным нормативно-техническим требованиям и обладающих низкими показателями ресурсо- и энергоемкости производства.

В первой главе представлен анализ состояния производства вяжущих отечественной цементной промышленностью, характеризующегося высокой топливо- и энергоемкостью производства и низким техническим уровнем оснащения производственных линий. Представлены положения формирования на правительственном уровне стратегии развития отрасли строительных материалов на принципах энерго- и ресурсосбережения с доведением качества и расхода топливно-энергетических ресурсов производств до мирового уровня. Принципы решения проблемы повышения эффективности цементных вяжущих отражены в научных работах Баженова М.Ю., Батракова В.В., Демьяновой B.C., Изотова B.C., Калашникова В.И., Комохова П.Г., Лесовика B.C., Рахимова Р.З., Соломатова В.И., Юдовича Б.Э. и др.

Систематизация обширного накопленного экспериментального материала по использованию минеральных добавок свидетельствует о том, что они представлены породами различного генезиса, обладающими рядом технологических свойств и в большинстве перспективны для использования при производстве композиционных вяжущих. Происхождение минеральных добавок и их активность определяют кинетику и механизмы структурообразо-вания твердеющих цементных композиций, что требует в каждом конкретном случае оценивать качество и количество гидратных новообразований,

их влияние на физико-механические свойства бетона и цементного камня. В качестве активных минеральных добавок, снижающих расход цементного клинкера, весьма эффективно могут применяться различные материалы алюмосиликатного состава, в частности вулканические пеплы и туфы, а также материалы искусственного происхождения на основе отходов промышленности, таких как пыль производства керамзитового гравия. Минеральные добавки, применяемые в производстве цементных композиций, должны обладать рядом важных технологических характеристик и параметров, путем регулирования которых возможно управление характеристиками вяжущих систем с обеспечением максимальной эффективности их применения.

Использование минеральных добавок требует совместного применения пластификаторов, дающих возможность получать цементы низкой водопо-требности. Достаточно высокая стоимость товарных пластификаторов заставляет проводить поиск и разрабатывать новые добавки-пластификаторы из отходов и попутных продуктов промышленности. Для модифицирования цементных композиций представляют интерес добавки на основе фенолсо-держащих продуктов и отходов с высоким содержанием ароматических веществ. Они отличаются сравнительно сильным пластифицирующим действием, при низкой себестоимости.

Наиболее эффективным способом введения суперпластификаторов в цементные системы для полной реализации свойств и качеств функционального назначения органической добавки и нивелирования блокирующего действия пластификации, введения его на дисперсных носителях путем совместного помола с получением модифицирующих органоминеральных комплексов. На применении таких систем основано получение смесей и бетонов, к которым предъявляются повышенные строительно-технические требования, высокая стабильность консистенции во времени, высокие темпы набора прочности, низкая проницаемость, повышенная долговечность. При выборе сырьевых компонентов для разработки органоминеральных модифицирующих комплексов необходимо руководствоваться взаимосвязью «состав и свойства минеральной добавки - вид пластификатора», которая позволяет путем подбора эффективного пластификатора в зависимости от свойств минеральных добавок определить пути регулирования конечных основных технологических свойств получаемых цементных композиций.

Во второй главе приводится обоснование выбора методик исследований и материалов, а также даются характеристики использованных материалов.

Исследование исходных сырьевых материалов и цементных композиций проводилось как по стандартным методикам, так и с использованием высокоинформативных физико-химических методов. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился на дифрактометре ДРОН-З.О, с использованием базы данных РСРБР^УШ, V. 2.02, 1999 Международного Центра по дифракционным данным (-ТСРОБ). Комплексный дифференциально-термический анализ (ДТА) выполнялся на приборе «Дериватограф-СИ500 Б». Инфракрасная спектроскопия (ИКС) проводилась на спектрометре Бресогс! М40. Для опре-

деления элементного состава сырьевых материалов использовался рентгено-флюоресцентный спектрометр ARL 9900. Удельная поверхность материалов определялась на приборе ПСХ-4 с точностью ±0,01 м2/г. Для анализа применялся универсальный лазерный экспресс-анализатор распределения размеров частиц «HORIBA Partica LA-950». Численный анализ экспериментальных данных, создание научной графики, статистическая обработка данных, анализа пиков производились с использованием пакета программ OriginLab, NatLAB, Excel.

Для приготовления цементных композиций и бетонных смесей использовались ПЦ 500-Д0 ОАО «Вольскцемент». В качестве минеральных добавок и наполнителей применялись следующие материалы. Молотый пумицит Бе-дыкского месторождения (Кабардино-Балкария), представляющий собой смесь пород вулканического происхождения. Химический состав определялся по количеству основных оксидов в процентах по массе, методом рентге-нофлюоресцентного анализа и представлен: Si02 - 57,2-59,0; А1203 - 10,811,3; СаО - 11,0-13,6; Fe203 - 3,5-7,5; К20 - 6,4-8,5. Полиминеральные породы пумицита представлены плагиоклазами, кварцем, цеолитами, кальцитом, адуляром, доломитом, кристаллитом и вулканическим стеклом. Отход производства керамзитового гравия - керамзитовая пыль, представляющая собой мелкий порошкообразный материал. Химический состав представлен: Si02 -42,3-44,8; А1203 - 30,2-33,6; СаО - 4,0-4,8; FeO - 4,3-6,3; К20 - 2,8-3,2; S04 -5,1-5,5. Основными породообразующими минералами керамзитовой пыли являются Р-кварц - кристобалит, минералы группы плагиоклазов, цеолитов, присутствует ангидритовая составляющая, адуляр и марказит. Кремнеземсо-держащий отход производства ферросилициума - микрокремнезем Братского алюминиевого завода, удовлетворяющий требованиям ТУ 7-249533-01-90.

В качестве пластифицирующих добавок в работе использовались синтезированная органическая добавка (пКФ) в сухом виде на основе алкилза-мещенных фенолов фенолоацетоновой смолы (ФАС) ТУ 2424-020057575601-98. Данная пластифицирующая добавка характеризуется оптимальными параметрами геометрического расположения функциональных групп в молекулярной структуре. В качестве объекта сравнения с полученной добавкой выбран суперпластификатор С-3 Новомосковского химического комбината ТУ 6-36-020429-625.

В третьей главе представлены исследования по разработке органоми-нерального модифицирующего комплекса с изучением особенностей физико-химических гидратационных процессов, определением реологических и физико-механических свойств цементных композиций.

Наиболее достоверной методикой определения активности минеральных добавок может считаться методика, основанная на определении физико-механических показателей получаемых цементных композиций. Было установлено, что молотый пумицит обладает показателем гидравлической активности ОП = 44,1 и по сравнению с керамзитовой пылью ОП = 35,7 предпочтителен для получения модифицирующих органоминеральных комплексов. Это было подтверждено химическим методом определения наиболее актив-

ных составляющих испытываемых минеральных добавок по их реакционной способности при обработке Ш раствором N8011, оцениваемых по количеству оксидов, перешедших в щелочную вытяжку.

Рентгенофазовый анализ показал, что обработка щелочью привела к снижению доли аморфного вещества и к почти полному исчезновению рефлексов кварца. Рефлексы таких алюмосодержащих фаз как адуляр и плагиоклаз, меняясь незначительно, вступают в гидролитический процесс. Снизились рефлексы доломита и цеолит составляющих фаз. Изменяется структура слабозакристаллизованных фаз в области малых и средних углов.

С помощью исследования твердеющих цементных композиций методом РФА установлено, что влияние молотого пумицита имеет узконаправленный характер на ряд некоторых фаз. Повышается интенсивность пиков гидроалюминатных фаз САНю, при этом количество эттрингита увеличивается незначительно. Растет содержание СагЗЮ^НгО и 2Саз81207-ЗН20, увеличивается содержание низкоосновных гидросиликатов кальция СБН(1), с изменением структуры цементного геля. Введение добавки керамзитовой пыли меняет содержание гидросиликатных фаз с увеличением низкоосновной составляющей. Повышается количество слабозакристаллизованных фаз. Увеличивается содержание гидроалюминатов переменного состава. Однако при этом отмечается повышенное количество кварца и кальцита в продуктах гидратации, чего не наблюдается в образцах, содержащих пумицит.

Для снижения водопотребности исследовалась возможность использования добавки пКФ на основе многотоннажных отходов производства фенола - фенолоацетоновой смолы, на сегодняшний день имеющейся в достаточно больших количествах. Исследование эффективности пКФ проводилось при определении ее пластифицирующей и водоредуцирующей способности, а также влияния на прочность в сравнении с суперпластификатором С-3. Результаты исследований представлены на рис. 1 - 4. По результатам испытаний можно сделать вывод о том, что добавка пКФ обладает аналогичным суперпластифицирующим действием в сравнении с С-3.

>

0,25 0,5 0,75 1 Количество добавки, % - пКФ — С-3

1,25

Рис. 1. - Подвижность цементных композиций

О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 Количество добавки, %

- пКФ - С-3

Рис. 2. - Водопотребность цементного теста

/У \\

А /

]

Рис. 3.

| 0,25 0,5 0,75 Количество добавки, %

- пКФ - С-3

- Прочность цементных композиций при неизменном В/Ц

1,25

0,25 0,5 0,75 1 1,25 Количество добавки, % - пКФ -- С-3

Рис. 4. - Прочность равноподвижных цементных композиций

РФА демонстрирует усложнение структуры цементного геля и увеличение его объема. Наблюдается значительный прирост содержания портлан-дита. Увеличивается объем слабозакристаллизованных фаз, что свидетельствует о высоком содержании кремния в составе гелевых частиц. Следует отметить повышение интенсивности пиков, характерных для гидроалюминатов кальция, при этом содержание эттрингитовых фаз вырастает незначительно. Влияние добавки пКФ характеризуется повышением степени амор-физации системы вместе с увеличением интенсивности отдельных сильно выраженных пиков гидросиликатов кальция и повышением содержания алюмосиликатных фаз переменного состава. Влияние добавки пКФ на процессы гидратации во многом аналогично С-3.

Угол дифракции 20

Рис. 5. - Рентгенофазовый анализ образцов цементного камня: а) - ПЦ без добавки (контрольный); б) - ПЦ + 1,0 % пКФ + 20 % пумицит

По данным РФА (рис. 5), совместное присутствие молотого пумицита и добавки пКФ приводит почти к двукратному увеличению количества слабо-закристаллизованных фаз и дополнительному образованию гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция. При этом оказывается влияние на фазовую структуру камня, усложняется структура цементного геля, и увели-

чивается его объем. Значительное расширение диапазона углов присутствия слабозакристаллизованных фаз положительно сказывается на увеличении прочностных показателей.

Данный эффект объясняется результатом связывания свободного гид-роксида кальция, что в свою очередь подтверждается результатами дифференциально-термического анализа. На термограммах образцов цементных композиций, наполненных молотым пумицитом и модифицированных добавкой пКФ (рис. 6), заметно уменьшение интенсивности эндоэффектов, характерных для Са(ОН)г, которые в более поздние сроки гидратации практически не идентифицируются. Этот процесс сопровождается увеличением эндоэффектов, характерных для гидросиликатов типа ксонотлита, тобермо-рита и особенно низкоосновных гидросиликатов типа С8Н(1).

а) - ПЦ без добавки (контрольный); б) - ПЦ + 20 % пумицит; в) - ПЦ + 1,0 % пКФ; г) - ПЦ + 1,0 % пКФ + 20 % пумицит

Полученное повышение прочности цементными композициями является результатом влияния минеральной добавки алюмосиликатного состава в комплексе с органической добавкой пКФ на процессы гидратации и структу-рообразования поликомпонентной системы и, как следствие, на химико-минералогический состав цементного камня. Органическая добавка пКФ повышает содержание свободного Са(ОН)2 и количество слабозакристаллизованных гидросиликатных фаз, а минеральная добавка пумицита ввиду особенностей химического и минералогического состава значительно увеличивает содержание низкоосновных гидросйликатов кальция, активно связывая свободный Са(ОН)2. В результате происходит изменение баланса между гид-

ратными фазами в составе цементного камня в сторону увеличения объема более прочных и устойчивых низкоосновных гидросиликатов кальция вместо первичных кристаллогидратов типа портландита и высокоосновных гидросиликатов. При этом в системе повышается содержание гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция, оказывающих положительное влияние на набор первичной прочности. Полученные данные при проведенных испытаниях и исследованиях свидетельствуют о синергизме добавок молотого пу-мицита и пКФ, что связано с изменением активности пумицита и повышением структурообразующей способности в присутствии органической добавки.

Разработка составов вяжущих типа ТМЦ и ВНВ (табл. 1 - 4) сопровождалась соответствующими испытаниями получаемых составов и их корректировкой. При равных временных интервалах помола композиционные вяжущие типа ВНВ отличаются лучшей гранулометрией по сравнению с ТМЦ (рис. 7), что объясняется проявлением расклинивающего эффекта присутствующим в системе пластификатором при помоле.

Диаметр дотнц, Jim Дмжтр «спи, |im

Рис. 7. - Кривая распределения частиц по крупности: а) - ТМЦ 60/40; б) - ВНВ-60; 1 - дифференциальная кривая (гистограмма); 2 - интегральная кривая

Таблица 1. - Реологические характеристики образцов ТМЦ

№ Кол-во Кол-во НГ, % В/В Расплыв Сроки схватывания

пумицита, % пКФ, % кон., мм начало конец

1 20 1,0 23,1 0,37 111 3-20 5-30

2 30 2,0 20,0 0,30 115 3-30 5-40

3 40 2,0 21,2 0,31 114 3-10 5-20

Таблица 2. - Физико-механические свойства образцов ТМЦ

№ Кол-во пумицита, % Кол-во пКФ, % Прочность образцов-балочек 4x4x16 см, МПа

1-е сутки 7-е сутки 28-е сутки после ТВО

Яизг. Rok. Яизг. Rok. R изг. Ясж. Яизг. Rok.

1 20 1,0 3,1 25,8 5,0 50,1 6,3 57,8 4,4 41,0

2 30 2,0 3,1 23,6 4,7 41,9 6,0 49,9 4,3 37,6

3 40 2,0 3,0 22,2 4,3 40,2 5,8 47,5 4,2 36,8

Таблица 3. - Реологические характеристики образцов ВНВ

Вяжущее Кол-во Кол-во нг, В/Ц Расплыв Сроки схватывания

пумицита, % пКФ, % % кон., мм начало конец

1 ВНВ-80 18,0 2,0 19,6 0,26 112 2-40 4-10

2 ВНВ-60 38,0 2,0 20,8 0,29 112 2-35 4-20

3 ВНВ-40 58,0 2,0 22,0 0,32 110 2-20 4-50

Таблица 4. - Физико-механические свойства образцов ВНВ

№ Вяжущее Прочность образцов-балочек 4*4*16 см, МПа

1-е сутки 3-й сутки 7-е сутки 28-е сутки после ТВО

Яшг. Ясж. Яизг. Ясж. Яизг. Ясж. Ягаг. Ясж. Яшг. Ясж,

1 ВНВ-80 3,2 29,0 4,7 41,1 5,6 48,7 6,5 59,2 5,3 49,1

2 ВНВ-60 3,1 25,6 4,2 39,6 5,4 46,5 6,2 52,1 5,2 46,7

3 ВНВ-40 2,8 18,3 3,2 30,0 4,7 36,3 5,4 40,8 4,3 31,1

Анализ данных показывает значительное сокращение индукционного периода и смещение начала схватывания в более ранние сроки в ВНВ, при этом блокирующий эффект пластифицирующей добавки пКФ проявляется в меньшей степени, чем в ТМЦ, за счет ее механохимической адсорбции.

Другим эффективным способом применения разработанного органоми-нерального комплекса для повышения эффективности производства цементных композиций является разработка составов многокомпонентных добавок комплексного модифицирования, направленных на повышение характеристик темпа набора прочности. Добавки получали путем совместного помола сырьевых компонентов в лабораторной мельнице до 8УД = 5800-6100 см2/г (табл. 5). Эффективность добавок оценивалась сравнением реологических и физико-механических характеристик в зависимости от сроков твердения модифицированных цементных композиций добавкой в количестве 10 % от массы цемента (табл. 6).

Таблица 6. - Физико-механические свойства цементных композиций _с многокомпонентной добавкой_

Таблица 5. - Состав многокомпонентной добавки

№ Компоненты Кол-во, % по массе

1 Портландцемент М500-Д0 45,0

2 Молотый пумицит 36,9

3 Микрокремнезем 15,0

4 Добавка пКФ 3,0

5 Гидрофобизатор «Пента-811» 0,1

Кол-во добавки, % по массе В/Ц Расплыв конуса, мм Прочность образцов, МПа

1-е сутки 3-й сутки 7-е сутки 28-е сутки

Яизг. Ясж. Я юг. Ясж. Яизг. Іісж. Я гаг. Ясж.

- 0,42 115 2,9 20,1 3,5 35,1 4,9 40,1 5,9 47,2

10,0 0,42 157 3,3 35,8 5,0 47,1 5,7 56,8 6,4 67,2

Полученные результаты объясняются созданием сложной гетерогенной структуры на ранних стадиях твердения цементных композиций с развитой системой межфазовых переходов путем введения многокомпонентной орга-номинеральной добавки. Кинетика набора прочности таких систем определяется комплексным воздействием органоминерального комплекса на стадии структурообразования системы с повышением степени гидратации минералов цементного клинкера со смещением баланса фазообразования в сторону увеличения низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(I), высоко-гидратированные фазы переходят в более плотные структуры, что сопровождается ростом прочности.

В четвертой главе рассмотрены вопросы применения результатов теоретических изысканий и научно-экспериментальной проработки в технологии цементных бетонов.

Эффективность вяжущих продемонстрирована на ТМЦ-60/40 и ВНВ-60. Лабораторный подбор составов выполнялся на сухих компонентах, удовлетворяющих заданным нормативным техническим требованиям по показателям прочности, морозостойкости и водопроницаемости. Составы для бетонов класса В20 на различных вяжущих приведены в табл. 7.

Таблица 7. - Составы для бетонов класса В20 на различных вяжущих

Назначение класса и марки бетона Марка по удоб-ти В/В OK Состав бетона

вяжущее, кг/м3 песок, кг/м3 щебень, кг/м3 вода, л/м3

ПЦ М500-Д0

В20 (М250) П2 0,539 7 320 710 1210 170

В20 (М250) П4 0,601 19 330 700 1200 195

ТМЦ-60/40

В20 (М250) П2 0,533 8 300 710 1210 160

В20 (М250) П4 0,564 19 310 700 1200 175

ВНВ-60

В20 (М250) П2 0,515 9 290 725 1220 150

В20 (М250) П4 0,542 20 295 720 1215 160

Предел прочности при сжатии определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-90 на стандартных образцах-кубах размером 100x100x100 мм в возрасте 1, 3, 7 и 28 суток твердения в нормальных условиях (рис. 8).

с

S

30

20

|Щ

■ I

■ ПЦ М500-Д0 • ТМЦ-60/40 «ВНВ-60

1 сутки

3 су

28 сутки

Рис. 8. -

гки 7 сутки

время твердения

Кинетика набора прочности бетонами на различных вяжущих

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что заданная подвижность бетонных смесей на основе ВНВ достигается при более низких дозировках воды. Бетоны на основе таких смесей отличаются лучшей подвижностью и удобоукладываемостью. Кроме того, бетоны на основе ВНВ отличаются более высоким темпом набора прочности на начальных этапах твердения, а также при тепловой обработке, что позволяет значительно снизить ее продолжительность в заводском производстве строительных изделий на их основе без ухудшения качества.

При изготовлении бетонов с использованием композиционных вяжущих на основе разработанного органоминерального комплекса экономия клинкерной части вяжущего составляет порядка 130 - 150 кг на 1 м3 бетонной смеси в зависимости от вида вяжущего.

В процессе исследования свойств бетонных смесей определялись сохраняемость бетонной смеси во времени, морозостойкость, водонепроницаемость, расслаиваемость бетонной смеси (табл. 8).

Таблица В. - Свойства бетонов класса В20 в зависимости от вида вяжущего

Тип вяжущего Сохраняемость, ОК, см Морозостойкость Водонепроницаемость Расслаиваемость, %

Омин. 20 мин. 40 мин. 60 мин.

ПЦМ5О0-Д0 19 18 17 12 F100 W6 6,0

ТМЦ-60/40 19 19 18 16 F100 W7 8,0

ВНВ-60 20 18 15 10 F150 W12 4,0

Для оценки эффективности работы многокомпонентной добавки на основе разработанного органоминерального комплекса по увеличению темпов набора прочности цементными бетонами проводилось сравнение результатов испытаний пределов прочности при сжатии стандартных образцов тяжелого бетона с введенной добавкой с образцами бетона «контрольного» состава без введения добавки в различные сроки твердения.

Составы подбирались расчетно-экспериментальным способом при условии равной подвижности бетонных смесей для класса бетона В25. Предел прочности при сжатии определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 10180 - 90 на стандартных образцах-кубах размером 100x100x100 мм в возрасте 1, 3, 7 и 28 суток, данные приведены в табл. 9.

Таблица 9. - Физико-механические характеристики образцов бетона

№ Кол-во добавки, % ОК, Прочность при сжатии, МПа, в возрасте Класс и марка

от массы цемента см 1-е сут. 3-й сут. 7-е сут. 28-е сут. бетона

1 Контрольный 6 7,8 15,1 25,6 36,8 В25 (М350)

2 5,0 8 11,7 28,3 41,9 52,3 В40 (М500)

3 10,0 9 15,2 31,5 48,4 63,7 В45 (М600)

Данные об испытании образцов свидетельствуют, что бетоны, изготовленные с использованием добавки многокомпонентного состава, характери-

зуются высокими прочностными показателями, а также ускоренной кинетикой набора прочности по сравнению с образцами бетона без введения добавки.

Важной характеристикой бетонов, получаемых на основе композиционных высокодисперсных вяжущих, является показатель деформаций при усадке. Одним из эффективных методов снижения химической усадки является использование расширяющих добавок, сульфоалюминатного типа, эффект расширения которых основан на реакции образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция - этгрингита, увеличивающегося в процессе образования в объеме. Проведенные исследования позволяют предположить содержание в составе органоминерального комплеска реакционно-способных компонентов расширяющей композиции сульфоалюминатного типа для получения бетонов с регулируемыми деформациями усадки. Для установления кинетики усадки получаемых бетонов проводились измерения собственных деформаций (рис. 9).

2 О

¿5 -0,2

w -0,3 S

g "°'4

I

я

|. -0,8 « -1

О 10 20 3 0 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Время твердения, сут

-----ВНВ-60--ТМЦ-60/40 -Доб. многокомп. 10% -ПЦ500-Д0

Рис. 9. - Изменение линейных деформаций усадки бетона

Результаты исследований показали, что бетоны на ВНВ характеризуются пониженной усадкой в возрасте 180 суток в 2,5 раза, по сравнению с бетоном на ПЦ М500-Д0. Усадка бетонов на ТМЦ и с введением 10 % многокомпонентной добавки составляет 0,76 и 0,69 мм/м соответственно.

В результате проделанной работы предложен ряд технологических решений для повышения эффективности производства цементных бетонов с применением разработанного органоминерального комплекса, позволяющего изделиям достигать требуемых строительно-технических характеристик и отвечать требованиям ресурсосбережения.

В пятой главе представлены технологические схемы производства композиционных вяжущих и добавок многокомпонентного состава.

Экономическая эффективность разработанного органоминерального комплекса показана на основе экспериментальных данных по подбору оптимальных составов бетонов классов В20. Анализ экономического эффекта проводился без привязки к конкретному предприятию, и только с учетом

Т\

\\

w \

\

N

■ —

норм расходов и стоимости материалов, при неменяющихся объемах производства и оптовых цен на материалы. Из табл. 10 следует, что использование композиционных вяжущих позволяет снизить себестоимость 1 м3 бетонной смеси на 145,00 - 215,00 руб. в зависимости от вида применяемого вяжущего, при этом экономическая эффективность составляет 5 - 8 %.

Таблица 10. - Экономический эффект применения композиционных вяжущих

Вяжущее Расход компонентов, кг/м3 Стоимость Экономический

ПЦ пумицит песок щебень пКФ вода бетона, руб./м3 эффект, руб./м3

ПЦ 5 00-ДО 320 - 710 1210 - 170 2810,00 -

ТМЦ 60/40 180 120 710 1210 6,0 160 2665,00 145,00

ВНВ-60 174 116 725 1220 5,8 150 2640,00 170,00

ВНВ-40 140 210 715 1210 7,0 155 2595,00 215,00

Обобщающий критериальный показатель суммы дисконтированных затрат приведен на примере использования ВНВ-60 в сравнении с ПЦ М500-Д0. Суммарные дисконтируемые затраты при годовом производстве бетона в 10000 м3 класса В20 составляют: ДЗ(Пц м5оо-до) = 28320 тыс. руб.; ДЗдощ-бО) = 26670 тыс. руб. Интегральный эффект составляет 1650 тыс. руб., что свидетельствует об экономической целесообразности применения композиционных вяжущих на основе разработанного органоминерального комплекса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Определена эффективность использования минеральных добавок алюмосиликатного состава, с установлением ряда зависимостей свойств цементных композиций от степени наполнения, вида и дисперсности добавок. Установлено, что молотый пумицит обладает большим показателем гидравлической активности ОП = 44,1 по сравнению с керамзитовой пылью ОП = 35,7 и предпочтителен для получения модифицирующих органоминеральных комплексов.

2. Проведены исследования влияния синтезированной органической добавки пКФ на структурно-реологические свойства и физико-механические характеристики цементных композиций. Определены оптимальные дозировки добавки пКФ, в зависимости от степени наполнения и вида минеральных добавок, для достижения наилучшего водоредуцирующего эффекта при сохранении прочностных показателей цементными композициями.

3. Определены особенности процесса гидратации цементных вяжущих систем с установлением синергетического эффекта при совместном использовании молотого пумицита и пКФ, заключающегося в их активном взаимодействии с образованием эффективного органоминерального комплекса. Методами РФА и ДТА определены механизмы влияния компонентов разработанного органоминерального комплекса на гидратационные процессы и факторы, определяющие эффективность его работы.

4. Оптимизированы составы цементных композиций в зависимости от содержания добавок, с установлением ряда зависимостей структурно-реологических свойств и физико-механических характеристик цементных композиций. Исследование кинетики набора пластической прочности цементными композициями на основе органоминерального комплекса показало сокращение индукционного периода и сроков схватывания и рост пластической прочности, с отсутствием блокирующего эффекта добавки пКФ. Установлено увеличение степени гидратации клинкерных минералов, в присутствии молотого пумицита и добавки пКФ с уплотнением структуры и повышением однородности цементного камня.

5. Разработаны и оптимизированы составы композиционных вяжущих типов ТМЦ и ВНВ на основе разработанного органоминерального комплекса. Активность ВНВ-80 составила 59,2 МПа, что на 25 % выше, чем на контрольном бездобавочном цементе. Активность ВНВ-60 - 52,1 МПа сопоставима с активностью контрольного бездобавочного цемента. Получаемое ВНВ-40 с заменой 60 % клинкерной части молотым пумицитом обладает активностью 40,8 МПа. Образцы, получаемые на композиционных вяжущих типа ВНВ, характеризуются отсутствием усадочных деформаций при твердении.

6. Экспериментально подтверждена возможность получения многокомпонентных добавок на основе разработанного органоминерального комплекса для получения цементных композиций с высокими темпами набора прочности. Введение получаемой добавки в состав цементной композиции в количестве 10 % позволяет значительно ускорить процесс гидратации вяжущего на 89 - 95 % к 7-м суткам твердения и набора прочности на 73 %.

7. Разработаны составы тяжелых бетонов классов В20 и В25 на композиционных вяжущих, а также с применением добавок многокомпонентного состава. Исследованы основные технологические свойства бетонных смесей, определены физико-механические характеристики бетонов. Бетоны характеризуются снижением усадочных деформаций при твердении.

8. Разработана технология производства композиционных вяжущих и многокомпонентных добавок на основе разработанного органоминерального комплекса с определением технико-экономических показателей их применения для производства бетона. Экономия от внедрения на заводе ЖБИ-6 - филиал ОАО «БЭТ», г. Энгельс при производстве железобетонных плит покрытия дорог серии 1П 35.28-30 составляет 205,50 руб. с 1 м3 бетонной смеси в ценах 2011 г.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих изданиях:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах

и изданиях

1. Иващенко Ю. Г., Зинченко С. М. Эффективность использования минеральной добавки алюмосиликатного состава совместно с пластификато-

ром на основе фенолоацетоновых смол в цементных композициях // Вестник ВолгГАСУ: Стр-во и архитектура, 2011. Вып. 23 (42). С. 110- 115.

2. Иващенко Ю. Г., Зинченко С. М. Эффективный органоминеральный комплекс для модифицирования цементных композиций // Вестник СГТУ: Стр-во и архитектура. 2011. №2 (55). С. 114 - 119.

Публикации в других изданиях

3. Модифицирующая добавка для цементных композиций на основе алки-лированных фенолов / Ю. Г. Иващенко, Д. К. Тимохин, Е. А. Шошин, С. М. Зинченко, Н. А. Козлов // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: материалы Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 50-летию Пензенского государственного университета архитектуры. Пенза, 2008. С. 56 - 58.

4. Иващенко Ю. Г., Зинченко С. М., Сеньков А. Н. Использование тонкомолотого пумицита для получения композиционных вяжущих // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии: материалы XV академических чтений РААСН - Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 т. Казань: КазГАСУ, 2010. Т.1. С. 32 - 36.

5. Иващенко Ю. Г., Тимохин Д. К., Зинченко С. М. Цементная композиция с активной алюмосиликатной минеральной добавкой // Разработка современных технологий и материалов для обеспечения энергосбережения, надежности и объектов архитектурно-строительного и дорожного комплекса: сб. статей Междунар. науч.-практ. симпозиума «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса». Саратов : СГТУ, 2010. С. 46 - 49.

6. Иващенко Ю. Г., Зинченко С. М. Эффективность применения композиционных вяжущих с минеральной добавкой алюмосиликатного состава // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Все-рос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Саратов : СГТУ, 2011. Т.2. С. 168- 170.

7. Иващенко Ю. Г., Козлов Н. А., Зинченко С. М. Многокомпонентные добавки для цементных бетонов с ускоренными темпами набора прочности // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование: материалы IV Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Волгоград : ВолгГАСУ, 2011. С. 150 -153.

8. Зинченко С. М. Вяжущие низкой водопотребности на основе добавок алюмосиликатного состава // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 7. Секция 11. Пенза : Пенз. гос. технол. ак-мия, 2011. С. 140- 141.

9. Иващенко Ю. Г., Зинченко С. М. Добавка многокомпонентного состава для получения бетонов с высокими показателями набора прочности // Ре-сурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сб. науч. трудов по материалам Всерос. науч.-практ. конф. Саратов : СГТУ, 2011. С. 38-40.

' п

10. Комплексная добавка для бетонной смеси: пат. №2373165 Рос. Федерация, МПК С 04 В 28/02. №2008121474/03; заявл. 27.05.08; опубл. 20.11.09, Бюл. № 32. 5 с.

ЗИНЧЕНКО Сергей Михайлович

МОДИФИЦИРУЮЩИЕ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Автореферат

Подписано в печать 23.12.2011 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 04

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

61 12-5/2247

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.»

МОДИФИЦИРУЮЩИЕ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

на правах рукописи

ЗИНЧЕНКО Сергей Михайлович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Иващенко Юрий Григорьевич

Саратов - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений и условных обозначений....................................................................4

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

ГЛАВА 1. МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ МОДИФИЦИРУЮЩИЕ

КОМПЛЕКСЫ 10

1.1. Композиционные вяжущие. Общие положения......................................................10

1.2. Активные минеральные добавки............................................................................................16

1.3. Особенности применения пластифицирующих добавок..............................22

1.4. Модифицирующие органоминеральные комплексы..........................................28

1.5. Повышение эффективности набора прочности..............................32

Выводы по главе............................................................................................................................................36

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

ОСНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 37

2.1. Характеристики применяемых материалов..................................................................37

2.2. Методы исследований......................................................................................................................47

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГИДРАТАЦИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИИ

ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ 52

3.1. Определение активности минеральных добавок в цементных композициях......................................................................................................................................................52

3.2. Пластификаторы на основе отхода промышленности....................................65

3.3. Разработка составов композиционных вяжущих................................................87

3.4. Многокомпонентные модифицирующие составы для получения бетонов с высокими показателями набора прочности................................................96

Выводы по главе......................................................................

ГЛАВА 4. СВОЙСТВА ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ 106

4.1. Тяжелые бетоны на композиционных вяжущих..................................................106

4.2. Бетоны с применением добавки многокомпонентного состава

для повышения темпов набора прочности..................................... 119

Выводы по главе...................................................................... 122

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПРИМЕНЕНИЖОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ 123

5.1. Разработка технологической схемы производства композиционных вяжущих на основе минеральной добавки алюмосиликатного состава и пластификатора из алкилзамещенных фенолов................................ 123

5.2. Расчет экономической эффективности..................................................................130

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................................................................133

Список использованных источников.............................................................................135

Приложение........................................................................................................................................................149

Список сокращений и условных обозначений

ПЦ - портландцемент

8уд - удельная поверхность (дисперсность)

ИКС - инфракрасная спектроскопия

РФА - рентгенофазовый анализ

ДТА - дифференциально-термический анализ

ВНВ - вяжущие низкой водопотребности

ТМЦ - тонкомолотые цементы

ФАС - фенолоацетоновая смола

пКФ - добавка на основе акрилзамещенных фенолов

В/Ц - водоцементное отношение

В/В - водовяжущее отношение

НГ - нормальная густота

ТВО - тепловлажностная обработка

ПАВ - поверхностно-активные вещества

МК - микрокремнезем

ВВЕДЕНИЕ

Динамичное развитие отечественной промышленности строительных материалов в целом, и технологии бетона в частности, невозможно без решения проблемы удовлетворения спроса на качественные цементные вяжущие в прогнозируемых объемах, при исчерпании большинством цементных заводов производственных потенциалов и неудовлетворительным уровнем ресурсо- и энергоэффективности выпуска продукции. [1-4].

Современные тенденции в области бетоноведения направлены на разработку и внедрение технологий, обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение производства, а также получения бетонов с высокими темпами набора прочности. Для этого необходимо рассмотреть новые подходы разработки составов бетонов с применением эффективных вяжущих веществ, химических модификаторов, активных минеральных добавок, наполнителей различной природы и фракционного состава с содержанием высокодисперсных минеральных частиц [1, 5-7].

Принятие федерального закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» [8], появление новых требований в нормативно-технических документах ГОСТ 31108-2003, а так же разработка стратегий регионального развития страны [9], определяет необходимость пересмотра принципов работы цементной промышленности с переходом на выпуск эффективных вяжущих по ресурсо- и энергоэкономичным технологиям.

Стратегией развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года разрабатываемой Министерством регионального развития РФ в рамках Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации, определен ряд задач, установленных приоритетными национальными проектами, и предполагается полное обеспечение потребностей страны в основных видах энергосберегающих строительных материалов с высокими показателями качества продукции. Достижение этих целей потребует ввода к 2020 году дополнительных мощностей производства

цемента в 36,1 млн. тонн с доведением удельного расхода топливно-энергетических ресурсов при его производстве до мирового и европейского уровней. При этом производство сборных железобетонных конструкций и изделий должен составить 39,8 млн. м3, а панелей и конструкций для крупнопанельного домостроения - 10,3 млн. м [9].

Соответственно разработка эффективных композиционных вяжущих, которые должны отвечать современным нормативно-техническим требованиям и обладать низкими показателями ресурсо- и энергоемкости при их производстве является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась: при поддержке индивидуального гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе УМНИК 2011 г. в рамках государственного контракта 9553р / 17177 от 4 июля 2011 года «Разработка технологии и оборудования для производства эффективных композиционных вяжущих на основе пород алюмосиликатного состава»; в рамках тематического плана

НИР СГТУ в 2009 - 2011 годах.

Целью диссертационной работы является разработка оптимальных составов эффективных композиционных вяжущих на основе портландцемента, наполненных активными минеральными добавками алюмосиликатного состава с использованием органической добавки на основе техногенных побочных продуктов химической промышленности, а также многокомпонентных добавок повышающих кинетику набора прочности цементных композиций.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследований:

- оценка активности минеральных добавок алюмосиликатного состава природного и техногенного происхождения, проведение анализа возможности их использования с определением эффективности их применения в составе цементных композиций;

- разработка органомйнерального комплекса на основе минеральных добавок алюмосиликатного состава и синтезированной органической добавки

(пКФ) из побочного Продукта производства фенола для модифицирования цементных композиций с определением структурно-реологических свойств и физико-механических характеристик;

- разработка и оптимизация составов композиционных вяжущих типа ТМЦ и ВНВ, обладающих высокими технологическими свойствами;

- научно обосновать и экспериментально подтвердить выбор сырьевых материалов для получения многокомпонентных добавок на основе разработанного органоминерального комплекса для получения цементных композиций с высокими темпами набора прочности;

- разработка технологии производства композиционных вяжущих, многокомпонентных добавок и бетонов на их основе с определением технико-экономических показателей их применения.

Научная новизна работы. Определены особенности процесса гидратации цементных вяжущих систем с установлением синергетического эффекта при совместном использовании молотого пумицита и добавки пКФ, заключающегося в их активном взаимодействии с образованием эффективного органоминерального комплекса. Изучены механизмы влияния компонентов разработанного органоминерального комплекса на гидратационные процессы и факторы, определяющие эффективность его работы, с целью назначения оптимальных составов композиционных вяжущих.

Установлен характер влияния вещественного состава композиционных вяжущих систем на технологические свойства при изготовлении, как бетонных смесей, так и на строительно-технические свойства, а также на усадочные деформации получаемых бетонов.

Предложен способ повышения кинетики набора прочности, ускорения гидратационных процессов и оптимизации структурообразования цементных композиций за счет использования многокомпонентных добавок на основе разработанного органоминерального комплекса.

Практическая значимость работы. Разработаны и предложены оптимальные составы композиционных вяжущих и модифицирующих добавок

многокомпонентного состава на основе разработанного эффективного органо-минерального комплекса с использованием минеральных добавок алюмосили-катного состава и синтезированной органической добавки пКФ из побочного продукта производства фенола, что позволяет комплексно решать проблемы получения высококачественных цементных композиций, энерго- и ресурсосбережения производства, использования побочных продуктов промышленности.

Внедрение результатов исследования. Результаты работы внедрены на Заводе ЖБИ-6 - филиал ОАО «БЭТ», г. Энгельс при производстве железобетонных плит покрытия дорог серии 1П 35.28-30. Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий

и конструкций».

На защиту выносятся следующие положения:

- комплекс экспериментальных данных по исследованию влияния минеральных добавок алюмосиликатного состава на свойства цементных композиций, характер гидратации, кинетику фазообразования твердеющих

цементных систем;

- результаты исследования влияния синтезированной органической добавки из побочного продукта производства фенола на реологические характеристики, характер процессов гидратации и структурообразования цементных композиций;

- результаты комплексных исследований по разработке органоминерального модифицирующего комплекса, а также результаты исследований его влияния на образование продуктов гидратации в

цементных системах;

- разработанные эффективные составы композиционных вяжущих типа ТМЦ и ВНВ, многокомпонентных добавок ускоряющих кинетику набора прочности цементных композиций, а также технология их производства и изготовления бетонов на их основе.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований, приведенных в диссертационной работе, доложены на: научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета (2008 - 2011 гг.); Международной научно-практической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2008 г.); Всероссийской конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2008 г.); Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. Материалы XV академических чтений РААСН» (Казань, 2010 г.); Международном научно-практическом симпозиуме «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (Саратов, 2010 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2011 г.); в аккредитованной по программе научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К. «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010 и 2011 гг.). Публикации. Основное содержание работы и ее результаты опубликованы в 9 печатных работах, в их числе 2 работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях. Техническая новизна исследований подтверждается выдачей патента РФ с № 2373165 С1 «Комплексная добавка для бетонной смеси» по заявке на изобретение № 2008121474/03, опубликованным 20.11.2009.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 145 наименований, приложения; изложена на 150 страницах машинописного

текста, содержит 29 рисунков, 51 таблицу.

Работа выполнена на кафедре «Производство строительных изделий и конструкций» ФГБОУ ВПО Саратовского государственного технического университета имени Гаранина Ю.А.

ГЛАВА 1. МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ МОДИФИЦИРУЮЩИЕ

КОМПЛЕКСЫ

1.1. Композиционные вяжущие. Общие положения

Основным направлением современного развития отрасли производства цементных вяжущих является переход на ресурсо- и энергосберегающие вяжущие нового поколения, отличающихся высоким уровнем технологических и эксплуатационных свойств и обеспечивающих высокое качество изготавливаемой продукции при их применении [1,3,6, 10].

Несмотря на некоторое увеличение в общем объеме производимого портландцемента доли многокомпонентных смешанных цементов, до сих пор не освоен серийный выпуск эффективных высокотехнологичных композиционных вяжущих на основе портландцементного клинкера и минеральных добавок различного происхождения [3, 9]. Особенностью современной отечественной цементной промышленности является высокая топливо- и энергоемкость производства и низкий технический уровень оснащения производственных линий, что обусловливает повышение доли выпуска рядового портландцемента марок М400 и М500 с почти полным отказом от производства высокомарочных цементов, достаточная обеспеченность которыми определяет развитие отрасли [9]. Однако для мировой цементной промышленности характерно значительное увеличение доли производства многокомпонентных цементов, позволяющих существенно снижать энергозатраты на производство и получать цементы с дополнительными технологическими свойствами [3]. Такое положение отечественной цементной промышленности, являющейся одной из базовых отраслей, значительно тормозит в целом

развитие строительного комплекса.

Формирование стратегии развития ресурсо- и энергосберегающих высокоэффективных производственных технологий в настоящее время осу-

ществляется на государственном уровне принятием федерального закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» [8], а так же внедрением различных программ в области ресурсосбережения и энергетической эффективности [3,9]. Переориентация отрасли производства строительных материалов на энергосберегающие технологии со значительным повышением энергетической эффективности выпуска продукции требует проведения комплекса научно-технических работ и исследований, результаты которых позволили бы определить пути повышения ресурсо- и энергоэффективности [9].

С целью внедрения энергосбережения в отечественной цементной промышленности в 2003 году был принят ГОСТ 31108-2003, согласно которому допускается ввод минеральных добавок при производстве цемента до 65 % по массе. Однако, в настоящее время портландцемент, выпускаемый в России, в среднем включает долю минеральных добавок порядка 10-20 % от общей массы цемента [9, 11, 12]. При производстве эффективных композиционных вяжущих возможно наполнение цементов минеральными добавками в значительно больших количествах от 40 - 75 % массы цемента с получением цементов марок М400 - М600, отвечающих требованиям современной нормативно-технической документации [13-16].

Таким образом, приближение отечественной цементной промышленности к пороговому значению исчерпания мощностей и пределу потенциального роста объемов производства, а также требования Киотского протокола о снижении выбросов С02 в атмосферу уже сейчас требуют скорейшего проведения технического перевооружения и модернизации действующих цементных заводов, а также создание новых экономически выгодных и экологически безопасных производств эффективных вяжущих, с использованием современных ресурсосберегающих технологий [9]. При у�