автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Особенности свойств и структурообразования бетона, наполненного цеолитом

%

"]мпс РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ПОЛЮДОВА Светлана Васильрада

ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ И СТРУКТУООБРА-ЗОВАНИЯ БЕТОНА. НАПОЛНЕННОГО ЦЕОЛИТОМ

•05.23.05- Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА-1995

- 2 -

в Московском государственном университете

о

академик РААСН , доктор технических наук, профессор, ЕИ. СОЛОМАТОВ член корреспондент РААСН,доктор технических наук,профессор.Ю.А.СОКОЛОВА

кандидат технических наук, П.В.ВОРОНОВ

Ведущее предприятие: М Н И П ,Т И "Стройиндустрия"

Защита диссертации состоится "" О Л 199йг. в часов в на заседании специализированного совета ВАК Российской

.Федерации Д 114.05.08 по специальности 05.23.05 "Строительные материалы и изделия" Московского государственного университета путей сообщения по адресу: 101475, г.Москва, ул.Образцова, 15.

'С диссертацией, можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ЛЭу 1995г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Работа выполнена путей сообщения

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

СПЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ •

Актуальность проблемы.- В многочисленных исследованиях установлено, что даже при длительном твердении бетонов, клинкерные частицы размером более .40- 60 мкм обычно полностью не гидратируются и выполняют в цементном камне роль мккронаполни-теля. Поэтому, возникает необходимость замены клинкерных наполнителей более дешевыми и менее энергоемким, минеральным, к перспективным тонкомолотым минеральным наполнителям бетона можно отнести природные цеолиты. Этот вид минеральных наполнителей обладает высокой гидравлической активностью.

Низкая себестоимость и уникальные свойства природных цеолитов, . связанные п пссбснкосл-ями кристаллической структуры, вторичной пористости.цеолитовых пород, их хорошая измельчаемость, позволяют значительно расширить область применения этих минералов, в частности, как минеральных наполнителей Сетона Цеолитосодержащие туфы широко распространены на территории всей страны. Суммарные запасы составляют свыше 3.5 млрд. т. Наиболее перспективные месторождения сосредоточены в Сибири, в Приморском крае, на Сахалине и Камчатке. Использование тонкомолотых цеолитов, в качестве минеральных наполнителей, требует дальнейших усовершенствований приготовления бетонов на основе интенсивной раздельной технологии. . В настоящей работе даны предложения по повышению качества мелкозернистого бетона,- наполненного цеолитом, путем оптимизации его состава по содержанию и дисперсности цеолита, . в том числе и при использовании интенсивной раздельной технологии и применении суперпластификатора С-3.

Цель исследования:

1. Углубление теоретических и практических представлений о

процессах структурообразования и твердения бетонной смеси, наполненной цеолитом. Разработка экономичных по .расходу цемента составов мелкозернистого бетона, наполненного цеолитом, с учетом оптимальной дисперсности цеолита. Совершенствование технологии изготовления бетона.,

Задачи исследования:

1. Определить влияние цеолита на процесс гидратации цемента в цементной пасте.

2. Установить закономерности формирования свойств цементного камня под влиянием дисперсного цеолита в условиях виброперемешивания и.введения суперпдастификатора.

3. Оптимизировать составы наполненного бетона, приготовленного по интенсивной раздельной технологии.

4. Исследовать прочностные, деформативные и' другие свойства бетона, наполненного цеолитом.

5. Разработать предложения по технологии приготовления бетона, наполненного цеолитом.

6. Провести производственное внедрение результатов работы.

Научная новизна работ ы :

Установлены особенности формирования свойств цементных паст, наполненных цеолитом, как пластифицированных суперпластификатором С-3, так и непластифицированных в условиях виброперемешивания.

Оптимизированы составы бетонов,наполненных цеолитом.

Установлены рациональные границы иаменения дисперсности цеолита, оптимальной степени наполнения цементного камня и бетона

Показано, что представление об оптимальной дисперсности цеолита зависит от структурных особенностей цементных композиционных материалов.

К а защиту выносятся:

- Б -

- зависимость свойств цементного камня и бетона от дисперсности и содержания цеолита;

- зависимость эффективности действия суперпластификатора С-3 в цемент но-цеолитоЕЫх композитах;

- рекомендации по повышению эффективности действия суперпластификатора С-3 для бетона, наполненного цеолитом; •

- методика оптимизации состава бетона, наполненного цеолитом.

Практич ее. кое значение' работы:

Бетон, наполненный цеолитом до 50%, приготовленный по интенсивной раздельной технологии, рекомендован для изготовления фундаментных блоков, цокольных панелей, плит мощения, бортовых камней и внедрен на заводе ЖБИ-2 г. Владивостока. Экономический эф-фзкт от внедрения оптимальных составов бетона,наполненного цеолитом, составляет 11.6 мнл. руб. в ценах 1995г. Технический эффект состоит в повышении стабильности свойств бетона, наполненного цеолитом, получаемого по методике подбора составов, предложенной ав-

«

тором.' Методика учитывает требования по рациональному использованию минеральных ресурсов и энергосбережения.

Публикации. По рее /льтатам диссертации опубликовано 4 печатных труда и получено 4 патента

Структу.раиобъемра б о т ы . Диссертация состоит из введения,6 глав,общих выводов, списка использованных литературных источников. Содержит 220 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 36 таблиц и списка используемых литературных источников из 157 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность. своему руководителю академику Василию Ильичу Соломатову,сотрудникам лаборатории "Коррозии и долговечности бетона" ДальНИ-ИС,научно-лроиаводственной фирме " КВАДР "г.Владивосток и коллективу кафедры "Строительные материалы и технологии" МИИТа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе, посвященной аналитическому обзору литературы,рассматриваются виды минеральных наполнителей бетона и эффективность их применения,результаты исследований в области ресурсосбережения,методы и технологические приемы повышения потенциальной активности вяжущих,свойства и особенности природных цеолитов и опыт их применения в технологии бетонов. В настоящее время в технологии бетонов накоплен ряд эффективных приемов, обеспечивающих значительную экономию материальных, трудовых, и энергетических ресурсов. Опыт применения наполненных бетонов показывает, что эффективность их использования мотет быть повышена за счет оптимизации рецептурных и технологических параметров, с учетом структурных особенностей наполненных композитов.

Наиболее полно закономерности структурообразования наполненных бетонов раскрыты в рамках полиструктурной теории (ОТ), развиваемой академиком В. И. Соломатовым и его школой. Существенный вклад внесли в разработку ПТ ученые Ю. М. Баженов,Е П. Селясв.М. К. Та-хиров.Б.А. Крылов, В. К Выровой,А. II Прошин, А. Н. Бобрышев, ЕА. Самигов, Ю. В. Потапов, Е Т. Ерофеев, В. М Казанский, ЕГ. Иващенко, В. Д. Черкасов и др. Общая зависимость многократно подтверждена экспериментами с использованием цементных , известковых, гипсовых," силикатных, полимерных, битумных, металлических и иных связующих. Наблюдаемые при малом наполнении, снижение прочности сменяется затем в зоне нестабильных состояний резким повышением прочностных показателей, достигая максимума при оптимальной степени наполнения.

Особенности состава и структуры цеолита, их хорошая измельча-емость, а такле значительные объемы сырьевых ресурсов обуславливают перспективы их использования как наполнителей цемента и бетона.

Однако, несмотря на огромный интерес к цеолитам они остаются минералами будущего или, как развал их Филипп Рошар, - "непризнанными звездами" среди наиболее интеллектуальных минералов. В главе представлен подробный анализ свойств природных цеолитов,дана характеристика наиболее крупных месторождений на территории бывшего СССР, генетическая классификация этих минералов. Большое внимание уделено анализу ионообменных и адсорбционных свойств цеолитов, вопросу номенклатуры и классификации в зависимости от топологии каркаса и объему внутрикристаллического пространства. Подробно рассмотрены данные рентгено-структурного анализа наиболее распространенных промышленных типов цеолитов-морденита и клиноптилоли-та. Использование цеолитов в качестве тонкомолотых минеральных наполнителей бетона особенно актуально для бурно развивающихся экономических районов Сибири и• Дальнего Востока. Прогнозные ресурсы сырья этих районов составляют 40£ от общего запаса бывшего Союза Все это соадает реальные предпосылки для промышленного освоения

»

цеолитов в качестве минеральных наполнителей бетонов.

Во второй главе приведены характеристики используемых материалов и описаны метом их исследований. Исследования проводились на местных материалах: клинкерном портландцементе Ново-Спасского завода М500, партия которого была выполнена по заказу исследователей. Химический состав клинкера представлен следующими • окислами: СаО = 65. ..661.' ЗШ2= 20. ..22 А120з«5... 6.'5% ;Ре 0„=3.5.. .5.0%; %0=1. 5 К П. П. Минералогический состав цемен-

ы О

та: СдЗ=57... 60%, 0^=14... 18Х, 0^=9... 10%, С АГ=10... 12 %. В качестве мелкого заполнителя использовались два вида песка: стандартный "Вольский" с Мк=2.59 и песок месторождения "Кедровая падь" с Мк=1.9. • В качестве крупного заполнителя для бетонов использовался щебень Пёрвореченского карьера фракций 5-10, 5-20 мм.

В качестве' наполнителя применялся цеолит Чугуевского место-

рождения. Пароды представляют собой витрокластический туф вулкано-генно-осадочного происхождения: это белые, зеленовато-белые и ро-аовато-белые породы нижней подсвиты богопольской свиты. Шроды достаточно однородны, характеризуются низкой естественной влажностью - 3-10%, малой твердостью - 3-4 по шкале Мооса, значительной пористостью - 11-20%. Петрографические исследования показали, что основная масса породы представлена минералом, содержащим цеолит от 50-90%, и до 20% кристаллокластического материала в виде кварца, полевых шпатов,' хлорита, кальцита и обломков кремнистых пород. Чугуевские цеолиты представлены в основном клинопт^лолитом с примесью морденита и гейландита. Формула химического состава клиноптилолита - Na.g tA^'Si ^ х 24HgO. Морденит имеет формулу Na 8 (A1 4cpgg) х 28Н¡0. Химико-минералогический состав цеолита представлен следующим образом: SiO^ - 72.41%, О3 - 12.40%, Fe Общ - 1.11%, ТЮ - 0.01%, СаО - 2.54%, MgO - 0.01%, К£0 - 2.43%,

Na 0-0.67%, SO -О. 002%, п. п. п. - 9. 4%. Адсорбционные свойства'цео-

с о

лита изучались на адсорбционно-вакуумной установке.

В соответствии с основными положениями полиструктургой теории композиционных строительных материалов, оптимизация составов, структуры и свойств наполненного бетона проводилась на уровне микроструктуры (изучалась структура.и свойства наполненного цементного связующего) и макроструктуры (собственно самого бетона). Исследования- физико-механических,физико-химических свойств исходных компонентов,цементно-цеолитового композита и бетона проводились с использованием известных методов исследований в соответствии с действующими стандартами и ГОСТами. Приведены статическая обработка зксперементальных данных и математическое планирование экспериментов. Полученные уравнения регрессии дают возможность прогнозировать прочность цементных композитов и бетонов,наполненных цеолитом.

Втретьей главе приведены данные исследования свойств цементного теста, наполненного цеолитом. Рассмотренно влияние цеолита на сроки и темпы структурообразования, на реологические характеристики наполненного цементного теста,определена оптимизация степени наполнения,водоцеолитного отношения и дисперсности тонкомолотой минеральной добавки.

Цеолит, как минерал, обладает высокими адсорбционными свойствами, которые должны оказывать существенное влияние на водо-потребность цементных систем и изменение сроков схватывания. Исходя ка того, что нормальная густота цементного теста для данного цемента составляет 0.26 Z,представляет значительный интерес определение оптимального водоцеолитного отношения. Для реализации-эксперимента использовался 2-х факторный план Бокса-Дрейпера второго Порядка. В качество независимых переменных были выбраны следующие факторы: водоцеолитное отношение, Мнц, 0.25... 0. 35) и степень Наполнения цеолитом Cv,X ( 0.. .50).

Анализируя влияние степени наполнения цеолитом на прочностные характеристики цементного камня.можно отметить, что функция носит экстремальный характер. Минималььля прочность наблюдается в диапазоне 25... 37% степени, наполнения цементных композиций цеолитом. При наполнении 37-'50% прочность возрастает. Используя математическую модель рассматриваемого процесса и последовательно продиф- • ференцировав полиноминальное уравнение, имеем экстремальные значения при изгибе: GV » 31.6 и Whu=0. 301. Наибольшее значение прочности при сжатии и изгибе достигается при водоцеолитном отношении, равным 0.29.. 0.31. Значения прочности при недостаточном и избыточном количестве воды близки и имеют значения ниже эталонного образца. При 50£ степени наполнения, прочность при сжатии наполненной цементной композиции наиболее близка к прочности цементного камня. Оптимальная • степень наполнения цементных композиций лежит за гра-

ницами выполненного нами экстремального математического планирования, т.е. выше 50%.

Необходимо отметить,что при рассмотрении вопроса закономерностей влияния степени наполнения цементного теста цеолитом на сроки и нормальную густоту цементного теста не учитывается адсорбционная активность цеолита. Зная,что при нормальной густоте цементного теста водоцементное отношение в системе составляет 0.26,а оптимальная водопотребносгь цеолита 0.30,что соответствует полученным экспериментальным данным адсорбционных исследований поровой структуры цеолита и литературным данным,можно рассчитать оптимально е количество воды на замес, при сохранении заданных реологических характеристик.

На основании полученных экспериментальных данных, мокна сделать вывод, что при постоянном водоцементном и оптимальном водоце-олитном отношении существует зависимость, близкая к линейной, между степенью наполнения системы цеолитом и темпами структурообразования цементноцеолитовых композиций . Бри увеличении степени наполнения цеолитом сокращается время начала и конца схват'-зания цементного теста. Цеолиты,выступая в роли активных минеральных добавок, интенсивно связывают образующиеся в процессе твердения портландцемента гидроокись кальция,образуя низкоосновные гидросиликаты, и гидроалюминаты кальция. Это и приводит к ускорению структурообразования в системе. Путем обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов, получена линейная зависимость времени начала и конца схватывания цементного теста от степени наполнения системы цеолитом с коэффициентом корреляции г=0.396. Полученная зависимость дает возможность аналитически исследовать процесс структурообразования цементной системы при различной степени наполнения.

При рассмотрении блияния дисперсности цеолита на структурооб-

рааование цементных композиций, представляет интерес три характерных случая: диаметр наполнителя меньше диаметра частиц цемента <Г«1; равны <Г- <3 и больше с1*> с!. Для исследований на шаровой мельнице были намолоты партии цеолита следующей дисперсности 1300, 3300, 5300 см2/г. Средний диаметр частиц цеолита (сГ) при

дисперсности 1300, 3300, 5300 соответствует 2,1*10-3; 0,83 *10-3; -3

0,52 *10 см. Чистоклинкерный цемент наполнялся цеолитом до 70% по объему. Анализируя полученные чанные для дисперсности

о

Д=5300см /г, можно отметить, что степень наполнения существенно влияет на прочностные характеристики цементного камня. Цеолит, как активный минеральный наполнитель в цементной системе проявляет свои адсорбционные свойства. Показано,что при недостаточном количестве воды увеличение степени наполнения отрицательно сказывается на прочностных- характеристиках^ уменьшением воды затворения падает относительная прочность системы. При введении суперпластификатора С-3 « 0.81 от массы цемента, прочностные характеристики образцов лежат выше контрольных. Увеличение водоцементного отношения в пределах 0.35... 0. 40 при введении С-3 благоприятно сказывается на прочностных характеристиках наполненных систем. Закономерности имеют экстремальный характер.

При степени наполнения в диапазоне 0... 60%, прочностные характеристики наполненных систем имеют значения выше эталонных. Причем, с увеличением В/Ц в рассматриваемых пределах, зона максимальной прочности увеличивается. Наблюдается тенденция смещения максимальной точки в область большего наполнения. Сравнивая результаты, очевидно, что с увеличением дисперсности в пределах 2

Д=1300... 5300 см /г в зоне оптимальной степени наполнения цеолитом, водопотребность цементных композиций увеличивается. С уменьше-

2

нием тонкости помола до Д=1300 см /г зона повышенной прочности уменьшается,"а экстремальная точка смещается в зону больших напол-

некий.

Для исследования влияния дисперсности цеолита и степени наполнения на структурообразование цементного камня использован математический метод планирования экстремальных экспериментов. В качестве выходного параметра приняты прочность образцов при'сжатии и растяжении при изгибе. Продифференцировав полиноминальное уравнение математической модели получно значение оптимальное

дисперсности цеолита Д=2430 с>//г. Средний диаметр частиц цеолита

-3

при оптимальной его дисперсности равен СГ «1.12*10 см. Таким образом, средний размер частиц цеолита превышает средний диаметр частиц цемента в 1.?. .1.8 раза. Учитывая,что поверхностная активность ■ частиц цеолита на начальных этапах превышает поверхностную активность цемента, частицы наполнителя в данном случае выполняют роль активных центров, вокруг которых группируются частицы цемента.

Для оценки подвижности наполненных цементных композиций в различных условиях использовались такие реологические характеристики, как предельное напряжение сдвига, период рел^чсации и вязкость системы, расплыв конуса. Минеральный молотый цеолитовый наполнитель использовался с удельной поверхностью 2400... 2600 см2/г, как оптимальной . Степень наполнения цементного вяжущего цеолитом изменялась в. диапазоне 0. ..60 %. При определении реологических характеристик наполненных цементных систем использовался прибор' "ВДЕО- ТЕБТ-г" с измерительной системой прибора Б-3 для определения напряжений сдвига; консистометр Гепплера для определения пластических деформаций и прибор Вейлера-Ребиндера для определения пластических деформаций. При увеличении наполнения цементных композиций тонкоколотым цеолитом, в диапазоне 0... 60%, реологические параметры характеризуются увеличением значений напряжения сдвига, вязкости, пластической деформации и уменьшением подвижности, по

сравнению с контрольными образцами. Эффективность действия суперпластификатора снижается при увеличении степени наполнения цементных систем цеолитом.

В четвертой главе приведены результаты исследований физико1-химических свойств цементного камня, наполненного цеолитом. Рассмотрены особенности гидратации и структурообразоЕания, а также поровой структуры цементно-цеолитовых композитов. Исследовано влияние суперпластификатора на прочность цементного камня и проницаемость и стойкость цементно-цеолитовых композитов агрессивным средам.

Термографический анализ цементного камня в возрасте 28 суток нормального твердения проводился на • дереватографе ОД-102 при чувствительности 1/5 для ДТА, ДТГ и 200 для ТГ при скорости нагрева IC^C/mHh. до максимальной температуры 95СР.С. Рентгенофазовый анализ цементного камня в возрасте 28 суток нормального твердения выполнен на дифрактометре ДРОН-ЗМ. Данные термографического рент-гено-фазового анализа показывают ,что наполнение цеметного камня цеолитом приводит к дополнительному количеству новообразований низкоосновных гидросиликатов за счет постепенного перехода высокоосновных гидросиликатов кальция в низкоосновные путем снижения основности среды. Наполнитель играет активную роль в избирательном обмене "ион-ион" минерала и поровой жидкости.

Учитывая, что наполнение цементных композиций цеолитом, существенно влияет на снижение подвижности цементного теста и ускорение процесса структурообразования цементных систем, возникает необходимость исследования влияния ПАВ на прочностные характеристики наполненного цементного камня. В качестве пластифицирующей добавки использовался суперпластификатор G-3. Исследования влияния ПАВ на прочностные характеристики цемент};оцеолитоЕЫХ композиций проводились в три этапа. На перьом этапе рассматривали елиянко

пластификатора при постоянном Б/Ц, равном 0.48 , 0.59 , 0.77, количество С-3 составляло 0.5% от массы цемента. Степень наполнения цементного композита изменялась от 0 до 7ОХ. Анализируя полученные экспериментальные данные , можно сделать вывод, что изменение В/Ц в интервале от О. 48 до 0. 77 при использовании суперпластификатора С-3 в количестве 0.5%. ведет к увеличению оптимальной степени наполнения, при этом наблюдается тенденция роста относительной прочности.

На втором этапе исследования проводились при помощи математического планирования' Реализован трехфакторный план Бокса-Дрейпе-ра. В качестве независимых факторов рассмотрены водоцементное отношение, степень наполнения и количество С-3 . Б качестве критериев приняты прочность при сжатии и прочность при растяжении на изгиб в возрасте 1 сутки после пропарки. Степень наполнения (Су) изменялась в диапазоне от 35 до 75%. Водоцементное бтношение рассматривалось ' в. области, благоприятной для высокого наполнения цементного композита гидравлически активной минеральной добавкой. Оптимальные значения водоцементного отношения и количества суперпластификатора находятся в пределах 0.9 - 1.0 и 0.5 соответственно. Увеличение степени наполнения в заданных интервалах исследуемых факторов ведет к увеличению прочностных характеристик.

Учитывая, что при использовании математического планирования факторы могут изменяться в большом диапазоне, более отчетливо заметно следующее: Еодоцементное отношение не в полной мере отражает фактор наполнения цементной системы адсорбционно активной добавкой. Поэтому, при постановке следующего эксперимента учитывался фактор водоцеолитного отношения, при водоцементном отношении близком к нормальной густоте цементного теста. С учетом такой поста-г.глт ¿эксперимента водоцементное отношение изменялось в очень <Ч:лтэм диапазоне от 0.28 до 1.44. Реализован трехфакторный план

математического планирования. В качестве независимых факторов приняты следующие: степень наполнения, ОД ( -25... 85)водоцеолитное отношение,при постоянном водоцементном отношении, Ус, о. е. СО.20... 0. 30 ), количество С-3, • %( 0. б... 1.1) В данном эксперименте получены оптимальные характеристики для исследуемых факторов: для степени наполнения цементной системы цеолитом они находятся в диапазоне 30...55%; для количества суперпластификатора С-3 в диапазоне 0.6-0.9% от массы цемента и для водоцеолитного отношения (с учетом действия ПАВ) 0.2- 0.25%.

При сравнительном анализе геометрических образов поверхности отклика математических моделей, полученных на втором этапе эксперимента, можно заметить, что характер закономерностей не изменяется. Однако, при рассмотрении в качество независимого фактора водоцеолитного отношения (при условии постоянного водоцементного отношения) , получены математические модели с более высоким показателем прочности при оптимальном наполнении, чем при исследовании фактора водоцементного отношения без учета адсорбционной способности минеральной добавки. Это подтверждают экспериментальные данные при постояном В/Ц, полученные на первом этапе: с увеличением В/Ц, значения абсолютной прочности уменьшаются, в то время, как относительная прочность и зона оптимального наполнения растет.

На третьем этапе эти же факторы рассматривались при изменении технологии изготовления цементно-цеолитного композита. Наполненное цементное тесто приготовлялось по традиционной технологии. Рядом работ показано, что повышение гидравлической активности минеральных добавок увеличивает адсорбцию С-3 на портландцементах. Это вызвано накоплением высокодисперсных низкоосновных гидросиликатов типа С5Н(В). С учетом этого, количество суперпластификатора следует рассматривать к весу цемент+цеолит. Независимые факторы следующие степень наполнения(35... 75),водоцеолитное отношение,при посто-

янком водоцеменгном отношений0.25...0.33),количество С-3 от веса Ц + Нц (0.5... 1.1). В качестве функций отклика рассмотрены прочность при сжатии' наполненного цементно-цеолитового композита в возрасте 7 и 28 суток нормального твердения и подвижность цементного теста. Анализируя полученные результаты, можно заметить, что в начальный период нормального твердения при увеличении степени наполнения, прочность цементно-цеолитовых композитов несколько падает. Оптимальные значения исследуемых факторов находятся-в диапазоне 25-35% - для степени наполнения цементной системы цеолитом (Су); 0.29-0.31% - для водоцеолитного отношения; 0.5-0.8% от массы цемента и цеолита. В более поздние сроки нормального твердения (28 суток), при увеличении степени наполнения от 25 до 55%, увеличивается прочность цементно-цеолитового композита.

При рассмотрении математических моделей, полученных экспериментальных данных на втором и третьем этапе, следует заменить, что при интенсивной Технологии с увеличением степени наполнения цементного композита с 25 до 55% цеолитом, падение прочности не наблюдается. В то время, как при традиционной технологии при изменении степени наполнения в этом же интервале падение прочности составляет 30%. Оптимальное количество суперпласгификатора при интенсивной технологии составляет 0.3% от веса, цемент+цеолит, при

традиционной технологии - 0. 9% цемент+цеолит. Уменьшается величина ♦ *

оптимального водоцеолитного отношения с 0. 29 при традиционной технологии, до 0. 2 при интенсивной раздельной технологии.

Пористость цементного камня, наполненного цеолитом, исследовалась по кинетике водопоглащения при различном В/Ц. Экспериментальные данные,свидетельствуют о том, что при Су=0, с увеличением Е/Ц, пористость цементного камня возрастает. При увеличении степени наполнения истинное В/Ц снижается, блзгодаря связыванию значительного количества води еатворения поверхностью зёрен цеолита на на-

чальных стадиях гидратации цемента. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением степени наполнения,- плотность цементного камня повышается до оптимального значения. Так, при В/Ц=0.50, оптимальная степень- наполнения ожидается в пределах 0=14% и Шах=3. 81. Максимальное водопоглощение уменьшилось в 1. 60 раза. При В/Ц=0. 70 оптимум степени наполнения сдвигается и достигает значения 0=16%, а водопоглощение ниже эталонного образца. С дальнейшим увеличением воды затворения до В/Ц=0. 90 оптимальная область степени наполнения достигает значения Су=33%, при этом плотность цементного камня при В/Ц=0. 9 возрастает и максимальное водопоглощение снижается в 1.79 раз по сравнению с контрольным образцом.

В работе приведены экспериментальные данные о строении поро-вого пространства. Наибольшую интегральную пористость (Мтах=14. 6%) имеет образец цементного камня при 0=70% и В/Ц=0.7, а наименьшую (№пах=6. 25%) при 0=30% и В/Ц=0. 5. Наибольший средний радиус капилляров (2.39) при Су=50% и В/Ц=0. 5, а наименьший (0. 963) при Су=60 иВ/Ц=0. 9. Наиболее однородными по размерам пор (а= 0.255) являются образцы при 0=30% и В/Ц=0. 5, а наименее однородными при 0=0.5 и В/Ц=0. 7 и Су=60 и В/Ц=0. 9 (а = 0.134). При наполнении бетона тонкомолотым цеолитом повышается химическая стойкость агрессивному

воздействию в кислой (3% Н ЭО ) и морской (35%) среде уреличива-

2 4

ется.

В пятой главе рассмотрены закономерности структу -рообразования на уровне формирования макроструктуры. Этот процесс рассмотрен не как механическое сложение на каждом масштабном уровне, а как образование структур более высоких масштабных уровней. Взаимодействие нескольких структур разных уровней и неоднород-ностей, способствует образованию новой структуры, в которой трансформируются свойства ее составляющих. В главе приводятся

1а

исследование свойств бетона, наполненного цеолитом. Даны общие предложения по рациональной технологии приготовления наполненного' бетона. Приведена оптимизация состава мелкозернистого бетона,наполненного цеолитом. Рассмотренно влияние степени наполнения на усадочные деформации ,.на трещино- и морозостойкость наполненного бетона. Сделан анализ кинетики роста прочности наполненного бетона в зависимости от времени твердения.

Представляет интерес исследование влияния технологических факторов на свойства бетонных смесей и бетона, приготовленных при ин тенсивной раздельной технологии. Были рассмотрены факторы: последовательность загрузки компонентов связующего в смеситель-активатор, продолжительность перемешивания компонентов, последовательность введения суперпластификатора. Оптимальная последовательность аагрузки компонентов связующего в смеситель-активатор ■ определялась по схемам, приведенным в таблице.

Результаты исследований оптимальной загрузки активатора

т

I N |п/п I—

Последовательность загрузки компонентов в смеситель

Расплыв конуса, см

т-1

Прочность бетона при сжатии,МПа

I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6

Б + Ц + Н + П

Б + Н + Ц + Е

В + н + п + *ц

в + ц + п + н

в + п + ц + н

в + п + н + ц

14.5

14.0

15.0

13.5

13.5.

14.8

33.4 42.1 25.9 29.3 2818 27.6

Представленные экспериментальные данные позволяют выбрать оптимальную схему загрузки смесителя-активатора В+Н+Ц+П, при которой ьозможно получение бетонов с требуемой подвижностью при повышенной

прочности. Оптимальная продолжительность перемешивания наполненного цементного вяжущего составила 50-60 сек. Оптимальным способом введения суперпластификатора С-3 является введение его непосредственно в готовую бетонную смесь.

Исследования мелкозернистого Сетона (МЗВ) проводились методом математического планирования. Цель данного исследования выявить закономерности влияния степени наполнения МБЗ цеолитом ( Су =Унц /(Уиц+Уц), диапазон исследования 0... 66%) и изменение доли объема цемента . относительно , объема цементно-песчаной смеси (>Уц/(Уц+Уп), в диапазоне 24. ..Б2Х). Предусматривалась постановка трех серий экспериментов. ■ Это позволило выявить влияние вышеназванных факторов при различной дисперсности цеолита и при использовании песков различного гранулометрческого состава. В качестве критериев оценки приняты прочность при сжатии и изгибе в суточном возрасте после термообработки по режиму 3 + 4 + 4 + медленное остывание.

В первой серии использовался цеолит, измельченный до удельной поверхности Д= 3300 см^/г. В качестве заполнителя использовался Вольский песок. Полученная математическая модель позволила определить экстремальные точки степени наполнения цеолитом и доли объема цемента в цементно-песчаной смеси. Экстремальные точки степени наполнения и доли цемента в объеме цементно-песчаной смеси соответствуют 5-48; j - 20. Оптимальная степень наполнения мелкозернистого бетона при дисперсности цеолита, равной Д=3300 см^/г. находится в диапазоне 45... 502, при расходе цемента, составляющим 18-23% от объема цементно-песчаной смеси.

На втором этапе исследования была изменена удельная поверхность цеолита до дисперсности, равной 5300 с (//г. Модель математического планирования не изменялась. Экстремальные точки степени наполнения и доли цемента цементно-песчаной смеси соответствуют

5=35; j = 31. Оптимальная-область наполнения МБЗ, при увеличении дисперсности до 5300 см 2/г, уменьшилась до 30-35% при увеличении доли цемента в объеме цементно-песчаной смеси до 30-33%.

На третьем этапе рассматривалось влияние природы песка на закономерности структурообразоЕания. Для сравнительной характеристики исследования выбран песок месторождения Кедровая падь. Для композиционных материалов при использовании различных песков, наполненных цеолитом одинаковой дисперсности, закономерности ' сохраняются. Различие физико-механических характеристик песков (грануло-«

метрический состав, модуль крупности, запыленность и т. д.) не затрагивает механизм структурообразования, оказывает влияние лишь на количественную сторону рассматриваемого явления. Сравнивая полученные экспериментальные значения можно отметить общий характер закономерностей влияния наполнителя на формирование структуры це-ментно-песчаной композиции .

Аналогично наполнению цементной композиции при малом наполнении МБЗ, наблюдается снижение прочности, вызванное разупорядочени-ем структуры. Первый уровень микроструктуры формируется за счет наполнения цеолитом цементного камня. На втором уровне формирование осуществляется за счет сформированной структуры цементного композита.

Усадочные деформации бетона,наполненного цеолитом ниже, чем у контрольного образца. Уменьшение усадочных деформаций происходит за счет уменьшения содержания свободной еоды в бетоне,вследствие физического связывания ее с поверхности цеолита. Усадочные напряжения, возникающие в начальный период сушки влажных цементных образ-, цов, вследствие стесненной капиллярной усадки, являются причиной снижения прочности или образования трещин. Трешдаостойкость бетона, наполненного цеолитом Быше.чем контрольного образца при наполнении н диапозоне 37. ..50% Рассмотрена кинетика роста прочности

наполненного бетона при твердении в нормальных условиях в возрасте 3,7,14,28 и 45 суток. "

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что при различных В/Ц в начальные сроки твердения, прочность ненапол-ненного цементного камня несколько выше, однако, чем выше В/Ц, тем быстрее прочность наполненных композитов увеличивается по сравнению с ненаполненными. Это свидетельствует о том, что в наполненных бетонах процесс структурообразования продолжается за счет более полного использования активности клинкерных минералов в более поздние сроки твердения, и увеличение числа.новообразований, что ведет к укреплению каркаса наполненного композита.

Анализируя полученные результаты, следует отметить, что морозостойкость бетона.наполненного цеолитов,выше,чем . у контрольного образца Образцы бетона, наполненного цеолитом,выдержали более 170-210 циклов попеременного замораживания-оттаивания, в то время как контрольные образцы -130-150 цикла. Марка бетона по морозостойкости образцов, наполненных цеолитом,соответствует Р200.

В шестой главе приведены данные производственного внедрения и технико-экономического обоснования эффективности исследований. Приведена технологическая схема приготовления бетонной смеси, наполненной цеолитом .по ИРГ. На основании проведенных исследований выполненно опытно-промышленное внедрение на заводе ЖБИ-2 г. Владивостока. Экономический эффект составил 11.6 млн. руб. в ценах 1995 г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально-теоретическим!) исследованиями цемент-но-цоопитовру композитов и ¿ат-онов. наполненных гонкомолотым ц«о-лиГим, приготовленных по интенсивной раздельной технло.п-ш, уегз

новлена возможность снижения расхода цемента на 30... 60% для бетонов класса В12.5... В25, за счет оптимизации состава и дисперсности наполнителя без снижения их физико-технических характеристик.

2. Современными физико-химическими методами исследований установлены особенности гидратации и структурообразования наполненного цементного камня. Термографический и рентгено-структурный анализ показывают, что наполнение цеметного камня цеолитом приводит к дополнительному количеству новообразований низкоосновных

гидросиликатов аа счет постепенного перехода высокоосновных гид-«

росиликатов кальция в низкоосновные путем снижения основности среды. Наполнитель играет активную роль в избирательном обмене "ион-ион" минерала и поровой жидкости.

3. Увеличение степени наполнения цеолитом цементной системы до 74% линейно ускоряет структурообразование. Поверхностная активность частиц цеолита является причиной ускорения структурообразования на начальных- этапах при увеличении степени наполнения цеолитом цементных композиций. Водопоглощение цеолита в цементной композиции находится в пределах 28... 31%.

4. Для цементных композиций, наполненных цеолитом с дисперсностью в исследуемых пределах Д=1300... БЗООсм^/г, зона повышенной прочности находится в диапазоне 0... 60% степени наполнения . С увеличением дисперсности в пределах 0=1300... 5300см2/г зона повышенной прочности увеличивается при увеличении водопотреб ности цементно-цеолитовых композиций. Оптимальная дисперсность цеолита равна D=2430... 2600см ?/г, при этом <3ц/с!нц - 1. 7... 1. 8.

5.JIph увеличении наполнения цементных композиций тонкомолотым, цеолитом в диапозоне 0... 60%, реологические параметры характеризуются увеличением значений напряжения . сдвига, вязкости, пластической деформации и уменьшением подвижности по сравнению с конт-рол1 ныии образцами. ¿фиктивность действия суперпластификатора

снижается при увеличении степени наполнения цементных систем цеолитом.

6. Цеолит, как гидравлически активная минеральная добавка, обладает флокулирующим действием'и способен частично нейтрализовать пластифицирующее действие С-3. Количество суперпластификатора необходимо рассматривать.к массе наполненного цементно-цеолитового вяжущего. Оптимальное количество суперпластификатора при интенсивной технологии составляет 0. 3... 0.5% от веса цемент+ цеолит.

7. Использование цеолита в качестве дисперсной минеральной добавки позволяет снизить водопоглощение и увеличить плотность наполненного цементного композита. Тонко молотый цеолит оказывает существенное влияние на формирование более тонкодисперсной структуры цементного камня, при которой удельная поверхность новообразований намного выше, чем у бездоСавочного. При ятем плотность цементного камня возрастает, открытая пористость уменьшается и максимальное водопоглощение снижается в 1.79 раз-по сравнению с контрольным образцом. При наполнении бетона тонкомолотым цеолитом повышается химическая стойкость агрессивному воздействию в кислой (3% Н^оО^) и морской (35%) среде увеличивается.

8. Разработаны и оптимизировании составы бетона, наполненных цеолитом до 30... 60%. Установление влияние основных технологических факторов: последовательность загрузки компонентов связующего в смеситель активатор, оптимальная продолжительность перемешивания наполненного цементного вяжущего,оптимальный способ введения суперпластификатора С-3 на свойства наполненного бетона, приготовленного по интенсивной раздельной технологии.

9. Усадочные деформации бетона, наполненного ниже,по сравнению с контрольным образцом. Трещиностойкость бетона, наполненного цеолитом выше, чем у контрольного образца при наполнении в диапо-зоне 37. ..50%. Морозостойкость бетона, наполненного цеолитом, Еыше

контрольного образца.

10. Предложена оптимальная последовательность операций и рациональная технология приготовления бетонных смесей, наполненных цеолитом до 50% . Проведено опытное внедрение бетона с цеолитовым наполнителем на заводе ЖБИ-2 ■ г. Владивостоке. Экономический эффект составил 11.6 млн. руб. в ценах 1995 г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Соломатов В. И. ,Полюдова С. В. ,Коломнец В. И. Цементноцеолито-вые композитыУ/ИзЕестия ВУЗов. Сер. : Стр-во и архитектура. N 3 1995. -с. 41-46.

2. Полюдова С. Е , Соломатов Е И. Влияние дисперсности цеолита на прочностные характеристики цементноцеолиговых композиций //В сб. научн. тр. Ташкент."ТашШТ. 1994-с. 17-22.

3. Полюдова С. В., Коломиец В. И. Влияние степени наполнения цеолитом цементной системы на структурообразование. /Fourth NCB International Seminar on Cement and Building toterials.New Delhi. Dece-irber 1994.

4. КоломиецВ. И. .Полюдова С. В. К механизму морозного разрушения

бетона./Fourth NCB International Seminar on Cement and Building

*

Materials. New Delhi. December 1994.

5.Патент R-S № 2010020 С 04 Д 28/00, 40/00.Селиванов В.H, Коломиец В.И..Полюдова C.B..Селеванов к.Н."Способ приготовления бетона, способ изготовления из бетона и ж/б,способ' возведения, юсста новления итм реконструкции зданий.сооружений,способ подбора сос тава бетона.Бюллетень № 6/30.03.94.

G.Заявка патента на изобртейие KS 94008560/33 (008647) от 21 0?..94."Способ испытания строительных материалов на морозостойкость

• Полк-дона и др.