автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение эффективности использования барханных песков в технологии бетона

Президиум ВАК Росс к*

(££щедаеот * ¿2-" // 1951 г„ шЩЛу' | присудил ученую степень ДОКТОРА

__¿¿^ и*., _наук

Начальник увравленйя ВАК России

Г/

На правах рукописи УКД 666.9-127+666.9-128

МЕРЕДОВ гучгельды овезович

б

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАРХАННЫХ ПЕСКОВ В ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНА

05.23.05- Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

1999г.

Введение

Актуальность. Отсутствие в ряде регионов России и стран СНГ заполнителей для бетонов ставит перед строителями проблему широкого использования местных мелких песков, в том числе барханных песков, в технологии бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

Отличительным признаком барханных песков является повышенное содержание (до 90-100%) частиц размером менее 0,14 мм., поэтому традиционное применение барханных песков в сочетании с крупным и мелким заполнителями в тяжелых, легких и мелкозернистых бетонах следует рассматривать как использование их в виде наполнителя.

Решение проблемы повышения эффективности использования барханных песков в качестве наполнителя в технологии бетона связано с целесообразностью их активизации в технологическом процессе, направленном на использование потенциальных возможностей полиминеральных песков при минимальных трудовых, материальных и энергетических затратах.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с комплексной программой «Стройпрогресс-2000».

Цель и задачи. Основная цель диссертации заключается в разработке технологии многокомпонентных бетонов плотной и пористой структуры с повышенным содержанием барханного песка.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически обосновать возможность повышения эффективности бетонов

на основе барханных песков;

- разработать эффективные технологии бетонных и железобетонных изделий

с использованием барханного песка.

Научная новизна. Разработаны теоретические положения о повышении эффективности использования барханных песков в технологии бетона путем их активации в присутствии портландцемента и суперпластификатора с целью создания композиционного вяжущего на основе активного полиминерального наполнителя, который оказывает большое влияние на физико-химические процессы цементных композиций с пониженным водосодержанием, что способствует экономии цемента и улучшению эксплуатационных свойств бетона.

Установлены зависимости основных стандартных свойств композиционных вяжущих: удельная поверхность, нормальная густота, сроки схватывания, активность по стандартным и специальным методикам в зависимости от состава и технологических параметров механо-химической активации.

Установлены зависимости водопотребности бетонных смесей на основе композиционных вяжущих от показателей осадки конуса или жесткости, вида и наибольшей крупности заполнителя.

Показано, что бетонные смеси на основе композиционных вяжущих обладают повышенной тиксотропией, что способствует улучшению их формуемости.

Исследование процесса раннего стурктурообразования комплексными методами (тепловыделения, контракции, скорости прохождения УЗК) показало, что период формирования структуры равноподвижных бетонных смесей на основе композиционных вяжущих на 6-9 ч больше, чем на исходном портландцементе.

Установлены зависимости кубиковой и призменной прочности, параметров микротрещинообразования, коэффициента Пуассона, начального и динамического

модуля упругости от расхода цемента и водовяжущего отношения, которые предназначены для прогнозирования свойств и определения состава бетона.

Установлена взаимосвязь стойкости бетона на композиционных вяжущих при циклических колебаниях температуры в интервале от 15 до 100°С с деформативны-ми характеристиками бетонов, которую необходимо учитывать для регионов с сухим и жарким климатом.

Получены многофакторные математические модели, позволяющие оптимизировать режимы тепловлажностной обработки бетонов на основе композиционных вяжущих.

Установлены зависимости средней плотности, прочности, стойкости в условиях сухого и жаркого климата от расхода композиционного вяжущего и водовяжущего отношения. Установлена зависимость морозостойкости от величины и характера пор с учетом их температурно-влажностных деформаций.

Установлены зависимости теплопроводности и стойкости в условиях сухого и жаркого климата газо- и пенобетонов на основе композиционных вяжущих от расхода вяжущего и средней плотности.

Практическая значимость. Разработана технология получения композиционных вяжущих на основе портландцемента, барханного песка и суперпластификатора с нормальной густотой 15-18% при оптимальной удельной поверхности 450-550 м2/кг с содержанием портландцемента от 30 до 70%.

Разработаны эффективные технологии изделий из тяжелых, легких на пористых заполнителях и безавтоклавных газо- и пенобетонов.

Разработаны составы тяжелых бетонов на композиционных вяжущих с прочностью 30-60 МПа, стойких в условиях сухого жаркого климата, а также с прочностью 10-15 МПа для малоэтажного строительства с морозостойкостью до 50 циклов.

Оптимизированы составы легких бетонов на термоаргиллитовом заполнителе осадкой конуса 1-8 см с воздухововлекающей добавкой СНВ, обеспечивающие получение бетонов марок М50 - М75 со средней плотностью от 880 до 1000 кг/м3, линейной усадкой 0,3 мм/м, коэффициентом трещиностойкости более 0.7.10"4 морозостойкостью до 150 циклов.

Разработаны составы термоаргиллитопенобетонов на основе композиционных вяжущих (КВ-50), обеспечивающие получение легких бетонов со средней плотностью до 900 кг/м3, марок М50 - М75.

Разработаны составы газо- и пенобетонных смесей на основе композиционных вяжущих (КВ-50 и КВ-75), обеспечивающих получение бетонов марок М50 - М75 со средней плотностью 800-900 кг/м3.

Внедрение результатов исследований. Результаты разработок и исследований использованы в «Методике проектирования состава тяжелого бетона на основе композиционных вяжущих для обеспечения их расчетных характеристик», в «Рекомендациях по изготовлению из термоаргиллитопенобетона ограждающих конструкций зданий» и в «Технологическом регламенте по изготовлению мелкоштучных изделий из газобетона на композиционном вяжущем и барханном песке на технологической линии производительностью 10 тыс.м3 в год».

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, были доложены и обсуждены

- на конференции МГСУ и РААСН «Критические технологии». Москва 1998 г.

- на Польско-Российском семинаре «Теоретические основы строительства».

Варшава 1998 г.

- на Всесоюзной научно-технической конференции «Бетон и железобетон». Владивосток 1988 г.

- на III Республиканской региональной научно-технической конференции. Ашхабад 1985 г.

- на Международной научной конференции «Урбанизация землетрясений». Ашхабад 1998 г.

- на Международной научно-методической конференции «Строительство и образование на рубеже XX и XXI веков». Ашхабад 1999 г.

- на Национальной конференции «Tacis» по проблемам окружающей среды и устойчивости развития Туркменистана. Ашхабад 1998 г.

Результаты разработок внедрены в производство трестом «Туркменмеркези-гурлушык» и Т.О.О. «Барханы», а также используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей в лекционных курсах, и при выполнении курсовых и дипломных проектов.

На защиту выносятся:

- теоретические положения повышения эффективности барханных песков в технологии бетона;

- зависимости основных свойств композиционных вяжущих от состава и технологических параметров их активизации;

- закономерности формирования структуры цементных систем на основе композиционных вяжущих;

- зависимости свойств бетонных смесей и бетонов различного вида и назначения от главных факторов;

- технология получения композиционных вяжущих и бетонов различного вида на их основе;

- результаты внедрения и технико-экономические показатели.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы и приложений; содержит 203 страниц машинописного текста, 74 таблицы, 59 рисунков и списка литературы, включающего 324наименований.

Глава 1. Опыт применения барханных песков в технологии бетона

Имеются целые регионы, в которых нет запасов крупных кондиционных песков, необходимых для производства бетона. В бывшем СССР это районы средней Азии, Казахстана, Балтии, Поволжья, Сибири.

Потребность в жилищном и промышленном строительстве вызывает необходимость ввоза в эти районы крупного песка и крупного заполнителя для производства бетона за сотни, а иногда и тысячи километров. Из-за этого обычный песок становится дорогостоящим дефицитным материалом. При этом затрачиваются большие людские, материальные и транспортные ресурсы, что приводит к удорожанию бетонных и железобетонных изделий.

В настоящее время накоплен значительный материал по происхождению, строению и свойствам барханных песков. Наиболее обстоятельно этот материал представлен в трудах Ю.Д.Чистова (1).

Площадь, занятая песками в Средней Азии и в Казахстане, достинает 1 млн.км2, из которых более 350000 км2 приходится на пустыню Кара-Кум.

По данным Федоровича Б.А.(2) пустынные пески Средней Азии достаточно разнообразны по своему происхождению.

Имеется достаточно большое колическтво песков морского отложения с примесями известняковых и кремнистых скелетов раковин различных молюсков и микроорганизмов. Эти пески встречаются на юго-западе Туркмении, прикаспийской низменности на месте древнейшего Саракамышского озера.

Большая часть песков Кара-Кум и Кызыл-Кум образовалась в результате отложения песчаных наносов в нижнем и среднем течении Аму-Дарьи, которая несла свои воды с гор Памира к Каспийскому морю с востока на запад. В верхнечетвертичный период Аму-Дарья изменила свое русло и повернула в сторону Аральского моря, толща этих песчаных отложений около 1 км. Воды Аму-Дарьи и сейчас несут в 1 м3 от 4 до 8 кг песка. Таким образом, большая часть "коренных" пустынных песков Кара-Кум элювиального происхождения. Кызылкумовские пески большей частью относятся к элювиальным, так как образовались в результате интенсивного выветривания и разрушения изверженных коренных горных пород. Разрушительное действие ветра, воды, мороза и солнца сформировали песчанные толщи, которые под действием господствующих ветров переместились частично на юг.

Как отмечает Б.А.Федорович (3), "...большинство подгорных песчаных пустынь Азии - это детище высокогорий. Таковы Кара-Кумы, являющиеся следствием разрушения высокогорного Памира. Таковы многие районы Кызыл-Кумов, вынесенные с Тянь-Шаня реками или пески Прибалхашья".

Следует отметить,что элювиальные и элювиальные пески в течение длительного времени постоянно подвергались климатическим и ветровым воздействиям. Перемещение песка ветром (перевевание) сопровождалось его сортировкой. Мелкие пылевидные частицы относились ветром на знэчительные рэсстояния, иногда до 800 км от местэ "коренных" песков. Вот почему грэнулометрический состав золовых песков в зависимости от интенсивности перевевания и ее длительности различен. Барханные пески, возникшие от перевевания древнеалювиальных песков, достаточно сильно отличаются от них по гранулометрии. "Коренные" пески однородны и более богзты

глинистыми и пылевидными частицами. В них до 80% песка и около 20% глин. Барханные же пески мелкозернистые и хорошо отсортированы. В них почти отсутствует фракция более 1 мм. Надо отметить, что размеры преобладающих частиц в барханных песках зависят не только от действия ветра, но и от минерального и гранулометрического состава той породы, которая подвергалась ветровой обработке (4).

Золовая обработка приводит к изменению состава и свойств песчаных зерен. Снизилось количество глинистых частиц в барханных песках до 1.5-2%, а иногда и ниже. Песок стал не только отсортированным, но ктому же зерна его приобрели окатанную или полуокатанную форму, поверхность частиц стала блестящей, а минеральный состав обогатился более стойкими минералами, в нем возросла доля тяжелых минералов (4).

Пески (5) золового происхождения в зависимости от климатических условий имеют разный химический состав: пески северных районов полупустынь, меньше содержат водорастворимых солей, так как здесь выпадает больше осадков и происходит вымывание легкорастворимых солей; иная картина наблюдается в южных районах, где осадков выпадает мало, где высокая температура и низкая относительная влажность воздуха. Происходит интенсивное испарение засоленных грунтовых вод и насыщение водорастворимыми солями.

В каракумских песках насчитывается более 40 минералов (6). Причем, около 30 минералов практически встречаются во всех среднеазиатских песках. Хорошо просматриваются зерна кварца, пластинки слюды, розоватые, кремовые и зеленоватые зерна полевого.шпата, черно-зеленые крупинки роговой обманки, зерна кальцита. Минеральный и химический состав пустынных песков изучали многие исследователи (6,7,8,9,10,4,5,2) и в настоящее время в литературе имеется достаточно большая информация о песках. Установлено, что некоторые природные минералы склонны к взаимодействию сгидроксидом кальция и продуктами гидратации портландцемента. К тому же минералы, составляющие барханные пески, характеризуются разной плотностью, твердостью, разной способностью к разрушению под действием климатический условий и механических воздействий.

Ниже приводятся данные (1) о минеральном составе песков и их отдельных фракций с помощью петрографического, рентгенографического и термографического анализов (Рис. 1.1-1.5).

Крупные зерна (более 0,25 мм) изучали с помощью бинокуляра МБС-9. Просматривался весь материал, затем производили подсчет количества зерен до 500 шт и рассчитывали количество присутствующих минералов, а также обломков пород в процентах от массы выхода фракции. Частицы песка менее 0,25 мм изучали под микроскопом ПОЛАМ Р-112 в иммерсионной жидкости с показателем преломления 1,54. Как и в первом случае, подсчитывали процентное содержание минералов в каждой фракции.

Кварц представлен в виде окатанных и полуокатанных зерен с расколами по плоскости спайности. Часть крупных зерен покрыты тонкой пленкой глинисто-железистого вещества. Почти все зерна имеют корродированную поверхность. На рентгенограммах присутствие кварца подтверждается комплексом интенсивных линий с с!/п=4,25; 3,24; 2,46; 2,28; 2,23; 2,12; 1,96 и 1,81 А. На термограммах песков имеется эндометрический эффект полиморфного превращения низкотемпературного бетакварца

Рис. 1.1 Рентгенограмма мелких песков

1 - Ашхабадского

2 - Чарджоусского

3 - Ташаузского

кв - кварц; ш - полевые шпаты; к - кальцит; г - гидрослюды; ка - каолинит.

"TJ s о

M

tj CD X H

CD

з:

О —1 -О со S 2 0)

со

DJ X

S CD H О 7ч

О

3 CD О

ш

N3

Ы

О ¡3

о

H ■О

е> »

* <Л s к. В ^

(О ф

о

0> ф

о

"2u7tut

14.184

4.259

-4.047

гэ 3.347

1.819

О 100 300 500 700 900 1000

Температура, °С

Рис. 1.3 Термограммы мелких песков

1 - Захметского месторождения

2 - Ашхабатского месторождения

3 - Ташаузского месторождения

Рис. 1.4 Рентгенограммы фракций менее 0,005 мм Захметского (1) и Репетекского (2) месторождений песков.

Рис. 1.5 Рентгенограммы фракций менее 0,005 мм Ашхабадского (1) и Ташаузского (2) песков.

в высокотемпературную альфа модификацию при 573°С.

Карбонаты представлены кальцитом, роговой обманкой, встречается доломит, перекристаллизованные пароды мраморовидных известняков и мраморов, обломки известняка. На рентгенограммах карбонатные пароды фиксируются интенсивными линиями, характерными для них (d/n=1,91; 2,01; 2,316; 2,89; 3,03; 3,86 А)°

На присутствие в песках карбонатов указывает интенсивный эндометрический эффект с максимумом при 870°С на термограммах.

Полевые шпаты представлены калиевыми и натриевыми плагеоклазами (KjO. AI О . 6Si02; Na20. Al203. 6Si02) изометрической и призматической формы, полуокатанными и угловатыми зернами с расколами по плоскостям спайности. Встречаются разновидности ортоклаза, микролина. Почти все зерна полевого шпата имеют поверхность с четко выраженными признаками выветривания. Линии полевых шпатов (dl п = 4,03; 3,67; 3,24; 3,18; 2,93 А) на рентгенограммах отличаются достаточно большой интенсивностью.

В мелких фракциях (менее 0,14 мм) встречаются свободные гидроксиды железа, пластинки каолинита и гидратированных слюд. На их присутсвие в песках указывают

О

слабые линии на рентгенограммах с d/n=2,56; 4,96; 10,0 А (слюды и гидрослюды) и с d/n=3,57; 3,62; 7,12 А (каолинит).

Фракции менее 0,005 мм исследовали на дифрактометре "Дрон-1,5". Съемка порошкообразных проб производилась на Fe - Ка -излучении с марганцевым фильтром при скорости увеличения счетчика 2 град./мин. в интервале углов 5...80° (20) в следующем режиме:

- сила тока 20 МА;

- фокусировка по Бреггу - Британо с вращением самого образца плоскости дифракции.

Колличественный