автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств мелкозернистого бетона комплексными гидрофобизирующими органоминеральными модификаторами

На I фаз а<уру ко п и с и

ГРИБОВА Валерия Сергеевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕЛКОЗЕРНСТОГО БЕТОНА КОМПЛЕКСНЫМИ ГИДРОФОБИЗИРУЮЩИМИОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ДЕН 2012

Москва 2012

005047488

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель

- доктор технических наук, доцент Ткач Евгения Владимировна

Официальные оппоненты

- Соловьёв Виталий Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», кафедра Строительства ядерных установок, профессор

- Башлыков Николай Фёдорович кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ООО «НПЦ-ПолиРелакс», технический директор

Ведущая организация

- ГУЛ «НИИМосстрой»

Защита состоится «24» декабря 2012 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, телестудия «Открытая сеть», ауд. № 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «¿//» ноября 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Алимов Лев Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Мелкозернистые бетоны широко применяются при производстве различных элементов конструкций, отделочных материалов и изделий, в том числе тротуарных и дорожных покрытий. Наряду с достоинствами мелкозернистые бетоны, имеют: повышенные пористость и водопоглощение, что снижает его прочность и морозостойкость.

Решение проблем повышения эффективности мелкозернистых бетонов может быть осуществлено путем введения в них комплексных гидрофобизи-рующих органоминеральных модификаторов, имеющих в своем составе тон-кодисперстный резиновый порошок - продукт переработки амортизированных шин, позволяющий повысить эксплуатационные характеристики мелко-пгтучных фигурных элементов мощения, в том числе тротуарной плитки.

Работа выполнена в соответствии с НИР МГСУ, программой «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса («У.М.Н.И.К.»)», Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (мероприятие 1.2.2.), Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (мероприятие 5.2).

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы явилась разработка эффективного мелкозернистого бетона, модифицированного комплексными гидрофобизи-рующими органоминеральными модификаторами для элементов мощения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследований:

- обосновать возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов с комплексными гидрофобизирующими органоминеральными модификаторами (ГДМ), на основе технических лигносульфонатов, кубовых остатков синтетических жирных кислот, солей неорганических кислот, известкового молока и вторичного сырья от переработки амортизированных автошин с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

разработать составы и технологию получения комплексных гидрофо-бизирующих органоминеральных модификаторов;

- исследовать структуру и свойства мелкозернистого бетона, модифицированного предлагаемыми комплексными гидрофобизирующими органоминеральными модификаторами;

- разработать нормативно-техническую документацию для внедрения в производство предлагаемых технических решений;

- провести опытно-производственные работы по внедрению разработанных составов комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов в производстве эффективного мелкозернистого бетона, изделий

на его основе с и оценить технико-экономическую эффективность принятых решений.

Научная новизна работы:

- обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования комплексных гидрофобизирующих органоми-неральных модификаторов (ГДМ), на основе технических лигносульфонатов, кубовых остатков синтетических жирных кислот, солей неорганических кислот, известкового молока и тонкодисперстного резинового порошка, которые наряду с обеспечением микрокристаллической структуры цементного камня, гидрофобизации межпоровьгх мембран, модифицируют гидратные образования, что определяет повышенную морозостойкость бетона.

- обосновано применение комплексного гидрофобизирующего органо-минерального модификатора ГДМ (в жидкой и твердой отпускной форме) в мелкозернистых бетонах, обеспечивающего сдерживание развития деструктивных процессов в структуре мелкозернистого бетона в условиях воздействия циклических нагрузок; (ударно-динамических, попеременного замораживания и оттаивания, водонасьпцения);

- установлены многофакторные зависимости прочности при сжатии и водопоглощении мелкозернистого бетона от соотношения вяжущего к заполнителю Ц:П; В/Ц и дозировки гидрофобизирующего органоминерального модификатора ГДМ;

- установлена зависимость активности взаимодействия компонентов модификатора (ГДМ) от длительности механохимической активации в присутствии известкового молока;

- установлены с помощью планирования эксперимента математические зависимости повышенных эксплуатационных свойств от состава мелкозернистой бетонной смеси;

- установлены зависимости водопотребности, водоотделения и рас-слаиваемости бетонной смеси от вида гидрофобизирующего органоминерального модификатора и его количества;

- рентгенофазовым, микроструктурным и химическим анализами установлено, что введение предлагаемого модификатора уплотняет и упрочняет структуру цементного камня за счет формирования низкоосновных гидросиликатов и аморфной составляющей;

- установлены зависимости стойкости модифицированного мелкозернистого бетона к ударно-динамическим нагрузкам от состава и структуры.

Практическая значимость работы: - разработаны составы комплексных гидрофобизирующих органомине-ральных модификаторов типа ГДМ, способных регулировать гидрофизические свойства мелкозернистого бетона. Разработана технология приготовления комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ в отпускной форме в виде эмульсии (ГДМ-С) и гранулированного порошка (ГДМ-Т);

- разработаны и оптимизированы составы мелкозернистого бетона с комплексным гидрофобизирующим органоминеральным модификатором типа ГДМ, способным повысить эксплуатационные характеристики мелкозернистого бетона в условиях воздействия циклических нагрузок (ударно-динамические, попеременное замораживание и оттаивание) для производства фигурных элементов мощения;

- разработаны технологии получения комплексных гидрофобизирую-щих органоминеральных модификаторов типа ГДМ, позволяющих повысить эксплуатационные свойства мелкозернистых бетонов.

Внедрение результатов исследований:

- разработаны технологический регламент на изготовление модифицированных органоминеральных модификаторов типа ГДМ и ТУ 5745-00179962927-2012 - «Мелкозернистый бетон, модифицированный органомине-ральной добавкой ГДМ».

- выпущена опытно - промышленная партия бетонных тротуарных плит из модифицированного комплексными гидрофобизирующими органо-минеральными модификаторами мелкозернистого бетона на фирме ООО «СК-Строй».

- экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 180,49 руб. на 1 м3 бетона.

Апробация работы!

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: международной научно практической конференции «Новости передовой науки -2012» (София, 2012г.); международной научно-практической конференции «Эффективные инструменты современных наук» (Прага, 27 апреля - 5 мая 2012г); международной научно-практической конференции «Европейская наука XXI века» (Польша, 07-15 мая 2012г); XV Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ 2012); международной научно-практической конференции «Наука и образование ведущий фактор стратегии» (Казахстан, КарГТУ, г. Караганда, 2011г); научных чтениях, посвящённых памяти Горчакова Г.И. и 75-летию с момента основания кафедры «Строительные материалы» МГСУ (Москва, МГСУ, 2009); V Международной конференции «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, ВолГАСУ, 2009 г.); научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов института строительства и архитектуры (Москва, МГСУ, 2006г.).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10-ти научных статьях, в том числе 3 в рецензированных изданиях, рекомендованных ВАК.

Научные положения, выносимые на защиту:

- оптимизация и технологии получения комплексных гидрофобизи-рующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ;

- зависимость физико-технических свойств цементных материалов от количества и вида предлагаемого комплексного органоминерального модификатора ГДМ;

- строительно-технические свойства отвердевшего модифицированного мелкозернистого бетона;

результаты опытно-промышленного внедрения и технико-экономическая оценка предлагаемых технических решений.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 123 наименование, и 3 приложения. Работа изложена на 153 страницах текста, иллюстрирована 31 рисунком, имеет 47 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одной из эффективных возможностей управления технологией и универсальными способами улучшения и придания новых нехарактерных свойств для бетонной смеси и бетонов является применение химических добавок.

В настоящее время номенклатура рекомендуемых добавок включает несколько сот наименований, среди которых особое место, занимают добавки, известные под названием суперпластификаторы и модификаторы, содержащие в своем составе гидрофобизирующие ингредиенты. Эти модификаторы не дефицитны, недорогие по стоимости и не вызывают интоксикации организма человека. Кроме того, гидрофобизирующие добавки положительно влияют на физико-технические свойства бетона и железобетона не только в ранние сроки, но и на весь период эксплуатации их в строительных объектах.

Однако использование в строительном комплексе мелкозернистых бетонов для изготовления изделий различного назначения, в том числе и для дорожного строительства, требует создания новых гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов, обеспечивающих улучшение их физико-технических и эксплуатационных свойств.

При этом в технической литературе не приводятся системные сведения о применении тонкодисперсного резинового порошка (ТДРП) при изготовлении модифицированного мелкозернистого бетона, в том числе в случае изготовления дорожных бетонных тротуарных плит.

Для достижения диссертационной цели и соответствующих задач была составлена рабочая гипотеза следующего содержания. Как известно, мелкоштучные изделия, в том числе фигурные элементы мощения (бетонная тротуарная плитка), изготавливают методом вибролитъя. Однако такие мелкозернистые бетонные смеси требуют повышенного расхода вяжущего и суще-

ственных энергозатрат для проведения тепловой обработки изделий. При этом используемая бетонная смесь не обеспечивает регулирования роста прочности во времени, величин водопоглощения и морозостойкости, что, в определенной мере, ограничивает применение такого мелкозернистого бетона в дорожном строительстве. Использование известных модификаторов, таких как С-3, ГПД, ОМД, КОМД-С и др. позволяет улучшить прочность, во-допоглощение и морозостойкость и т.п. Однако все это не обеспечивает повышенную сопротивляемость к циклическим нагрузкам мелкозернистого бетона, что является причиной развития деструктивных процессов, приводящих к разрушению дорожного покрытия.

В связи с этим необходимо модифицировать мелкозернистый бетон гидрофобизирующей органоминеральной добавкой, в составе которой, помимо известных ингредиентов - прямой эмульсии кубовых остатков синтетических жирных кислот в водном растворе технических лигносульфонатов, совмещенных с солями неорганических кислот необходимо их совместить с тонкодисперсным резиновым порошком (ТДРП) в присутствии известкового молока Са(ОН)2. Предлагаемые ингредиенты должны:

- ТДРП в гидрофобизированном мелкозернистом бетоне обеспечить сдерживание деструктивных процессов в структуре фигурных элементов мощения в условиях воздействия циклических нагрузок;

- Са(ОН)2 обеспечить получение качественной тонкодисперсной прямой эмульсии, которая в дальнейшем будет способствовать лучшему совмещению ТДРП с модификатором и его распределению объеме бетонной смеси.

Совместное применение вышеуказанных ингредиентов в виде совмещенного продукта - комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов должно обеспечить получение эффективного мелкозернистого бетона с требуемыми эксплуатационными свойствами, на основе которого, в частности, можно организовать производство тротуарной плитки.

Исследования проводились на следующих материалах. В качестве вяжущего использовали портландцементы заводов ЗАО «Осколцемент» и ЗАО «Ульяновскцемент». Химический и минералогический составы цементов приведены в таблицах 1 и 2. Испытания цементов производили по ГОСТ 310.1-76, ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы испытаний».

Таблица 1 - Химический состав портландцементов

Завод - изготовитель Марка цемента Условная маркировка Химический состав, мае. %

БЮг АЬ203 Ре20 СаО 803

ЗАО «Осколцемент» 500-ДО-Н 1 21,41 5,67 5,12 65,97 0,48 0,27

ЗАО «Ульяновск-цемент» ЦЕМ1 42,5Н 2 21,11 5,58 4,33 65,4 0,95 0,9

Таблица 2 - Минеральный состав портландцементных клинкеров

Условная маркировка цемента Содержание минералов в клинкере,%

С3Э С3А С4АР

1 59,7 16,3 6,4 15,5

2 57,9 16,8 7,5 13,2

Результаты испытаний цементов приведены в таблице 3 (по ГОСТ 310.1... ГОСТ 310.4.84 - «Цементы. Методы испытаний»). Данные цементы, как видно из результатов испытаний, представленных в таблице 3, соответствуют требованиям ГОСТа 10178-85 «Портландцемент, шлакопортландце-мент. Технические условия».

Таблица 3 - Результаты испытаний цементов

Условная маркировка цемента Насыпная плотность, кг/м3 Удельная поверхность, см^г Остаток на сите 008, % Нормальная густота, % Предел прочности в возрасте 28 сут., МПа

сжатие изгиб

1 1300 3200 95,1 26,5 50,0 7,4

2 1320 3150 95,5 26 47,2 7,5

В качестве мелкого заполнителя применяли природные пески карьеров, расположенных в Волоколамском районе Московской области и п. Хромцово Ивановской области. Свойства песка определяли методами ГОСТа 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний». Результаты испытаний мелкого заполнителя разных карьеров приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты испытаний песков

Месторождение песка Характеристика песка

Модуль крупности Насыпная плотность кг/м3 Истиннная плотность, кг/м3 Пустот- ность, % Загрязненность, %

ОАО «Хромцовский карьер» 2,5 1600 2600 38,46 1,8

ООО «Сычевский ПТК» 2,5 1550 2620 40,84 2

Результаты испытаний показали, что пески по содержанию глинистых, пылевидных и органических примесей, гранулометрическому составу соответствуют стандартным требованиям (ГОСТ 8376-93, ГОСТ 8267-93).

Для затворения бетонной смеси использовалась вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТа 23732. Вода не должна содержать сульфатов более 2700 мг/л (в пересчете на 804) и всех солей более 5000 мг/л.

Для приготовления комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов в качестве ингредиентов применяли различные органические и неорганические соединения. Выбор ингредиентов осуществлялся на основе изучения опыта работы передовых предприятий

стран ближнего и дальнего зарубежья с учетом требований к добавкам-модификаторам действующих нормативных документов, в частности ГОСТа 24211-2003 "Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические требования".

В качестве гидрофобизирующего ингредиента применяли кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК), удовлетворяющие требованиям ГОСТа 23239-89. В качестве пластифицирующего ингредиента применяли технические лигносульфонаты (ЛСТ), которые соответствовали (ТУ 2455-028-00279580-2004). Для ускорения твердения цемента в состав модификатора включен тиосульфат натрия (ТСН) - №282Оз (ГОСТ 244-76 "Натрий тиосульфат кристаллический. Технические условия"). В качестве трегера использована зола-уноса ТЭС от сжигания углей, соответствующая требованиям ГОСТ 25818-91. Для повышения стойкости к трещинообразованию и улучшения деформативных характеристик цементного камня использовался тонкодисперсный резиновый порошок с размерами частиц менее 0,5 мм, который получали из отработанных резиновых шин в дезинтеграторе. Известковое молоко, непрозрачная белая суспензия гидроксида кальция в воде, было применено для улучшения глобулярного состава получаемой эмульсии.

Основные свойства бетона, такие как прочность при сжатии и растяжении, призменная прочность, деформационные свойства, морозостойкость, водопроницаемость, определены в соответствии с действующими стандартами ГОСТ 24452-80(2005) "Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона", ГОСТ 24544-81 "Бетоны. Методы определения деформации усадки и ползучести", ГОСТ 10060.1-95 "Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости". ГОСТ 12730.5-84 "Бетоны. Методы определения водонепроницаемости". Для изучения вещественного состава сырьевых материалов, фазовых и структурных превращений был применен комплекс методов физико-химического анализа, который включал микроскопический, рентгенофазовый анализ, электронную микроскопию. Структурную пористость цементного камня и растворной части бетона исследовали методами ртутной порометрии, световой микроскопии и дилатометрии.

Составы гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ, рекомендованных для получения исследуемых мелкозернистых бетонов, определились следующим образом, в % от массы вяжущего:

ГДМ-С - 0,15% ЛСТ + 0,15% КОСЖК + 2,7% ТСН + 7% ТДРП + 0,01% Известковое молоко;

ГДМ-Т - 0,15%ЛСТ + 0,15% КОСЖК + 2,7% ТСН + 5% ТДРП + 8% Зола - унос + 0,01% Известковое молоко.

Нами были выполнены рекогносцировочные опыты по установлению влияния компонентов модификатора на основные физико-технические свойства мелкозернистого бетона и проведены экспериментальные проверки полученных результатов путем применения статистических методов. Полученные результаты позволили определить рекомендуемые дозировки предлагаемых гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ.

При оптимзации мелкозернистой бетонной смеси с гвдрофобизирующим органоминеральным модификатором ГДМ-С (в виде прямой эмульсии) в качестве переменных были выбраны следующие входные факторы: Х1 - дозировка модификатора ГДМ-С, % от массы цемента; Х2 - водоцементное отношение (В/Ц); Х3 - соотношение вяжущее : песок.

Анологичным образом решалась задача по оптимизации мелкозернистого бетона с модификаторм ГДМ-Т. Полученные уравнения переменных имели вид:

Уравнение Ух — прочности бетона на сжатие в возрасте 28 суток для состава мелкозернистого бетона с ГДМ-С:

У, = -791,1757 + 33,9325-Х, + 1771,4521-Х2 + 220,7773-Х3 - 1,7444-Х,2 -2277,5030-Х22-36,1110-Х32

для состава мелкозернистого бетона с ГДМ-Т:

У, = - 1042,9887 + 52,3673-Х! + 1862,4399-Х2 + 206,3611 -Х3 - 1,6667-Х,2 -2333,6057-Хг2 - 33,7500-Х32

Уравнение У2 - водопоглощение образцов из мелкозернистого бетона: для состава мелкозернистого бетона с ГДМ-С:

У2 = 336,4877- 1,3444-Х, - 1303,3315-Х2- 47,6940-Х3 + 0,0667-Х,2 + 1666,6643-Х22 + 7,9166-Х32

для состава мелкозернистого бетона с ГДМ-Т:

У2 = 357,9554 - 0,8735-Х, - 1425,6836-Х2 - 41,5554-Х3 + 0,0278-Х,2 + 1777,9380-Х22 + 6,9444-Х3г

Достоверность результатов бьша проверена по критериям Стыодепта и Фишера. Ошибка аппроксимации для всех уравнений находилась в интервале 3...5 %. Оптимальный состав мелкозернистой бетонной смеси при В/Ц=0.39 с соотношением Ц:П=1:3 и дозировкой гндрофобизирующего органомине-рального модификатора 10% ГДМ-С (от массы вяжущего) полученный мелкозернистый бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток У, = 55,4958 МПа и водопоглощение У2 =3,0781%.

Оптимальный состав модифицированной мелкозернистой бетонной смеси для получения бетона с заданными физико-техническими свойствами: при В/Ц=0.4 с соотношением Ц:П=1:3 и дозировкой гндрофобизирующего органоминерального модификатора 16 % ГДМ-Т (от массы вяжущего) полученный модифицированный мелкозернистый бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток У, = 55,1531 МПа и водопоглощение У2 = 3,1209 %.

На основе анализа научно-практического опыта, описанного в вышеуказанных работах, нами была разработана принципиальная технологическая

схема приготовления жидких модификаторов ГДМ-С в виде прямой эмульсии КОСЖК в одном растворе ЛСТ. По глобулярному составу полученная прямая эмульсия относится к тонкодисперсным со средним диаметром глобул в пределах 10-20 нм.

Далее также нами была разработана технологическая схема приготовления гранулированного гидрофобизирующего органоминерального модификатора ГДМ-Т.

Полученные комплексные гидрофобизирующие органоминеральные модификаторы типа ГДМ в жидкой и твердой отпускной форме исследовали их влияние на свойства цементных паст, бетонных смесей и отвердевшего бетона.

Нами было исследовано влияние гидрофобизированных органомине-ральных модификаторов на подвижность бетонной смеси. Из рисунка 1 видно, что предлагаемые модификаторы ГДМ-С и ГДМ-Т повышают удобоук-ладываемость бетонной смеси на 11% соответственно, чем С-3 (состав 2). Результаты исследований качестаа бетонной смеси по удобоукладываемости позволяют сделать вывод, что модификатор ГДМ-С и ГДМ-Т не только сопоставим с известным суперпластификатором С-3, но и превышают его в

| гдм-с, гдм-т

0_4_н_П_16

I I I I I с-3

о 0,2 0,3 0,4 0,5

Содержание добавки, %

1 состав - 0,3% ГПД плюс 3% ТСН; 2 состав - 0,4 % С-3; 3 состав - 10% ГДМ-С; 4 состав - 16% ГДМ-Т;

Рисунок 1 - Влияние модификаторов на подвижность бетонной смеси

Высокое качество бетонных смесей с модификатором ГДМ-С и ГДМ-Т подтверждается опытами по определению влияния расхода воды на водопо-требность, водоотделение и расслаиваемость, определяющих их удобоукла-дываемость (таблицы 5, 6, 7). Гидрофобизирующие комплексные органоминеральные модификаторы типа ГДМ улучшают вязкопластические свойства,

тесто нормальной густоты получается при сниженном расходе воды затворе-ния на 17-20%. При этом обеспечивается рабочая стабильность свойств бетонной смеси по однородности при воздействии внешних механических усилий, в частности во время их транспортирования и формования. Это стало возможным благодаря включению в состав дисперсии известкого молока, позволяющего получить высокое стабильное качество глобулярного состава прямой эмульсии.

Таблица 5 - Влияние гидрофобизирующих комплексных модификаторов на водо-потребность и плотность бетонной смеси___

Добавка, % от массы це- Водопотребностъ, Снижение водо- Средняя плотность,

мента л/м3 потребности, % кг/м3

Без добавки 249 0 2300

0,4% С-3 плюс 4% ТСН 202 19 2334

0,3% ГПД плюс 3% ТСН 210 17 2338

10% ГДМ-С 192 22 2395

16% ГДМ-Т 193 21 2400

Предлагаемые модификаторы ГДМ-С и ГДМ-Т, как показали исследования, позволяют получать бетонные смеси требуемого качества в широком диапазоне подвижности: расплыв конуса до 20см, что сопоставимо по разжижающему эффекту с известным суперпластификатором С-3.

Таблица 6 - Водоотделение бетонных смесей

Добавка, % от массы цемента В/Ц Водоотделение бетонной смеси, %

Без добавки 0,48 0,9

0,4% С-3 плюс 4% ТСН 0,41 0,6

0,3% ГПД плюс 3% ТСН 0,42 0,4

10% ГДМ-С 0,39 0,2

16% ГДМ-Т 0,40 0,3

Все образцы изготовлены с одинаковой подвижностью 110мм.

Таблица 7 - Расслаиваемость бетонных смесей (ГОСТ 10181.5-81)

Добавка, % от массы цемента Содержание растворной составляющей, % Показатель рас-твороотделения Пр, %

в верхней части в нижней части

Без добавки 51,09 47,40 3,74

0,4% С-3 плюс 4% ТСН 50,18 48,00 2,18

0,3% ГПД плюс 3% ТСН 50,16 48,10 2,12

10% ГДМ-С 50,24 47,70 1,44

16% ГДМ-Т 50,22 47,60 1,50

Нами исследован характер пористости в цементном камне с предлагаемыми модификаторами. Результаты исследований пористости цементного камня приведены в таблице 8 и рисунке 2.

Таблица 8 - Микропористость цементного камня, %

Модификатор, Общая Гелевая, Капиллярная 50Ä<d<20 мкм

% от массы цемента 10Ä<d<50Ä субмикропоры 50Ä<d<0,lMKM микропоры 0,1мкм<с1<20 мкм

Без модификатора 32,15 9,98 13,05 1,7

0,4% С-3 плюс 4% ТСН 35,81 13,05 15,88 1,32

0,3% ЩД плюс 3% ТСН 34,95 10,60 14,95 1,59

10% ГДМ-С 36,85 14,08 17,48 1,28

16%ГДМ-Т 36,83 14,03 17,54 1,29

Установлено, что в цементном камне с модификатором ГДМ-С улучшается качество распределения пор в сторону увеличения количества мелких пор ~ 70% в сравнении с цементным камнем без модификатора и на 30% - с модификатором С-3. Специфика данного процесса обусловлена не только известными причинами: снижением поверхностной энергии воды и образованием аморфизированных продуктов гидратации под действием ПАВ (ЛСТ и КОСЖК), но и вследствие специфического действия ТДРП на процессы гидратации и структурообразования.

а) - без добавки б) - 10 % ГДМ-С

Рисунок 2 — Микроструктура цементного камня

Результаты рентгенофазового анализа цементного камня, представленного в таблице 9 и рисунке 3, показывают, что предлагаемый модификатор способствует: повышению количества кристаллической гидратной фазы CSH(I (]Г./ возрастает от 7,4 до 8,9 o.e.); снижению количества гелеобраз-ньгх гидратных аморфных составляющих (14 А снижается от 20,1 до 11,8 o.e.).

Таблица 9 - Рентгенофазовый анализ цементного камня с различными модификаторами__

Модификатор, % от массы цемента Интенсивность рентгеновского рассеяния (о.е.)

Гидратные фазы Клинкерные минералы

Аморфные Кристаллические

ЫМА Ы9А XI Са(ОН)2 И сш

Без модификато-ров (контрольный) 20,1 0,52 0,86 7,4 4,3

4. 0,4 % С-3 плюс 4 % ТСН 13,6 - 0,42 7,6 5,4

0,3% ПТД шло с 3 % ТСН 14,4 - 0,33 8,1 6,4

10% ГДМ-С 11,8 - 0,26 8,9 6,9

Установлено, что модификатор ГДМ-С благоприятно действует на улучшение дифференциальной пористости цементного камня, приводит к образованию системы резервных условно-замкнутых пор сферической формы диаметром от 10 до 100 мкм, которые, прерывая капиллярные поры, способствуют высокой плотности цементного камня. Введение в состав цементного камня модификатора ГДМ-С приводит к снижению капиллярной (диаметр пор от 5-Ю"3 до 10 мкм) и увеличению гелевой (диаметр от 1-Ю"3 до 5-10"3 мкм) пористости, что приводит к понижению температуры замерзания жидкости в поровом пространстве и предопределяет высокую морозостойкость материала.

.А: |..3. г

1Ь -а ¿2 М Л Л Г -Л 26 Ю <0 <2

Н«ч уть» • ЗЛО. К» мо» - ТОЛ Ш» - сдао. лаглм - ' О. Сарос» « 16.

Г г $

| 1 I

1 I

11 § <ч 1 §

1 1 1 С. IIЁ |Г1 ДДи И .......|......... 1

:

у » 4 а и л и

Рисунок 3 Рентгенограмма цементного камня: 1 без модификатора; 2-е модификатором ГДМ-С

Результаты исследований показывают; что прочность бетона с модификатором ГДМ-С выше 1,7-1,8 раза в сравнении с прочностью бетона без добавок и ~ 50% выше - с модификатором С-3 плюс ТСН.

Таблица 10 - Усталостная прочность бетона

Модификатор, % от массы цемента Прочность бетона, МПа "уст.0.

1*28 Кд28

Без добавок 46,3 41,0 0,13

0,4 % С-Зплюс4% ТСН 50,5 46,3 0,09

0,3 % ГПДплюсЗ% (ТСН) 53,2 49,2 0,08

10% ГДМ-С 52,4 50,0 0,05

16% ГДМ-Т 52,6 50,1 0,05

Примечание. Куст.„- коэффициент усталостной прочности, определяемый по формуле: Куст» ~ „ > гДе 1^26 - предел прочности бетона на сжатие в возрасте 28 суток; Яд "да

28 - то же, после испытания на пульсирующем прессе.

Установлено, что мелкозернистый бетон с модификатором ГДМ-С имеет высокий потенциал сохранения своих физико-технических свойств в условиях воздействия ударно-динамических нагрузок. Исследования проводились на пульсирующем прессе при нагружении в один миллион колебаний. Результаты представлены в таблице 10.

Из таблицы 10 видно, что коэффициент усталости у бетона с модификатором ГДМ-С и ГДМ-Т составляет всего Куст.п.= 0,05, тогда как у бетона без добавок К¥СТ П = 0,13, модифицированный мелкозернистый бетон имеет стойкость к воздействию ударно-динамических нагрузок в 2,6 раза выше в сравнении с бетоном без модификатора.

1 - без модификатора; с модификаторами: 2 - 0,4% С-3 плюс 4%; 3 - 0,3% ГПД плюс 3% ТСН; ТСН; 4 - 10% ГДМ-С; 5 - 16% ГДМ-Т. Рисунок 4- Водонепроницаемость бетона

Результаты испытаний показывают, что бетоны с модификатором ГДМ-С имеют улучшенные гидрофизические свойства, а именно:

- водопоглощение и капиллярный подсос бетона с ГДМ-С имеют минимальные значения в сравнении с бетоном без модификатора и с ГПД плюс ТСН (ниже соответственно в 3,5 и 2 раза);

- водонепроницаемость бетона с ГДМ-С повышается почти на 6 ступеней (марок) в сравнении с бетоном без модификатора (и на 2-4 ступени с модификаторами ГПД плюс ТСН и С-3 плюс ТСН) (рисунок 4).

Улучшение гидрофизических свойств бетона с модификатором ГДМ-С можно объяснить:

- высокой плотностью структуры цементного камня и бетона в целом. Достигается высокая плотность модифицированием продуктов гидратации;

- отсутствием макропор в результате их дробления под действием ПАВ. Большая часть пор формируется в структуре цементного камня как гелевые;

- наличием гидрофобизированных «вкрапленников», сдерживающих фильтрацию воды в теле бетона;

- высокой прочностью межпоровых мембран (стенок), обеспечивающих работоспособность материала при воздействии высоких давлений воды.

Установлено, что образцы бетона с ГДМ-С даже после 400 циклов попеременного замораживания и оттаивания не начали разрушаться. Вследствие известных процессов самозалечивания коэффициент морозостойкости бетона после 400 циклов Кмрз=1,00. Данный результат свидетельствует о более высокой эффективности ГДМ-С в сравнении с модификаторами ГПД плюс ТСН и С-3 плюс ТСН (Кмрз соответственно 0,98 и 0,89). Можно считать, что в бетоне с модификаторами ГПД плюс ТСН и С-3 плюс ТСН процессы расшатывания структуры вследствие морозного пучения начинаются после 400 циклов.

Гидрофобизирующий модификатор ГДМ-С, наряду с обеспечением мелкокристаллической структуры цементного камня и гидрофобизацией межпоровых мембран модифицирует гидратные образования в процессе "самозалечивания" и снижает действие корразии, что и определяет повышенную морозостойкость бетона.

Предлагаемые модификаторы в 2-3 раза и более повышают коррозионную стойкость бетона, улучшают защитные свойства против действия агрессивных сред на стойкость арматурной стали и износостойкость тяжелого бетона. Обобщенно можно констатировать, что предлагаемый модификатор ГДМ-С по совокупности функциональных проявлений может быть отнесен к гидрофобизирующим модификаторам пролонгированного действия - к высокоэффективным модификаторам нового поколения.

Применение модификаторов типа ГДМ позволило в производственных условиях получать мелкозернистый бетон с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Изготавливаемые изделия должны соответствовать ГОСТу 17608-91 «Плиты бетонные тротуарные». В работу были включены заводские составы бетона (вяжущее : песок в соотношении 1:3) и составы с предлагаемым

модификатором типа ГДМ. Основные физико-механические свойства полученного гидрофобизированного мелкозернистого бетона приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Свойства гидрофобизированного мелкозернистого бетона

Модификатор, % от массы цемента В/Ц Прочность бетона на сжатие, МПа Водопогло-щение, % (по массе) Морозостойкость, циклы Истираемость, г/см2

После тво 28 сут

Без добавки 0,48 32 46 5 200 0,35

10% ГДМ-С 0,39 39 57 2,5 300 0,14

16% ГДМ-Т 0,40 38 55 2,8 300 0,15

Были проведены работы по сокращению продолжительности тепловой обработки. Полученные результаты позволили считать огггамальный режим тепловой обработки модифицированного бетона 1,5+2+3+1,5 ч при изотермическом прогреве 80 °С, т.е. в производственных условиях можно снизить энергозатраты на тепловую обработку бетона почти в 1,5 раза. Анализ результатов таблицы 11 показывает, что качество полученных изделий высокое. Прочность мелкозернистого и бетона с предлагаемыми комплексными органоминеральными модификаторами ГДМ-С и ГДМ-Т увеличивается в сравнении с контрольным на 16-19 %, соответственно. Существенно улучшаются и другие характеристики гидрофобизированного бетона: водопо-глощение снижается в 1,7-2 раза, на истираемость в 2,5 раза.

Результаты выполненных работ по внедрению предлагаемых технических решений и полученные при этом данные показали состоятельность и техническую эффективность предлагаемого комплексного гвдрофобизирую-щего органоминерального модификатора типа ГДМ.

Выполненные расчеты доказали, что экономический эффект от применения предлагаемого органоминерального модификатора марки ГДМ составляет 180,49 руб на 1 м3 тяжелого мелкозернистого бетона (в ценах 2012 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования комплексных гидрофобизирующих органомине-ральных модификаторов типа ГДМ, на основе технических лигносульфона-тов, кубовых остатков синтетических жирных кислот, солей неорганических кислот, известкового молока и тонкодисперстного резинового порошка, которые наряду с обеспечением микрокристаллической структуры цементного камня, гидрофобизации межпоровых мембран, модифицируют гидратные образования в процессе «самозалечивания», что определяет повышенную морозостойкость бетона.

2. Разработан состав комплексного гидрофобизирующего органоминерального модификатора типа ГДМ с учетом проявления всех функций ингредиентов модификатора как на стадии его приготовления в виде прямой дисперсии

или в виде гранулированного порошка, так и при комплексном действии в цементных пастах и бетоне.

3. Предложена технология получения гранулированных модификаторов типа ГДМ. Полученный гранулированный модификатор марки ГДМ-Т однороден по гранулометрии зерен, хорошо распускается в воде и поддается быстрой активации в диспергаторе типа РПА перед применением в бетоне.

4. Методом математического планирования эксперимента определен оптимальный состав модифицированной мелкозернистой бетонной смеси для получения бетона с заданными физико-техническими свойствами: при В/Ц=0.4 с соотношением Ц:П=1:3 и дозировкой гидрофобизирующего органомине-рального модификатора 16% ГДМ-Т (от массы вяжущего). Полученный модифицированный мелкозернистый бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток У1 = 55,1531 МПа и водопоглощение У2 = 3,1209%.

Установлен оптимальный состав мелкозернистой бетонной смеси при В/Ц=0,39 с соотношением Ц:П=1:3 и дозировкой гидрофобизирующего орга-номинерального модификатора 10 % ГДМ-С (от массы вяжущего) полученный мелкозернистый бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток Ух = 55,4958 МПа и водопоглощение У2 =3,0781%. Достоверность результатов была проверена по критериям Стьюдента и Фишера.

5. Установлено, что введение гидрофобизирующего органоминерального модификатора ГДМ в цементное тесто в оптимальном количестве улучшает его вязкопластические свойства: тесто нормальной густоты получается при уменьшенном расходе воды затворения на 17-20%. Данный результат стал возможным благодаря включению в состав дисперсии известкового молока, что позволило улучшить качество глобулярного состава прямой эмульсии.

6. Установлено, что применение модификатора ГДМ позволяет получать удобоукладываемые бетонные смеси в широком диапазоне подвижности (расплыв конуса до 20 см), препятствует их расслаиванию (расслаиваемость на 40% ниже, чем бетонной смеси без модификатора) и водоотделению (снижение водоотделения 1,7-1,8 раза)

7. Установлено, что предлагаемый модификатор ГДМ позволяет получать микроструктуру цементного камня нового качества путем существенного увеличения доли мелких и гелевых (до 70%) пор.

8. Установлено, что прочность бетона с модификатором типа ГДМ на 3540% выше, чем бетона без добавки и на 15-17% выше, чем бетона с известным модификатором С-3 плюс ТСН.

Показано, что деформативно-прочностные свойства бетона с модификатором ГДМ, его сопротивляемость ударно-динамическим воздействиям (в 2,1-2,4 раза) в сравнении со свойствами бетона без добавок, снижены водопоглощение и капиллярный подсос в (2-2,5 раза), повышены существенно морозостойкость, коррозионная стойкость и износостойкость.

9. Результаты внедрения на предприятии показали состоятельность выполненных исследований. Предлагаемые технические решения, связанные с применением в технологии мелкозернистого бетона, разработанных модификаторов типа ГДМ, позволяют получить высокоэффективный бетон.

10. Расчетный экономический эффект от внедрения новой технологии получения цементных материалов с использованием органоминерального модификатора Г ДМ составляет 180,49 руб. на 1 м3 бетона (по ценам 2012 года).

Список публикаций по результатам исследований в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ткач Е.В. Высококачественные химические модификаторы для получения бетонов заданных свойств / Е.В. Ткач, М.А. Рахимов, Г.М. Рахимова, B.C. Грибова // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. - 2012. - №3 - С 126-130.

2. Ткач Е.В. Технологические аспекты получения высококачественных модифицированных бетонов заданных свойств/ Е.В. Ткач, Д.В. Орешкин, B.C. Семенов, B.C. Грибова // Научно-технический производственный журнал «Промышленное и гражданское строительство». - 2012. - №2. - С. 65-68

3. Ткач Е.В. Реологические свойства цементных паст и растворов на основе модифицированного коллоидного цементного клея / Е.В. Ткач, B.C. Грибова // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. - 2011. - №1 т 2 - С 317321.

А также в других изданиях:

1. Ткач Е.В. Эффективный способ приготовления гидрофобизируюгцего органоминерального модификатора ГДМ / Е.В. Ткач, B.C. Грибова // VIH международная научно практическая конференция «Новината за напреднали наука - 2012»: сборник - София, 2012. т. 23 - С. 83-85.

2. Рахимов М.А. Способы получения гидрофобизирующих комплексных органоминеральных модификаторов / М.А. Рахимов, Г.М. Рахимова, Р.Ф.Серова, М.О. Иманов, Е.В. Ткач, B.C. Грибова / VIII международная научно-практическая конференция «Эффективные инструменты современных наук»: сборник. - Прага, 2012. т. 31 - С. 17-19.

3. Рахимов М.А. Влияние гидрофобизирующих органоминеральных комплексных модификаторов на свойства мелкозернистых бетонных смесей/ М.А. Рахимов, Г.М. Рахимова, Р.Ф.Серова, М.О. Иманов, Е.В. Ткач , B.C. Грибова / VIII международная научно-практическая конференция «Европейская наука XXI века»: сборник. - Пшемысль, 2012. т. 21 - С. 94-97.

4. Ткач Е.В. Получение высокоэффективных модифицированных бетонов заданных физико-технических свойств / Е.В. Ткач, B.C. Грибова, М.А. Рахимов// Труды Междунар. научно-пракг. конф. «Наука и образование - ведущий фактор стратегии Казахстан-2030». - Караганда, 2011. - С.92 - 95.

5. Беляев К.В. Применение пшерпластификаторов в сверхлёгких тампо-нажных материалах / К.В. Беляев, Ю.В. Макаренкова, B.C. Грибова // V международная научно-техническая конференция «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов»: Сборник материалов. - Волгоград, 2009. - С. 53 - 57.

6. Беляев КВ. Применение торкрет-бетона в строительстве / К.В. Беляев, B.C. Грибова // Современные строительные материалы: Сборник трудов научных чтений, посвященных памяти Горчакова Григория Ивановича и 75-летию с момента основания Кафедры «строительные материалы». МГСУ (1 октября 2009г.) - М.: МГСУ, 2009. - С. 288 - 292

7. Орешкин Д.В. Сверхлегкие цементные тампонажные материалы с полыми стеклянными микросферами / Д.В. Орешкин, B.C. Семенов, A.B. Савельев, B.C. Грибова // Сборник материалов научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов института строительства и архитектуры. - М.: МГСУ, 2006. - С. 53-54.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54,8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru