автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение непроницаемости фибробетонов на композиционном вяжущем

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ НЕПРОНИЦАЕМОСТИ ФИБРОБЕГОНОВ НА КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ОКТ 2015

Улан-Удэ-2015

005563894

005563894

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Белгородский государственный технологический университет им.

В.Г.Шухова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лесовик Валерий Станиславович

Официальные оппоненты: Чулкова Ирина Львовна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, заведующий кафедрой строительных материалов и специальных технологий

Лукутцова Наталья Петровна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Брянский государственный инженерно-технологический университет»,

заведующий кафедрой производства

строительных конструкций

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный

университет им. Н.Г. Огарева»

Защита состоится « 18 » декабря 2015 г. в 11— на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 в Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, Республика Бурятия, г.Улан-Удэ, ул.Ключевская, 42 б, стр. 4, ауд.8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и на сайте

http://iob.esstu.ru/uportal/dissertation/dissertationCornmentarv.htrn?dissertationId=

468

Автореферат разослан «16» октября 2015 г.

Ученый секретарь Дамдинова Дарима Ракшаевна

диссертационного

совета

Актуальность. Важнейшей задачей современности являются снижение энергоемкости получения эффективных строительных композитов, улучшение экологической обстановки, оптимизация системы «человек-материал-среда обитания». Эти проблемы характерны и для Дальневосточного региона Российской Федерации, приоритетное развитие которого является важнейшей государственной задачей.

Промышленность строительных материалов широко использует в виде конструкционного материала бетон на цементном вяжущем и природных заполнителях, а в качестве теплоизоляции - пенополистирол. В тоже время в Дальневосточном регионе в результате деятельности предприятий горнодобывающей промышленности и топливно-энергетического комплекса образуются крупнотоннажные отходы золы и отсевов дробления на щебень горных пород различного состава.

Представляется необходимым оптимизация процессов структурообразования бетонных смесей за счет использования промышленных отходов, что позволит повысить прочностные характеристики и значительно снизить проницаемость композитов при защите теплоизоляционного слоя из пенополистирола. Это будет способствовать снижению негативного воздействия от вредных выделений пенополистирола при эксплуатации ограждающих конструкций, особенно в экстремальных условиях, а также улучшения экологической обстановки в регионе за счет использования промышленных отходов.

Диссертационная работа выполнена по заданию Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану научно-исследовательских работ МД-2906.2007.8 «Методические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом типоморфизма сырья», в соответствии с проектом «Разработка и оптимизация энерго-, ресурсосберегающих технологий производства и применения эффективных строительных материалов, изделий и конструкций», в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г., внутривузовского гранта «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012-2014 г.г., Программа стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г.г.

Степень разработанности. Проблеме повышения плотности и прочности бетонов посвящено большое количество работ как российских, так и зарубежных ученых. Известно, что одним из способов повышения эксплуатационных характеристик бетонов, снижения параметров проницаемости является использование высокоактивных добавок различного состава и генезиса, как микро-, так и нанодисперсного уровня, которые способствуют оптимизации процессов структурообразования

за счет инициирования формирования гидратных соединений. Так в работах, выполненных ранее, была доказана эффективность использования в качестве активной минеральной добавки наноструктурированного модификатора кремнеземсодержащего состава. Кроме того, изучены возможности снижения параметров проницаемости бетона за счет механического измельчения компонентов композиционного вяжущего (КВ). Однако защитные свойства (в совместной работе с пенополистиролом) и эффективность применения высокоплотных непроницаемых бетонов, полученных на основе композиционного вяжущего, не рассматривались.

Цель работы. Повышение непроницаемости и прочностных характеристик фибробетона за счет использования композиционных вяжущих на сырьевых ресурсах Дальнего Востока, полученных путем совместного помола цемента, гиперпластификатора, золы уноса ТЭЦ и отсева дробления известняка.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучение минерального и гранулометрического состава и физико-механических характеристик компонентов вяжущих и заполнителей для бетона;

- исследование характера влияния минеральных и органических добавок на свойства композиционных вяжущих;

- изучение зависимости свойств фибробетонов от характеристик композиционного вяжущего с учетом особенностей формирования структуры для повышения непроницаемости и прочностных характеристик;

исследование характеристик водопоглощения, газо-, водо-и паропроницаемости разработанных бетонов;

- опытно-промышленная апробация предложенных составов.

Научная новизна работы. Установлен характер влияния цементно-

зольно-известнякового композиционного вяжущего, полученного совместным помолом с гиперпластификатором в варио-планетарной мельнице, на процесс структурообразования. Тонкомолотые активные минеральные добавки выступают центрами кристаллизации новообразований; частички золы способствуют связыванию Са(ОН);, выделяющемуся при твердении алита интенсифицируя процесс гидратации клинкерных минералов; наличие зерен тонкомолотого известняка приводит к образованию гидрокарбоалюминатов кальция. При этом оптимизация структуры цементного камня способствует снижению усадочных деформаций, пористости и газо-водонепроницаемости системы.

Установлена возможность повышения непроницаемости бетона за счёт варьирования количества и вида добавок, тонкости помола компонентов композиционного вяжущего и условий твердения. Это позволяет создавать материалы для многослойных ограждающих

конструкцтТ с пределом прочности при сжатии свыше 100 МПа, с низкой проницаемостью в реальных условиях эксплуатации, и используя при этом до 60% промышленных отходов.

Выявлена зависимость влияния состава новообразований, пористости цементного камня и фибробетона на проницаемось композита в наномасштабном уровне за счет использования композиционных вяжущих с полидисперсными минеральными добавками; на микроуровне за счет создания высокоплотной упаковки заполнителя и введения гиперпластификатора; за счет применения стальной и базальтовой фибры -на макроуровне. Это позволило разработать широкую номенклатуру мелкозернистых фибробетонов с паропроницаемостью до 0,021 мг/(мч-Па), водопроницаемостью до \У14, воздухопроницаемостью до 0,0253 см3/с, водопоглошением по массе до 2,5%, газопроницаемостью, эффективным коэффициентом диффузии до 1,34-10"4 см2/с и высокими прочностными характеристиками.

Достоверность результатов работы и выводов обеспечена систематическими исследованиями с применением стандартных средств и методов измерения, использованием комплекса современных физико-химических методов анализа, РФА и ДТА, электронной микроскопии, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований.

Теоретическое и практическое значение работы.

Предложены составы композиционных вяжущих на основе совместного помола портландцемента, золы уноса, отсева дробления известняка и пластифицирующей добавки с обеспечением активности вяжущего 77,3 МПа.

Предложены составы композитов на основе вяжущих с использованием промышленных отходов Дальневосточного региона для возведений зданий и сооружений с свыше 100 мПа,

паропроницаемостью 0,021 мг/(мч-Па), водопроницаемостью \У14, воздухопроницаемостью 0,0253 см3/с, водопоглощением по массе 2,5% и эффективным коэффициентомом диффузии 1,34-1 О*4 см"/с. Расширена сырьевая база для производства фибробетона, благодаря применению кислой золы ТЭЦ-2 г. Владивостока, что позволяет снизить себестоимость 1 м1 продукции без ухудшения эксплуатационных показателей, а при крупнотоннажном производстве-улучшить экологию Приморского края.

Разработана многослойная конструкция стены с применением фибробетона с повышенными характеристиками непроницаемости.

Методология и методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решались с помощью реализации системного подхода в триаде «состав (сырье) — структура - свойства». Исследования проводились с использованием общепринятых физико-механических и физико-химических методов оценки качества сырьевых и синтезированных

материалов, а также готовых изделий. Токсические испареиия при деструкции пенополистирола определялись с помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы стали основой для получения патента РФ №138772 и внедрены при ремонте зданий в г. Владивосток и г. Артем Приморского края. Для широкомасштабного внедрения работы разработан комплект документов: технологический регламент на производство композиционного вяжущего на основе цемента, золы уноса ТЭЦ и известняка, и рекомендации по проектированию и применению фибробетонов повышенной непроницаемости.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 08.03.01 «Строительство» профиль подготовки «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и 08.04.01 «Строительство» профиль подготовки «Технология строительных материалов, изделий и конструкций».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных и российских научно-практических конференциях: «Эффективные строительные композиты» (2-3 апреля 2015 г., г. Белгород), «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (24—26 марта 2015 г., г. Грозный); Innovation-2013: Proceedings of the conference (Tashkent, 2013); Forum of the Asia-Pacific Region Countries (Vladivostok, Russia. Far-Eastern National Technical University. 2010); XVI Всероссийская науч.-техн. конф. «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2010); VII Всеросс. науч. практ. конф. «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 6 статей в центральных рецензируемых изданиях, 1 патент РФ.

На защиту выносятся:

- механизм повышения эффективности композиционных вяжущих, полученных за счет совместного измельчения цемента, органических и минеральных добавок;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований свойств и структуры композиционного вяжущего;

- составы и свойства фибробетона с высокими характеристиками паро-водо-воздухонепроницаемости;

- вопросы оптимального дисперсного армирования мелкозернистого бетона на гранитном заполнителе;

- технико-экономическое обоснование и внедрение результатов исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 141 наименования и 7 приложений. Общий объем работы изложен на 176 страницах. Основной текст диссертации - 154 страниц, включая 44 рисунка и 48 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В современных условиях строительства возросшие объемы бетонных и железобетонных работ, наличие широкой сети заводов по производству пенополистирола и его низкая стоимость, а также повышение экологических требований к строительным материалам, обусловили необходимость пересмотра традиционных методов применения пенополистирола (ППС) в качестве утеплителя.

Большая часть листового пенополистирола, применяющегося в европейской части России, соответствует санитарно-гигиеническим нормам. Учитывая, что в Дальневосточном регионе применяют ППС в основном местного и зарубежного производства, для оценки количества выделяющихся токсических веществ при деструкции ППС (в ходе эксплуатации) в лабораторных условиях на приборе газового хроматографа ФГХ-1 были исследованы различные виды пенополистирольной листовой продукции (Европлекс-35, Пеноплэкс, ПСБ-С 15Э, ПСБ-С 25, ПСБ-С 35 и др.). Самый высокий уровень значения токсичности отмечается у ППС «Пеноплекс» с превышением ПДК стирола более чем в 200 раз, а также значительное превышение ПДК этилбензола, ксилолов, бензальдегида (табл. 1).

Таблица 1 - Концентрации токсичных веществ ППС «Пеноплэкс»

№ п/п Определяемое вещество Концентрация вещества в образце, мг/м3 ПДК, мг/м3

1 Стирол 0.41 0.002

2 Гексан 5.1 60

3 Ацетон 0.2 0.35

4 Этилбензол 0.3 0,02

5 Ксилолы (сумма изомеров) 0.2 0,1

6 Бензальдегид 0.08 0.04

7 Фенол не обнаружено 0,003

8 Формальдегид не обнаружено 0.01

Установлена зависимость количества выделившихся токсических веществ ППС от толщины покрытия защитного слоя из тяжелого бетона. В частности, после закрытия ППС слоем тяжелого бетона Э2000, в толщину 60-мм превышения ПДК не обнаружено (рис.1). Однако, как

известно, при повышении температуры до 40°С, наблюдается интенсификация выделения паров стирола (доля ПДК повысилась в 2 раза).

£ 0,45 -,

<г> >- ¡с 0,4 Л

0,35 -]

X 0,3 1

X £ 0,25 Ч

& ее 0,2 -

^ 0,15 -

5 ОД -1

ж 0,05 -

V ж 0 -1

% о с

стирол этилб ем зол ксилолы бемза льдег ид

2 0 40

толщина бетона, /дм

Рисунок 1 — Зависимость токсических испарений от толщины защитного бетонного слоя (для ППС «Пеноплэкс»)

Несмотря на достигнутое допустимое нормативное значение ПДК, следует учитывать кумулятивный эффект действия стирола в связи с этим следует признать защиту ППС бетоном заявленной стандартной структуры ненадежной. Обоснованием этому служит тот факт, что теплоизоляционный материал ППС подвергается деструкции при эксплуатации и согласно исследованиям д.т.н. Б.С. Баталина он обладает наибольшей степенью кумулятивности среди веществ, содержащихся в строительных материалах, что требует уменьшения ПДК при его использовании в жилищном строительстве.

Традиционные бетоны имеют недостаточные показатели газо-и паропроницаемости, кроме того, необходимо улучшать прочностные и деформативные качества композита, применяемого в конструкциях гражданского и промышленного строительства с теплоизоляцией из пенополистирола, что возможно достигнуть за счет использования мелкозернистого фибробетона.

Для мелкозернистой структуры, кроме высокой однородности, характерно снижение удельных напряжений в зоне контакта и рост адгезии между составляющими композита. Адгезия песчаной составляющей существенно возрастает при росте площади контакта, эти условия реализованы при создании мелкозернистых бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием отсева дробления известнякового щебня Врангелевского месторождения. В этом случае, высокоразвитая поверхность тонкодисперсных частиц вяжущего позволит интенсифицировать процесс гидратации и структурообразования

вяжущего, способствуя динамики роста прочности бетона, а также уплотнению структурной матрицы композита.

Таким образом, целесообразна разработка плотной структуры матрицы бетона, обладающей высокой газо-, водо- и паро-непроницаемостью. Для достижения данной цели были предложены композиционные вяжущие, полученные путем совместного помола цемента, гиперпластификатора, золы и отсев дробления известняка.

В качестве компонента композиционного вяжущего применялись золы уноса крупнейших ТЭС Приморского края: Владивостокской ТЭЦ-2 (рис.2), Артемовской ТЭЦ. Приморской ГРЭС и Партизанской ГРЭС. Важным фактором являлась возможность сухого отбора золы, что реализуется в настоящее время на этих ТЭС.

Рисунок 2 - Микрофотографии золы уноса Владивостокской ТЭЦ-2

Использование техногенного сырья в производстве строительных материалов способствует решению следующих основных задач: энерго-и ресурсосбережению; утилизации отходов; улучшению экологической обстановки в регионах. Зола уноса ТЭС является эффективным сырьем для производства активных минеральных и тонкодисперсных добавок.

Учитывая направленность диссертации на разработку и применение экологичных материалов, была произведена оценка радиоактивного фона золы (табл. 2).

Таблица 2 - Удельная эффективная активность золы уноса в зависимости от состава

1 (аименование показателя Результат измерения (А), Бк/кг

Приморская ГРЭС Владивостокская ТЭЦ-2 Артемовская ТЭЦ Партизанская ГРЭС

Активность 4иК 496,9±101 362±89 342±68 516.9± 101

Активность А*~Т11 153.6±20.3 31,5±19,7 29,5±15,7 193.2±22.3

Активность 2"''Ка 163.1±9.36 37.63±6,32 27,23±5.93 1 13.1±6.37

Аэфф = Аца + 1.31А-П, + 0.085АК >398 80±30 93 ±20 >410

Установлено, что золы Владивостокской ТЭЦ-2 и Артемовской ТЭЦ относятся к первому классу материалов (А<370 Бк/кг) в соответствии с ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов» и могут быть использованы для всех видов строительных работ.

Термические исследования сырья проводились на термогравиметрическом анализаторе БЫтаёги ОТО-бОН при скорости подъема температуры 20 град/мин, в интервале 20-1100 °С (рис. 3).

Установлено, что в интервале низких температур из образца золы удаляется физически связанная вода. Экзотермический эффект с максимумом около 400°С свидетельствует о выгорании органических веществ, а эндотермический эффект при температуре 712°С о диссоциации кальцита, что было подтверждено данными рентгенофазового анализа.

0 200 400 600 800 1000

Температура С

Рисунок 3 - Результаты ДТА и ТГ золы уноса Владивостокской ТЭЦ

Оптимизация процессов структурообразования при гидратации компонентов композиционного вяжущего создает плотную структуру матрицы, что необходимо для решения задачи - создания композита для защиты от выделений пенополистирола. Это может быть реализовано при совместном помоле портландцемента, полифункциональных минеральных добавок и снижения водоцементного отношения бетонной смеси за счет применения гиперпластификаторов.

Для снижения водопотребности бетонной смеси производили выбор порошковых гиперпластификаторов из шести наиболее распространенных на дальневосточном рынке строительных материалов. Расплыв цементного теста измеряли с использованием конуса Хагерманна. Для цементного раствора применялся Спасский цемент ЦЕМ I 42,5Н. Водоцементное отношение - 0,3. Дозировка пластификатора - 0,3 %. Время начала измерения расплыва конуса фиксировалось после окончания

перемешивания цементного теста.

Таблица 3 — Раеплыв цементного теста с различными гиперпластификаторами

Время начала измерений, мин МеШ их 1641 F Германия Melflnx 5581 F Германия PANTARHIT РС160 Plv (FM) Магнитогорск. РФ FOX1 м- 8Н (Pvvd). Москва. РФ РС-1030 Китай .ТК-04 РРМ Китай

раеплыв. мм

0 290 350 370 250 240 130

5 380 390 400 260 280 120

30 390 350 390 240 190 98

Достижение высоких значений расплыва конуса отмечается на сырьевой смеси вяжущего с применением гиперпластификатора РАТ^ТАЯШТ РС160 Р1у (ИМ) (табл.3). Для дальнейших исследований было разработано 7 составов композиционного вяжущего. В каждый из них был добавлен гиперпластификатор РАМТАЯШТ РС160 Р1у (ЯМ) в количестве 0,3%, соотношение вяжущее: песок - 1:3. Для определения оптимального количества компонентов в системе «цемент-зола-известняк» осуществляли их помол до удельной поверхности 600 м"/кг при различном соотношении (табл. 4).

Таблица 4-Составы и свойства композиционных вяжущих

№ Содержание цемента, мае. % Зола унос. мае. % Известняк, мае. % Предел прочности при сжатии, МПа

Владивостокская ТЭЦ-2 Артемовская ТЭЦ 3 сут. 7 сут. 28 сут.

1* 100 - - - 17 32,5 43,5

2 30 - 50 20 30.2 40.1 50.4

3 35 45 - 20 34,2 43,1 53.2

4 40 - 45 15 36,6 48,2 56.6

5 45 45 - 10 39,2 50,1 59,2

6 50 - 40 10 45.1 54.9 65,8

7 55 40 - 5 47.2 54,1 70.2

8 100 (ВИВ) - - - 60,3 81 103,2

* контрольный образен- портландцемент производства ОАО «Спасскцемент»

Установлена положительная динамика роста прочности композиционного вяжущего при совместном влиянии мелкодисперсных составляющих золы, отсева дробления известняка и гиперпластификатора с максимальным повышением активности вяжущего на 62% (табл. 4).

Активные минеральные составляющие композиционного вяжущего, способствуют связыванию Са(ОН)2, выделяющегося при гидратации цемента в дополнительное количество гидросиликатных новообразований. В тоже время оптимизация процесса структурообразования достигается за счет полидисперсности составляющих композита. Высокодисперсные сферические частицы золы, выступают в качестве центров кристаллизации, и выполняют роль наполнителя на нано- и микроуровне. В совокупности с более крупными частицами минерального компонента происходит более плотное заполнение межзернового пространства в цементной структуре бетона с уменьшением количества пор и микротрещин.

Это подтверждается микрофотографиями цементного камня композиционного вяжущего, полученного совместным помолом клинкера и промышленных отходов дальневосточных регионов. Структура цементного камня представляет собой очень плотную упаковку мелких зерен в общей массе кристаллических новообразований (рис. 4). Дополнительное количество гидратных кристаллических фаз способствуют заполнению пустот на микроуровне в кристаллической матрице гидросиликатов на границе контактной зоны, повышая степень адгезии вяжущего с заполнителем.

X 240 X4UU

Рисунок 4 - Микроструктура композиционного вяжущего

С целью определения оптимального размера частиц был произведен совместный помол цемента с гиперпластификатором, золой и отсевом дробления известняка (состав № 7, табл. 4) до различной удельной поверхности: 500, 550, 600, 700, 800, 900 м2/кг (табл. 5).

Таблица 5-Активность композиционного вяжущего в зависимости от удельной поверхности

Твердение. С\'Т. Удельная поверхность композиционного вяжущего 5\й, м"/кг

500 550 600 700 800 900

3 46,1 47.4 47,2 46,0 45,6 45,5

7 50.3 54.2 54,1 49.1 48,6 48.4

2В 68.1 77.3 70.2 65,8 55,0 65.0

Установлено, что удельная поверхность вяжущего 550-600 м2/кг является оптимальной. Повышение сверх этих значений не приводит к дальнейшему существенному повышению прочности. Следует отметить, сокращение сроков схватывания вяжущего до 35-40 мин. за счет интенсификации процесса гидратации при влиянии высокоактивных составляющих композита.

Оптимальными выбраны параметры композиционного вяжущего с удельной поверхностью 600 м7кг, размером частиц 0,15-500 мкм, средним диаметром частиц зерен 0,65-11.2 мкм. Следует отметить, что показатели нормальной густотой цементного теста данного вяжущего на 35-45% ниже, чем на традиционном цементе ЦЕМ I 42,5Н, что подтверждает более плотную упаковку структуры разрабатываемого композита.

Важнейшей задачей при создании плотного бетона для покрытия теплоизоляции из пенополистирола является рациональное формирование и оптимизация структуры порового пространства. В целом следует отметить общее снижение пористости композитов модифицированных отходами производств более чем в 2 раза (с 16.3 до 8%), при этом наблюдаются колебания пор разного диаметра, исходя из природы их образования (табл. 6).

Таблица 6 - Влияние состава композиционного вяжущего на

пористость цементного камня

Состав согласно табл.4 11ористость, %

технологическая (макроскопический уровень) капиллярная (микроскопический уровень/ субмикроскопический уровень гелевая (надмолекулярный уровень) общая

1 1.2 4.6/2,3 8.2 16.3

2 2,6 1.7/4.5 1.6 10.4

3 1,3 1.1/5.0 3,5 10,8

4 1.4 1.9/2,3 4.4 9.6

5 3,6 1,7/2,5 1.6 9.4

6 3,2 1.1/1.0 3.5 8,8

7 1.0 0.9/1.8 4.4 8.1

Наличие большего количества гидросиликатных соединений подтверждается снижением гелевой пористости в кристаллической связке на молекулярном уровне модифицированных композитов при максимальном ее уменьшении более чем в 5 раз (табл. 6). Несмотря на максимальную прочность оптимального состава вяжущего 70.2 МПа. гелевая пористость этого композита снизилась почти в 2 раза. В данном случае достижение высокой прочности связано с комплексным влиянием: сокращением капиллярной пористости за счет интенсификации процессов роста первичных кристаллических гидросиликатных фаз, возможной перекристаллизацией и образованием вторичных кристаллов, заполнение ими пространства на микро-, субмикроуровне структурной организации композита и в сочетании со снижением технологической пористости на 17% за счет формирования плотной упаковки зернового состава на макроуровне при участии сферических мелкодисперсных составляющих золы Владивостокской ТЭЦ-2 и отсева дробления известняка.

Более плотное строение вяжущей композиции с меньшей пористостью подтверждается микроструктурными исследованиями. При фазообразовании модифицированного вяжущего увеличивается количество гелеобразных гидратных новообразовании на поверхности частиц наполнителя (рис. 5 б), отсутствуют видимые кристаллы портландита. что свидетельствует о снижении его доли в общей массе гидросиликатной связки.

Рисунок 5 - Микрофотографии новообразований: а - цементный камень без добавок; б — цементный камень на основе композиционного вяжущего

В структуре модифицированного вяжущего наблюдается рост кристаллов игольчатой и «стеблевидной» морфологии предположительно низкоосновных гидросиликатов, присутствуют так же пластинчатые кристаллы предположительно гидрокарбоалюминатов кальция (рис 5, б). Синтез этих соединений является результатом взаимодействия выделяющегося при гидратации клинкерных минералов Са(ОН)2 с активными минеральными составляющими золы и известняка. Рост игольчатых кристаллов способствует армированию структуры композита на нано- и микроуровне, снижению пористости и в комплексе повышению прочности композита.

Наиболее высокий эффект достигается за счет синергетического действия техногенных пуццолановых добавок (зола уноса) и природных материалов осадочного происхождения (известняк) при содержании: цемент - 55 мае. %, отход дробления известняка - 5 мае. % и зола - 40 мае. %. При таком вещественном составе композиционное вяжущее достигает предела прочности при сжатии до 77,3 МПа при замене 45% цемента на промышленные отходы.

Таким образом, установлен характер влияния цементно-зольно-известнякового композиционного вяжущего, полученного совместным помолом с гиперпластификатором в варио-планетарной мельнице, на процесс структурообразования. Тонкомолотые активные минеральные добавки выступают центромами кристаллизации новообразований; частички золы способствуют связыванию Са(ОН);, выделяющемуся при гидратации клинкерных минералов, интенсифицируя процесс гидратации вяжущего с образованием игольчатых кристаллов низкоосновных гидросиликатов; наличие зерен тонкомолотого известняка приводит к образованию гидрокарбоалюминатов кальция и в комплексе это способствует снижению усадочных деформаций, пористости и газоводонепроницаемости системы.

Реализация потенциальных возможностей фибробетонов возможна лишь при создании оптимальной структуры материала, формирование которой определяется следующими основными параметрами: видом и качеством исходных материалов; технологией приготовления бетонных смесей; количественным соотношением между компонентами фибробетонной смеси.

Исследование физико-механических свойств мелкозернистого бетона показало, что применение композиционного вяжущего, полученного путем совместного помола цемента, золы уноса, отсевов дробления известняка и гиперпластификатора, позволило повысить предел прочности при сжатии мелкозернистого бетона на 21% при сокращении практически в 2 раза доли цемента. В разработанном бетоне существенно выше, чем у контрольных образцов призменная прочность и модуль упругости (табл. 7).

Таблица 7 - Физико-механические характеристики мелкозернистого ___бетона в зависимости от состава вяжущего_

Расход материалов на 1 м ' Предел

сз Вяжущее, кг S- Призменная прочность, МПа Модуль упругости

га н о о и ¿¡ Цемент Зола Известия С [_ Отсев дробления гранитного щебня, кг Песок, кг Вода, л ПОДВИЖНО' (ОК), см прочное ти при сжатии, МПа

1* 550 - - 220 107,5 86,3 61,2

2 278 235 37 330 83.7 59,5 43.8

3 265 246 39 62 334 84.2 60,3 44.5

4 247 257 46 (N 1000 337 76.3 55,2 40.9

5 234 268 48 343 75.2 55,0 40.8

6 220 278 52 348 75.0 54,9 40.8

-¡** 550 - - 340 63,1 42.3 36.2

* Вяжущее шгзкоп водопотребности с удельной поверхностью 550 м~ /кг.

** Вяжу щее на основе портландцемента производства ОАО «Спасскцемент».

Таким образом, реализация результатов теоретических исследований диссертационной работы по возможности повышения эффективности процессов структурообразования мелкозернистых бетонов на нано-и микроуровне за счет применения композиционных вяжущих, полученных путем совместного помола цемента, золы и отсева дробления известняка Дальневосточного региона позволило разработать широкую номенклатуру бетонов для жилищного и промышленного строительства (табл. 7).

Для оптимизации структурообразования мелкозернистого бетона на макроуровне была использована стальная анкерная фибра производства ООО «Фибра для бетона» ТУ 0991-123-538-32025-2001. С учетом ранее выполненных исследований за контрольный был принят состав 2 (табл. 7), в который вводили фибру в количестве от 24 до 45 кг/м1, т.е. до 2% от общей массы смеси с шагом 0,2%. Установлено, что оптимизация структуры на макроуровне позволяет повысить предел прочности при сжатии на 24% (табл. 8).

Таблица 8 — Зависимость прочности мелкозернистого фибробетона

от процента армирования

№ состава Расход материалов на 1 м\ кг Армирование. % Re». МПа

Вяжущее Вода Заполнитель Фибра

1* 550 330 1623 - 0 81.3

2 550 330 1623 23.97 1 96.1

3 550 330 1623 28.76 1,2 97.3

4 550 330 1623 33,56 1,4 99.8

5 550 330 1623 38.35 1.6 100.9

6 550 330 1623 43.15 1.8 99.5

7 550 330 1623 47.94 2 99.6

* Контрольный состав соответствует составу № 2 (табл. № 7)

Введение дополнительно к стальной анкерной фибре базальтового волокна местного производства не привело к существенному улучшению физико-механических свойств бетона, поэтому для дальнейших исследований принимаем состав № 5 фибробетона (1,6% армирования).

На основании проведенных исследований установлено, что введение в состав композиционного вяжущего золы уноса и отсева дробления известняка способствуют структурным и фазовым изменениям композита при формировании высокоплотных непроницаемых структур. Наилучшими физико-механическими показателями обладают мелкозернистые фибробетоны на разработанном композиционном вяжущем составов №2 и №3 (табл. 9), у которых достигается предел прочности при сжатии 100,2-100,9 МПа с коэффициентом диффузии 1,3410"4-1,3410"4 см2/с. При этом максимальное снижение параметров непроницаемости наблюдается в составе №2 с заменой доли цемента в смеси вяжущего на 45% отходами производств (зола уноса и отсев дробления известняка) (табл. 9). Воздухопроницаемость бетона сократилась в 2 раза (до 0,0253 см3/с), что согласно ГОСТ 12730.5 соответствует марке по водопроницаемости XV14. Плотная структура фибробетона обеспечивает влагостойкость и снижение водопоглощения по объему почти в 2,5 раза. Полученные закономерности отражаются и на показателе паропроницаемости, который в условиях влажного климата достигает предела 0,021 мг/(м ч Па).

Диффузионная проницаемости бетона определялась на основании данных о скорости нейтрализации (карбонизации) бетона углекислым газом в отсутствии градиента общего давления газовоздушной среды при наличии разности концентрации углекислого газа в бетоне и окружающей среде в период, когда процесс нейтрализации ограничен скоростью диффузии углекислого газа в пористой структуре бетона. Экспериментальная методика предназначена для использования при разработке технологии и проектировании составов бетона, обеспечивающих длительную безремонтную эксплуатацию конструкций в неагрессивных и агрессивных газовоздушных средах.

При оценке диффузионной проницаемости, было выявлено среднее значение толщины нейтрализованного слоя бетона для всех разработанных составов. Установлено, что разработанный бетон имеет эффективный коэффициент диффузии О'= 1,34-10'4см2/с и покрытие из данного бетона позволяет обеспечить защитные функции помещения от воздействий токсических веществ выделяемых пенополистиролом (бетон особо низкой проницаемости).

О IV» 4- К) - № состава

| ОН 1 Ю ю -«4 к> с* «VI ь^ 00 и» 'VI цемент са % с о р т. и о X 0 5 н -6 1 о С5 Б £

ю оо К> О ОС Ю и« .и К) и> 'VI • зола

'VI Ю 4- оо 4- и» ■ известняк

к> ГП

К) к> и> С4 ю и» К) и.» о и) о * * § ^ § й

и> 00 и» 4- --1 и) 4- и» ю о Вода, л

10-12 Подвижность (ОК), см

о 4- У* о ¡VI ы и> р и» Призмеиная прочность, МПа

о У' о о 'VI к) чО р и> О О К> о р "чО ел ел Предел прочности при сжатии, МПа

| 0,0423 1 о -и о (VI о о 4— С> о о ю 00 о р о ю 'VI и) о о 'VI Воздухопроницаемость бетона см'/с

ю Зг ю ю -и < £ о Марка по водопроницаемости II'

со м р р и> чо о X и> 4- р IV, о Я ^ Ь = 7 о -5-" о 2 я " Ё 1 1 г ^ г

4- о чО -4 ос р и> р 4^ оо Водоноглощепие по объему. %

1 0,032 | и> о О Ы р о Ю о ю р о К) 5 г. 111 Й ° с: "О ^ С 5 "5 2 ■г В — ^ о Ь5 £ О с н СГ

о.озо 1 о о ю чО р р о ю р о ю о — ^ V ? £ п и 5 * н 2 « о

н

а е>

и

»

0

1

и

X п

3

а

4 и С

ег ге х а

■з

%

с\ ■о

о о п ч о г м

в

^

и

о о н

н р

и с а

Й ^

Е

Таким образом, выявляется четкая связь между свойствами бетона и особенностями структуры цементного камня - увеличение количества гидросиликатных новообразований, при комплексном снижении гелевой и капиллярной пористости, особенно на молекулярном и субмикроскопическом уровнях, что предопределяют рост прочности и повышение непроницаемости бетона.

Апробация теоретических и экспериментальных исследований осуществлена на примере монолитной фибробетонной стены с использованием разработанной несъемной опалубки. Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R0 = 4,223 (м2-°С)/Вт, коэффициент паропроницаемости ц. = 0,021 мг/(м-ч-Па). Разработанные на основе композиционного вяжущего составы фибробетона могут быть внедрены при строительстве зданий повышенной этажности.

Разработана технологическая схема производства высокоплотного фибробетона, включающая в себя этапы: совместный помол цемента, золы и отходов дробления известняка; двухстадийное смешивание с заполнителем и фиброй; заполнение опалубки; механическое уплотнение бетонной смеси. Данная технологическая линия может быть внедрена на бетонных заводах Приморского края.

Функционально-стоимостной анализ подтвердил, что запатентованная конструкция с применением разработанного состава фибробетона обладает максимальным потребительским коэффициентом, а также превосходит ряд современных аналогичных систем по оценке технико-экономической эффективности.

Таким образом, установлена возможность повышения непроницаемости фибробетона за счёт варьирования количества и вида добавок, тонкости помола, и учетом условий твердения, что позволяет создавать материалы для многослойных ограждающих конструкций с пределом прочности при сжатии свыше 100 МПа, с низкой проницаемостью в реальных условиях эксплуатации. Реализация результатов диссертационной работы будет способствовать улучшению экологической обстановки Дальневосточного региона, так как в состав фибробетона входит 50 - 60% промышленных отходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги проведенных исследований

1. Разработано композиционное вяжущее, полученное путем совместного помола цемента (55%), золы кислого состава (40%) и известняка (5%) до удельной поверхности 550 кг/ м:, активностью 77,3 МПа.

2. Установлено, что совместное влияние механохимической активации способствует увеличению пуццолановой активности кислых зол, оказывает каталитическое действие на реакционную активность поверхности золы

и песка в процессе механической обработки в варио-планетарной мельнице.

3. Выявлено, что добавки золы уноса и отходов дробления известняка в композиционное вяжущее при всех дозировках снижают водо-и газопроницаемость бетонов. Таким образом, выявляется четкая связь между свойствами бетона и особенностями структуры цементного камня -увеличение количества гидросиликатных новообразований, при комплексном снижении гелевой и капиллярной пористости, особенно на молекулярном и субмикроскопическом уровнях, что предопределяют рост прочности и повышение непроницаемости бетона.

4. Разработан состав фибробетона на композиционном вяжущем. При 1,6% армировании стальной анкерной фиброй по объему удается получить максимальные физико-механические показатели (Ясж= 100,9 МПа).

5. Выявлено, что разработанный бетон обеспечивает эффективный коэффициент диффузии О, это позволяет обеспечить защиту помещений от токсических воздействий пенополистирола. Достаточно низкое водопоглощение материала и низкие значения паропроницаемости - 0,021 мг/(м ч-Па) объясняются особенностями строения порового пространства цементного камня.

Рекомендации п перспективы дальнейшей разработки темы:

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационного исследования могут быть рекомендованы для расширенного внедрения в различных регионах РФ с учетом наличия сырьевой базы. Особый акцент при внедрении необходимо сделать на применение в зданиях и сооружениях, где предъявляются повышенные требования к прочности, и где необходима пониженная газо- и водопроницаемость. Кроме того, отдельные положения диссертации могут быть внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров направлений «Строительство», «Материаловедение и технология материалов» и «Наноматериалы» при чтении лекционных курсов, проведении практических и лабораторных занятий.

Работу целесообразно продолжить в направлении расширения спектра сырьевых компонентов для получения композиционного вяжущего, в части изучения эффективности использования туфовых пород различного генезиса: как известняковых, так и вулканических.

С позиций анализа фазовых и структурных трансформаций в системе «СаО-БЮ^-АЬОз-^О» перспективы дальнейшей разработки темы связаны с изучением влияния фазовой и размерной гетерогенности наноструктурированного композиционного вяжущего, полученного на основе различных видов минерального сырья, на фазообразование цементирующего камня.

Кроме того, необходимо тщательное исследование вопросов совместной работы пенополистирола (утеплителя) и конструктивного бетона, в частности, долговечность стыка материалов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ НО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в центральных рецензируемых научных изданиях:

1. Федюк P.C. Натурные исследования жилых зданий, построенных с применением несъемной опалубки из пенополистирола // Вестник гражданских инженеров. - 2015. - № 2. - С. 127-133.

2. Федюк P.C. Натурные исследования зданий с несъемной стеновой опалубкой / P.C. Федюк // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2014. - № 4 (45). - С. 161-170.

3. Федюк P.C. Монолитные железобетонные ограждающие конструкции с применением несъемной опалубки из пенополистирола / P.C. Федюк И Вестник ИрГТУ. - 2013. -№ 10 (81). — С. 185-190.

4. Федюк P.C. Долговечность различных марок строительного пенополистирола / P.C. Федюк II Вестник КузГТУ. - 2013. - № 5. - С. 143— 148.

5. Агеева М.С. Теплотехнические испытания монолитных железобетонных стеновых ограждением с применением несъемной опалубки из пенополистирола /М.С. Агеева, Г.А. Лесовик, С.М. Шаповалов, О.Н. Михайлова. P.C. Федюк II Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2015. - № 4-С. 18-20.

6. Федюк P.C. Несущие монолитные железобетонные стены с применением несъемной опалубки из пенополистирола // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. - 2013. -№ 4. - С. 105-114.

Патент

7. Пат. 138772 Российская Федерация: МПК Е04С 1/00 (2006.01) Е04В 2/86 (2006.01)Блок несъемной опалубки: патент на полезную модель. / P.C. Федюк-, заявитель и патентообладатель ДВФУ. - №2013147517/03; заявл. 24.10.2013; опубл. 20.03.2014. Бюл.№8.-2 с.

Публикации в сборниках трудов меж дународных и всероссийских конференций:

8. Лесовик B.C. Бетоны с пониженной проницаемостью на сырьевых ресурсах Дальнего Востока / B.C. Лесовик, P.C. Федюк II Современные строительные материалы, технологии и конструкции. Мат-лы Межд. науч,-практ. конф.(24-26 марта 2015 г., г. Грозный). В 2-х т. Т.1. - Грозный: ФГУП «Изд.-полиграф. комплекс «Грозненский рабочий», 2015. - С. 440^148.

9. Fedyuk R.S. The use of permanent formwork of polystyrene foam in the construction of energy efficient buildings / R.S. Fedyuk , A.V. Mochalov, Yu. Yu. llinskiy, D.I. Ibragimov // Innovation-2013: Proceedings of the conference. -

Tashkent: Yangi asr avlodi, 2013. - pp. 36-38.

10. Федюк P.С. Экологические аспекты проектирования энергоэффективных зданий в Приморском крае / Р.С. Федюк II Энергетика: экология, надежность, безопасность: Материалы XVI Всероссийской науч.-техн. конф. - Томск: ТПУ, 2010. - С. 141-143.

11. Бояров М.А. Природное сырье Приморского края для производства бетона / М.А. Бояров, Р.С. Федюк // Современные технологии и развитие политехнического образования: международная научная конференция-Владивосток.: ДВФУ, 2015. - С. 157-160.

12. Fecfyuk R.S. Principles of designing of power effective buildings / R.S. Fedyuk II Materials of the Tenth International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries. Vladivostok, Russia. Far-Eastern National Technical University. 2010. - pp. 171-172.

13. Феделеш С.Ю. Исследование морфологических особенностей микроструктуры высокоплотного бетона с помощью РЭМ / С.Ю. Феделеш, Р.С. Федюк, И.С. Сыромятникова, Д.А. Злобин // Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича, «Эффективные строительные композиты». Белгород, 2015. 4 с.

14. Федюк Р.С. Полезные ископаемые Приморского края с позиций строительного материаловедения / Р.С. Федюк, А.В. Мочалов, A.M. Тимохин, З.А. Муталибов // Уральская минералогическая школа-2015. Екатеринбург, 2015. С. 106-110

15. Федюк Р.С. Использование отходов теплоэлектростанций в строительстве / Р.С. Федюк, A.M. Юшин // Современные технологии и развитие политехнического образования: международная научная конференция- Владивосток.: ДВФУ, 2015.-С. 47-50.

Подписано в печать 01.10.2015 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №_

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете

им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова,46