автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Пропариваемые песчаные бетоны нового поколения на реакционно-порошковой связке

На правах рукописи

ІІСсиисЛ

Валиев Дамир Маратович

ПРОПАРИВАЕМЫЕ ПЕСЧАНЫЕ БЕТОНЫ

НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА РЕАКЦИОННО-ПОРОШКОВОЙ СВЯЗКЕ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 ДПР Ш

Пенза 2013

005052262

005052262

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Калашников Владимир Иванович

Селяев Владимир Павлович,

доктор технических наук, профессор, Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, зав. кафедрой «Строительные конструкции»

Недосеко Игорь Вадимович,

доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный нефтяной технический университет, профессор кафедры «Строительные конструкции»

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится 29 марта 2013 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.184.01 при Пензенском государственном университете архитектуры и строительства: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, д. 28, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства.

Автореферат разослан 26 февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бакушев

Сергей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акггуальность темы. Многокомпонентные реакционно-порошковые и щебеночные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности при сжатии, не превышающем 5-6 кг/МПа, и прочностью 20-200 МПа мало изучены. Порошково-активированные песчаные (мелкозернистые) бетоны с такими же критериальными оценками практически не исследованы, особенно пропариваемые бетоны, получаемые по заводской технологии на предприятиях сборного железобетона.

В России в последние годы отмечается стремительное возрождение производства сборного железобетона. По данным комитета Евросоюза по сборному железобетону, в странах Европейского содружества более 50% заводского железобетона выпускается на основе самоуплотняющихся бетонных смесей, причем бетонные смеси превышают марку Р6 по растекаемости (ГОСТ 7473-2010).

Изготовление пропариваемых порошково-активированных песчаных (мелкозернистых) бетонов (ПАМБ) нового поколения с высокой прочностью 100-140 МПа, в том числе самоуплотняющихся, с расходом цемента 400-500 кг/м3 и малоцементных бетонов с расходом цемента 200300 кг/м3 является чрезвычайно актуальным, так как стоимость песков во многих регионах России в 2-4 раза ниже стоимости привозных щебней.

Наиболее эффективными станут пропариваемые порошково-активированные мелкозернистые бетоны и фибробетоны высокой прочности. Значительная экономическая эффективность состоит в том, что высокая прочность позволяет уменьшить объем конструкций изделий, за счет чего расход всех компонентов снижается в 3-4 раза (цемента, песка, щебня, воды и добавок). Кроме того, произойдет существенный рост экономических показателей во многих отраслях промышленности, обеспечивающих производство бетона:

- в межрегиональном, региональном, внутризаводском, железнодорожном и автомобильном транспорте за счет уменьшения перевозок сырья и готовой продукции в 2-3 раза;

- в цементной и горнодобывающей промышленности, обеспечивающей производство бетона сырьевыми материалами;

- в других энергопроизводящих и топливодобывающих отраслях: угле-, нефте- и газодобывающей промышленности, в производстве электроэнергии.

А главное, уменьшится загрязнение окружающей среды отходящими газами от транспорта, ТЭЦ и сохранится благоприятная экологическая ситуация в регионах, в том числе, производящих портландцемент.

Использование в порошково-активированных мелкозернистых бетонных смесях молотых дисперсных наполнителей, тонкого кварцевого песка, реакционно-активных пуццолановых добавок, молотого гранулированного шлака, кристаллических затравок нанометрического масштабного уровня,

то есть тех компонентов, которые определяют порошковую активацию бетонов, инициированную термическим процессом протекания реакций синтеза гидросиликатов кальция, позволит существенно повысить эффективность таких бетонов.

Достижение высоких показателей прочности и модуля упругости, малой усадки и значительной морозостойкости пропариваемых бетонов при повышении коэффициента эффективности при пропаривании позволит эффективно использовать конструкционные порошково-активированные мелкозернистые бетоны, что определяет особую актуальность темы. Производство пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонов общестроительного назначения марок М200-600 является также актуальным для многих регионов России.

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка составов пропариваемых порошково-активированных песчаных бетонов, исследование и оптимизация структуры, технологических свойств бетонных смесей и выявление влияния режимов пропаривания на основные физико-технические свойства бетонов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние вида цемента и эффективности пропаривания на прочностные показатели бетонов;

- исследовать влияние пуццолановых добавок - микрокремнезема, термически активированных диатомитов в малых и повышенных количествах на формирование прочности, а также высокодисперсных наногидро-силикатов на эффективность пропаривания и другие физико-механические свойства ПАМБ;

- осуществить подбор фракций песка для достижения высокого значения плотности бетонов, изучить физико-механические характеристики бетона с фракционированным песком, установить достигаемые пределы высокой прочности;

- установить закономерности изменения прочности и технологических критериев от соотношения компонентов для порошково-активированных песчаных бетонов;

- оценить эффективность пропаривания многокомпонентных порошково-активированных песчаных бетонов по прочностным свойствам в сравнении с прочностью бетонов нормального твердения;

- осуществить ТЭО использования новых видов порошково-активированных песчаных бетонов.

Научная новизна работы. Впервые выявлены кинетические закономерности твердения порошково-активированных мелкозернистых (песчаных) бетонов нового поколения с высоким содержанием порошковых компонентов при тепловой обработке, реализующих реакционно-химические свойства порошков при повышенных температурах.

Установлено, что использование в бетонных смесях дисперсных наполнителей, кварцевого песка, молотого гранулированного шлака, реакционно-активных добавок существенно повышает эффективность тепловой обработки и коэффициент эффективности при пропаривании. Выявлено, что с введением микрокремнезема (МК) в количестве 9-27% от массы портландцемента односуточная прочность на одноосное сжатие бетона после пропаривания повышается на 34-124% по сравнению с прочностью бетона без МК.

Выявлено, что замена портландцемента ПЦ 500 ДО на шлакопортландцемент ШПЦ 400 более эффективна в ПАМБ, чем в бетонах старого поколения, и позволяет сохранить значения прочности после ТВО и 27-ми суток нормального твердения с уменьшением удельного расхода клинкерной части цемента на единицу прочности с 4,7 до 2,9 кг/МПа.

Впервые установлена высокая эффективность нанометрических гидросиликатов кальция, синтезированных и модифицированных на кафедре технологии строительных материалов и деревообработки (ТСМ и Д), как сильнейших ускорителей твердения при пропаривании при мягких температурных режимах с короткой изотермией. Комбинация добавок — центров кристаллизации пСаОтЗЮгрНгО с ускорителями Ыа>Юз и Са(ЫОз)2, взятых в общем количестве 4,5% от массы цемента, увеличивает растворимость вяжущего и ионную силу раствора и ускоряет процесс кристаллизации. Показано, что такая комбинация позволяет через 4-6 часов изотермии при ее температуре 40°С увеличить прочность на сжатие до 19,9-27,4 МПа, снизить расход тепла, осуществить распалубку изделий и отпуск преднапряженной арматуры.

Выявлена высокая эффективность длительного пропаривания порош-ково-активированного песчаного бетона без микрокремнезема.

Выявлена долговременная прочность новых по составу и структуре пропаренных порошково-активированных мелкозернистых бетонов. Установлено, что через 500-600 суток твердения прирост прочности пропаренных бетонов с различным содержанием цемента составляет от 17 до 28% по отношению к 28-суточной прочности.

Установлено, что при высоком содержании микрокремнезёма усадочные деформации повышаются на 37-40%, что потребует использования компенсаторов усадки.

Впервые достигнуты высокие физико-технические и гигрометри-ческие показатели пропаренных, новых по составу и топологической структуре порошково-активированных мелкозернистых бетонов, существенно превышающие показатели мелкозернистых бетонов старого и переходного поколений.

Практическая значимость работы. Выявлена высокая эффективность использования тепловой обработки новых по составу и структуре порошково-активированных мелкозернистых бетонов общестроительного

назначения с прочностью на сжатие 50-70 МПа и высокопрочных бетонов с прочностью 100-120 МПа.

Предложено более эффективное использование доменного шлака в пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонах с температурой изотермии 80°С и ее продолжительностью до 5-6 часов.

Ускорение процесса твердения пропариваемого порошково-активиро-ванного мелкозернистого бетона с нанометрическими гидросиликатами кальция позволяет осуществлять быстрый оборот форм при пропаривании бетона с низкой температурой изотермии 40-60°С, малой продолжительностью её (4-6 часов) и снижать расход пара на 25-30%.

Уменьшение расхода цемента на единицу прочности с 10-16 кг/МПа до 3-6 кг/МПа позволит добиться высокой экономической эффективности пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонов.

Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей-технологов по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270100 «Строительство».

Степень достоверности. Основные положения и выводы работы обоснованы достоверными результатами, полученными автором в результате многочисленных повторяющихся экспериментов с использованием современных методов анализа структуры и физико-технических свойств бетона; непротиворечивостью выявленных закономерностей известным, установленным в отдельных ведущих отечественных и зарубежных организациях. Достоверность основных выводов работы подтверждена результатами производственных испытаний и реализацией разработок на практике.

Личный вклад автора заключается в анализе литературных источников и в выборе методов исследования, проведении экспериментальных исследований с выявлением оптимальных режимов тепловой обработки, в анализе результатов исследований, в формулировании заключений и рекомендаций и осуществлении внедрения результатов в производство.

На защиту выносятся:

— теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения высокопрочных порошково-активированных пропариваемых песчаных бетонов М500-1000 с использованием шлакопорт-ландцементов, пуццолановых добавок микрокремнезёма, термически модифицированного диатомита, нанометрического гидросиликата кальция, имеющих низкие удельные расходы цемента на единицу прочности;

- результаты исследования различных режимов пропаривания многокомпонентных бетонов нового поколения с различной рецептурой и удельными расходами цемента на единицу прочности бетона;

— экспериментальные исследования физико-технических порошково-активированных пропаренных песчаных бетонов, результаты исследований подбора состава высокопрочных бетонов с различными цементами и реологически-активными и реакционно-порошковыми добавками.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 29 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК МО и Н РФ.

Конкурсы. В 2010 году получены: сертификат участника финального тура конкурса научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010», диплом финалиста конкурса инновационных проектов «Кубок техноваций 2010». В 2010 году Министерством образования и науки Российской Федерации и Фондом содействия развитию малых форм предприятий научно-технической сферы объявлен победителем программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»). В 2011 году получен диплом за лучшую бизнес-идею проекта «Предприниматель Евразии». В 2011 году завоевано третье место на V областной выставке научно-технического творчества молодежи «Прогресс-2011». Награжден в 2011 году медалью «За успехи в научно-техническом творчестве и научно-исследовательской работе» на Молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 149 наименований. Изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 44 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, сформулированы цели и задачи работы, показана ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе анализируются отечественный и зарубежный опыт производства песчаных бетонов старого и нового поколений и их основные физико-технические показатели. В качестве критерия классификации бетонов по поколениям выбран высокоинформативный показатель — удельный расход цемента на единицу прочности ЦдД = Ц//?сж, кг/МПа. Его различные значения, например, Ц^о=3,0 и Ц*д=10 кг/МПа сразу дают представление, к какому поколению относятся эти бетоны. Для получения значений прочности 120 МПа и 52 МПа (малопластичный раствор состава Ц:П=1:3 для определения активности цемента по ГОСТ 310.4-81) расход цемента в первом случае составляет 360 кг/м3, а во втором — 530 кг/м3. Поэтому к песчаным бетонам нового поколения относятся бетоны с ЦдД < 6 кг/МПа, к бетонам старого поколения с ЦдД > 10 кг/МПа, а к бетонам переходного поколения с СП и ГП (а, возможно, и с микро-

кремнезёмом) с ЦдД от 6 до 10 кг/МПа. Более важно то, что в первом случае песчаная бетонная смесь может быть самоуплотняющейся, а во втором и третьем — только виброуплотняющейся.

В результате анализа выявлено, что пропариваемые песчаные бетоны, кроме используемых в мелкоштучных вибропрессованных изделиях, для которых за счет жесткого вибропрессования ЦдД находится в пределах 3-5 кг/МПа, практически не производятся и не используются для производства конструкционных бетонов. Причиной является не только их высокая цементоемкость, возрастающая при использовании очень мелких песков. Прочностные показатели при повышенных расходах цемента могут быть удовлетворительными, однако высокая усадка и ползучесть исключают их использование в несущих конструкциях.

В результате обзора отечественной литературы были также выявлены два основных направления увеличения прочности песчаных бетонов: за счет снижения водосодержания при использовании супер- и гиперпластификаторов и добавления пуццолановых добавок нового поколения — стекловидных микрокремнезёмов и дегидратированных каолинов, наносшшкатных добавок. Молотые дисперсные наполнители в большом количестве к массе цемента не добавляются, если не считать использование ВНВ-50.

Особенностью диссертационной работы являлось создание многокомпонентных бетонов нового поколения с тепловлажностной обработкой. Соответственно, необходимо было акцентировать внимание на опыте отечественных и зарубежных ученых по повышению прочности и снижению расхода цемента в пропариваемых бетонах. Таким образом, рассмотрены и проанализированы следующие варианты повышения прочности пропариваемых бетонов: введение супер- или гиперпластификаторов, минеральных добавок, в частности, доменного шлака, введение добавок микрокремнезёма и центров кристаллизации — наногидроси-ликатов кальция, модифицированных ускорителями твердения и ингибиторов коррозии стали, а также подбор и регулирование режимов тепловлажностной обработки.

По предложенной на кафедре технологии бетонов керамики и вяжущих (ТБК и В) терминологии эффективные порошково-активированные бетоны с широким диапазоном прочностных показателей должны быть отнесены к бетонам нового поколения, когда < 5-6 кг/МПа. Добавки для таких бетонов должны отличаться не только разнообразием химико-минералогического состава, но и масштабными размерными уровнями компонентов, в которых содержится значительное количество дисперсных компонентов микрометрического масштабного уровня (цемент, шлак, молотый кварцевый песок), в том числе и нанометрическими от первого до третьего десятичного масштабных уровней (микрокремнезём, белая сажа,

центры кристаллизации). Каково их влияния на формирование прочности бетона при повышенных температурах? Это требует всесторонних исследований. В связи с этим формулируется рабочая гипотеза о том, что в условиях высокой объемной концентрации твердой фазы и стесненного контактирования повышенного количества дисперсных частиц через тонкие прослойки воды реакционные процессы будут ускоряться. Образование цементирующих веществ, инициируемое повышенной температурой, будет протекать более полно, чем в песчаных бетонах старого и переходного поколений. Нанометрические гидросиликаты кальция — центры кристаллизации — еще в большей степени ускорят нарастание прочности бетона. Доказательству рабочей гипотезы посвящена диссертационная работа.

Во второй главе приводятся сведения об использованных материалах, оборудовании и методиках проведения экспериментальных исследований. В экспериментальных исследованиях использовались цементы: белый Датского СЕМ I 52,5R, Красноярского ПЦ500 ДО, Липецкого ШПЦ400 ДЗЗ, Башкирского ПЦ400 Д20, Турецкого СЕМ I 42,5R заводов. Применялись пески-заполнители: кварцево-полевошпатовые Березовского карьероуправления и Нижегородский; кварцевые - Дзержинский (г. Красноярск), Чаадаевский (Пензенская область); стекольный Ртищевский с модулем крупности 1,92 и крупный Люберецкий с модулем крупности 3,66; тонкие пески Березовского карьероуправления с модулем крупности 1,86, с выделением фракции 0,16-0,63 мм; пески-отсевы от песчано-гравийной смеси Казанского и Красноярского (СпецстройРоссии) месторождений, а также базальтовый отсев; молотые местные кварцевые пески и микрокварц Люберецкий по ГОСТ 9077-82 с удельной поверхностью 300-400 м2/кг; молотый известняк Ивантеевского месторождения (Саратовская область) с удельной поверхностью 360 м2/кг; шлак доменный (Липецк) с удельной поверхностью 615 м2/кг; микрокремнезёмы: Новокузнецкий гранулированный с содержанием Si02>83%, р=450 кг/м3, Новокузнецкий порошкообразный с содержанием Si02>83%, Липецкий с содержанием Si02 не менее 88% с удельной поверхностью 5200 м2/кг, а также термомо-дифицированный диатомит Инзенского месторождения (Ульяновская обл.) с Syfl=2500 м2/кг с насыпной плотностью в рыхлонасыпанном состоянии 300 кг/м3; суперпластификаторы на нафталиновой основе, суперпластификатор С-3 «СУПЕРПЛАСТ», (г. Владимир); гиперпластификаторы на по-ликарбоксилатной основе: сухие порошковые серии Melflux 2651 F, 5581 F производства фирмы «BASF» (Германия), российский «Хидетал 9у» (г. Новозыбков, Брянская обл.); фибра стальная волнистого профиля ФСВ II - 0,25/15 (Беларусь). Для ускорения набора прочности при тепловой обработке использовалась суспензия с нанометрическими частицами гидросиликата кальция.

Для приготовления бетонных смесей использовали турбулентный смеситель (100-900 об/мин) кафедры ТБК и В.

Консистенцию бетонных смесей в зависимости от требуемой подвижности и жесткости определяли: с помощью конуса Хагерманна по немецкому и японскому образцу по осадке стандартного конуса и по методу Красного (ГОСТ 10181.1-81). Высокопластичные бетонные смеси уплотняли кратковременным вибрированием, малопластичные — с более продолжительным вибрированием.

Тепловлажностная обработка осуществлялась в пропарочной камере КУП-1, оборудованной прибором контроля температуры, обеспечивающим точное регулирование температуры по заданной во времени программе.

Деформации усадки определялись по стандартной методике ГОСТ 24544-81. Образцы хранились во влажных условиях в течение 28 суток, затем помещались на воздух с естественно-колеблющейся переменной относительной влажностью воздуха преимущественно в диапазоне 60±5 %. Уменьшение размеров образцов фиксировали в течение 180 суток до стабилизации изменений их во времени. Набухание образцов в воде определялось по поглощению воды абсолютно сухими образцами и образцами, прошедшими длительную усадку.

По результатам длительного водопоглощения оценивалась открытая пористость при сверхнизком гидростатическом давлении воды, обусловленном условиями погружения образцов бетона в воду по ГОСТ 7025-91.

Морозостойкость определялась по второму методу испытания ГОСТ 10060.0-95.

В третьей главе рассмотрена топологическая структура песчаных бетонов старого, переходного и нового поколений, произведен подбор состава бетонов, выявлено влияние видов цемента и реакционно-активных добавок на свойства пропариваемых бетонов.

На первом этапе необходимо было спроектировать составы пропаренных порошково-активированных мелкозернистых, преимущественно самоуплотняющихся бетонов, на портландцементах и шлакопортланд-цементах и оценить их показатели прочности и ' после пропаривания при использовании различных цементов. Подбор состава порошково-активированных песчаных бетонов осуществляли в соответствии с закономерностями влияния оптимального массового соотношения безразмерных компонентов состава на свойства бетонных смесей и прочность бетона, выявленными на кафедре ТБК и В для реакционно-порошковых бетонов, порошково-активированных щебеночных и частично ПАМБ. Поэтому, в связи с большим количеством компонентов, различными видами цемента и гиперпластификаторов было изготовлено тридцать три состава ПАМБ с различным уровнем степени оптимизации составов. Из большой совокупности изготовленных и испытанных бетонов были отобраны наиболее

оптимальные по значениям прочностных показателей, коэффициентов эффективности при пропаривании, самоуплотняемости бетонных смесей и удельному расходу цемента на единицу прочности при сжатии. Использовались качественные наполнители (микрокварц), тонкий песок фр. 0,16-0,63 и высокоэффективный СП Melflux 5581F. В табл. 1 представлены шесть наиболее оптимальных составов из тридцати трех исследованных. Приведены показатели прочности при сжатии и удельного расхода цемента на единицу прочности при нормальных условиях (н.у.) и после ТВО на 1 и 28 сутки, а также содержание сухих компонентов по массе на 1 м3 бетона.

Температура изотермии была 90°С, продолжительность ее 5 часов (кроме состава ПАМБ-49, где продолжительность составляла 10 часов). Были изготовлены бетоны: с повышенным расходом Красноярского клинкерного цемента ПЦ 500 ДО, с МК и без него; на смеси Красноярского цемента с 50 % молотого (до SM=615 м2/кг) Липецкого шлака (содержание шлака в смеси 33 %); на товарном Липецком шлакопортландцементе ШПЦ 400 ДЗЗ; на портландцементе Heidelberg (г. Стерлитамак) ПЦ 400 Д20 (добавка шлака по паспорту 13 %).

Как следует из табл. 1, прочность на 28 сутки при нормальных условиях твердения бетонов с расходами портландцемента 475 и 385 равна 114,8 и 98 МПа, а высокие коэффициенты при пропаривании (Кп), соответственно 0,90 и 0,86, связаны с более высоким содержанием цемента и более продолжительной изотермией. Наличие МК в составе бетона ПАМБ-150 не скомпенсировало недостаток цемента в количестве 90 кг/м3. Необходимо учесть, что понижение прочности произошло не только из-за недостатка цемента, но и из-за повышения В/Ц и В/Т, и, соответственно, повышения капиллярной пористости. Положительным было то, что бетон стал самоуплотняющимся.

Самоуплотняющийся бетон (СУБ) на смеси ПЦ 500 ДО и высокодисперсного Липецкого шлака с SyÄ=615 м2/кг при пропаривании имел более высокую прочность, чем бетон на чисто клинкерном цементе. Кп оказался равным 0,95. Это подтверждает положение, высказанное в гипотезе, о повышенной роли тонкодисперсных частиц наполнителей в реакционных процессах, инициируемых тепловым воздействием. Самоуплотняющийся бетон ПАМБ-152 на товарном Липецком шлакопортландцементе практически одинакового состава с ПАМБ-154 имел несколько пониженные показатели прочности, что, вероятно, связано с более низкой дисперсностью шлака.

Таблица 1 - Технологические показатели порошково-активированных мелкозернистых бетонных смесей и

№ Обозначение Ц,кг В/Ц В/Т МК/Ц ОКсТ, см П„, кг П„ кг П, кг 1П,кг р, кг/м3 При НУ После ТВО к„ Купл

28 сут. 1 сут. 28 сут.

RtJRu, МПа ц Ясж ■^сж/^изг, МПа ^сж, МПа ц ^СЖ

Бетоны на Красноярском портландцементе ПЦ 500 ДО

1 ПАМБ-49 475 0,29 0,063 - 0* 361 371 993 1725 2395 114,8/12,9 4,2 102,8/12,0 111,2 4,3 0,90 0,95

2 ПАМБ-150 СУБ 385 0,39 0,068 0,10 25 289 539 936 1764 2315 98,0/14,1 3,9 84,4/12,5 88,0 4,4 0,86 0,95

Бетон на Красноярском цементе ПЦ 500 ДО с добавкой Липецкого доменного шлака в смеси 33%

3 ПАМБ-154 СУБ 384 0,39 0,069 0,10 25 272 525 935 1732 2300 94,0/12,4 4Д 89,0/11,9 100,0 3,9 0,95 0,95

Бетон на Липецком шлакопортландцементе ШПЦ 400 ДЗЗ

4 ПАМБ-152 СУБ 392 0,39 0,069 0,09 25-26 278 541 964 1783 2327 94,0/12,2 4,2 86,4/11,5 96,0 4,1 0,92 0,95

Бетоны на портландцементе Heidelberg (г. Стерлитамак) ПЦ 400 Д20 (добавка Белорецкого шлака 13%)

5 ПАМБ-163 424 0,28 0,051 0,10 6-7 301 585 1039 1925 2358 133,2/14,1 3,2 114,0/17,4 116,8 3,6 0,86 0,94

6 ПАМБ-161 СУБ 402 0,39 0,071 0,10 25-26 286 558 989 1833 2352 123,2/12,4 3,3 100,0/12,4 108,0 3,7 0,81 0,97

* Жесткость 15 с.

Температура изотермии изменялась в основном от 90 до 95 °С, а продолжительность изотермии для бетонов с МК изменялась от 5 до 10 часов.

Наиболее высокие физико-технические показатели бетона были получены на портландцементе Heidelberg ПЦ 400 Д20 с добавкой Белорецкого шлака 13 %. Самоуплотняющиеся и малопластичные высокопрочные ПАМБ имели самый низкий удельный расход цемента - 3,6-3,7 кг/МПа. Вероятно, такие высокие показатели прочности объясняются особенностями шлака Белорецкого металлургического комбината. Более высокие прочности бетонов нельзя объяснить минералогическим составом применяемого цемента, так как этот цемент и другие использованные цементы были алитовыми и мало отличались содержанием клинкерных минералов. Высокие прочностные показатели бетонов, вероятно, связаны с большей дисперсностью цемента, равной 410 кг/м3.

Для более быстрого набора прочности в состав порошково-активированного мелкозернистого бетона с расходом Красноярского портландцемента ПЦ 500 ДО 408 кг/м3, с соотношением компонентов Ц:Пм:Пт:П3:МК=1:0,68:1,25:2,21:0,1 был введен нанометрический гидросиликат кальция. В течение 4 часов изотермии прочность на сжатие достигла 19,9 МПа, а через 6 часов - 27,4 МПа. Это позволяет через 4,5-5 часов осуществлять распалубку изделий, сокращать расход пара на 27% и увеличивать оборот форм в сутки.

Рационально подобранная порошковая матрица бетонов нового поколения позволила получить самоуплотняющиеся смеси. Для таких бетонов для каждой полученной прочности бетона, каждого расхода цемента, а также порошковых и тонкозернистых компонентов был проведен анализ оптимального количества порошковых, порошково-тонкозернистых компонентов по массе и объемного содержания их суспензий в бетонных смесях.

Для этого содержание порошковых компонентов: цемента, молотого кварцевого песка и микрокремнезёма - должно превышать содержание цемента, формирующего с водой дисперсную систему. Анализ данных табл. 1 позволил установить, что для полученной прочности бетона и каждого расхода цемента содержание порошковых и порошково-тонкозернистых компонентов, в процентах по массе сухих компонентов составляет 32 % (табл. 2) от массы сухих компонентов, и лишь в «жирном» ПАМБ-49 количество порошка составляет 42%. Если в составах бетона учитывать кроме порошковообразных компонентов тонкозернистый компонент - песок фр. 0,16-0,63 мм, то суммарная доля их, в основном, составляет 57% от массы всех сухих компонентов. Так, в жесткой бетонной смеси ПАМБ-49 с расходом цемента 475 кг/м3 содержание этих компонентов, соответственно, равно 42 и 60% (см. табл. 2), в то время как в пяти других смесях с расходами цемента 384-424 кг/м3 содержание аналогичных компонентов находится в пределах 31-33% и 56-57%. Более существенные отличия обнаруживаются в объемном содержании суспензий в бетонных смесях из этих компонентов. Показательно то, что

йз шести бетонных, смесей четыре были самоуплотняющимися и имели объемную концентрацию порошковых суспензий 40%, а порошково-тонкозернистых — 60%.

Таким образом, эти цифры характеризуют песчаный бетон как по-рошково-активированный.

Таблица 2 - Показатели процентного содержания порошковых и порошково-тонкозернистых компонентов в бетонах и объемное содержание их суспензий в бетонных смесях

Но- Проч- Рас- Содер- Расход Содержание, %

мер ность ход жание сухих компонентов, кг/м3 компонентов, кг/м3 Порошковых Порошково-

става ТВО, МПа мента, кг/м3 порошковых с d< 0,08 мм порошко вых и тонкозернистых компонентов по массе / их суспензий с водой по объему тонкозернистых компонентов по массе/ их суспензий с водой по объему

Бетоны с повышенными расходами Красноярского портландцемента ПЦ 500 ДО

49 102,8 475 2009 836 1207 42/56,1 60/70,1

150 84,4 385 2187 713 1252 33/40,0 57/60,3

Бетон на смеси Красноярского цемента ПД 500 ДО с содержанием добавочного Липецкого доменного шлака 50% от ПЦ

154 64,8 384 2155 693 1220 32/39,6 57/59,4

Бетон на Липецком шлакопортландцементе ШПЦ 400 ДЗЗ

152 86,0 392 2215 705 1246 32/40,0 56/60,3

Бетоны на портландцементе Heidelberg ( г. Стерлитамак) ПЦ 400 Д20 (добавка шлака)

163 114,0 424 2391 758 1353 32/40,0 57/63,5

161 100,0 402 2271 710 1286 31/40,0 57/60,7

Показано важное значение эффективных гиперпластификаторов типа МеШих в получении самоуплотняющихся порошково-активированных бетонов с низким удельным расходом цемента. При этом чрезвычайно важным является оптимизировать состав бетона по количеству микрометрических компонентов (Ц+Пм+МК), тонкозернистого песка (Пт), грубозернистого песка-заполнителя.

При аналогичном оптимальном соотношении всех составляющих получены малоцементные плотные бетоны с расходом цемента 220-250 кг/м с ЦдД=2,7-3,1 кг/МПа. В таких бетонных смесях объемное содержание водно-дисперсной системы составляет 42 %, водно-дисперсно-тонкозернистой - 60 % от 1000 литров бетонной смеси. При этом смеси являются также самоуплотняющимися, нерасслаивающимися с осадкой конуса 25-26 см, соответствующей по американским нормам смесям БР-1.

Пропаренные высокопрочные ПАМБ дают возможность использовать дисперсное армирование стальной фиброй с существенным увеличением прочности на растяжение при изгибе. Количественное значение увеличения этого показателя составляет 63 % по сравнению с аналогичным бетоном без фибры.

В четвертой главе исследовано влияние различных режимов тепло-влажностной обработки на прочность бетона в зависимости от длительности режимов ТВО и температуры изотермической выдержки.

С целью исследования влияния высокого содержания реакционно-активной добавки аморфного микрокремнезема и режима тегаговлажно-стной обработки на прочность малоцементных пропаренных порошково-активированных мелкозернистых бетонов был выполнен двухфакторный план эксперимента (метод Коно). Для данного эксперимента были изготовлены три состава с содержанием микрокремнезема 10, 20, 30%. При изготовлении бетонов использовали Липецкий шлакопортландцемент ШПЦ400 (Ц), песок кварцевый молотый (Пм), песок тонкий (Пт), отсев-песок ПГС 0,63-5мм (П3), гиперпластификатор Melflux 2651F. Расход цемента составлял 265 кг/м3 с соотношением сухих компонентов Ц:ПМ:ПТ:П3=1:0,5-0,7:1,99:3,55. Максимальная прочность на сжатие после пропаривания составила 44,5 МПа при изотермии 80-85 °С длительностью 5 часов в бетоне с содержанием микрокремнезема 30 %. Прочность после 27 суток дополнительного твердения в н.у. достигла 50,4 МПа, удельный расход цемента 5,2 кг/МПа, а вяжущего (Ц+МК)/Яс=6,8 кг/МПа.

Исследована долговременная прочность высокопрочных бетонов, твердевших на воздухе. Образец ПАМБ 49 (см. табл. 1) отличается от состава образца ПАМБ 48 сниженным на 18 % расходом воды. Эти образцы были испытаны через 500 суток после изготовления. Повышение прочности по сравнению с 28-суточным твердением составило для бетона ПАМБ 48 нормального твердения - 17 %, а пропаренного - 28 %. Для бетона ПАМБ 49 нормального твердения прочность повышается на 26 %. Данные долговременных испытаний свидетельствуют о протекании конструктивных процессов в бетонах при долговременном твердении.

Изучение роли длительной тепловой обработки было исследовано в двух составах ПАМБ без микрокремнезёма со средним расходом цемента 475 кг/м3 при двух различных В/Ц отношениях. Пропаривание бетонов в течение 72 часов позволило получить прочностные показатели, незначительно превышающие показатели бетонов, твердеющих 500 суток при естественно-воздушных условиях твердения и колебаниях температуры 17-25°С. Таким образом, можно прогнозировать, что будущее развитие порошково-активированных бетонов пойдет по пути автоклавирования при высоких температурах и давлении водяного пара при непродолжительном запаривании.

Исследовано водопоглощение, усадка, набухание и морозостойкость ПАМБ. Изучение усадочных деформаций производилось на образцах-призмах размерами 100x100x400 мм из бетона с микрокремнезёмом и без него, с различными значениями жесткости и подвижности, соответствующими составам. После окончания измерений усадки образцы погружались в воду для определения набухания и водопоглощения. Водопогло-

щение определялось как от массы образцов в абсолютно сухом состоянии, так и от массы образцов в воздушно-сухом состоянии, достигнутого после окончания усадки.

В призмах бетона, содержащего значительное количество цемента (614 кг/м) за период усадки 150 суток усадочные деформации составили 0,35 мм/м, а за период 200 суток приблизились к 0,36 мм/м, то есть практически не увеличились. Бетон без микрокремнезема имеет усадку на 5 % меньше, чем с МК в количестве 10% от массы цемента.

В данной работе проведена математическая обработка результатов усадочных деформаций бетонов. Аналитическое выражение для усадки е:

a-b + c- xJ /1Л

Е=—>

о + т

где а, Ъ, с, d — эмпирические коэффициенты, т - продолжительностей измерений, сут.

Бетоны на фракционированном песке с малым содержанием цемента имели условный коэффициент трещиностойкости RnJRcx 0,16 и 0,197, соответственно, при н.у. и ТВО. По сравнению с высокопрочными порошково-активированными бетонами усадка несколько выше и составляет 0,40 мм/м при н.у. и 0,39 мм/м - при пропаривании.

Испытания морозостойкости малоцементных высокопластичных и самоуплотняющихся бетонов с расходом цемента 269-300 кг/м3 проводились по ускоренной методике. Соотношение компонентов Ц:Пм:Пт:П3:МК= 1:0,70:1,99:3,55:0,1. Коэффициент морозостойкости был более 0,95. Все образцы выдержали 300 циклов испытаний.

Осуществлен рентгенографический полуколичественный фазовый анализ (РПКФА) на дифрактометре Bruker D8 ADVANCE образцов из тонкомолотого ПАМБ, прошедших тепловую обработку и твердевших дополнительно 27 суток в камере нормального твердения. Он показал следующее процентное содержание кристаллических фаз: кварца — 77 %, кальцита - 7 %, полевого шпата -5%, трехкальциевого силиката - 5 %, двухкальциевого силиката - 3 %, браунмиллерита - 2 %. Расчет кристаллических фаз произведен на 100 %.

В пятой главе представлены основные статьи экономических преимуществ по снижению материалоемкости, рациональному природопользованию и энергосбережению с использованием порошково-активи-рованного мелкозернистого бетона.

Сравнительная оценка стоимости сырьевых компонентов песчаного бетона переходного поколения с СП С-3 прочностью 40 МПа в сравнении с высокопрочным порошково-активированным мелкозернистым бетоном с прочностью 106 МПа представлена в табл. 3.

Таблица 3 - Сравнительная оценка стоимости сырьевых компонентов песчаного бетона переходного поколения в сравнении с высокопрочным порошково-активированным мелкозернистым бетоном

Состав бетонной смеси в 1 м3 для бетона М 400 и масса компонентов, кг Стоимость компонентов за 1 т, руб. Стоимость компонентов в 1 м3, руб. Состав бетонной смеси в 1 м3 для бетона М 1400 и масса компонентов, кг Стоимость компонентов за 1 т, руб. Стоимость компонентов в 1 м3, руб.

ц 410 4 700 1927

ц П СП Вода 383 1 712 3,5 198 4 500 300 50 000 22 1 724 514 225 4 КМ пт Пз гп* мк Вода 261 506 904 4,1 41 160 3 600 300 300 85 000 6 000 22 940 152 271 349 246 3

Масса бетонной 2 244 Итого= 2 467 Масса бетонной 2 286,1 Итого= 3888

смеси смеси

* Хидетал 9у

Из табл. 3 видно, что стоимость сырьевых компонентов на изготовление 1 м3 высокопрочного порошково-активированного песчаного бетона в 1,7 раза выше стоимости компонентов на изготовление 1 м3 песчаного бетона общестроительного назначения. Однако, применив отношение прочности этих бетонов, равное 2,5, можно рассчитать объемы бетонов в центрально сжатых элементах (колонн) на погонный метр длины. В колонне сечением 40x40 см из обычного бетона один погонный метр будет иметь объем 160 литров. Сечение колонны из высокопрочного бетона будет в 2,5 раза меньше, то есть 640 см3 (25x25 см). Один погонный метр такой колонны имеет объем 64 литра. Поэтому стоимость 1 м3 высокопрочного бетона на изготовление колонн равной длины уменьшится в 2,5 раза и составит 1555 рублей. Экономический эффект при этом составит 609 рублей.

Производственное апробирование осуществлялось при изготовлении не колонн из-за отсутствия на заводах молотого кварцевого песка, а высокопрочных тротуарных плит и бордюрного камня на ООО «Бессоновский домостроительный комбинат» и ООО «Строительные материалы» (г. Пенза) и подтвердило высокую экономичность использования таких бетонов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что пропариваемые порошково-активированные мелкозернистые (песчаные) бетоны для заводской технологии являются более эффективными, чем бетоны нормального твердения для монолитного строительства. Тепловая обработка в условиях высокой объемной концентрации твердой фазы, стесненного контактирования повышенного количества дисперсных частиц через прослойки тонкопленочной воды, существенно ускоряет реакционные процессы.

2. Установлено, что присутствие в порошково-активированных мелкозернистых бетонах дисперсных наполнителей в виде молотого кварцевого песка, молотого гранулированного шлака, микрокремнезема (МК), диатомита существенно повышает эффективность тепловой обработки за счет реализации реакционно-химических свойств порошков при повышенных температурах. При правильно подобранной рецептуре и использовании микрокремнезема в количестве 9-27 % прочность после пропаривания повышается на 34-124 % по сравнению с бетоном без МК.

3. Использование шлакопортандцементов или добавок к ПЦ тонкомолотого шлака с дисперсностью 600-700 м2/кг в комбинации с МК и молотым кварцевым песком является более эффективным в порошково-активирован-ных мелкозернистых бетонах, чем в бетонах старого поколения. Коэффициент эффективности при пропаривании в среднем составляет 0,8-0,92, а при высоком содержании микрокремнезема (20-27%) повышается до 1,06-1,16.

4. При хорошо оптимизированном составе по значениям безразмерных отношений компонентов к цементу по массе и объемному содержанию дисперсных компонентов в процентах, их суспензий от бетонной смеси получены бетоны с повышенными расходами портландцемента с показателями прочности на сжатие от 100 до 130 МПа, с удельными расходами цемента на единицу прочности от 3,8 до 4,5 кг/МПа.

5. Впервые выявлено, что в самоуплотняющихся бетонах с осадкой конуса 23-26 см, с близкими расходами цементов и шлакопортланд-цементов содержание суспензии с дисперсными (Ц+Пм+МК) и дисперсно-тонкозернистыми (Ц+Пм+МК+Пт) порошками в объеме песчаной бетонной смеси должно быть оптимальным и равным соответственно 39-40 % и 59-60 %. Это определяет реологическое состояние бетонной смеси, при котором она способна саморастекаться и самоуплотняться.

6. Оптимизация компонентного состава пропаренных порошковых бетонов позволила получить бетонные смеси с чрезвычайно низкими значениями В/Т (0,051-0,064) и В/Ц (0,28-0,39) отношений при средней толщине прослоек дисперсно-тонкозернистой водной матрицы между частицами песка-заполнителя 0,34-0,56 мм. Получены порошково-активи-рованные мелкозернистые бетоны марок М 1000-1300 и порошково-активированный мелкозернистый фибробетон с маркой М 1500 с условным коэффициентом трещиностойкости 0,16 на 1 сутки после ТВО.

18

7. Впервые установлена высокая эффективность нанометрических гидросиликатов кальция как центров кристаллизации, синтезированных и модифицированных ускорителем твердения и ингибитором коррозии. Показано, что такая комбинация позволяет при пропаривании при температуре 40-60°С с изотермией в течение 4-6 часов достигнуть прочности на сжатие 19,9-27,4 МПа, снизить расход пара на 27%. Это позволяет осуществлять распалубку изделий и отпуск преднапряженной арматуры.

8. Впервые предложено для характеристики хорошо оптимизированных по составу самоуплотняющихся бетонов кроме технико-экономического показателя удельного расхода цемента на единицу прочности (ЦдД) и объемной концентрации твердой фазы ввести показатели удельной осадки конуса (ОК^д), удельного расплыва (Р^л) бетонной смеси и удельной прочности на единицу процентного содержания воды по массе в бетоне. Все показатели в совокупности всесторонне характеризуют оптимизацию рецептуры, культуру производства и качество продукции.

9. Выявлено влияние длительного пропаривания порошково-активированных бетонов на повышение прочности. Установлено, что длительное про-паривание бетонов без микрокремнезема в течение 72 часов позволяет повысить их прочность на 40-43 % по сравнению с бетонами, прошедшими тепловую обработку в течении 10 часов с дополнительным твердением при нормальных условиях в течение 27 суток. В связи с этим перспективна обычная автоклавизация высокопрочных ПАМБ для достижения сверхвысокой прочности.

10. Выявлены гигрометрические свойства порошково-активированных мелкозернистых бетонов. Установлено, что высокая плотность оптимизированных по составу бетонов определяет низкое водопоглощение через 72 часа в пределах 2-2,5 % в зависимости от содержания цемента и воды. Низкое водопоглощение предопределяет высокую морозостойкость. Даже малоцементные бетоны с водопоглощением по массе 2,3-2,4 % через 96 часов имеют морозостойкость не менее 300 циклов.

11. Усадочные деформации порошково-активированных мелкозернистых бетонов находятся в пределах 0,3-0,4 мм/м. Повышение содержания микрокремнезёма до 25-27 % повышает усадочные деформации на 37-40 %, но они не превышают 0,35 мм/м, что находится на уровне усадочных деформаций современных бетонов переходного поколения марок 500-600.

12. Расчетная экономическая эффективность бетонов марки М 1000 по сравнению с бетоном марки М 400, с учетом сокращения объема бетона в центрально сжатой колонне, составляет 1555 рублей на 1 м3 бетона. Реализация бетонов марки М 1000 при изготовлении высокопрочных бордюрных камней на ООО «Бессоновский домостроительный комбинат» подтвердила технико-экономическую эффективность ПАМБ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Статьи журналов, рекомендованных ВАК МО и H РФ:

1. Калашников, В.И. Высокопрочные порошково-активированные пропариваемые песчаные бетоны нового поколения / Д.М. Валиев, Е.В. Гуляева, В.М. Володин // Изв. высших учебных заведений. Строительство. — Новосибирск, 2011. — №5. — С. 14-19.

2. Калашников, В.И. Пропариваемые песчаные бетоны нового поколения / Д.М. Валиев, Е.В. Гуляева, В.М. Володин // Бетон и железобетон. — М.-2011,-№5.-С. 2-5.

3. Калашников, В.И. Высокоэффективные порошково-активирован-ные бетоны различного функционального назначения с использованием суперпластификаторов / Е.В. Гуляева, Д.М. Валиев, В.М. Володин,

A.B. Хвастунов // Строительные материалы. - М., 2011. — №11. - С. 44-47.

4. Калашников, В.И. Влияние вида супер- и гиперпластификаторов на реотехнологические свойства цементно-минеральных суспензий, порошковых бетонных смесей и прочностные свойства бетонов / Е.В. Гуляева, Д.М. Валиев // Изв. высших учебных заведений. Строительство. -Новосибирск, 2011. - №12. - С. 40-45.

5. Калашников, В.И. Усадочные и прочностные свойства пропариваемых порошково-активированных песчаных бетонов / Д.М. Валиев // Изв. высших учебных заведений. Строительство. — Новосибирск, 2012. — №5. -С. 22-29.

Статьи в научных сборниках:

6. Калашников, В.И. Обеспечение оптимальной топологии самоуплотняющихся бетонных смесей для высокопрочных бетонов / C.B. Ананьев,

B.П. Архипов, М.Н. Мороз, В.М. Володин, Д.М. Валиев // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов / Междунар. науч.-техн. конф. — Пенза, 2009. — С. 46-51.

7. Хвастунов, В.Л. Высокоэффективные мелкозернистые бетоны на основе цементных и безобжиговых минерально-шлаковых вяжущих / В.И. Калашников, A.B. Хвастунов, Л.Н. Голикова, В.М. Журавлев, Д.М. Валиев // Сырьевые ресурсы регионов и производство на их основе строительных материалов / Всерос. науч.-техн. конф. — Пенза, 2009. -

C. 195-199.

8. Володин, В.М. Сухие тонкозернисто-порошковые бетонные смеси нового поколения / Д.М. Валиев, Е.В. Гуляева, В.И. Калашников // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов / V Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Пенза, 2010. — С. 53-58.

9. Гуляева, E.B. Влияние супер- и гиперпластификаторов на растека-емость суспензий различных цементов и цементно-минеральных систем / В.М. Володин, Д.М. Валиев, В.И. Калашников // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов / V Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Пенза, 2010. — С. 81-85.

10. Валиев, Д.М. Щебеночные и песчаные бетоны нового поколения / В.М. Володин, Е.В. Гуляева, В.И. Калашников //Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей «Бетон». — М., 2010. — С. 15-18.

11. Калашников, В.И. Песчаные и щебеночные бетоны нового поколения / Д.М. Валиев, Е.В. Гуляева, В.М. Володин // Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности. — Новочеркасск,

2010.-С. 91-95.

12. Мороз, М.Н. Влияние циклического увлажнения-высушивания на прочность гидрофобизированных материалов с модификатором ПРИМ-1 / В.И. Калашников, В.М. Володин, Д.М. Валиев, О.В. Суздальцев // Актуальные вопросы строительства: материалы междунар. науч.-техн. конф. - Саранск, 2011. - С. 220-224.

13. Мороз, М.Н. Изучение кинетики водопоглощения, капиллярного подсоса и сорбционного увлажнения карбонатно-шлакового материала, модифицированного гидрофобизатором ПРИМ-1 / В.И. Калашников, В.М. Володин, Д.М. Валиев, C.JI. Журавлева, С.С. Герасимов // Актуальные вопросы строительства: материалы междунар. науч.-техн. конф. — Саранск, 2011. - С. 224-229.

14. Калашников, В.И. Порошково-активированные тонкозернистые сухие бетонные смеси для производства различных бетонов / В.М. Володин, Д.М. Валиев, И.Ю. Троянов, C.B. Ананьев // Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2010 году. - М.-Орел, 2011С. 285-289.

15. Калашников, В.И. Реологическая активность супер- и гиперпластификаторов в цементно-минеральных дисперсных системах и получение самоуплотняющихся бетонов нового поколения / Е.В. Гуляева, В.М. Володин, Д.М. Валиев, P.A. Дрянин // Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2010 году. — М.Орел, 2011.-С. 290-294.

16. Калашников, В.И. Бетоны нового поколения и реологические матрицы / В.М. Володин, Д.М. Валиев, Е.В. Гуляева, P.A. Дрянин, C.B. Ананьев, И.Ю. Троянов // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сб. ст. МНТК. — Пенза,

2011.-С. 35-41.

17. Калашников, В.И. Порошковые фибробетоны со сверхвысокой прочностью с дисперсным армированием фиброй / Д.М. Валиев, В.М. Володин, Е.В. Гуляева, C.B. Ананьев, P.A. Дрянин // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сб. ст. МНТК. - Пенза, 2011. - С. 41-48.

18. Валиев, Д.М. Высокопрочные песчаные бетоны нового поколения / Е.В. Гуляева, А.Ю. Белов, Е.С. Гейченко, Т.Н. Жукова, В.И. Калашников // Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа. Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ). -Ульяновск, 2011.-С. 145-148.

19. Калашников, В.И. Влияние вида и дозировки гиперпластификатора на растекаемость реакционно-порошковых смесей и свойства бетонов / C.B. Ананьев, В.М. Тростянский, В.М. Володин, Е.В. Гуляева, Д.М. Валиев, A.B. Хвастунов // Композиционные строительные материалы. Теория и практика / Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2011. - С. 187-191.

20. Калашников, В.И. Прочностные показатели сверхвысокопрочных реакционно-порошковых фибробетонов / C.B. Ананьев, В.М. Володин, Д.М. Валиев, Е.В. Гуляева, A.B. Хвастунов, И.М. Куликов // Композиционные строительные материалы. Теория и практика / Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2011. - С. 215-219.

21. Калашников, В.И. Технология получения пропариваемых высокопрочных песчаных бетонов на реакционно-порошковой связке / Д.М. Валиев // Опыт прошлого — взгляд в будущее / Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых и студентов. - Тула, 2011. - С. 292-295.

22. Валиев, Д.М. Порошково-активированные бетоны с низким удельным расходом цемента на единицу прочности / Е.В. Гуляева, В.М. Володин, В.И. Калашников // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов / VI Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Пенза, 2011. - С. 32-36.

23. Гуляева, Е.В. Оценка эффективности действия различных супер- и гиперпластификаторов в цементных суспензиях / Д.М. Валиев, В.М. Володин, В.И. Калашников // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов / VI Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Пенза, 2011. — С. 54-57.

24. Калашников, В.И. Высокоэффективные порошковые и реакционно-порошковые высокопрочные и сверхпрочные бетоны и фибробетоны / В.М. Володин, Д.М. Валиев, Е.В. Гуляева // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов / VI Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Пенза, 2011. — С. 82-88.

25. Kalashnikov, V. Dry fine grained and powdered concrete mixes of new generation / V. Volodin, D. Valiev, E. Gulayeva // Scientific basis of modern technologies: experience and prospects. - Khmelnitsky - Gliwice - Jaremch. -2011.-C. 488-495.

26. Валиев, Д.М. Малоцементные бетоны нового поколения общестроительного назначения / Е.В. Гуляева, В.М. Володин, В.И. Калашников II II Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей. - СПб., 2011.-С. 53-57.

27. Валиев, Д.М. Высокопрочные порошково-активированные мелкозернистые бетоны с тепловлажностной обработкой / Е.В. Гуляева,

B.М. Володин, В.И. Калашников // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и современных методов строительства / Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2011. - С. 40-43.

28. Валиев, Д.М. Тепловлажностная обработка малоцементных по-рошково-активированных песчаных бетонов // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сб. ст. МНТК. -Пенза, 2011. -С. 3-9.

29. Валиев, Д.М. Пропариваемые порошково-активированные мелкозернистые бетоны нового поколения // Актуальные вопросы строительства: материалы десятой Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск, 2011. —

C. 128-130.

Валиев Дамир Маратович

ПРОПАРИВАЕМЫЕ ПЕСЧАНЫЕ БЕТОНЫ

НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА РЕАКЦИОННО-ПОРОШКОВОЙ СВЯЗКЕ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано к печати 21.02.2013. Формат 60x84 1/16

Бумага офисная «Снегурочка». Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,0.

Заказ № 48. Тираж 100 экз.____

Издательство ПГУАС. 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28. E-mail: postmaster@pgasa.com.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"Пензенский государственный университет архитектуры и строительства"

На правах рукописи

Валиев Дамир Маратович

ПРОПАРИВАЕМЫЕ ПЕСЧАНЫЕ БЕТОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА РЕАКЦИОННО-ПОРОШКОВОЙ СВЯЗКЕ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

СО

ю см

СО Диссертация

Ю тг

^ на соискание учёной степени

^ ^ кандидата технических наук

СМ ^

о

Научный руководитель:

Заслуженный Деятель науки и техники РФ, д.т.н., профессор, Калашников В.И.

Пенза 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И ПРОЧНОСТИ ПРОПАРИВАЕМЫХ ПЕСЧАНЫХ БЕТОНОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЙ ОПЫТ ИХ ПРОИЗВОДСТВА.. 12

1.1. Отечественный и зарубежный опыт производства бетонов нового 4 поколения на реакционно-порошковой связке и основные физико-технические показатели................................................................. 12

1.2. Пропариваемые порошково-активированные мелкозернистые бетоны нового поколения.................................................................. 23

1.3. Ускорение процессов твердения бетонов при повышенных температурах...................................................................................... 27

ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ..................................................... 31

2.1. Характеристика сырьевых материалов....................................... 31

2.2. Методы исследований, приборы и оборудование.......................... 38

ГЛАВА 3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ПОРОШКОВО-АКТИВИРО-ВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ НА ИХ ОСНОВЕ............... 48

3.1. Топологическая структура порошково-активированных мелкозернистых бетонов нового поколения..................................................... 48

3.2. Подбор составов порошково-активированных мелкозернистых бетонов..................................................................................... 58

3.3. Влияние вида цементов на эффективность пропаривания порошко-во-активированных мелкозернистых бетонов................................... 82

3.3.1. Порошково-активированные мелкозернистые бетоны на порт-ландцементах............................................................................ 88

3.3.2. Порошково-активированные мелкозернистые бетоны на шлако-портландцементах и портландцементах с добавкой шлака................... 90

3.3.3. Порошково-активированные мелкозернистые бетоны на порт-

ландцементах с добавкой гидросиликатов кальция............................ 94

3.4. Влияние содержания реакционно-активных добавок на повышение прочности порошково-активированных мелкозернистых бетонов.... 101

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3............................................................ 105

ГЛАВА 4. ПРОПАРИВАЕМЫЕ ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ И ИХ ДЕФОРМАТИВНЫЕ И ГИГ-РОМЕТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА................................................... 107

4.1. Влияние режимов тепловлажностной обработки на коэффициент эффективности при пропаривании порошково-активированных мелкозернистых бетонов............................................................ 107

4.2. Влияние содержания МК и температуры изотермической выдержки

на прочность ПАМБ................................................................... 109

4.3. Долговременная прочность порошково-активированных песчаных бетонов................................................................................... 115

4.4. Влияние длительного пропаривания на прочность ПАМБ.............. 117

4.5. Гигрометрические свойства пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонов.................................................... 121

4.6. Морозостойкость порошково-активированного мелкозернистого бетона...................................................................................... 129

4.7. Эксплуатационные свойства порошково-активированных мелкозернистых бетонов......................................................................

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4................................................................ 137

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ИЗ ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОПАРИВАЕМЫХ ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ............................................................. 139

5.1. Экономические показатели порошково-активированных мелкозернистых бетонов и экономические критерии строительства из высо-

копрочного бетона................................................................ 139

5.2. Перспективы использования порошково-активированного мелкозернистых бетонов в строительстве.......................................... 145

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5................................................................. 148

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.................................. 148

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ............................................................ 152

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................153

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................... 168

Приложение А...............................................................................169

Приложение Б................................................................................204

Приложение В (АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ)..................................................212

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Многокомпонентные реакционно-порошковые и щебеночные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности при сжатии, не превышающем 5-6 кг/МПа, и прочностью 20-200 МПа мало изучены. Порошково-активированные песчаные (мелкозернистые) бетоны с такими же критериальными оценками практически не исследованы, особенно пропариваемые бетоны, получаемые по заводской технологии на предприятиях сборного железобетона.

В России в последние годы отмечается стремительное возрождение производства сборного железобетона. По данным комитета Евросоюза по сборному железобетону, в странах Европейского содружества более 50% заводского железобетона выпускается на основе самоуплотняющихся бетонных смесей, причем бетонные смеси превышают марку Р6 по растекаемости (ГОСТ 7473-2010).

Изготовление пропариваемых порошково-активированных песчаных (мелкозернистых) бетонов (ПАМБ) нового поколения с высокой прочностью 100140 МПа, в том числе самоуплотняющихся, с расходом цемента 400-500 кг/м3 и

•л

малоцементных бетонов с расходом цемента 200-300 кг/м является чрезвычайно актуальным, так как стоимость песков во многих регионах России в 2-4 раза ниже стоимости привозных щебней. Наиболее эффективными станут пропариваемые порошково-активированные мелкозернистые бетоны и фибробетоны высокой прочности. Значительная экономическая эффективность состоит в том, что высокая прочность позволяет уменьшить объем конструкций изделий, за счет чего расход всех компонентов снижается в 3-4 раза (цемента, песка, щебня, воды и добавок). Кроме того, произойдет существенный рост экономических показателей во многих отраслях промышленности, обеспечивающих производство бетона:

- в межрегиональном, региональном, внутризаводском, железнодорожном и автомобильном транспорте за счет уменьшения перевозок сырья и готовой продукции в 2-3 раза;

- в цементной и горнодобывающей промышленности, обеспечивающей производство бетона сырьевыми материалами;

- в других энергопроизводящих и топливодобывающих отраслях: угле-, нефте-и газодобывающей промышленности, в производстве электроэнергии.

А главное, уменьшится загрязнение окружающей среды отходящими газами от транспорта, ТЭЦ и сохранится благоприятная экологическая ситуация в регионах, в том числе, производящих портландцемент.

Использование в порошково-активированных мелкозернистых бетонных смесях молотых дисперсных наполнителей, тонкого кварцевого песка, реакционно-активных пуццолановых добавок, молотого гранулированного шлака, кристаллических затравок нанометрического масштабного уровня, то есть тех компонентов, которые определяют порошковую активацию бетонов, инициированную термическим процессом протекания реакций синтеза гидросиликатов кальция, позволит существенно повысить эффективность таких бетонов.

Достижение высоких показателей прочности и модуля упругости, малой усадки и значительной морозостойкости пропариваемых бетонов при повышении коэффициента эффективности при пропаривании позволит эффективно использовать конструкционные порошково-активированные мелкозернистые бетоны, что определяет особую актуальность темы. Производство пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонов общестроительного назначения марок М200-600 является также актуальным для многих регионов России.

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка составов пропариваемых порошково-активированных песчаных бетонов, исследование и оптимизация структуры, технологических свойств бетонных смесей и выявление влияния режимов пропаривания на основные физико-технические свойства бетонов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние вида цемента и эффективности пропаривания на прочностные показатели бетонов;

- исследовать влияние пуццолановых добавок - микрокремнезема, термически активированных диатомитов в малых и повышенных количествах на

формирование прочности, а также высокодисперсных наногидросиликатов на эффективность пропаривания и другие физико-механические свойства ПАМБ;

- осуществить подбор фракций песка для достижения высокого значения плотности бетонов, изучить физико-механические характеристики бетона с фракционированным песком, установить достигаемые пределы высокой прочности;

- установить закономерности изменения прочности и технологических критериев от соотношения компонентов для порошково-активированных песчаных бетонов;

- оценить эффективность пропаривания многокомпонентных порошково-активированных песчаных бетонов по прочностным свойствам в сравнении с прочностью бетонов нормального твердения;

- осуществить ТЭО использования новых видов порошково-активированных песчаных бетонов.

Научная новизна работы. Впервые выявлены кинетические закономерности твердения порошково-активированных мелкозернистых (песчаных) бетонов нового поколения с высоким содержанием порошковых компонентов при тепловой обработке, реализующих реакционно-химические свойства порошков при повышенных температурах.

Установлено, что использование в бетонных смесях дисперсных наполнителей, кварцевого песка, молотого гранулированного шлака, реакционно-активных добавок существенно повышает эффективность тепловой обработки и коэффициент эффективности при пропаривании. Выявлено, что с введением микрокремнезема (МК) в количестве 9-27% от массы портландцемента односуточная прочность на одноосное сжатие бетона после пропаривания повышается на 34-124% по сравнению с прочностью бетона без МК.

Выявлено, что замена портландцемента ПЦ 500 ДО на шлакопортландцемент ШПЦ 400 более эффективна в ПАМБ, чем в бетонах старого поколения, и позволяет сохранить значения прочности после ТВО и 27-ми суток нормального твердения с уменьшением удельного расхода клинкерной части цемента на единицу прочности с 4,7 до 2,9 кг/МПа.

Впервые установлена высокая эффективность нанометрических гидросиликатов кальция, синтезированных и модифицированных на кафедре технологии строительных материалов и деревообработки (ТСМ и Д), как сильнейших ускорителей твердения при пропаривании при мягких температурных режимах с короткой изотермией. Комбинация добавок - центров кристаллизации nCa0 mSi02-pH20 с ускорителями NaN03 и Са(ЪЮз)2, взятых в общем количестве 4,5% от массы цемента, увеличивает растворимость вяжущего и ионную силу раствора и ускоряет процесс кристаллизации. Показано, что такая комбинация позволяет через 4-6 часов изотермии при ее температуре 40°С увеличить прочность на сжатие до 19,9-27,4 МПа, снизить расход тепла, осуществить распалубку изделий и отпуск преднапряженной арматуры.

Выявлена высокая эффективность длительного пропаривания порошково-акти-вированного песчаного бетона без микрокремнезёма.

Выявлена долговременная прочность новых по составу и структуре пропаренных порошково-активированных мелкозернистых бетонов. Установлено, что через 500-600 суток твердения прирост прочности пропаренных бетонов с различным содержанием цемента составляет от 17 до 28% по отношению к 28-суточной прочности.

Установлено, что при высоком содержании микрокремнезёма усадочные деформации повышаются на 37-40%, что потребует использования компенсаторов усадки.

Впервые достигнуты высокие физико-технические и гигрометрические показатели пропаренных, новых по составу и топологической структуре порошково-активированных мелкозернистых бетонов, существенно превышающие показатели мелкозернистых бетонов старого и переходного поколений.

Теоретическая и практическая значимость работы. Выявлена высокая эффективность использования тепловой обработки новых по составу и структуре порошково-активированных мелкозернистых бетонов общестроительного назначения с прочностью на сжатие 50-70 МПа и высокопрочных бетонов с прочностью 100-120 МПа.

Предложено более эффективное использование доменного шлака в пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонах с температурой изотермии 80°С и ее продолжительностью до 5-6 часов.

Ускорение процесса твердения пропариваемого порошково-активированного мелкозернистого бетона с нанометрическими гидросиликатами кальция позволяет осуществлять быстрый оборот форм при пропаривании бетона с низкой температурой изотермии 40-60°С, малой продолжительностью её (4-6 часов) и снижать расход пара на 25-30%.

Уменьшение расхода цемента на единицу прочности с 10-16 кг/МПа до 36 кг/МПа позволит добиться высокой экономической эффективности пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонов.

Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей-технологов по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270100 «Строительство».

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения высокопрочных порошково-активированных пропариваемых песчаных бетонов М500-1000 с использованием шлакопортландцементов, пуццолановых добавок микрокремнезёма, термически модифицированного диатомита, нанометрического гидросиликата кальция, имеющих низкие удельные расходы цемента на единицу прочности;

- результаты исследования различных режимов пропаривания многокомпонентных бетонов нового поколения с различной рецептурой и удельными расходами цемента на единицу прочности бетона;

- экспериментальные исследования физико-технических порошково-активированных пропаренных песчаных бетонов, результаты исследований подбора состава высокопрочных бетонов с различными цементами и реологически-активными и реакционно-порошковыми добавками.

Степень достоверности. Основные положения и выводы работы обоснованы

достоверными результатами, полученными автором в результате многочисленных повторяющихся экспериментов с использованием современных методов анализа структуры и физико-технических свойств бетона; непротиворечивостью выявленных закономерностей известным, установленным в отдельных ведущих отечественных и зарубежных организациях. Достоверность основных выводов работы подтверждена результатами производственных испытаний и реализацией разработок на практике.

Реализация результатов исследований. Результаты диссертационной работы получили внедрение в ООО «Строительные материалы» г. Пенза и в ООО «Бес-соновский домостроительный комбинат» Пензенская обл. и используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей-технологов по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270100 «Строительство».

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на Всероссийских и Международных НТК: «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (г. Пенза, 2010 гг.), «Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей» (г. Пенза, 2010, 2011 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 29 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК МО и Н РФ.

Конкурсы. В 2010 году получены: сертификат участника финального тура конкурса научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010», диплом финалиста конкурса инновационных проектов «Кубок техноваций 2010». В 2010 году Министерством образования и науки Российской Федерации и Фондом содействия развитию малых форм предприятий научно-технической сферы объявлен победителем программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»). В 2011 году получен диплом за лучшую бизнес-идею проекта «Предприниматель Евразии». В 2011 году завоевано третье место на V областной выставке научно-технического творчества молодежи «Прогресс-2011». Награжден