автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Процессы структурообразования и химическая стойкость легкого бетона на пористых заполнителях

у/'

//

<*7 #

/ОХ

Министерство путей сообщения Российской Федерации Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта (СамИИТ)

ХОХРИ

И ХИМИЧЕ НА

БРАЗОВАНИЯ ОИКОСТЙ> ЛЕГКОГО БЕТОНА ИСТЬ1Х ЗАПОЛНИТЕЛЯХ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара - 1998

Работа выполнена в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта (СамИИТе)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы Российской Федерации, П.С.КОСТЯЕВ

академик РААСН, доктор технических наук, профессор, Б.А.КРЫЛОВ доктор технических наук, профессор, В.Г.МИКУЛЬСКИЙ

Ведущая организация:

"НИИкерамзит"

Защита диссертации состоится "¿у " 1998 г.

в У7 часов, в ауд. «а заседании диссертационного

совета Д 114.05.08 по специальности 05.23.05 "Строительные материалы и изделия" Московского госудгц генного университета

путей сообщения (МИЙТа) по адт-.зсу:

зсква, ■■, 15

С диссертацией можно озна.

университета.

Диссертация в виде научно!

§С1Р31 1998г.

Ученый секретарь диссертациси кандидат технических наук, доце

Шк

н

А

З?9'3 ~ 99

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Начиная с 6С)£ годов текущего столетия, наблюдалось интенсивное развитие производства и применение легкобетонных конструкций, что позволило уменьшить массу возводимых сооружений, экономить арматурную сталь, снизить трудозатраты. Практика применения легких бетонов на пористых заполнителях показала их высокую технико-экономическую эффективность: стоимость строительства в среднем уменьшается на Ъ..Л%, а в отдельных регионах - на 15%. Россия располагает богатыми источниками сырья для производства искусственных пористых заполнителей, что должно способствовать в дальнейшем развитие производства конструкций из легких бетонов. К ним относятся глинистые породы, а также многотоннажные отходы в виде зол ТЭС, огненно-жидких шлаков черной и цветной металлургии, вскрышных пород при угледобыче, использование которых позволит улучшить экологическую ситуацию в стране.

Однако развитие производства и применения легкобетонных конструкций в строительстве сдерживалось недостаточной изученностью химической стойкости легких бетонов на пористых заполнителях.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

I

I" Установление причинно-следственной связи в цепи явлений "ка-

Ылярное взаимодействие пористого заполнителя с цементным теслом ^-формирование структуры—¡^проницаемость и химическая стой-

|Ггьп легкого бетона на пористых заполнителях.

- . Обоснование возможности и целесообразности расширения сферы 4

применения несущих конструкций из легкого бетона в промышленном, транспортном и сельскохозяйственном строительстве.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Установлена причинно-следственная связь между капиллярным взаимодействием пористого заполнителя и цементного теста (камня), структурообразованием, проницаемостью и химической стойкостью конструкционного легкого бетона на пористых заполнителях.

Кинетика физических процессов структурообразования легкого бетона дополнена экспериментальными данными по нестационарному мас-сообмену в неизотермических условиях между пористым заполнителем и цементным тестом (камнем) при твердении бетона.

Впервые установлена полная картина кинетики давления воздуха в пористом заполнителе при твердении легкого бетона. Зафиксировано образование вакуума в гранулах заполнителя. Определена продолжительность капиллярной контракции в процессе твердения легкого бетона.

Разработана конструкция датчика-влагомера, с помощью которого установлена кинетика влагообмена между пористым заполнителем и растворной частью при твердении легкого бетона.

Для оценки капиллярного потенциала пористых заполнителей при взаимодействии их с цементным тестом легкобетонной смеси предлагается показатель - капиллярное водопоглощение заполнителя, определяемый с помощью прибора конструкции автора. В соответствии со значением капиллярного водопоглощения произведена классификация пористых заполнителей.

Изучены структурные особенности легких бетонов и впервые определены прочность цементного камня контактной зоны, толщина кон-

А7

тактной зоны, влияние водоцементного фактора, влажности и вида пористого заполнителя на прочность цементного камня контактной зоны. Показано, что легкие бетоны обладают большей извилистостью поровых каналов в сравнении с тяжелыми бетонами.

Получены новые данные по гидравлической активности пористых заполнителей при испытании их в виде проб гравия и щебня в растворах цементноводной суспензии.

Впервые изучены диффузионная проницаемость легких бетонов, а также проницаемость их различными флюидами при малых давлениях. Эксперименты показали, что конструкционные легкие бетоны естественного твердения и, пропаренные по оптимальным режимам, обладают меньшей проницаемостью, чем тяжелые бетоны.

Замена кварцевого песка в легком бетоне на пористый песок позволяет получать бетоны с плотностью 1200 кг/м3 , не уступающие по водонепроницаемости при малых и больших давлениях воды, а также по химической стойкости тяжелым бетонам.

В работе впервые экспериментально исследовано воздействие на легкий бетон минеральных масел, охлаждающих эмульсий и водного раствора щелочи. Показано, что легкий бетон обладает большей мас-лостойкостью в сравнении с тяжелым бетоном.

Маслопроницаемость бетона зависит от содержания в заполнителе кремнезема.

Предложен метод регулирования химической стойкости легкого бетона путем выбора пористого заполнителя.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Легкие бетоны на пористых заполнителях, как свидетельствует отечественный и зарубежный опыт, по своим технико-экономическим

- б

показателям значительно превосходят тяжелые оетоны. Только уменьшение массы бетона на 10$ приводит к уменьшению стоимости конструкции на 3%. Многие регионы России, в том числе Мордовия, Коми, Калмыкия, Тюменская, Тамбовская, Волгоградская, Астраханская и другие области не имеют месторождений горных пород для плотных заполнителей (площадь этих регионов составляет 50$ всей территории страны). В тоже время они располагают сырьевыми ресурсами для производства искусственных пористых заполнителей. Применение легких бетонов в таких регионах становится одним из определяющих условий повышения эффективности строительства.

Комплексные исследования процессов структурообразования и химической стойкости легких бетонов позволили научно обосновать практические рекомендации по снятию ограничений в применении конструкционных легких бетонов на пористых заполнителях при воздействии кислых и солевых сред, технических масел и охлаждающих эмульсий.

Результаты экспериментальных исследований прошли проверку и внедрение на объектах Среднего Поволжья при строительстве очистных сооружений, фундаментов под котлы-утилизаторы, резервуаров, опытного напорного водовода, сельскохозяйственных производственных зданий, автодорожного моста, каналов оросительной системы. Внедрение результатов работы позволило получить экономический эффект в сумме более I млрд.руб.

Автором разработаны "Межреспубликанские технические условия (МРТУ 21-21-66) на дробленый керамзитовый песок для легких бетонов". Результаты исследований по коэффициенту формы гранул керамзитового гравия и по содержанию сернистых и сернокислых соединений входили в ГОСТ "Гравий керамзитовый". Разработаны "Временные технические условия на керамзитовый песок, получаемый в печах

(ОС

"кипящего слоя", для легких бетонов", "Временные технические условия на керамзитожелезобетонные изделия для смотровых колодцев водопроводных и канализационных сетей", "Инструкция по регулирование химической стойкости легкого бетона".

Результаты исследований автора направлены на решение практических задач по более широкому применению конструкционных легких бетонов на пористых заполнителях в промышленном, транспортном и сельскохозяйственном строительстве.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Автор начал работать в указанной области в 1958-59 г.г. в связи с применением керамзигобетона в регионе Средней Волги.

Основные научные и практические результаты работы доложены на I и П Всесоюзных конференциях по легким бетонам, 1970 и 1975, Минск; на Всесоюзной конференции по легким бетонам, 1985, Ереван; на Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений", 1977, Киев; на Всесоюзном семинаре работников керамзитовой промышленности, 1978, Куйбышев; на Всесоюзном совещании "Опыт применения легких и эффективных конструкций в промышленном и гражданском строительстве", 1974, Тула; на конференции "Применение и перспективы развития легких бетонов в строительстве", 1987, Ашхабад; на П Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта", 1996, Москва; на Ш академических чтениях РААСН "Актуальные проблемы строительного материаловедения", 1997, Саранск и других конференциях.

Основные положения работы изложены в публикациях (62 наименования), в том числе получено 2 авторских свидетельства на изобретения, и нашли отражение в грудах зарубежных исследователей

2-2891

Ти[$Штег, У'ЛЛшпшъ, ^пШсап СрпсЫг ).

Основные положения работы изложены в учебном пособии автора "Стойкость легкобетонных конструкций", ряд положений воили в учебное пособие "Строительные материалы на железнодорожном транспорте" и используются при чтении лекций студентам-строителям по дисциплине "Строительные материалы".

Некоторые данные работы автора приведены в монографии Г.А.Бу-жевича "Легкие бетоны на пористых заполнителях" и в учебном пособии И.А.Иванова "Технология легких бетонов на искусственных пористых заполнителях".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Значительный вклад в исследование долговечности бетонов внесли своими работами В.И.Бабушкин, Ю.М.Баженов, В.В.Бабков, П.И.Бо-женов, В.В.Воронин, Г.И.Горчаков, Г.К.Дементьев, Ф.М.Иванов, В.И.Калашников, В.В.Кинд, П.Г.Комохов, П.С.Костяев, Б.А.Крылов, О.В.Кунцевич, У.Х.Магдеев, В.Г.Микульский, В.М.Москвин, Н.А.Мо-щанский, А.И.Минас, В.А.Невский, А.Ф.Полак, О.С.Попова, А.П.Про-шин, А.В.Саталкин, В.П.Селяев, Б.Г.Скрамтаев, В.И.Соломатов, В.В.Стольников, Е.М.Чернышев, А.Е.Шейкин, С.Б.Шестоперов и многие другие.

Фундаментальные исследования свойств и технологии легких бетонов на пористых заполнителях выполнили И.Н.Ахвердов, Г.А.Буже-вич, А.И.Ваганов, В.Г.Довжик, И.А.Иванов, И.Г.Иванов-Дятлов, Ю.Е.Корнилович, С.А.Миронов, Л.П.Орентлихер, Н.А.Попов, М.З.Симонов, Н.Л.Спивак, М.Я.Якубович и др. Широкую известность имеют работы Б.У.Гервика, Т.В.Райхарда, Ф.Крумла, Ж.П.Леви, Д.А.Хансена, Л.А.Торсена, Д.К.Тейчинне, Д.Д.Шиллера, Э.Шорта, Ф.Г.Эрскине, Т.А.Холма, Т.В.Бремнера. И.Б.Невмана.

лч

В работе установлена причинно-следственная связь между капиллярным взаимодействием пористого заполнителя и цементного теста, структурообразованием легкого бетона, его проницаемостью и химической стойкостью.

Основная идея работы: легкие бетоны на пористых заполнителях естественного твердения и, пропаренные по рациональным режимам, обладают большей химической стойкостью в любых жидких агрессивных средах чем тяжелые бетоны при одинаковой химической стойкости заполнителей и прочих равных условиях (состав, объёмная концентрация крупного заполнителя, удобоукладываемость смесей).

Для реализации этой идеи автором выполнялись комплексные экспериментальные исследования, которые составили содержание шести разделов (блоков) работы.

I. ПОРИСТАЯ СТРУКТУРА И КАПИЛЛЯРНОЕ В0Д0П0ГЛ0ЩЕНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ

В качестве объектов исследования использовались искусственные пористые заполнители: керамзитовый гравий Безымянского и Октябрьского заводов, аглопоритовый щебень Минского завода, щебень из шлаковой пемзы Липецкого завода, дробленый керамзитовый песок, а также песок, получаемый обжигом в печах "кипящего слоя".

Основным видом пористого заполнителя в России в течение последних десятилетий был, и, по-видимому, будет оставаться керамзит, который, в сравнении с другими искусственными пористыми заполнителями, обладает высокими техническими качествами.

В нашей работе преимущественно использовались керамзиты Безымянского и Октябрьского заводов, физико-механические свойства

которых практически охватывают почти весь диапазон изменения свойств керамзитового гравия в соответствии с требованиями стандарта, а также учитывая качество продукции, выпускаемой заводами страны.

Керамзитовый гравий Безымянского завода имеет насыпную плотность 250...300 кг/м3 и прочность (по цилиндру) 1,0...1,37 МПа, для керамзитового гравия Октябрьского завода эти показатели составляют 600...700 кг/м3 и 3,4...7,8 МПа. Химический и минеральный состав заполнителей представлен данными табл.1.1 и табл.1.2.

Пористые заполнители, согласно классификации А.ВЛыкова, являются хапиллярно-пористыми телами, так как их капиллярный потенциал значительно больше потенциала поля тяжести. Поровое пространство пористых заполнителей легких бетонов представлено капиллярами и порами самых различных размеров, которые не имеют упорядоченного расположения и какого-либо определенного направления. Геометрия порового пространства зависит от свойств исходного сырья, способа производства и технологических параметров получения пористых заполнителей.

Аглопорит имеет "ноздреватую" неоднородную структуру с крупными открытыми кавернами и порами диаметром от 0,5 мм до 3 мм. Пористость зерен щебня колеблется в пределах АО...60^. Шлаковая пемза содержит поры диаметром от 0,3 до 1,0 мм.

В данном разделе работы исследовалась пористая структура керамзита. Макро- и микроструктура изучались сначала в шлифах и аишлифах. Гранулы керамзита Безымянского завода имеют малопрочную крупнопористую корочку толщиной 1,5 мм, в которой наблюдают-р

ся поры от Ю мм до 0,6 мм. Сердцевина гранул содержит большое количество крупных пор, размер которых в основном 2...3 мм. Керамзитовые гранулы Октябрьского завода имеют мелко-

/су- П -

Таблица 1.1

Химический состав керамзита Безымянского и Октябрьского заводов

Наименование ! Содержание окислов, %

окислов '.Керамзит Безымянского ! Керамзит Октябрьского

! завода ! завода

61,14 60,48

МА 21,2 22,5

М 4,07 1,16

3,90 6,44

Тс 0>> 0,78 0,87

СаО 2,31 2,1

М$0 3,12 1,23

ЯОь 0,48 0,96

№ 3,3 3,98

п.п.п. Отсутств. 0,28

Таблица 1.2

Минеральный состав кристаллической фазн керамзита

Безымянского и Октябрьского заводов

Наименование ! Содержание минералов, %

минералов ¡Керамзит Безымянского ! Керамзит Октябрьского

! завода ! завода

Кварц 11,8

Кристобалит 3,5 3,4

Шпинель 6,4

Гематит 3,0 2,8

Муллит 3,6 6,1

Полевые шпаты 6

Количество кристаллической

фазы_20^5_ 34,6

3-2891

пористую тонкую корочку, толщина которой в среднем около 0,15 мм. Сердцевина гранул плотная и имеет мало крупных пор. Размер их в среднем 0,08 мм.

Наряду с микроскопическими исследованиями структура керамзита изучалась нами методом ртутной порометрии. В табл.1.3 и на рис.1 Л приведены результаты определений суммарной пористости и распределения пор по размерам. Структурные характеристики гранита и известняка определялись для сравнения. Кроме того, принималось во внимание и то, что эти заполнители были использованы при исследовании проницаемости и химической стойкости бетонов.

Исследование структуры заполнителей позволило установить, что керамзитовый гравий Безымянского завода при большей общей пористости (75$) содержит почти в 2 раза больший объём микрокапилляров с радиусом от 10"^ мм до 10^ мм в сравнении с керамзитовым гравием Октябрьского завода, то есть обладает большим капиллярным потенциалом. От величины капиллярного потенциала зависят водопог-лощение пористого заполнителя и степень сжатия в нем защемленного воздуха.

Для оценки капиллярного потенциала пористых заполнителей нами предлагается показатель (В), названный капиллярным водопоглоще-нием, который определяется экспериментально с помощью прибора Срис.1.2) конструкции автора по отношению давления защемленного воздуха 0?3) к объёму (V) в куске заполнителя в испытываемой пробе:

см

Таблица 1.3

Пористость керамзитового гравия

1 Содержание иор ! ! Керамзит Безнмянского завода ! Керамзит ! Октябрьского ! завода

всех размеров , см3/см3 0,75 0,66

с 2> Ю"1 мм , см3/см3 0,6366 0,46

% 84,88 69,69

10"1 мм > 2 > Ю~3 мм ,

см3/см3 0,03 0,162

% 4 35

Ю-3 мм > 2 > мм ,

ск3/см3 0,00068 0,00197

$ 0,024 0,42

ш > 2 > Ю"5 мм , см3/см3 0,08289 0,0267

% II 5,8

Ю-5 мм > 2 > 4 • Ю"6 мм , см3/см3 0

% О

0,01299 2,8

3-керамзит Октябрьского а) завода

4-керамзит Безымянского завода

У Ю с^/г

28 2Н ДО Л

а «

к

•го

■а'

» А

б)

¿V

)•' «)■* -Ю"4 10г 3-керамзит Октяб. ./0* 4-керамзит Безнм.

«ЭОЛ 67(ОШ

-

■ «,700 Л

Ц- 1

ч, Л 1 к

V [V

40 ММ

« «2 <А3 /О*

а)

У-^смУг

1-гранит

2-известняк

г""4

ь

< и

N

2 3 ч 5

Л» «р

ю"

в 3 , в »'А

40 мм

1-гранит .-2 2-известняк

ио"" А <10*1

/о

Рис.1.1. Интегральная (а) и дифференциальная (б) пористост�