автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка составов и технологии модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов

На правах рукописи

Потапов Александр Александрович

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ НАЛИВНЫХ ПОЛОВ

Специальность 05.23.05 «Строительные материалы и изделия»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Волгоград -2013

005541924

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

Акчурин Талгать Кадимович кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Иващенко Юрий Григорьевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина», заведующий кафедрой «Строительные материалы и технологии»

Пушкарская Ольга Юрьевна кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Технология обработки и производства материалов»

ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Защита состоится 20 декабря 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, ул. Академическая 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан & // 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Акчурин

Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Несмотря на большое разнообразие современных строительных материалов, в конструкциях промышленных зданий широко используются высокотехнологичные наливные полы на основе цементных бетонов и растворов.

Однако, технология цемента характеризуется высокими топливно-энергетическими затратами, связанными с необходимостью добычи, транспортировки и переработки огромного количества нерудных полезных ископаемых. Поэтому цементные бетон и растворы представляют собой дорогостоящий строительный материал.

Кроме того, использование цементных бетонов и растворов для наливных полов не всегда оправдано в связи с их недостаточной адгезией и пониженными деформативными свойствами, вызывающих разрушение поверхностных слоев бетона.

Приоритетным направлением развития современного материаловедения является создание многокомпонентных цементных материалов, модифицированных минеральными и комплексными добавками, позволяющими направленно воздействовать на процессы структурообразования и твердения цементных растворов и бетонов, а также получать материалы с заданными физико-механическими свойствами.

Поиски путей повышения прочности, плотности, химической стойкости и долговечности покрытий пола производственных помещений привели к созданию модифицированных наполненных бетонов на основе местных сырьевых материалов.

В связи с вышеизложенным, исследования направленные на разработку составов и технологии модифицированных мелкозернистых бетонов с использованием отвальных шлаков электросталеплавильных производств являются актуальными.

Широкое вовлечение в хозяйственный оборот отвальных шлаков электросталеплавильных производств позволяет получать материал с высокими эксплуатационными и специальными свойствами, не уступающими, а иногда и превосходящими, свойства традиционно применяемых материалов на основе портландцемента, решать экономические и экологические задачи.

Цель работы заключается в разработке составов и технологии модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов промышленных зданий с использованием полимерных добавок и отвальных шлаков электросталеплавильных производств.

Задачи исследований:

- обосновать возможность использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств в качестве наполнителя в составе вяжущего и заполнителя в мелкозернистых бетонах для наливных полов;

- обосновать возможность создания эффективных модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов с повышенными физико-механическими свойствами путем введения в состав полимерных добавок;

- разработать оптимальные составы наполненных модифицированных вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе;

- исследовать процессы структурообразования при твердении раствора наполненного модифицированного вяжущего вещества и мелкозернистого бетона на его основе;

- установить основные зависимости свойств наполненного модифицированного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе от технологических параметров;

- разработать рекомендации по технологии модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов;

- провести производственное опробование результатов исследования.

Научная новизна работы:

- обоснована возможность повышения эффективности бетонов для наливных полов промышленных зданий с повышенными эксплуатационными свойствами путем использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств в качестве наполнителя в вяжущем и заполнителя в мелкозернистых бетонах, а так же использование полимерной добавки, способствующей снижению капиллярной пористости, повышению плотности, упрочнению контактной зоны между вяжущим и заполнителем;

- методами рентгенофазового анализа, инфракрасной спектроскопии и электронной микроскопии установлено влияние модифицирующей полимерной добавки на физико-химические процессы, протекающие при гидратации вяжущего и способствующие повышению строительно-эксплуатационных характеристик мелкозернистых бетонов;

- установлены основные зависимости свойств наполненного модифицированного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе от технологических параметров.

Практическая значимость работы:

- разработаны оптимальные составы наполненных модифицированных вяжущих и мелкозернистых бетонов на их основе для наливных полов промышленных зданий с повышенными строительно-эксплуатационными свойствами;

' - разработана технология модифицированных мелкозернистых бетонов с повышенными строительно-эксплуатационными свойствами для наливных полов промышленных зданий;

- доказана экономическая эффективность использования разработанных составов модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов.

Экологическая значимость. Экологическая значимость работы заключается в использовании крупнотоннажных отходов отвальных шлаков электросталеплавильных производств в технологии получения наливных полов из модифицированных мелкозернистых бетонов, что позволяет решать экологиче-

ские проблемы, расширить сырьевую базу, обеспечить определенную экономию энергетических ресурсов.

Внедрение результатов исследований. Опытно-промышленное опробование результатов исследований осуществлялось при устройстве покрытия пола котельной на заводе ОАО "Фирма ЖБИ-6" г.Волгограда и при ремонтно-восстановительных работах, проведенных ОАО «Управление Фасадрсмонт Волгоградгражданстрой».

Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась в период с 2010-2013 гг. Основные положения диссертационной работы доложены на международных, всероссийских и внутривузовских научных конференциях и семинарах в том числе: ежегодных научно-технических конференциях ВолгГА-СУ (Волгоград, 2010-2013г.г.); Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (Волгоград, 2010 г.); IV Российской научно-технической конференции международным участием "Социально-экономические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование." (Волгоград - Михайловка, 2011 г.); IV Международной научно-технической конференции "Надежность и долговечность cipon-тельных материалов, конструкций и оснований фундаментов " (Волгоград, 2011 г.); III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г.); IV Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2013 г.)

Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследования, обоснованы теоретические положения, выполнены экспериментальные исследования, их анализ и обобщение, раскрывающее научную новизну и подтверждающее ее практическую значимость. Представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 185 страницах машинописного текста, включает 39 таблицы,рисунков и фотографий, список литературы из 154 наименований, 2 приложений.

На защиту выносятся:

-теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности повышения эффективности бетонов для наливных полов промышленных зданий путем использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств в качестве наполнителя в вяжущем и заполнителя в мелкозернистых бетонах, а так же использования модифицирующей полимерной добавки;

-результаты физико-химических исследований структурообразования при твердении раствора синтезируемого вяжущего вещества и бетона;

-результаты экспериментальных исследований по оптимизации технологических параметров приготовления наполненного вяжущего вещества и модифицированного мелкозернистого бетона на его основе;

-технология наливных полов из разработанного модифицированного мелкозернистого бетона;

-результаты производственного опробования разработанной технологии наливных полов;

-технико-экономическая целесообразность применения наливных полов из разработанного модифицированного мелкозернистого бетона.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении раскрывается актуальность проблемы и обосновывается необходимость проведения исследований по получению модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов с широким вовлечением в их состав отвальных шлаков электросталеплавильных производств, сформулированы цель и задачи исследований, отражена научная новизна и практическая значимость выполненной работы, представлены данные по апробации и внедрению результатов работы.

В первой главе проведен анализ современных покрытий пола производственных помещений. Рассмотрены наиболее перспективные направления повышения эксплуатационных свойств наливных полов промышленных зданий на основе цементных растворов и бетонов за счет качественного модифицирования их структуры полимерными добавками.

В полимерцементном вяжущем полимерный компонент и неорганическое вяжущее вещество подбирают таким образом, чтобы они сочетались рационально, проявляя и дополняя положительные свойства друг друга.

Наиболее часто производителями в качестве модификаторов цементных систем используются латексы полимеров. Это связано с тем, что они более доступны и относительно дешевы. Кроме того, латексные строительные композиты нетоксичны, пожаровзрывобезопасны, имеют хороший уровень потребительских качеств и достаточно высокую эксплуатационную долговечность.

С целью повышения эксплуатационных характеристик полимерцемент-ных композиций и бетонов на их основе рассмотрен вопрос использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств в качестве наполнителей и заполнителей в модифицированных мелкозернистых бетонах для наливных полов.

Анализ химического и фазового состава отвальных шлаков электросталеплавильных производств позволил сделать вывод о возможности и целесообразности применения последних в качестве наполнителей и заполнителей в модифицированных мелкозернистых бетонах, используемых для наливных полов при условии рационально подобранных составов бетонной смеси. Это положе-

ние является рабочей гипотезой, на которой основана данная диссертационная работа.

Во второй главе представлены характеристики исходных сырьевых материалов для приготовления наполненного вяжущего и модифицированного мелкозернистого бетона на его основе для наливных полов.

При постановке и проведении исследований использовались сырьевые материалы со следующими характеристиками:

1. Клинкер портландцементный ТУ 5739-002-0284339-84, продукция ОАО «Себряковцемент» (г. Михайловка, Волгоградской обл.). Минералогический состав клинкера (в % по массе): ЗСа05Ю2 -65,3; 2Са08Ю2 -12 2-ЗСа0А1203 -5,7; 4Са0А1203Ре203 -14,2

2. Гипсовый камень ГОСТ 4013-82, АОЗТ «Минерал-Кнауфф» (В.Баскунчакск, Астрахан.обл.).

3. Отвальный шлак электросталеплавильных производств г.Волгограда: ЗАО «Волгоградский металлургический комбинат» и ОАО ПО «Баррикады», отобранный путем усреднения состава методом квартования.

Химический состав шлака (в % по массе): БЮ^26,22; А12Ог- 8 7" (Ге203+ КеО) - 9,6; СаО - 39,45; МдО - 9,59; К20 - 0,12; Ш20 ~ 0,22; МпО - 3,24; Р205 - 1,52; Б03 - 0,65. Ма = 1,4; Ма = 0,33; К = 2,2. Модуль крупности отвального шлака электросталеплавильных производств, используемого в качестве мелкого заполнителя М, = 2,4.

4. Полимерная модифицирующая добавка - отход ПО «Каустик», образующийся при производстве латекса ВДВХ-65 (сополимер винилиденхлорида винилхлорида) ТУ 2241-336-05763458-2002. Химическая формула: [-(-СН2-СНС1-)к-(-СН2-СС12-)е-]п. По химическому составу аналогичен составу основного вещества.

5. Полифракционный песок ГОСТ 6139, ООО «Цемсэнд» (г.Подольск).

6. Вода ГОСТ 23732 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия.»

Изучение свойств вяжущего и мелкозернистого бетона проведены с применением оборудования и методик как стандартных, регламентируемых нормативными документами, так и нестандартных, отвечающих современному уровню исследований и обеспечивающих необходимую точность измерений. Достоверность полученных результатов подтверждена математической обработкой большого количества экспериментальных данных.

В третьей главе представлены исследования по повышению эффективности модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов.

Оптимальные условия для активации процессов агломерации и срастания частиц в наполненных цементных системах могут быть достигнуты применением наполнителей различного фракционного состава, уплотняющих структуру и заполняющих пустоты.

Наличие скрытой активности отвальных шлаков электросталеплавильных производств подтвержденная присутствием в них таких минералов как белит двух модификаций : р-С2Б (ларнит) (<3=3,83; 2,282; 1,811; 1.584А), и у-С2Б

((1=2,179; 2,459; 2,797; 3,01; 3,389А) (рис.1), дает возможность рекомендовать из в качестве наполнителя в композиционном вяжущем.

Рис.]. Рентгенограмма отвального шлака электросталеплавильных

производств

Это дает возможность рекомендовать отвальные шлаки электросталеплавильных производств в качестве наполнителя, а соответствие требованиям ГОСТ 5578-94 «Щебень и песок из шлаков черной и цветной металлургии для бетонов. Технические условия» в качестве заполнителя в бетонах.

В результате проведенных исследований установлено, что совместный помол портландцементного клинкера, гипса и шлаков электросталеплавильных производств до удельной поверхности композиционного вяжущего 300-450 м"/г обеспечивает снижение энергозатрат на 22-28%.

При выборе полимерной добавки руководствовались тем, что отход, образующийся при производстве латекса ВДВХ-65, по составу аналогичен составу основного вещества и ближе всего стоит к бутадиен-винилиденхлоридным латексам и латексам на основе винилиденхлорида, винилхлорида и акрионит-рила. Эти латексы морозостойки, хорошо смешиваются с наполнителями, устойчивы к разведению водой и механическим воздействиям, относятся к 4-му классу опасности. В их состав входят ПАВ, поэтому не требуется дополнительного введения суперпластификатор для обеспечения высокой подвижности самовыравнивающихся систем для наливных полов.

Эффективность применения полимера оценивалась в соответствии с требованиями ГОСТ 30459-2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Методы определения эффективности».

Подбор оптимального состава композиционного вяжущего осуществлялся методом математического планирования. Проанализировав полученное в результате уравнение регрессии:

У = 39,15 + 1,63л', -2,19Х2 + 1,18Л', - 3,62Л',2 -2,ПХ\ - 0Д7Л',2 - 0,73Л',Л'2 был сделан вывод, что оптимальный состав модифицированного композиционного вяжущего, обладающего прочностью 38-40 МПа получают путем

совместного помола портландцементного клинкера, гипса и 20-40 % отвальных шлаков электросталеплавильных производств до удельной поверхности 3500-4500 см2/г. Количество модифицирующей добавки, вводимой с водой затворения, составляет 8-10% от массы клинкера.

В дальнейшем полученные данные проверялись опытными замесами и корректировались для производственного применения с учетом других технологических параметров.

Композиционное вяжущее получали совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и отвального шлака электросталеплавильных производств в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности 35004500 см"/г. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка».

Результаты физико-механических испытаний представлены на рис. 2.

5,5 1

5 4,5 4

3,5 " 3

2,5 -

1.5

N Кг Ж

X

Я и

- - N

Г 45 га

с

- 40 2

35 |

30 |

25 я п.

20 2 и

15 ё х

10 5

о.

О

20

30

40

50

60

Содержание отвальных ишаков элсктросталеплавильных производств в композиционном вяжущем, %

Рис. 2. Кинетика изменения прочностных показателей в зависимости от содержания в композиционном вяжущем отвальных шлаков элекгросталеплавильных производств

Введение в состав композиционного вяжущего латекса ВДВХ-65 замедляет процесс формирования структуры (табл. 1).

Таблица 1

Сроки схватывания композиционного вяжущего, модифицированного латексом ВДВХ-65________

Содержание латекса ВДВХ-65, % от массы вяжущего Сроки схватывания, мин

Начало Конец

0 105 440

5 120 460

10 140 465

15 190 480

20 240 490

Влияние латекса ВДВХ-65 на прочностные характеристики композиционного вяжущего представлено в табл.2.

Таблица 2

Прочностные характеристики композиционного вяжущего, _ модифицированного латексом ВДВХ-65_________

Содержание латекса ВДВХ-65, % от массы вяжущего Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при сдвиге, МПа Модуль упругости, МПа 104 Пред. растяжимость, □ 10"3

0 36,9 5,2 10,8 1,81 1,91

5 38,1 5,1 15,1 1,74 2,52

10 39,7 5,5 15,6 1,62 3,11

15 36,2 4,8 15,9 1,65 3,24

20 37,8 5,1 16,2 1,73 3,54

Измельчать композиционное вяжущее модифицированное латексом ВДВХ-65 следует до удельной поверхности 4000-4500 см2/г (рис.3). Дальнейшее увеличение тонкости помола ведет к незначительному приросту прочности и к существенному перерасходу электроэнергии.

Анализируя полученные данные, можно заключить, что оптимизированный состав композиционного вяжущего, модифицированного латексом ВДВХ-65 активностью 40-42 МПа, измельченного до удельной поверхности 3500-4000 см2/г включает: портландцементный клинкер - 70%; отвальный шлак электросталеплавильных производств - 30%; латекс ВДВХ-65- 10% от массы композиционного вяжущего.

Удельная поверхность композиционного вяжущего, модифицированного латексом ВДВХ-65, см2/г

Рис. 3. Зависимость прочностных показателей композиционного вяжущего модифицированного латексом ВДВХ-65 от его удельной поверхности

Процесс гидратации смешанных вяжущих, какими являются разрабатываемые композиционные вяжущие, является двухстадийным процессом. На первой стадии в результате гидролиза и гидратации клинкерных минералов образуются гидроксид, гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Образующийся в результате твердения клинкерной составляющей гидроксид кальция, выступает в качестве активизатора твердения наполнителя (тонкомолотого отвального шлака электросталеплавильных производств) и на второй стадии происходит взаимодействие Са (ОН)2 с активным кремнеземом наполнителя. В итоге происходит образование дополнительных низкоосновных гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция.

Скорость зарождения и укрупнения агрегатов и частиц в цементных суспензиях зависит от размера и формы их отдельных составляющих. В начальный период гидратации поверхность твердой фазы гидроксилирована, поэтому образующимся зародышам кристаллизации, попавшим на поверхность сформированных макрокристаллов, не удается войти в молекулярный контакт, которому препятствует зазор, заполненный жидкостью, и неоднородный рельеф поверхности макрокристаллов. Скорость скольжения микрокристаллов снижается, что приводит к усилению связи с поверхностью и увеличению вероятности их закрепления. В цементных системах, наполненных тонкодисперсными минеральными добавками, кристаллизация гидратов происходит как на частицах цемента, так и на частицах микронаполнителя, и структура материала формируется в системе, состоящей из зерен цемента и наполнителей неопределенных размеров, покрытых гидратными оболочками.

Тонкомолотые отвальные шлаки электросталеплавильных производств, являясь центрами кристаллизации зародышей новообразаваний, образуют развитую поверхность взаимодействия клинкерных минералов с наполнителем (рис. 4 и

х 200

х 2000

Рис. 4. Микроструктура цементного камня в возрасте 28 суток

х 200 X2000

Рис. 5. Микроструктура камня композиционного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и отвальных шлаков электросталеплавильных производстве возрасте 2В суток

Анализ ИК-спектров отвержденного латекса ВДВХ-65 и камня композиционного вяжущего модифицированного латексом ВДВХ-65 показал, что одни и те же функциональные группы, входящие в их состав, имеют практически одни и те же частоты колебаний

Рентгеноструктурный анализ подтвердил, что покрывая поверхность композиционного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и отвальных шлаков электросталеплавильных производств, плотной пленкой латекс ВДВХ-65, не вступает с ним в химическое взаимодействие. Снижая степень гидратации цементного камня, латекс не влияет на его фазовый состав, который остается аналогичным контрольному.

В процессе структурообразования рост кристаллических новообразований ограничивается и образуется мелкокристаллическая структура. Образующиеся при этом микродефекты заполняются полимером (рис. 6).

Если на микрофотографиях камня композиционного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и отвальных шлаков электросталеплавильных производств (рис.5) отчетливо видны отдельные песчинки, поры и цементные новообразования, представленные продуктами гидратации портландита Са(0Н)2 и гидросиликатами мелкокристаллической структуры, то на микрофотографиях камня композиционного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и отвальных шлаков электросталеплавильных производств модифицированного латексом ВДВХ-65 (рис. 6) отчетливо просматривается более плотная и однородная структура, где полимерная добавка равномерно обволакивает продукты гидра-

тации но всему объему композиции, тем самым уплотняя структуру, заполняя поры и упрочняя контакт между зернами наполнителя.

Рис. 6. Микроструктура камня композиционного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и отвальных шлаков электросталеплавильных производств модифицированного латексом ВДВХ-65

в возрасте 28 суток

Если на микрофотографиях камня композиционного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и отвальных шлаков электросталеплавильных производств (рис.5) отчетливо видны отдельные песчинки, поры и цементные новообразования, представленные продуктами гидратации портландита Са(0Н)2 и гидросиликатами мелкокристаллической структуры, то на микрофотографиях камня композиционного вяжущего, полученного совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и отвальных шлаков электросталеплавильных производств модифицированного латексом ВДВХ-65 (рис. 6) отчетливо просматривается более плотная и однородная структура, где полимерная добавка равномерно обволакивает продукты гидратации по всему объему композиции, тем самым уплотняя структуру, заполняя поры и упрочняя контакт между зернами наполнителя.

Исследования влияния вида и количества заполнителя на физико-механические свойства модифицированного мелкозернистого бетона показали, что при увеличении доли заполнителя в смеси снижаются водопо-требность и плотность. Прочность модифицированных мелкозернистые бетонов при соотношениях 1 : 2 и 1:3 изменяется незначительно, поэтому, учитывая экологическую сторону использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств, принимаем за оптимальный состав 1:3.

Проведенные исследования установили влияние полимерной модифицирующей добавки на технологические свойства мелкозернистых смесей.

х 200

х 2000

Введение в состав композиционного вяжущего латекса - ВДВХ-65 позволяет снизить водо-цементное отношение на 30-45%.

Дальнейшее увеличение полимерной модифицирующей добавки приводит к снижению удобоукладываемости смеси (рис.7). Подобное явление объясняется повышением вязкости системы.

Вязкость, Па*с

Рис. 7. Зависимость вязкости модифицированных мелкозернистых растворов от напряжения сдвига при полимер-цементном отношении равном: 1 -0; 2-0,05; 3-0,1; 4-0,15; 5-0,2

Полимер-цементное отношение

Рис. 8. Зависимость водоудерживающей способности модифицированных растворов от полимерцементного отношения

Результаты исследований износостойкости модифицированных мелкозернистых бетонов в зависимости от количества вводимого латекса представлены на рис. 9.

Полимер-цементное отношение

Рис. 9. Зависимость износостойкости модифицированных мелкозернистых бетонов от полимер-цементного отношения

Проведенные исследования износостойкости модифицированных мелкозернистых бетонов показали, что увеличение содержания модифицирующей добавки - латекса ВДВХ-65 до 10% от массы вяжущего повышает износостойкость в 3 раза по сравнению с бездобавочным мелкозернистым бетоном, что способствует увеличению срока межремонтного периода, уменьшению пыле-отделения и улучшению санитарно-гигиенических условий.

В процессе исследований было установлено, что усадка модифицированных мелкозернистых бетонов при полимер-цементном вяжущем от 0,5 до 0,1 протекает наиболее интенсивно в первые 7 суток твердения и приблизительно на 10% ниже, чем усадка не модифицированного бетона (рис. 10).

Результаты исследований по изучению влияния на сцепление полимерце-ментного отношения и оснований подложки представлены на рис. 11.

Уменьшение усадки по сравнению с обычным цементным бетоном происходит за счет пластифицирующего эффекта, входящих в состав латекса ВДВХ-65 компонентов.

В четвертой главе на основании проведенной работы разработаны рекомендации по технологии наливных полов.

Предложенная технология позволяет получать наливные полы с нормативными физико-механическими свойствами и повышенными показателями по морозостойкости, водостойкости и механической прочности на истираемость, снижает себестоимость 1 м2 изделий на 27,2 % по сравнению с цементными.

Время, суг

Рис. 10. Кинетика линейной усадки во времени модифицированных мелкозернистых бетонов при полимер-цементном отношении равном: 1 -0; 2-0,05; 3-0,1; 4-0,2

О 0,05 0,1 0,15 0,2

Полимер-цементное отношение

Рис. 11. Зависимость прочности сцепления модифицированных мелкозернистых бетонов от полимерцементного отношения при составе раствора основания: 1 - 1 : 2; 2 - 1 : 3

В результате проведенных исследований установлено, что долговечность изделий из бесклинкерного бетона выше долговечности бетонов на основе портландцемента, что позволяет также получить экономический эффект в период эксплуатации. Кроме того, использование отходов позволяет существенно расширить сырьевую базу для производства строительных материалов и позволяет решать экологические проблемы охраны окружающей среды.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ ПО РАБОТЕ

1. Подтверждена возможность использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств в качестве наполнителя в составе вяжущего и заполнителя в мелкозернистых бетонах для наливных полов, что открывает новый эффективный путь утилизации отходов электросталеплавильного производства.

2. Подтверждена возможность создания эффективных модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов с повышенными физико-механическими свойствами путем введения в состав отходов производства латекса ВДВХ-65, способствующих снижению капиллярной пористости, повышению плотности, изменению контактной зоны между вяжущим и заполнителем.

3. Разработаны оптимальные составы композиционного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе.

Оптимальный состав композиционного вяжущего, модифицированного латексом ВДВХ-65 активностью 40-42 МПа, измельченного до удельной поверхности 3500-4000 см2/г включает: портландцементный клинкер - 70%; отвальный шлак электросталеплавильных производств - 30%; латекс ВДВХ-65-10% от массы композиционного вяжущего.

Оптимальный состав мелкозернистого бетона прочность 30-32 МПа: 1 : 3 при водо-вяжущем отношении 0,43 и модифицирующей полимерной добавки 10% от массы вяжущего.

4. Исследованы процессы структурообразования при твердении раствора композиционного вяжущего вещества и мелкозернистого бетона на его основе, способствующие повышению технологических свойств и долговечности наливных полов. Модифицированные мелкозернистые бетоны обладают плотной и однородной структурой, где полимерная добавка равномерно обволакивает продукты гидратации по всему объему композиции, тем самым уплотняя структуру, заполняя поры и упрочняя контакт между зернами заполнителя.

5. Установлены основные зависимости свойств композиционного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе от технологических параметров.

6. На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по технологии модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов.

7. Проведено опытно-промышленное опробование результатов исследований при устройстве покрытия пола котельной на заводе ОАО "Фирма ЖБИ-6" г.Волгограда и при ремонтно-восстановительных работах, проведенных ОАО «Управление Фасадремонт Волгоградгражданстрой».

8. Определена технико-экономическая целесообразность производства и применения наливных полов из разработанных модифицированных мелкозернистых бетонов. Использование отвальных шлаков электросталеплавильных производств и отходов производства латекса ВДВХ-65 в технологии наливных полов позволяет снизить себестоимость 1 м2 на 27,2 % по сравнению с цементными.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 публикациях, в том числе:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Потапов, А. А. Полимерцементные наполненные самонивелирующиеся композиции для устройства покрытий полов промышленных зданий/ А. А. Потапов, Т. К. Акчурин // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2013. - Вып. 33 (52). - С. 84-90.

2. Потапов, А. А. Разработка эффективных полимерцементных высокопрочных мелкозернистых бетонов для монолитных полов промышленных зданий/ А. А. Потапов, Т. К. Акчурин // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2013. Вып. 2(27). URL: http://vestn¡k/vgasu/ru/attachments/PotapovAkchur¡n-2013 2(27)/pdf

Публикации в других изданиях:

3. Потапов, А. А. Возможность использования отвальных металлургических шлаков при получении шлакощелочных вяжущих веществ / А. А. Потапов, Т. К. Акчурин, Д. С. Корбут // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование : материалы IV Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Волгоград

- Михайловка, 17-18 мая 2011 г. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. - С. 196199.

4. Потапов, А. А. Высоконаполненный мелкозернистый бетон с использованием микронаполнителя из измельченных отходов металлургии / Н. С. Хи-рис, А. А. Потапов, Т. К. Акчурин // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование : материалы IV Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Волгоград - Михайловка, 17-18 мая 2011 г. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. -С. 207-212.

5. Потапов, А. А. Исследование возможности интенсификации процесса твердения монолитного бетона / А. А. Потапов [и др.] // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование : материалы IV Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Волгоград - Михайловка, 17-18 мая 2011 г. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. - С. 158-162.

6. Потапов, А. А. Полимерцементные самонивелирующиеся композиции на основе техногенных отходов / А. А. Потапов, Т. К. Акчурин // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф., 13-14 окт. 2011 г., Волгоград.

- Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2011. - С. 8-11.

7. Потапов, А. А. Сталеплавильные шлаки в строительной индустрии / А. А. Потапов, Т. К. Акчурин // Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 24 дек. 2010 г., Волгоград : [в 2 ч.]Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011.-Ч. 1.-С. 176-179.

8. Потапов, А. А. Сухие строительные смеси с использованием сталеплавильных шлаков / А. А. Потапов, Т. К. Акчурин // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы III Междунар. науч.-техн. конф., 10-12 апр. 2012 г., Волгоград. -Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012.-Ч. 1.-С. 183-188.

9. Потапов, А. А. Долговечность модифицированных мелкозернистых бетонов / Л. С. Майорова, Т. К. Акчурин, А. А. Потапов // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства ; материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., 23-25 сент. 2013 г., Волгоград. -Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - С. 211-216.

10. Потапов, А. А. Биодеградация и биостойкость композиций модифицированных органоминеральными добавками / А. А. Потапов, Т. К. Акчурин, Р. М. Поникаровских // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф,, 23-25 сент. 2013 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - С. 220-222.

И. Потапов, А. А. Влияние органоминерального модифицирования на структуру и деформативность цементного камня и мелкозернистого бетона / А. А. Потапов, Т. К. Акчурин // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., 23-25 сент. 2013 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - С. 223-227.

Потапов Александр Александрович

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ НАЛИВНЫХ ПОЛОВ

Автореферат

Подписано в печать 11.11.13 г. Формат 60x84/16. Бумага Union Prints. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная Усл. печ. л. 1 . Уч.-изд. л. 1,13. Тираж 100 экз. Заказ № 132

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, 400074 г. Волгоград, ул. Академическая 1

Отдел оперативной полиграфии

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный

университет»

укописи

Потапов Александр Александрович

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ

ДЛЯ НАЛИВНЫХ ПОЛОВ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Акчурин Талгать Кадимович

Волгоград 2013 г.

Содержание

стр.

Введение........................................................................................................................6

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования....................11

1.1. Современные покрытия пола производственных помещений....................................................................................................................11

1.1.1 Наливные (самовыравнивающиеся) полы........................................12

1.1.2. Полы на цементной основе............................................................................13

1.1.3. Наливные полимерные напольные покрытия..............................14

1.1.4. Полимерцементные покрытия....................................................................19

1.2. Возможность использования шлаков металлургических производств с целью расширения сырьевой базы

местных строительных материалов........................................................24

Выводы и заключения по главе 1 ............................................................33

2. Характеристика используемых сырьевых материалов. Методы исследований........................................................................................34

2.1. Характеристика используемых сырьевых материалов..........34

2.2. Методы исследований........................................................................................36

2.2.1. Методы физико-механических испытаний....................................36

2.2.2. Методы физико-химических испытаний..........................................38

2.2.3. Методы математического планирования и

статистической обработки результатов эксперимента............41

Выводы и заключения по главе 2............................................................44

3. Повышение эффективности модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов............................46

3.1. Изучение свойств отвальных шлаков электросталеплавильных производств с целью их использования в качестве наполнителей и заполнителей

в модифицированных мелкозернистых бетонах........... 46

3.1.1. Химический и минералогический состав отвальных шлаков электросталеплавильных производств............ 46

3.1.2. Выбор оптимальной схемы помола компонентов

входящих в состав композиционного вяжущего............ 51

3.2. Исследование технологических свойств композиционного вяжущего, модифицированного латексами винилового ряда.................................... 57

3.2.1. Выбор модифицирующей добавки............................ 57

3.2.2. Оптимизация состава композиционного вяжущего, модифицированного латексом винилового ряда

ВДВХ-65 методом математического планирования....... 58

3.2.3. Оптимизация состава композиционного вяжущего, модифицированного латексом винилового ряда

ВДВХ-65 по технологическим параметрам.................. 66

3.3. Исследование процессов структурообразования модифицированного композиционного вяжущего......... 71

3.4. Влияние вида заполнителя на технологические

свойства модифицированного мелкозернистого бетона ... 81

3.5. Исследование технологических свойств модифицированных мелкозернистых смесей................ 83

3.5.1. Подвижность (растекаемость) модифицированных

мелкозернистых смесей.......................................... 83

3.5.2. Водоудерживающая способность модифицированных мелкозернистых смесей....................................................................................84

3.5.3. Схватывание и твердение модифицированных мелкозернистых смесей..................................................................................89

3.6. Строительно-эксплуатационные характеристики модифицированных мелкозернистых бетонов............................90

3.6.1. Прочность и деформативность....................................................................90

3.6.2. Трещиностойкость................................................................................................93

3.6.3. Износостойкость......................................................................................................103

3.6.4. Усадка................................................................................................................................104

3.6.5. Сцепление и прочность сцепления........................................................106

3.7. Долговечность модифицированных мелкозернистых бетонов..............................................................................................................................109

3.7.1. Пористость....................................................................................................................109

3.7.2. Водонепроницаемость и водостойкость............................................112

3.7.3. Морозостойкость....................................................................................................119

3.7.4. Химическая стойкость........................................................................................120

3.7.5. Биодеградация и биостойкость..................................................................122

Выводы и заключения по главе 3.............................. 126

4. Технология производства модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов. Экономическая эффективность разработанных составов модифицированных мелкозернистых бетонов.............. 129

4.1. Рекомендации по приготовлению и устройству полов на основе модифицированных мелкозернистых бетонов..... 129

4.2. Технико-экономическая эффективность производства разработанных составов модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов.............. 135

Выводы и заключения по главе 4............................................................141

Выводы и заключения по работе............................................................142

Список литературы............................................................................................144

Приложения................................................................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Несмотря на большое разнообразие современных строительных материалов, в конструкциях промышленных зданий широко используются высокотехнологичные наливные полы на основе цементных бетонов и растворов.

Однако, технология цемента характеризуется высокими топливно-энергетическими затратами, связанными с необходимостью добычи, транспортировки и переработки огромного количества нерудных полезных ископаемых. Таким образом, цементные бетон и растворы являются дорогостоящими строительными материалами.

Кроме того, использование цементных бетонов и растворов для наливных полов не всегда оправдано в связи с их недостаточной адгезией и пониженными деформативными свойствами, вызывающих разрушение поверхностных слоев бетона.

Приоритетным направлением развития современного материаловедения является создание многокомпонентных цементных материалов, модифицированных минеральными и комплексными добавками, позволяющими направленно воздействовать на процессы структурообразования и твердения цементных растворов и бетонов, а также получать материалы с заданными физико-механическими свойствами.

Поиски способов повышения прочности, плотности, химической стойкости и эксплуатационной долговечности наливных полов производственных помещений привели к созданию модифицированных мелкозернистых бетонов на основе местных сырьевых материалов.

В связи с вышеизложенным, исследования направленные на разработку составов и технологии модифицированных мелкозернистых бетонов с

использованием отвальных шлаков электросталеплавильных производств являются актуальными.

Широкое вовлечение в хозяйственный оборот отвальных шлаков электросталеплавильных производств позволяет получать материал с высокими эксплуатационными и специальными свойствами, не уступающими, а иногда и превосходящими, свойства традиционно применяемых материалов на основе портландцемента, решать экономические и экологические задачи.

Цель работы заключается в разработке составов и технологии модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов промышленных зданий с использованием полимерных добавок и отвальных шлаков электросталеплавильных производств.

Задачи исследований:

- обосновать возможность использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств в качестве наполнителя в составе вяжущего и заполнителя в мелкозернистых бетонах для наливных полов;

- обосновать возможность создания эффективных модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов с повышенными физико-механическими свойствами путем введения в состав полимерных добавок;

- разработать оптимальные составы наполненных модифицированных вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе;

- исследовать процессы структурообразования при твердении раствора наполненного модифицированного вяжущего вещества и мелкозернистого бетона на его основе;

- установить основные зависимости свойств наполненного модифицированного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе от технологических параметров;

- разработать рекомендации по технологии модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов;

- провести производственное опробование результатов исследования.

0

I

Научная новизна работы:

- обоснована возможность повышения эффективности бетонов для наливных полов промышленных зданий с повышенными эксплуатационными свойствами путем использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств в качестве наполнителя в вяжущем и заполнителя в мелкозернистых бетонах, а так же использование полимерной добавки, способствующей снижению капиллярной пористости, повышению плотности, упрочнению контактной зоны между вяжущим и заполнителем;

- методами рентгенофазового анализа, инфракрасной спектроскопии и электронной микроскопии установлено влияние модифицирующей полимерной добавки на физико-химические процессы, протекающие при гидратации вяжущего и способствующие повышению строительно-эксплуатационных характеристик мелкозернистых бетонов;

- установлены основные зависимости свойств наполненного модифицированного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе от технологических параметров.

Практическая значимость работы:

- разработаны оптимальные составы наполненных модифицированных вяжущих и мелкозернистых бетонов на их основе для наливных полов промышленных зданий с повышенными строительно-эксплуатационными свойствами;

- разработана технология модифицированных мелкозернистых бетонов с повышенными строительно-эксплуатационными свойствами для наливных полов промышленных зданий;

- доказана экономическая эффективность использования разработанных составов модифицированных мелкозернистых бетонов для наливных полов.

Экологическая значимость. Экологическая значимость работы заключается в использовании крупнотоннажных отходов отвальных шлаков

электросталеплавильных производств в технологии получения наливных полов из модифицированных мелкозернистых бетонов, что позволяет решать экологические проблемы, расширить сырьевую базу, обеспечить определенную экономию энергетических ресурсов.

Внедрение результатов исследований. Опытно-промышленное опробование результатов исследований осуществлялось при устройстве покрытия пола котельной на заводе ОАО "Фирма ЖБИ-6" г.Волгограда и при ремонтно-восстановительных работах, проведенных ОАО «Управление Фа-садремонт Волгоградгоргражданстрой».

Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась в период с 2010-2013 гг. Основные положения диссертационной работы доложены на международных, всероссийских и внутривузовских научных конференциях и семинарах в том числе: ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (Волгоград, 2010-2013г.г.); Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (Волгоград, 2010 г.); IV Российской научно-технической конференции международным участием "Социально-экономические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование." (Волгоград - Михайловка, 2011 г.); IV Международной научно-технической конференции "Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов " (Волгоград, 2011 г.); III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г.); IV Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2013 г.)

Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследования, обоснованы теоретические положения, выполнены экспери-

ментальные исследования, их анализ и обобщение, раскрывающее научную новизну и подтверждающее ее практическую значимость. Представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, включает 39 таблиц, 40 рисунков и фотографий, список литературы из 154 наименований, 2 приложения. На защиту выносятся:

-теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности повышения эффективности бетонов для наливных полов промышленных зданий путем использования отвальных шлаков электросталеплавильных производств в качестве наполнителя в вяжущем и заполнителя в мелкозернистых бетонах, а так же использования модифицирующей полимерной добавки;

-результаты физико-химических исследований структурообразования при твердении раствора синтезируемого вяжущего вещества и бетона;

-результаты экспериментальных исследований по оптимизации технологических параметров приготовления наполненного вяжущего вещества и модифицированного мелкозернистого бетона на его основе;

-технология наливных полов из разработанного модифицированного мелкозернистого бетона;

-результаты производственного опробования разработанной технологии наливных полов;

-технико-экономическая целесообразность применения наливных полов из разработанного модифицированного мелкозернистого бетона.

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 1.1. Современные покрытия пола производственных помещений

Во вновь строящихся и реконструируемых промышленных зданиях конструкция пола выбирается с учетом целесообразности их использования в конкретных условиях. Полы в промышленных зданиях должны быть надежными, долговечными. Материалы для их изготовления следует выбирать с учетом их стоимости и максимального использования технических характеристик. С этой целью следует более широко использовать местные материалы и отходы промышленности.

Как известно, полы состоят из нескольких слоев. Чаще всего это верхний слой - покрытие, который подвергается прямым эксплуатационным воздействиям; промежуточный слой (прослойка) - он связывает покрытие с положкой; слой гидроизоляции; слой пола, для выравнивания (стяжка) и слой, который служит для распределения нагрузки на основание (подстилающий).

Наиболее уязвимым элементом пола промышленных зданий является покрытие, тип которого следует назначать в зависимости от вида (потока людей и автотранспортных средств; механических воздействий, возникающих в процессе производства, установке и ремонте оборудования; и т.д.) и интенсивности (слабые, умеренные, значительные) механических, агрессивных жидких сред и тепловых воздействий с учетом специальных требований.

Классификация полов

В зависимости от конструкции и способа устройства покрытия полы разделяются на сплошные (монолитные) и полы из штучных материалов.

Прослойка, выполняемая из песка, цементного раствора или клеящих мастик работает совместно с штучными покрытиями.

Покрытие отсутствует в сплошных полах, которые укладываются непосредственно на стяжку.

Благодаря новейшим технологиям появились полы, удовлетворяющие всем требованиям СНиП 2.03.13-88 - это промышленные самовыравнивающиеся наливные полы.

1.1.1. Наливные (самовыравнивающиеся) полы

Самовыравнивающиеся системы появились на строительном рынке нашей страны в 80-90-х гг. прошлого века. Изначально они служили для выравнивания и нивелирования оснований и не были предназначены для эксплуатации без финишного покрытия. Однако с развитием технологий производители стали выпускать различные типы наливных полов, в том числе и финишные самовыравнивающиеся полы.

Главными критериями наливных полов являются: оптимальное время растекания массы; равномерность изменения объема при твердении; пониженное трещинообразование.

По виду вяжущего самовыравнивающиеся наливные полы для промышленных зданий можно разделить на три группы: полы на цементной основе, полимерные полы и цементно-полимерные полы.

1.1.2. Полы на цементной основе

Наливные полы на цементной основе состоят из цемента, пластификатора и мелкого заполнителя. Применяются к�