автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Серобетоны каркасной структуры

РГ8 ОД 1 4 АПР 1998

На правах рукописи ЯушеЕа Любовь Степановна УДК 691.33, 691.888,

№6.97.058

СЕРОБЕТОНЫ КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ Специальность 05.23.05. "Строительные материалы и изделия"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саранск - 1998

Работа выполнена в Московском государственном университет путей сообщения.

Научные руководители: академик РААСН,доктор технических

Официальные оппоненты: доктор -технических наук, профессор

Ведущая организация: ОАО "Трест Мордовпромстрой" Республика Мордовия

Защита состоится " &" М^Я 1998 г. в "/3" час. на заседании диссертационного совета Д.064.73.01 при Пензенской ГАСА по адресу 440028 г. Пенза,ул.Титова, д.28, Пензенская ГАСА. ауд. Э

Автореферат разослан ../Г»

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу диссертацинного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 064.73.01, кандидат

наук, профессор,В.И.Соломатов, доктор технических наук,профессор, В.Т.Ерофеев

В.И.Калашников,

зам.директора ОАО завода ЖБК г.Пензы, кандидат технических наук, доцент А.С.Мишин

технических наук, доцент

Худяков В.А.

Актуальность томи. Создание строительных материалов и изделий, обеспечивающих улучшение физико-механических и эксплуатационных показателей, снижение материалоемкости и трудоемкости их изготовления,- важная задача в области строительного материаловедения.

Одним из эффективных связующих для изготовления бетонов, позволяющих создать материалы с высокими показателями физико-механических свойств и химического сопротивления в растворам солей и кислот, являются техническая сера и серосодержащие отходы. Однако существующие технологии приготовления серобето-ков и изделий на их основе остаются трудоемкими. Особенно трудоемкими являются операции по укладке покрытий и полов из вы-соконаполненных серных композитов. К тому же серобетоны , приготовляемые по общепринятой технологии при переходе в твердое состояние обладают повышенной усадкой.

Перспективным' направлением снижения усадки и трудоемкости изготовления покрытий и полов на основе серобетонов является использование для их изготовления и укладки каркасной технологии, которая предусматривает на первом этапе формирование пористого каркаса путем склеивания зерен крупного заполнителя друг с другом и на втором - заполнение пустот каркаса матрицей. Применение глеев с различными прочностными, деформативны-ми и технологическими свойствами для склеивания зерен каркаса позволяет в широких пределах регулировать физико-технические свойства композитов на серных матрицах. В этой связи изучение технологии получения, закономерностей структурообразоаапкя и фкзкко-техякческих свойств каркасных серобетонов является актуальной задачей.

Цель работы заключается в научном обосновании приемов и методов получения эффективных строительных композитов каркасной структуры на серком связующе.',! для изготовления запглш:: покрытий по строительным конструкциям промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

Научная новнзна. С позиции полиструктурной теории обоснованы принципы формирования серных композиционных материалов каркасной структуры. Установлены закономерности структурообра-зования и технологии изготовления каркасных композитов на уровнях микро- и макроструктуры. Теоретически и эксперимен-

тально обоснованы оптимальные составы композитов для изготовления покрытий и полов, стойких в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред. Исследовано влияние природы и дисперсности наполнителя, его количественного содержания на структурообразование, прочность и долговечность серных композитов. Разработаны и исследованы каркасы на различных связующих и заполнителях. Разработаны технология прготовления и установлены физико-механические свойства композитов каркасной структуры. Предложены активные добавки для серобетонов, позволяющие поеысить их физико-механические свойства, а также долговечность в условиях воздействия химических агрессивных сред и.микрорганизмов.

Практическое значение работы заключается в разработке технологии изготовления композитов на серном связующем и оптимизации их составов для эксплуатации в условиях воздействия воды, водных растворов кислот, щелочей,- солей, минеральных удобрений, сред животноводческих зданий и микроскопических организмов. Разработаны модифицированные серные бетоны каркасной структуры, позволяющие снизить расход серного связующего, увеличить прочность, деформативность, грещиностойкость.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при изготовлении плит пола двухслойного поперечного сечения на АО "ЖБК-1". Осуществлен выпуск опытной партии облицовочных плиток на серном связующем в Атяшевском ДРСУ.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях в г.г.Одессе (1996), Минске (1997)', Суздале (1997), Саранске (1994,1995,1996,1997). По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ.

.Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы, пяти приложений и содержит 170 листов машинописного текста, 55 рисунков, 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложена цель диссертационной работы, показана научная новизна, ■ практическая значимость и внедрение полученных результатов .

В первой главе приводятся анализ литературных данных по структурообразованию, свойствам, технологии изготовления и применению строительных композитов. Указаны эффективные области применения материалов на серных связующих.

Современное представление о структуре, технологии и свойствах КСМ, в том числе и на серных связующих, основывается на работах В.И.Соломатова, Ю.М.Баженова, А.Н.Нобрьппева, П.Г.Комохова, А.П.Прошина, Р.З.Рахимова, В.П.Селяева, В.А.Вознесенского,В.Н.Вырового, В.Т.Ерофеева, С.М.Ицковича, В.И. Калашникова, В.В.Патуроева, ¡0. И. Орловского, И.А.Рыбьева, В.Д.Черкасова, В.Г.Хозина, Ю.Г.Иващенко, А.П.Федорцова, А.С.Мишина, N.G.Shrive, B.Gregor, M.A.Schwartz и других исследователей. Анализ разработок авторов показывает, что, несмотря на большое количество исследований по строительным материалам на основе серных.связующих, в настоящее время структурообразо-вание, технологии изготовления и физико-технические свойства серобетонов каркасной структуры остаются матоизученными. Далеко не исчерпаны возможности улучшения физико-механических свойств и долговечности серных композитов с помощью модифицирующих добавок, наполнителей различной природы. Не изучены вопросы биодеградации КСМ на основе серных связующих.

Во второй главе сформулированы цель и задачи исследований, приводятся сведения об используемых методах и материалах. При выполнении исследований в качестве связующего применялась сера техническая,а наполнителями служили: пиритные огарки, кварцевый песок, фосфогипс, кирпичный бой и другие материалы.

При изготовлении каркасов в качестве связующих брались портландцемент, нефтяной битум, натриевое жидкое стекло, эпоксидная смола. Жидкое стекло отвервдали с помощью пиритных огарков, а эпоксидную смолу - полиэтиленполиамином. В качестве крупных заполнителей применяли гранитный щебень и керамзит.

При исследовании физико-технических свойств связующих и серобетонов были использованы механические, физико-химические и

математические методы. Определение физико-механических характеристик производилось по методикам соответствующих ГОСТ. Химическую стойкость композитов устанавливали по изменению показателей прочности, модуля упругости, массосодержания образцов, выдержанных определенный период времени в жидких агрессивных средах. В качестве агрессивных сред рассматривались вода, водные растворы едкого натра, минеральных удобрений, серной и соляной кислот 10% концентрации, растворители, дизельное топливо, а также среда животноводческих зданий. Агрессивные среды и их концентрации выбраны из условий применения каркасных серо-Сетонов в промышленном и сельскохозяйственном строительстве, а также для устройства и ремонта автодорог.

Результаты испытаний и измерений обрабатывались с помощью статистических и математических методов планирования эксперимента.

В третьей главе рассмотрены закономерности структурообра-зования серных композитов на уровнях микро- и макроструктуры. Образование макроструктуры каркасных серобетонов производится путем заполнения пустот каркаса матричной композицией при оптимальной температуре. Приведены оптимальные соотношения размеров заполнителей каркаса и матрицы, обеспечивающие качественное заполнение пористого каркаса. Показано, что процесс пропитки каркаса серной матрицей следует закономерностям движения вязкой или вязко-пластичной композиции в канале круглого сечения .

Оптимальная структура серных композитов на микроуровне формируется при использовании модифицирующих добавок и наполнителей, образующих улучшенную контактную зону по связующим. .Результаты физико-химических и механических исследований, приведенные в настоящей главе, показывают, что введение минеральных наполнителей позволяет в широких пределах регулировать свойства наполненных серных композиций. Установлено улучшение контактного взаимодействия серного связующего с пиритными огарками, фосфогипсом, кирпичным боем, кварцевым песком. Введение таких модифицирующих добавок, как малеиновый ангидрид, перманганат калия, жидкий каучук, улучшает физико-механические свойства серных матричных композитов.Также установлено, что высокая прочность и долговечность наполненных серных компози-

тов достигаются путем физико-химической модификации поверхности кварцевого наполнителя перманганатом калия из водного раствора.

Б четвертой главе изложены результаты исследований прочности, деформативности, трещиностойкости, морозостойкости, теплопроводности серобетонов каркасной структуры на комплексных связующих. В этом.случае в одном композите объединяются серные матричные композиции и каркасы, получаемые склеиванием зерен заполнителя ¡шеями различной природы: битумными, поли-мербитумшми, полимерцементиыми, полимерными и др.

Для каркасных . серобетонов характерна минимальная усадка. Усадочные деформации матрицы сдерживаются предварительно сформованным каркасом. Установлено, что применение эпоксидных и цементных каркасов при получении серобетонов позволяет повысить прочность материалов в 1,5 раза. Показано, что за счет применения битумных каркасов достигается получение серобетонов повышенной деформативности и водостойкости. Модуль упругости и водопоглощение у данных композитов соответственно в 1,2 и 2,4 раза меньше по сравнению с материалами составленными полностью на серном связующем.

Исследованы стойкость к истирающим нагрузкам и основные деформативные показатели каркасных композитов. Показано, что модуль упругости и коэффициент поперечной деформации композитов определяются деформативностью матрицы, клея каркаса и заполнителей. Приводятся результаты исследований морозостойкости матричных и каркасных композитов. Показана повышенная морозостойкость у серобетонов,составленных на каркасах с применением клеевых композиций, понижающих структурные напряжения между заполнителем и матрицей. Исследована теплопроводность серных каркасных композитов в зависимости от вида заполнителя. Установлено, что низкая теплопроводность соответствует серобетонам на заполнителе из керамзитового гравия (ниже в 1,3 раза, чем в случае применения гранитного щебня).

. В пятой главе приведены исследования химического сопротивления матричных составов на серных связующих. Экспериментально установлены зависимости изменения химического сопротивления композитов от вида и.количественного содержания модифицирующей добавки, природы, дисперсности наполнителя, степени

наполнения при выдерживании в воде, водных растворах щелочей, кислот , минеральных удобрений, растворителях, бензине, дизельном топливе, а также технологических средах животноводческих помещений. .

Показано повышение водостойкости серных матричных композитов при введении в их состав добавок битума, каучука и пер-манганата кадия. При оптимальном содержании модифицирующих до-' бавок водостойкость композитов повышается в 2,3, 3, 2 раза по сравнению с составом без добавок. Подобраны наиболее эффективные наполнители для серных связующих и осуществлена оптимизация наполненных составов, эксплуатирующихся в различных агрессивных средах.- Наиболее Еысокая химическая стойкость в щелоче-содержащих средах, а также в растворителях и маслах характерна для составов, наполненных пиритными огарками. Составы, наполненные кварцевым порошком показали повышенную химическую стойкость в растворах кислот. Получены матричные композиции с повышенным химическим сопротивлением с добавками, активно взаимодействующими с агрессивной средой. Показано, что при введении оксида цинка и ацетата свинца щелочестойкость составов повышается соответственно на 23 X и 57 %.

В шестой главе рассмотрены вопросы поведения серных композитов в биологически активных средах и пути повышения их биологического сопротивления. Показана поражаемость серных композитов в биологических средах без применения специальной защиты от биокоррозии, а также повышенная биостойкость серных композитов, модифицированных битумом, перманганатом калия,жидким каучуком, и при применении в них в качестве наполнителя пиритных огарков. Выявлены добавки, сообщающие серным композитам фунгицидные свойства: М-динитробензол, бифенил и тетраб-ромп-крезол. Введение данных добавок в количествах 1, 2,5 и 5 X позволяет исключить заселение изделий микроскопическими грибами и тем самым улучшить экологическую ситуацию в производственных и животноводческих зданиях. Испытания также показали, что в некоторых зданиях,' в которых строительные конструкции не имеют загрязнений, служащих питательными средами, могут быть использованы составы серных композитов с добавками меди углекислой основной и диморфолинсульфида. При введении данных добавок в количествах 2,5 мас.ч. и более на 50 мае. ч. серы и

47,5 мас.ч. пиритных огарков гриСостойкостъ составов повышается в 2 раза.

В седьмой главе приводится принципиальная технологическая схема изготовления серобетонов каркасной структуры, а также обоснована экономическая эффективность их использования.Предложена технология изготовления облицовочных плит и плит пола двухслойного поперечного сечения.

Разработанная технология и составы серобетонов каркасной структуры использованы при изготовлении двухслойных плит пола с защитным слоем из серобетона. В Атяшевском ДРСУ изготовлена опытная партия плиток на серном связующем двухслойного поперечного сечения.

Экономический эффект от применения серобетонов каркасной структуры на комплексных связующих обусловлен уменьшением расхода связующего, снижения трудоемкости приготовления и укладки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Впервые установлены закономерности структурообразования и технологии изготовления серобетонов каркасной структуры, проведена оптимизация'составов по показателям прочности, жесткости и долговечности в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред.

2.Выделены основные структурообразующие факторы для каркасных композитов, показаны оптимальные соотношения размеров заполнителей каркаса и матрицы, режимы пропитки вязкими и вяз-копластичными композициями. Разработана принципиальная технологическая схема изготовления изделий каркасной структуры на серных и комплексных связующих.

3.Проведена оптимизация модифицированных серных композитов с целью улучшения структуры и повышения физико-технических свойства. Подобраны модификаторы, способные взаимодействовать как с серой, так и с другими компонентами композита.При введение пермангалата калия достигнуто повышение прочности на 20 % Введение битума и жидкого каучука позволило понизить жесткость композитов. Методом математического планирования эксперимента проведено моделирование сеойств серобитумных композитов.

' 4.Показана'зависимость изменения прочности, жесткости и долговечности серных матричных композитов от основных структурообразующих факторов: степени наполнения, природы и дисперсности наполнителя. Установлены улучшенные свойства у композитов, наполненных пиритными огарками, кварцевым песком, кирпичным боем, фосфогипсом, цементной пылью.

5.Установлены количественные зависимости деградации серных композитов при,выдерживании в Еоде, водных растворах щелочей, кислот и минеральных удобрений. Показана улучшенная стойкость серобетонов, наполненных пиритными огарками в водных растворах кислот 10 % концентрации, в средах животноводческих зданий с различными показателями рН, в водных растворах минеральных удобрений, а кварцевым песком- в дихлорэтане, дизельном топливе, техническом масле. Показано, что стойкость серобетонов в растворах щелочей повышается при введении добавок оксидов свинца и цинка.

6.Выявлены количественные зависимости деградации серных композитов в различных агрессивных биологических средах. Получены составы,обладающие повышенным сопротивлением в средах ми-цел иальных грибов.При введении М-динитробензола, тетраб-ром-п-крезола, бифенила в серобетоны в количествах соответственно 17.-, 5 2, 5 % на 100 мае. ч. серы исключается заселение и размножение на строительных конструкциях микроскопических грибов.

7.Разработана технология изготовления серобетонов и изделий на их основе.Получены серобетоны на гранулированных, волокнистых и тканевых каркасах.Показано,что серобетоны каркасной структуры обладают улучшенными физико-техническими свойствами. Минимальная усадка позволяет получать трещиностойкие покрытия. Коэффициент теплопроводности у серобетонов на керамзитовом заполнителе менее- 1,8 Вт/мК. Использование битумных каркасов увеличивает деформативность серобетонов в 2 раза, а водопоглощение снизить в 1,3 раза. Применение эпоксидных и цементных каркасов позволяет повысить прочность серобетонов более чем в 1,5 раза.

3. Разраоотана технология приготовления антикоррозионных покрытий и облицовочных плиток на основе серобетонов каркасной структуры. Результаты исследований приняты для внедрения в АО "ЖБК-1" для использования при устройстве покрытий полов в КС-26 п.Торбеево. Осуществлен выпуск опытной партии облицивоч-пых плиток на серном связующем в Атяшевском ДРСУ.

Основные результаты работы содержаться в следующих публикациях:

1. Ерофеев В.Т., Соломатов В.И., Яушева Л.С. Композиты на серных связующих для устройства и ремонта дорожных покры-тий//Экономия энергии при строительстве, эксплуатации автомобильных дорог и производстве строительных материальных.- Суздаль, - 1995. - С.55-56.

2. Яушева.Л.С., Баргов Е.Г. Разработка технологии изготовления дорожных покрытий на основе композитов, составленных с применением комплексных связующих//ХХ1У Огаревские чтения. -Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1995, Ч.З. - С.107.

3. Ерофеев В.Т., СоломатоЕ В.И., Яушева Л.С. Исследование местного сырья и отходов промышленности при получении серобе-тонов//Современные проблемы строительного материаловедения.-Казань: Изд-во КГАСА, 1996. - С.47-48.

4. Ерофеев В.Т., СоломатоЕ В.И., Яушева Л.С., Калгин Ю'.И., Богатов А.Д., Баргов Е.Г. Биологическое сопротивление строительных материаяов//Компьютерное материаловедение и обеспечение качества. - Одесса: Изд-во ОГАСА, 1997. - С.106.

5. Ерофеев В.Т., Соломатов В.И., Яушева Л.С. Использование серных композитов при строительстве дорог //Вторая конференция молодых ученых Мордовского государственного университета. - Саранск: Изд-ео Мордов. ун-та, 1997. - С.258.

6. Ерофеев В.Т., Соломатов В.И., Яушева Л.С. Технология и свойства строительных композитов на основе серных связую-щих//Вестн. Мордов. ун-та, 1997. - N 2-3. - С.134-139.

7. Соломатов В.И.,Ерофеев В.Т., Яушега Л.С. Серобетоны каркасной структуры //Инженерные проблемы современного бетона и железобетона. - Минск, 1997. - Т.2,- С.213-219.

Подписано в печать 24. 03. SS. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ N 225.

Типография Издательства Мордовского университета 430000, Саранск, ул. Советская, 24.