автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Шлакощелочные вяжущие и бетоны с добавками молотых компонентов отсева дробления бетонного лома

На правах рукописи

Фатыхов Габдельахат Альфритович

■V я.

ШЛАКОЩЕЛОЧНЫЕ ВЯЖУЩИЕ И БЕТОНЫ С ДОБАВКАМИ МОЛОТЫХ КОМПОНЕНТОВ ОТСЕВА ДРОБЛЕНИЯ БЕТОННОГО ЛОМА

Специальность 05.23.05. — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ГОН 2013

005060980

Казань-2013

005060980

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Рахимова Наиля Равилевна Официальные оппоненты: Гаркави Михаил Саулович

- доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», заведующий кафедрой Строительных материалов и изделий

Недосеко Игорь Вадимович

- доктор технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», профессор кафедры Строительных конструкций

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный

технический университет» им. М.Т. Калашникова, г. Ижевск

Защита диссертации состоится « 21 » июня 2013 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д212.077.01 на базе Казанского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д.1, ауд. 3-203. !

п

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан « /-?» ,л/ЛЛ- 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.А. Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Принятие и развитие в течение последних 20 лет концепции «устойчивого развития» привело к пересмотру стратегий развития наиболее материало- и энергоемких отраслей промышленности, к которым относится и промышленность строительных материалов. В большой номенклатуре строительных материалов одними из наиболее потребляемых являются портландцемент и бетон на его основе, мировое ежегодное производство которых исчисляется миллиардами тонн. Однако, ввиду значительных затрат природных и энергетических ресурсов, нагрузки на экосистемы, поддержание достигнутых и дальнейшее наращивание объемов производства портландцемента становится проблематичным. Актуальная проблема снижения потребления портландцементного клинкера с сохранением значительных объемов производства гидравлических вяжущих может быть решена путем частичной замены портландцемента бесклинкерными безобжиговыми минеральными вяжущими на основе преимущественно промышленных отходов, все возрастающий научный и практический интерес среди которых вызывают активированные щелочами цементы и, в частности, шлакощелочные вяжущие (ППЦВ).

Исследования последних лет как в целом минеральных вяжущих, так и ШЩВ, отличаются направленностью разработок и комплексного изучения композиционных разновидностей. Вопрос снижения расхода шлака для ШЩВ также актуален и перспективен, как и снижения за счет введения минеральных добавок портландцементного клинкера в современных портландцементах, учитывая нестабильность его состава, рост стоимости и транспортных расходов, так и в целях управления свойствами ШЩВ. Благодаря щелочной активации, особенностям химико-минералогического состава и структуры доменного гранулированного шлака, в состав ШЩВ возможно введение минеральных добавок природного и техногенного происхождения в количестве до 80%, что обеспечивает вовлечение в производство ШЩВ местных минеральных ресурсов. Перспективным при разработке композиционных вяжущих является использование крупнотоннажных промышленных отходов, в том числе строительных. Очевидной пригодностью и ценностью в качестве добавки к композиционным шлакощелочным вяжущим (КШЩВ) обладает отсев дробления бетонного лома по причинам близости химико-минералогического состава, нереализованного потенциала портландцемента. Однако, определение возможности использования в качестве добавки молотого отсева дробления бетонного лома к ШЩВ требует учета особенностей их струк-турообразования, аддитивного влияния компонентов добавки, разнообразия применяемых бетонов по составу. Между тем, анализ литературы выявил отсутствие систематических исследований, позволяющих оценить вклад отдельных составляющих отсева дробления бетонного лома в формирование структуры и свойств ШЩВ в зависимости варьируемых параметров ШЩВ и добавки (состава, дисперсности, условий твердения) и использовать их результаты для прогнозирования влияния молотых продуктов дробления бетонного лома разного состава.

Анализ эффективности введения силикатных и алюмосиликатных минеральных добавок при получении композиционных шлакощелочных вяжущих позволил выдвинуть гипотезу о возможности получения эффективных композици-

онных шлакощелочных вяжущих с добавками компонентов молотого боя порт-ландцементного бетона, растворов и бетонов на их основе.

Целью диссертационной работы явились разработка и исследование композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотых компонентов отсева дробления бетонного лома, растворов и бетонов на их основе.

Задачи диссертационной работы:

- анализ современного состояния и недостатков исследований и разработок композиционных шлакощелочных вяжущих с добавкой молотого отсева дробления бетонного лома;

- определение типа, уровня и характера проявления активности молотого отсева дробления бетонного лома как добавки к шлакощелочным вяжущим путем последовательного исследования и сравнительного анализа отдельного и совместного в различных соотношениях влияния его компонентов на комплекс свойств теста и камня КШЩВ;

- выявление закономерностей и установление зависимостей влияния добавок молотых модельных образцов портландцементного камня на свойства теста и камня КШЩВ в зависимости от содержания, вида цемента, удельной поверхности и условий твердения портландцементного камня, вида шлака и затворителя, условий твердения камня КШЩВ;

- выявление закономерностей и установление зависимостей влияния добавок молотых модельных образцов цементно-песчаного раствора на свойства теста и камня КШЩВ в зависимости от содержания кварцевого песка, удельной поверхности цементно-песчаного раствора, вида шлака и затворителя, условий твердения камня КШЩВ;

- исследование влияния на свойства КШЩВ молотого портландцементного камня и отсева дробления бетонного лома в возрасте 10, 30 и 50 лет;

- исследование изменений состава продуктов твердения и структуры камня КШЩВ в присутствии молотых добавок портландцементного камня и цементно-песчаного раствора;

- определение рациональных составов КШЩВ с добавками молотого отсева дробления бетонного лома и исследование свойств мелкозернистых и тяжелых шлакощелочных бетонов на основе разработанных вяжущих.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Установлена значимость факторов влияния на прочность камня КШЩВ с добавками молотого портландцементного камня, убывающая в ряду: вид затворителя > вид шлака > удельная поверхность молотого цементного камня > условия твердения КШЩВ > вид цемента > условия твердения цементного камня. Повышение прочности камня КШЩВ при введении 2,5-20% молотого портландцементного камня с удельной поверхностью 600 м~/кг в возрасте 2 суток составляет до 15,3 раз, 28 суток и 1 года до 1,4 раз.

На основе впервые проведенного анализа отдельного и совместного влияния молотых компонентов модельных образцов цементно-песчаного раствора установлены:

- вклад в повышение прочностных характеристик камня КШЩВ отдельных составляющих цементного песчаного раствора, состоящий в последовательном

проявлении активности молотых портландцементного камня с ранних сроков и кварцевого песка в длительные сроки твердения,

- максимальное повышение прочности камня КШЩВ в возрасте 28 суток до 2 раз, 1 года до 1,6 раз при введении цементно-песчаного раствора с удельной поверхностью 400 м2/кг в области соотношений цемент:песок 1:1-1,5.

При введении молотых добавок портландцементного камня и цементно-песчаного раствора в КШЩВ в составе его камня формируется повышенное содержание новообразований - тоберморита, кальцита, портландита и гелевидной составляющей, интенсифицирующих процессы структурообразования и повышающих прочностные характеристики камня КШЩВ.

Обоснована эффективность использования для получения композиционных шлакощелочных вяжущих молотого отсева дробления, полученного при переработке бетона различного срока эксплуатации, с учетом увеличения степени гидратации портландцемента с 0,64-0,66 до 0,84-0,86 в бетоне возраста от 28 суток до 50 лет, соответственно, и обусловленного этим снижения до 20% упрочняющего эффекта добавки.

Практическая значимость работы состоит в повышении экономической, технической и экологической эффективности шлакощелочных вяжущих, растворов и бетонов, а именно в установлении эффективности комплексного использования отходов металлургической промышленности и строительного комплекса -доменных гранулированных шлаков и молотых отсевов дробления бетонного лома для получения бесцементных композиционных шлакощелочных вяжущих с марками по прочности до М1000, тяжелых бетонов классами по прочности до В80, марками по морозостойкости F800, мелкозернистых бетонов классами по прочности до В60. Установлена возможность замены доменного шлака в составе композиционного шлакощелочного вяжущего до 50% и более молотым отсевом отходов дробления бетонного лома.

Достоверность результатов обеспечена систематическими исследованиями с привлечением стандартных методов испытаний, методов лазерной дисперга-ции при определении фракционного состава добавок и КШЩВ, рентгенофазового анализа, электронной микроскопии, математического планирования экспериментов и статистической оценки результатов экспериментов.

Автор защищает:

- выявленные закономерности и установленные зависимости свойств теста и камня композиционных шлакощелочных вяжущих от вида цемента, удельной поверхности и условий твердения портландцементного камня, удельной поверхности и содержания кварцевого песка в составе цементно-песчаного раствора, вида шлака и затворителя, условий твердения камня композиционного шлакощелочного вяжущего;

- результаты исследований состава продуктов твердения и микроструктуры камня композиционных шлакощелочных вяжущих с отдельными компонентами отсева цементно-песчаного раствора и отсевом дробления бетонного лома различного состава и продолжительности твердения;

- результаты сравнительного анализа отдельного и совместного влияния в различных соотношениях компонентов цементно-песчаного раствора на свойства

теста и камня, состав продуктов твердения и микроструктуру камня композиционного шлакощелочного вяжущего;

- составы композиционных шлакощелочных вяжущих с содержанием молотого отсева дробления бетонного лома, растворов и бетонов на их основе.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях КазГАСУ (Казань, 2008-2012); на международной научно-технической конференции XV Академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010 г.); на Международной конференции «Нанотехнология для экологического и долговечного строительства» (Египет, Каир, 2012 г.); на Международной конференции «18 Internationale baustofftagung, Ibausil» (Германия, Веймар, 2012 г.).

Личный вклад автора. Вклад автора состоит в обосновании актуальности темы, постановке целей и задач исследований, выполнении экспериментальной части работы, обработке, обобщении и анализе полученных результатов, участии в опытно-промышленной апробации разработанных вяжущих.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение Пат. РФ №2434820 «Способ получения вяжущего» (опубл. 27.11.2011, бюл_№33).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, 2 приложений и списка литературы, включающего 155 наименования. Основная часть работы изложена на 162 страницах, содержит 82 рисунков, 22 таблицы.

Автор выражает глубокую благодарность: сотрудникам кафедры строительных материалов КазГАСУ, ФГУП ЦНИИГеолнеруд и кафедры минералогии и литологии Казанского (П)ФУ за помощь в проведении экспериментальных исследований и участие в обсуждении их результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава посвящена анализу современного состояния исследований и разработок по выбранной теме диссертационного исследования.

Анализ состояния проблемы утилизации крупнотоннажных отходов - доменных гранулированных шлаков и бетонного лома, имеющих сырьевую ценность при производстве строительных материалов и минеральных вяжущих показал эффективное использование лишь небольшой доли от объемов их образования и накопления.

На базе аналитического обзора работ Глуховского В.Д., Руновой Р.Ф., Кривенко П.В., Гелеверы А.Г., Цыремпилова А.Д., Davidovits J., Shi С., Palomo А., Roy D., Deventer J., Provis J., Калашникова В.И., Петровой T.M., Хвастунова B.JI., Рахимова Р.З., Рахимовой Н.Р., Гаркави М.С., Недосеко И.В. и др. рассмотрены преимущества, тенденции и проблемы современного развития, перспективы производства и применения активированных щелочами цементов, ШЩВ и КШЩВ как привлекательных с точки зрения сочетания экологической и технической эф-

фективности разновидностей «новых цементных матриц», возможности управления свойствами ШЩВ путем введения в их состав минеральных добавок, классификация по типу активности и сырьевая база минеральных добавок к ШЩВ.

Выполнен анализ результатов ранее проведенных исследований влияния некоторых групп добавок, аналогичных по химико-минералогическому составу отдельным составляющим отсева дробления бетона в последовательности кристаллизаторы твердения, «физически активные» добавки, «физически и химически» активные добавки, «химически» активные добавки, добавки смешанного типа, выявивший:

- положительное влияние отдельных минеральных составляющих отсева дробления бетонного лома на свойства ШЩВ,

- целесообразность классификации молотого отсева дробления бетонного лома для ШЩВ как минеральной добавки смешанного типа активности, сочетающей активность кристаллизатора твердения, благодаря содержанию некоторого количества негидратированных частиц цемента, и физически активной добавки,

- полную неисследованность влияния добавок молотых портландцементного камня и цементно-песчаного раствора, наличия минеральной добавки в составе портландцемента, концентрации мелкого заполнителя в растворной части бетона, удельной поверхности добавки, условий твердения, вида шлака, затворителя и других факторов на комплекс свойств теста и камня, влияния добавки на состав новообразований и структуру камня ШЩВ с добавкой отсева дробления бетонного лома.

На основании литературного обзора сформулированы предпосылки эффективности использования в качестве добавок к ШЩВ молотых отсевов дробления бетонных отходов, цели и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе описаны характеристики исходных материалов и методы исследований.

Для изготовления образцов использовались: основный и кислый гранулированные шлаки Череповецкого (ЧрМК) и Челябинского (ЧМК) металлургических комбинатов; порландцементный камень (ПЦК ДО) на основе бездобавочного ЦЕМ I 32,5Н (ПЦК Д20) и с минеральной добавкой портландцемента ЦЕМ ІІ/А-К (Ш-П) 32,5Н (Ульяновского цементного завода) нормально-влажностного твердения (НВУ) и после тепловлажностной обработки (ТВО); цементно-песчаный раствор (ЦПР) нормально-влажностного твердения на портландцементе ЦЕМ I 32,5Н при соотношении цемент:песок 1:1-1:3; сода кальцинированная техническая 1 сорта производства АО «Сода» г. Стерлитамак; натриевое жидкое стекло производства ГУП «Камэнергострой»; натрия гидроокись производства Стерлитамакского АО «Каустик».

Шлаки размалывались до удельной поверхности (Зуд) 300 м2/кг. Химический состав шлака ЧрМК (в % по массе): БЮ2 - 36,20; СаО- 36,83; А1203 - 9,12; MgO - 10,850; К20+№0 - 0,64; МпО - 0,17; 803 - 1,97. Мо=1,052, Ма=0,252. Минеральный состав: килхоанит, кальцит, ларнит, бредигит - 5-9%, стеклофаза - 9195%. Химический состав шлака ЧМК (в % по массе): 5Ю2 - 37,49; СаО - 36,22; АЬ03 - 11,58; МёО - 8,61; К20+№>0 - 1,59; МпО - 0,50; Б03 -2,00. Мо=0,914, Ма=0,309. Минеральный состав: окерманит-геленит - 3-5%, стеклофаза - 97-95 %.

Добавки ПЦК и ЦПР размалывались до 5уд 200-800 м2/кг и имели следующий состав (в % по массе):

- ПЦК - химический состав: БЮ, - 18,53; СаО - 52,13; АЬ03 - 4,18; Ре203 - 3,30; Л^О - 1,16; К20+Ы20 0,82; минеральный состав: алит, белит, портландит, алюмо-феррит кальция, кварц, кальцит.

- ЦПР1:1,5 - химический состав - 8Ю2 - 58,64; СаО - 23,19; А1203 - 3,25; Ре203-2,21; MgO - 0,54; К20+М20 - 0,81; минеральный состав: алит, портландит, кварц, альбит.

В качестве добавок исследовались также ПЦК и ЦПР в возрасте 10, 30 и 50 лет, полученные при дроблении и просеивании бетонного лома, предоставленного ООО «Экология» (г.Нижнекамск).

Степень гидратации цемента определялась методом прокаливания образцов ПЦК при температуре 520±10°С и оценивалась по содержанию химически связанной воды.

Для изучения свойств ШЩВ, КШЩВ с добавками ПЦК и ЦПР, растворов и бетонов на их основе использовались оборудование и методики, регламентируемые стандартами, и отвечающие современному уровню исследований и обеспечивающие необходимую точность измерения - метод лазерной диспергации объекта, рентгенофазовый анализ, электронно-микроскопический анализ.

При оценке влияния добавок ПЦК и ЦПР на прочность камня КШЩВ в работе использованы понятия «эффективного», при котором наблюдается повышение прочности камня КШЩВ, и «возможного» содержания, не приводящего к ухудшению прочностных характеристик, добавок. За коэффициент эффективности добавок принималось соотношение прочности образца с добавкой к прочности контрольного состава ШЩВ.

В третьей главе представлены результаты первого этапа экспериментальной части работы по исследованию влияния добавок молотого ПЦК на комплекс свойств КШЩВ.

Результаты определения степени гидратации цемента образцов при различном В/Ц и продолжительности твердения показали, что она повышается с увеличением В/Ц и продолжительности твердения с 28 суток до 50 лет с 0,4-0,66 до 0,84-0,87. Более низкая степень гидратации наблюдается у ПЦК, подвергнутого

тво.

Анализ гранулометрического состава ПЦК в зависимости от Буд показал, что наибольшие изменения, заключающиеся в резком увеличении содержания тонкодисперсных частиц, происходят при увеличении Буд с 200 до 400 м~/кг. В образце ПЦК с Буд 200 м2/кг преобладают частицы с размером >100 мкм - 75,5%, а в пробах с Буд 400-800 м2/кг частицы размером 5-10 мкм -29,8-36,6% и 10-30 мкм -54,460,6%.

Изменения водопотребности и сроков схватывания теста КШЩВ с введением молотого ПЦК зависят от его 8уд и описываются линейными зависимостями. При 5уд ПЦК 200 м2/кг и содержании до 60% нормальная густота снижается с 26 до 22% при затворении раствором соды и с 26 до 23,7% с жидкостекольным за-творителем. При введении ПЦК с Буд от 400 до 800 м2/кг водопотребность возрастает прямопропорционально концентрации добавки с 25,8 до 55% с содовым и

с 26 до 37,7% жидкостекольным затворителями. Сроки схватывания с увеличением содержания и Буд добавки независимо от вида затворителя сокращаются.

Исследования влияния Буд молотого ПЦКДОНВУ, вида затворителя, условий и продолжительности твердения на прочность камня КШЩВ, некоторые результаты которых представлены в табл.1 и на рис.1,2 показали, что:

- для зависимостей прочности камня КШЩВ от Буд и содержания молотого ПЦК характерно наличие экстремума, повышение прочности камня после ТВО и в 28-суточном возрасте при твердении в НВУ составляет до 72,5% при эффективном содержании до 29%, возможное содержание - до 47%,

- максимальный упрочняющий эффект добавка ПЦК проявляет при Буд 600 м7кг, что, вероятно, связано с максимальной механической активацией непрогидрати-рованных частиц портландцемента, достигаемой при этой Буд и соответствующему ей гранулометрическому составу,

- в зависимости от Буд ПЦК прочность камня КШЩВ в зависимости от вида затворителя в возрасте 2 суток повышается в 12,3-15,3 раза, 7 суток в 1,9-4,5 раза, 14 суток в 1,7-2 раза, прочность образцов на основе КШЩВ в возрасте 1 года превосходят бездобавочные в 1,3-1,4 раза,

- добавка ПЦК проявляет большую активность в плане интенсификации структурообразования и упрочнения камня КШЩВ при введении в составы с содовым в сравнении с жидкостекольным затворителем.

Рис.1. Зависимости прочности на сжатие камня КШЩВ на основе ПЦК и раствора соды от содержания и Буд ПЦК при твердении: а) НВУ; б) ТВО Исследования влияния ПЦК на среднюю плотность и водопоглощение камня КШЩВ показали снижение средней плотности камня КШЩВ с 1,87 до 1,20 г/см3 и повышение водопоглощения с 10,0% до 31,3%.

Сравнительный анализ результатов исследований влияния добавок молотого портландцементного камня (табл.2) на прочность после ТВО и твердении в НВУ в ранние и длительные сроки твердения камня КШЩВ в зависимости от вида шлака, вида затворителя, вида цемента и условий твердения ПЦК с Буд показали уменьшение упрочняющего эффекта и увеличение содержания ПЦК при использовании для изготовления образцов КШЩВ композиционного портландцемента по сравнению с бездобавочным, кислого шлака по сравнению с основным, ПЦК, твердевшего в НВУ по сравнению с твердевшим при ТВО. Эффективность добавки убывает с уменьшением содержания клинкерной составляющей и увеличением температуры и скорости твердения ПЦК. Повышение основности шлака и

применение жидкостекольного затворителя снижает зависимость эффективности добавки ПЦК от содержания клинкерной части и условий твердения ПЦК.

Рис.2. Кинетика набора прочности КШЩВ с добавками ПЦК, ЦПР при их эффективном

содержании

Таблица 1

Содержание и коэффициенты эффективности добавки ПЦК ДОНВУ (НВУ/ТВО)

Раство р соды Раствор жидкого стекла

200 м"/кг 400 м2/кг 600 м"/кг 800 м'/кт 200 м2/кг 400 м"/кг 600 м"/кг 800 м:/кг

Эффективное содержание, % 20/7,5 15/7,5 7,5/5 5/5 15/15 10/7,5 5/7,5 2,5/2,5

Возможное содержание, % 45/15 32,5/15 25/12 15/10 17/22 15/15 7,5/12 5/11

Коэффициент эффекта вности,% 1,52/1,06 1,62/1,14 1,73/1,32 1,31/1,28 1,10/1,13 1,17/1,27 1,01/1,32 1,02/1,39

Таблица 2

Содержание и коэффициенты эффективности добавок ПЦК

ДОНВУ ДОТВО Д20НВУ Д20ТВО

Эффективное содержание, % 15 20 25 -

Возможное содержание, % 33 35 33 15

Кэ (2 суток) 15,34 10,34 8,84 6,84

Кэ (28 суток/ТВО) 1,62/1,14 1,30/1,01 1,08/1,03

Таким образом, в результате проведенных в этой части экспериментальных исследований выявлено, что влияние молотого ПЦК при его введении в состав ШЩВ состоит в ускорении схватывания и твердения КШЩВ, упрочнении камня КШЩВ, в особенности в ранние сроки твердения. Установлена значимость факторов влияния в формировании прочностных характеристик камня КШЩВ с добавками ПЦК, убывающая в ряду: вид затворителя > вид шлака > условия твердения КШЩВ > вид цемента ПЦК > условия твердения ПЦК.

Введение 7,5-10% добавок молотого ПЦК позволяет получать КШЩВ с маркой по прочности М500 на содовом затворителе и маркой по прочности М1100 на силикатом затворителе.

В четвертой главе представлены результаты исследований совместного влияния компонентов отсева дробления с использованием в качестве модельных образцов добавок молотого цементно-песчаного раствора (ЦПР) на свойства теста

и камня КШЩВ на основе ЧМК в зависимости от содержания, дисперсности, доли песка в ЦПР, условий твердения КШЩВ.

Анализ гранулометрического состава ЦПР при Буд 200-600 м2/кг и соотношении Ц:П=1:1-1:3 показал отсутствие существенных различий в гранулометрическом составе ЦПР при увеличении Буд и содержании песка в добавке, за исключением повышения содержания частиц с размером <5 мкм с 3-5 до 5-14% в зависимости от Буд с изменением соотношения Ц:П ЦПР с 1:1 до 1:3.

На водопотребность теста КШЩВ с добавкой молотого ЦПР оказывает влияние как Буд молотого ЦПР, так и содержание кварцевого песка в его составе. С введением добавок ЦПР при Ц:П 1:1 нормальная густота повышается независимо от Буд и при Буд 200-600 м2/кг и содержании ЦПР до 60% возрастает с 25,8% до 51,3%. Водопотребность теста КШЩВ имеет пониженные по сравнению с тестом бездобавочного ШЩВ значения до 16,2% при введении добавки ЦПР с Ц:П 1:1,5-1:3 и Буд 200 м2/кг. При введении ЦПР с Буд до 400-600 м2/кг с Ц:П 1:1,5 нормальная густота повышается на 48,1-74,8%, 1:2 на 36,8-56,2%, 1:3 на 32,952,3%. Введение добавки, увеличение ее концентрации и Буд сроки схватывания теста КШЩВ сокращает.

Исследования влияния добавок ЦПР на прочность КШЩВ показали, результатом ее введения является повышение прочности КШЩВ с ранних сроков твердения, возможность шлакозамещения, определяемые Буд молотого ЦПР, соотношением Ц:П и условиями твердения КШЩВ.

При невысокой Буд 200 м2/кг независимо от соотношения Ц:П ЦПР имеет свойства физически активной добавки, возможно введение ЦПР в КШЩВ без снижения их прочностных характеристик при твердении в НВУ до 50%, а при ТВО до 30% (рис.За).

Ранняя прочность КШЩВ с введением ЦПР повышается, но в меньшей по сравнению с ПЦК мере, а также зависит от содержания песка в ЦПР. При содержании добавок ЦПР с Ц:П 1:1-1:1,5 и количестве до 25% прочность камня КШЩВ повышается в возрасте 2 суток до 418,7%, 7 суток до 404,8%, 14 суток до 198,7%, в зависимости от Буд и содержания. С увеличением доли песка в ЦПР до Ц:П 1:21:3 влияние добавок на раннюю прочность и интенсивность набора прочности камня КШЩВ уменьшаются. При замене шлака ЦПР с Ц:П 1:2-1:3 в количестве до 30% прочность в возрасте 2 суток повышается до 413,7%, 7 суток до 216%, 14 суток до 83,3%.

По влиянию на прочность КШЩВ в возрасте 28 суток НВУ и после ТВО ЦПР при соотношении 1:1-1,5 превосходит ПЦК и при Буд 400-600 м"/кг и содержании 2,515% повышение прочности составляет до 96,8-97,1% (рис.Зб).

Как и в случае с ПЦК ЦПР проявляет большую эффективность при твердении в НВУ твердения, чем при ТВО. Согласно работам Кривенко П.В. и Гелеверы А.Г. повышение и быстрый набор прочности КШЩВ при введении портландце-ментного клинкера объясняется повышением основности вяжущего, быстрой кристаллизацией новообразований, ускоряющих процесс упрочнения гелевидной фазы и армирующих ее. Однако, вероятно, активность ЦПР, включающая и активность негидратированного цемента, в полной мере не реализуется в условиях ТВО.

О 10 20 ЗО 40 50 60 0 10 20 ЗО 40 50 60 0 10 20 ЗО 40 50 60

а) Содержание добавки, % б) Содержание добав ки, % в) Содержание добав ки, % Рис.3. Влияние добавки ЦПР на прочность камня КШЩВ на основе ЧМК и раствора соды при твердении в НВУ в зависимости от Буд добавки (а-200 м2/кг, 6-400 м~/кг, в-600

м"/кг) и соотношения Ц:П Результаты исследований влияния добавки ЦПР1:1,5 на прочность камня КШЩВ в возрасте 1 года на прочность камня КШЩВ, показывают, что образцы КШЩВ превосходят контрольные до 1,6 раза в зависимости от Буд ЦПР (рис.2).

Результаты исследований влияния добавок молотого ЦПР1:1,5 на прочность камня КШЩВ в зависимости от содержания и Буд при затворении КШЩВ раствором жидкого стекла показывают большую зависимость активности ЦПР от условий твердения, чем от содержания и Буд, и меньшую активность ЦПР в составе КШЩВ по сравнению с составами КШЩВ с содовым затворителем. При твердении в НВУ возможно введение ЦПР только для замены шлака в количестве до 20-30%, а при ТВО ЦПР до 10% повышают прочность до 40,2%. При введении ЦПР 1:1,5 к ШЩВ на основе раствора жидкого стекла до 30% на 2 суток повышение прочности составило до 30%, 7 суток до 11,65%, на 14 суток до 3,36%. В возрасте 1 года прочность образцов КШЩВ до 1,1 раза выше контрольных.

Исследования влияния ЦПР на среднюю плотность и водопоглощение камня КШЩВ, что в зависимости от Буд ЦПР плотность образцов камня КШЩВ с содовым затворителем снижается на 13,2-29,1% с 1,63 до 1,33 г/см3, с жидкосте-кольным затворителем на 14,9-27,2% с 1,73 до 1,48 г/см3. Водопоглощение камня КШЩВ увеличивается до 89,4-169,1% с 19,02 до 27,01% у образцов с содовым затворителем, до 43,7-86,8% с 20 до 26% у образцов с жидкостекольным затворителем, в зависимости от Буд добавки.

Результаты исследований прочностных характеристик растворов на основе ШЩВ и КШЩВ, приведенные в табл.3 показали возможность получения КШЩВ с добавкой молотого ЦПР с маркой по прочности до М500 на содовом затворите-ле и маркой по прочности М1000 на силикатном затворителе.

Таблица З

№ Вид добавки Удельная поверхность добавки, м7кг Содержание добавки, % Вид затворителя Р/Ш Прочность на сжатие/изгиб (МПа) ШЩР в зависимости от продолжительности и условий твердения Марка КШЩВ

3 CVTOK 28 CVTOK тво

1 . _ Р.С. 0.34 0.26/- 40.1/6.0 46.3/7,0 М400

-> ЦПР 400 7.5 Р.С. 0,34 13,3/2,2 73.95/11,31 53,94/8,7 М500

ИПР 200 50 Р.С. 0,34 10.6/1,8 42.1/5,0 30.86/3.7 МЗОО

4 _ Р.Ж.С. 0,36 34.3/3.6 77.5/6,87 77.6/8.0 М700

5 ЦПР 600 2.5 Р.Ж.С. 0.36 34.8/4.9 91.94/8,20 109.33/9.78 М1000

6 ЦПР 200 30 Р.Ж.С. 0.36 30.7/5,0 62.2/6.1 79.53/7.05 М700

100

80

З"

60

40

20

1 ♦ 26 V А ■ 1С суті лет,

РА 30 лет ¡ I

|х5< Злет Г

л -*>

100

80

bf З"

60 -

40

20

Результаты исследований влияния ПЦК и ЦПР различной продолжительности твердения на прочность камня КШЩВ показали, что повышение прочности снижается с увеличением возраста ПЦК (рис.4). Закономерности изменения прочности камня КШЩВ в зависимости от содержания добавок ПЦК и ЦПР различных условий и продолжительности твердения идентичны, что позволяет сделать вывод о возможности прогнозирования влияния добавок ПЦК различного возраста и В/Ц на прочность КШЩВ по результатам исследований влияния на свойства

камня ШЩВ добавок ПЦК и с учетом изменения степени гидратации цемента.

В пятой главе представлены результаты сравнительного анализа отдельного и совместного влияния соотношения компонентов ЦПР на свойства теста и структуру камня КШЩВ. При проведении анализа использованы собственные экспериментальные данные и результаты исследований влияния добавок молотого кварцевого песка (КП) на свойства КШЩВ с содовым затворителем, приведенные в работе Гатауллина Р.Ф. «Композиционные шлакощелочные вяжущие с кремнеземистыми добавками и бетоны на их основе».

Анализ отдельного и совместного влияния компонентов ЦПР на свойства теста показал, что при невысокой Буд добавок 200 м2/кг водопотребность теста КШЩВ возрастает только при Ц:П 1:1, ас добавками ПЦК и ЦПР при Ц:П 1:1,51:3 нормальная густота теста КШЩВ даже ниже водопотребности теста КШЩВ с

i*1 І-*2 \á Зсут П nfí 30 лє т

1x5 Олет

V

10 20 30 40 50 60 Содержание добавки, %

0 10 20 30 40 50 60 Содержание добавки, %

Рис.4. Влияние добавок ПЦК и ЦПР различной продолжительности твердения на прочность КШЩВ

добавкой КП. При дальнейшем увеличении Буд добавок возрастает и водопотреб-ность теста КШЩВ, повышающаяся с уменьшением содержания КП в составе добавки ЦПР. Сроки схватывания сокращаются с введением ПЦК и ЦПР при любом соотношении Ц:П независимо от Буд тогда как для КШЩВ с добавкой КП на начальном этапе характерно сокращение с последующим увеличением начала и конца сроков схватывания. Следовательно, даже при низких Буд и концентрации ПЦК ЦПР интенсифицирует схватывание теста КШЩВ при размере частиц с водопотребностью, существенно не отличающейся от водопотребности КП.

Анализ отдельного и совместного влияния компонентов ЦПР на прочность КШЩВ в сроки от 2 суток до 1 года позволил установить механизм упрочнения камня КШЩВ в присутствии ЦПР, основанный на последовательном проявлении участии в структурообразовании камня КШЩВ механически активированных ПЦК и КП, а также выявить синергетический эффект от их сочетания в ЦПР при соотношении Ц:П 1:1-1,5 (табл.4).

Таблица 4

Эффективность добавок в зависимости от их состава и продолжительности

Продолжительность твердения, суток Эффективность добавок

2 ПЦК> ЦПР1:1 > ЦПР1:1,5 > ЦПР1:2 > ЦПР1:3 > КП

28 ЦПР1:1,5 > ЦПР1:1 > ПЦК >ЦПР1:2 >ЦПР1:3>КП

360 1ТПР1:1.5 > ИПР1:1 > ПЦК >ЦПР1:2 >ЦПР1:3>КП

xia panniviv iipvinvvii/ *■ * - —----------------------■ ■ i &

наибольшему содержанию негидратированного цемента оказывает добавка молотого ПЦК - в возрасте 2 суток она повышается до 1543,7%. С меньшей интенсивностью образцы камня КШЩВ набирают раннюю прочность при введении ЦПР, при Ц:П-1:1-1,5 - до 488,7-823,7%, при Ц:П 1:2-3 - до 141,3-413,7 %.

Очевидно, гидратация механически активированных минералов портланд-цементного клинкера в составе ПЦК протекает преимущественно на ранних этапах структурообразования камня КШЩВ. В дальнейшем в формирование прочности камня КШЩВ вносит свой вклад увеличение прочности сцепления на границе раздела шлакощелочной камень - механически активированные частицы кварцевого песка. Поэтому при дальнейшем твердении в возрасте 28 суток и после ТВО наибольшие показатели по прочности характерны для образцов с добавкой ЦПР при Ц:П 1:1-1,5. Анализ зависимостей влияния добавок на прочностные характеристики камня КШЩВ после ТВО и 28 суток (рис.5) твердения в НВУ и после ТВО обнаружил усиление суммарного эффекта от сочетания ПЦК и КП в ЦПР независимо от Буд и условий твердения, но максимум синергетического эффекта, состоящего в повышении прочности камня КШЩВ до 97,1% и замещении шлака ЦПР до 50% в зависимости от условий твердения, соответствует ЦПР с Ц:П 1:11,5 и Буд 400 м2/кг. Об участии процессов на границе раздела ШЩК-механически активированные частицы КП в нарастании прочности камня КШЩВ при длительном твердении свидетельствуют и данные по приросту прочности образцов камня КШЩВ в возрасте 1года (рис.2).

В рассмотренных пределах варьирования вуд добавки и различных условиях твердения КШЩВ Кэ добавок уменьшается в следующем ряду ЦПР1:1-1:1,5 > ПЦК > ЦПР1:2 > ЦПР1:3 > КП (табл.5). Таким образом, соотношению Ц:П 1:1-1,5 ЦПР соответствует максимальная эффективность добавки как упрочнителя, так и «физически активной» добавки. Синергетический эффект, вероятно, обусловлен следующими факторами. Содержание песка в равном или превосходящем в 1,5 раза соотношении к цементу создает условия для наиболее полного проявления активности ЦПР в плане повышения прочности камня КШЩВ. С увеличением содержания мелкого заполнителя при соотношении Ц:П более 1:1,5 начинает преобладать «физическая активность» добавки с ослаблением интенсифицирующего и упрочняющего эффекта. Кроме того, разрушение частиц двухкомпонентной добавки ЦПР при помоле происходит как по контактной зоне цементный камень-кварцевый песок, так и по зернам кварцевого песка, что способствует повышению их дефектности, поверхностной активности. Известна также возможность проте-

О 10 20 30 40 60 60 0 10 20 30 40 50

Содержание добавки, % 6) Содержание добавки, % в) Содержание добавки, %

Рис.5. Содержание и прирост прочности камня КШЩВ при твердении в НВУ при Зуд добавок: а) 200 00 м2/кг; б) 400 м2/кг: в) 600 м2/кг

Таблица 5

Содержание и коэффициенты эффективности добавок (НВУ/ТВО)

тг . л. л. ХГ ^^ АчЛ... Улаттп.

Коэффи циеит эффективности,

Возможное

содержа' содержа

ние, %

Эффективное

ние, %

Коэффи цаент эффективности,

(К.)

400 м2/кг

Возможное

;о держа- содержа-

ние, %

Эффективное

ние, %

Коэффициент эффективности, (К")

600 м /кг

Возможное содержа ние, %

5/5 1

7,5/7,5 10/10

1,45/1, 1,36/1,04

кания механохимических превращений при измельчении материалов в высокона-груженных измельчителях, к которым относится и планетарная шаровая мельница, использовавшаяся для помола исходных материалов. Вероятно образование гидромета- и карбогидросиликатов кальция при совместном измельчении присутствующего в составе ПЦК портландита Са(ОН)2 с кварцем.

Таким образом, активность ЦПР обеспечивают механически активированные частицы негидратированных минералов портландцементного клинкера, кварцевого песка, возможно образующиеся при помоле гидрометасиликат и(или) кар-богидросиликат кальция. Интенсивность синергетического эффекта ЦПР, меняющаяся при изменении соотношения Ц:П зависит от соотношения перечисленных активированных составляющих ЦПР.

Синергетический эффект при введении ЦПР с соотношением Ц:П 1:1-1:1,5 был выявлен и для составов КШЩВ с жидкостекольным затворителем.

Исследования влияния добавок ПЦК и ЦПР на состав новообразований камня КШЩВ выявили присутствие в составе минералов кристаллической структуры (рис.6) карбоната кальция (вторичный) - СаС03 (¿4=3,849; 3,029; 2,490; 2,280; 2,090А), следов кварца - а-ЗЮ2 (<4=4,240; 3,340А), акерманита -(Са,Ма)2(Т^,А1)[8},А1]207 (¿/«=2,860; 2,040; 1,760 А), тоберморита - Са5(0Н)281б016 4Н20 (¿/„=11,510; 8,132; 2,790; 2,740 А), четырёхкальциевого алюмоферрита С4АБ (¿/„=7,280 А), двух разновидностей двухкальциевого силиката - ларнита - 0-2Са08Ю2 и шеннонита - у-2Са08Ю2 в области углов 29=14-28,5°, алита ЗСаО'8Ю2 в области углов 20=45-47°. Анализ интенсивностей дифракций, представленных на дифрактограмме позволил сделать вывод о том, что добавка ПЦК интенсифицирует процессы гидратации и структурообразования КШЩВ, что подтверждается большим количеством тоберморитового геля, интенсивности которого значительно сильнее проявляются на спектре по сравнению с дифракто-грамой камня контрольного состава. Анализ интенсивностей дифракций, присущих кальциту, также показывает их увеличение на протяжении всего интервала рентгеновской съёмки.

Анализ изображений фрагментов микроструктуры камня КШЩВ с добавками ПЦК и ЦПР показал, что гелеобразную матрицу пронизывают хорошо окри-сталлизованные новообразования игольчатой и пластинчатой структуры, присутствуют непрореагировавшие частицы шлака и поры (рис.7).

Полученные результаты исследований влияния добавок ПЦК и ЦПР на состав новообразований и микроструктуру камня КШЩВ позволили сделать следующие выводы. Влияние ПЦК и ЦПР на состав продуктов твердения и микроструктуру камня обусловлено наполнением камня КШЩВ «физически активным» кварцевым песком и молотым гидратированным цементным камнем, влиянием негидратированных частиц цемента, скоростью их гидратации, формой, размером и объемом продуктов гидратации. Согласно экспериментальным данным, добавки ПЦК и ЦПР способствуют увеличению объема новообразований кристаллической и рентгеноаморфной структуры кальциево-силикатного состава - тоберморита, новообразований с участием кальция - кальцита и портландита. Перечисленные продукты твердения кристаллической структуры игольчатого и пластинчатого габитуса армируют гелевидную фазу камня КШЩВ, оказывая положительное

Рис.6. Дифрактограммы камня ШЩВ на основе ЧМК и раствора соды с добавками: а) бездобавочный: б) ПЦК: в) ЦПР TI 1.3А - тоберморит; C4AF - алюмоферрит кальция: Cal — кальцит: Q - кварц; Ак - акерманит: C2S - белит; C3S - алит

Рис.7. Фрагменты микроструктуры камня ШЩВ на основе шлака ЧМК и раствора соды

(а,б), КШЩВ с ПЦК (в.г), ЦПР (д,е) влияние на прочностные характеристики при сжатии и изгибе с ранних сроков твердения. Повышенная прочность камня КШЩВ в длительные сроки твердения, по всей видимости объясняется длительной гидратацией низкоосновных минералов портландцементного клинкера (двухкальциевого силиката) и упрочнением во времени контактной зоны на границе раздела цементный камень-«физически активная» добавка (кварцевый песок, частицы прогидратированного цемента). Результатом последовательно и параллельно проявляющихся эффектов микроармирования твердеющего камня КШЩВ и наполнения камня ШЩВ с упрочнением во времени контактной зоны ШЩК-КП добавками молотого ЦПР объясняется по-

вышение прочностных характеристик с ранних сроков твердения и возможность замены шлака в количестве до 50%.

В шестой главе представлены результаты исследований влияния добавок ПЦК и ЦПР на свойства мелкозернистых и тяжелых бетонов на основе ШЩВ. На основе разработанных КШЩВ с добавками ЦПР до 50% получены мелкозернистые ШЩБ с маркой М200-М500 и классом по прочности В15-В40 на содовом затворителе, маркой М600-М800 и классом по прочности В50-В65 на силикатном затворителе. Также получены тяжелые ШЩБ марок до М400 (классов до В30) и морозостойкостью до Б400 на содовом затворителе, марок до М1000 (классов до В80) и с морозостойкостью до Б800 на силикатном затворителе.

В приложении 1 приведен расчет экономической эффективности разработанных КШЩВ, показавший пониженную на 50% себестоимость КШЩВ с добавками ЦПР в сравнении с бездобавочным и на 60% с портландцементом.

В приложении 2 приведены сведения об опытно-промышленной апробации разработанных КШЩВ и выпуске.

Основные выводы

1. На основе впервые выявленных закономерностей влияния состава, дисперсности, условий и продолжительности твердения, содержания добавок молотых компонентов отсева дробления бетонного лома на свойства и структуру теста и камня композиционных шлакощелочных вяжущих и бетонов на основе различных доменных шлаков и щелочных затворителей, обоснована эффективность использования для получения композиционных шлакощелочных вяжущих молотого отсева дробления, полученного при переработке бетона различного срока эксплуатации.

2. Впервые проведены комплексные исследования влияния добавок из модельных и производственных молотых портландцементного камня и цементно-песчаного раствора при соотношении цемент:песок 1:1-1:3, имитирующих и представляющих отдельные компоненты отсева дробления бетонного лома и отсев дробления бетонного лома с различным содержанием кварцевого песка на свойства теста и камня композиционного шлакощелочного вяжущего, состав новообразований и микроструктуру камня КШЩВ, показавшие совместимость молотого отсева дробления бетонного лома с молотым доменным гранулированным шлаком и эффективность его применения для управления прочностью камня КШЩВ с ранних сроков твердения с возможностью ее повышения до 15,3 - 2-х раз в разные сроки твердения и содержанием шлака с возможностью его замещения молотым отсевом дробления бетонного лома при соотношении цемент:песок 1:1-1:3 и удельной поверхностью 200-600 м2/кг в количестве до 50% в составе композиционного шлакощелочного вяжущего.

3. Установлены условия и пределы совместимости молотых доменного гранулированного шлака и отсева дробления бетонного лома, значимость варьируемых параметров шлакощелочного вяжущего и добавки в формировании свойств теста и камня композиционного шлакощелочного вяжущего. Значимость факторов влияния на прочность камня композиционного шлакощелочного вяжущего с

добавками портландцементного камня убывает в ряду вид затворителя > вид шлака > удельная поверхность портландцементного камня> условия твердения КШЩВ > вид цемента ПЦК > условия твердения ПЦК. Значимость факторов влияния на прочность камня композиционного шлакощелочного вяжущего с добавками молотого цементно-песчаного раствора уменьшается в ряду: вид затворителя > содержание песка в цементно-песчаном растворе > удельная поверхность цементно-песчаного раствора > условия твердения камня композиционного шлакощелочного вяжущего.

4. Отсев дробления бетонного лома при соотношении цемент:песок 1:1-1:3 и Буд 200-600 м2/кг для шлакощелочных вяжущих представляет собой совместимую с доменным гранулированным шлаком полифункциональную минеральную добавку, сочетающую свойства интенсификатора твердения и наполнителя.

5. Ускорение твердения, упрочнение с ранних сроков и сохранение упрочнения при длительном твердении при введении в состав КШЩВ молотых продуктов отсева дробления бетонного лома связаны с их механической активацией при помоле и формированием повышенного содержания новообразований - тобермо-рита, кальцита, портландита в составе камня КШЩВ и микроструктуры, состоящей из гелевидной основы структуры камня композиционного шлакощелочного вяжущего с добавками портландцементного камня и цементно-песчаного раствора, пронизанной хорошо окристаллизованными новообразованиями игольчатой и пластинчатой формы.

6. Влияние содержания, условий и продолжительности твердения добавок молотых цементного камня и камня цементно-песчаного раствора на свойства камня КШЩВ описываются одинаковыми зависимостями. Уровень изменения прочности камня КШЩВ при этом можно рассчитать с учетом степени гидратации цемента в зависимости от продолжительности твердения.

7. Установлена возможность получения мелкозернистых ШЩБ на основе разработанных КШЩВ с добавками ЦПР до 50% с маркой по прочности М200-М500 и классом по прочности В15-В40 на содовом затворителе, и маркой по прочности М600-М800 и классом по прочности В50-В65 на силикатном затворителе.

8. Установлена возможность на основе разработанных КЩЩВ получения тяжелых ШЩБ марок до М400 (классов до В30) и морозостойкостью до Р400 на содовом затворителе, марок до М1000 (классов до В80) и с морозостойкостью до Р800 на силикатном затворителе.

9. В зависимости от содержания молотых продуктов отсевов дробления бетонного лома от 7,5 до 50% себестоимость КШЩВ снижается на 3,9-28,3%.

10. На предприятии ООО «Ресурс+» на основе разработанного КШЩВ с молотой добавкой цементно-песчаного раствора произведена опытно-промышленная партия тротуарных плит общей площадью 100 м".

Основное содержание проведенных исследований опубликовано в следующих работах: В российских рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ

1. Рахимов, Р.З. Влияние добавок молотых компонентов мелкозернистого бетона на свойства композиционных шлакощелочных вяжущих / Р.З. Рахимов, Н.Р. Рахимова, Г.А. Фатыхов, Д.П. Кузнецов // Известия ВУЗов. Строительство. -2009.-№8.-с.11-15.

2. Рахимов, Р.З. К комплексному использованию шлаков и бетонного лома в производстве шлакощелочных вяжущих / Р.З. Рахимов, Н.Р. Рахимова, Г.А. Фатыхов // Известия КазГАСУ. - 2011. -№2(16) - С. 218 - 223.

3. Рахимова, Н.Р. Влияние добавок молотого портландцементного камня на свойства теста и камня композиционного шлакощелочного вяжущего на основе гранулированного шлака / Н.Р. Рахимова, Г.А. Фатыхов // Научный вестник ВГАСУ. - 2011. - №4(24) - С. 80-86.

4. Рахимова, Н.Р. Комплексное использование шлаков и бетонного лома в производстве шлакощелочных вяжущих / Рахимова Н.Р., Рахимов Р.З., Фатыхов Г.А. // Экология и промышленность России. - 2012. февраль - С. 39 - 41.

5. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Фатыхов Г.А. Пат. РФ №2434820 «Способ получения вяжущего» (опубл. 27.11.2011, бюл.№33).

В других изданиях

6. Фатыхов, Г.А. Влияние добавок молотого портландцементного камня на свойства композиционных шлакощелочных вяжущих /Г.А. Фатыхов, Н.Р. Рахимова, Р.З. Рахимов // Материалы XV академических чтений РААСН международной научно-технической конференции. Казань: КГАСУ, 2010. - С. 160 - 164.

7. Fatykhov, G.A. Nanostructured new growth in composites based on slag-alkaline binding with addition of concrete waste / G.A. Fatykhov // Proceedings of the IV International Conference Nanotechnology for green and sustainable construction. Cairo, Egypt. 2012. - P. 48-56.

8. Rakhimova, N. Alkali-activated slag - C&D waste cements / N. Rakhimova, R.Rakhimov, G. Fatykhov // 18. Internationale Baustofftagung, Tagungsbericht. -Band 1. - Weimar, 2012. - p.1-1054-1060.

Корректура автора

Подписано к печати 16.05.13 Формат 60x84/16 Печать RISO

Заказ № 231 Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГ АСУ. 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д.1.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ШЛАКОЩЕЛОЧНЫЕ ВЯЖУЩИЕ И БЕТОНЫ С ДОБАВКАМИ МОЛОТЫХ КОМПОНЕНТОВ ОТСЕВА ДРОБЛЕНИЯ БЕТОННОГО ЛОМА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

На правах рукописи

04201358270

Фатыхов Габдельахат Альфритович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

научный руководитель:

докт. техн. наук, доцент Рахимова Н.Р.

Казань-2013

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

IIII ЦК - шлакощелочной камень

ШЩВ - шлакощелочное вяжущее

Ш1 ЦБ - шлакощелочной бетон

КПП ЦК - композиционный шлакощелочной камень

КШЩВ - композиционное шлакощелочное вяжущее

КШЩБ - композиционный шлакощелочной бетон

НВУ - нормально-влажностные условия

ТВО - тепло-влажностная обработка

НГ - нормальная густота

НСС - начало сроков схватывания

КСС - конец сроков схватывания

ПЦК - порландцементный камень

ДОНВУ - порландцементный камень на основе ПЦ400Д0, твердевший в нормально-влажностных условиях

ДОТВО - порландцементный камень на основе ПЦ400Д0, подвергнутый тепловлажностной обработке

Д20НВУ - порландцементный камень на основе ПЦ400Д20, твердевший в нормально-влажностных условиях

Д20ТВО - порландцементный камень на основе ПЦ400Д20, подвергнутый тепловлажностной обработке ЦПР - цементно-песчаный раствор

ЦПР 1:1- цементно-песчаный раствор с соотношением цемент:песок 1:1

ЦПР 1:1,5- цементно-песчаный раствор с соотношением цемент:песок 1:1,5

ЦПР 1:2 - цементно-песчаный раствор с соотношением цемент:песок 1:2

ЦПР 1:3- цементно-песчаный раствор с соотношением цемент:песок 1:3

КП - кварцевый песок

БЛ - бетонный лом

ТВО - тепловлажностная обработка

ЧрМК - Череповецкий металлургический комбинат

ЧМК - Челябинский металлургический комбинат

Ясж - прочность на сжатие

Яизг - прочность на изгиб

Буд - удельная поверхность

Р.С. - раствор соды

Р.Ж.С. - раствор жидкого стекла

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................6

1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ПО ПОЛУЧЕНИЮ, ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ И ПРИМЕНЕНИЮ КОМПОЗИЦИОННЫХ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ..............13

1.1. Общая характеристика, объемы образования, состояние проблемы утилизации доменных гранулированных шлаков и бетонного лома..... 13

1.1.1. Доменные гранулированные шлаки......................................14

1.1.2. Бетонный лом................................................................16

1.1.2.1. Использование бетонного лома в качестве заполнителя для бетонов.................................................................................19

1.1.2.2. Использование отсевов дробления бетонного лома для получения клинкерных и смешанных цементов.............................................20

1.2. Композиционные шлакощелочные вяжущие и предпосылки использования в качестве добавок отсевов

дробления бетонных отходов......................................................25

1.2.1. Шлакощелочные вяжущие.................................................25

1.2.2. Композиционные шлакощелочные вяжущие...........................29

1.2.2.1. Композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками -кристализаторами твердения......................................................32

1.2.2.2. Композиционные шлакощелочные вяжущие с «физически активными» добавками.............................................................34

1.2.2.3. Композиционные шлакощелочные вяжуще с «физически и

химически» активными добавками..............................................38

1.2.2.3. Композиционные шлакощелочные вяжущие с добавкой смешанного типа - молотым бетонным ломом................................39

1.3. Заключение. Цели и задачи исследований................................40

2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ.................................................45

2.1. Характеристики сырьевых материалов....................................45

2.1.1. Шлаки...........................................................................45

2.1.2. Щелочные компоненты.....................................................45

2.1.3. Минеральные добавки......................................................47

2.1.4. Заполнители...................................................................50

2.2. Методы исследований, приборы и оборудование.......................52

2.2.1. Методика приготовления и испытаний образцов.....................52

2.2.2. Методы исследований. Приборы и оборудование....................54

3. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК МОЛОТОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ

ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ.............................................57

3.1. Влияние условий и продолжительности твердения на степень гидратации цемента, состав и структуру цементного камня...............57

3.1.1. Исследования влияния водоцементного отношения,

условий и продолжительности твердения на степень

гидратации портландцемента.....................................................59

3.2. Исследование влияния продолжительности помола на удельную поверхность и анализ гранулометрического состава портландцементного камня........................................................60

3.2.1. Влияние времени помола на удельную поверхность портландцементного камня........................................................60

3.2.2. Анализ гранулометрического состава портландцементного камня....................................................................................61

3.3. Влияние содержания и удельной поверхности добавок молотого портландцементного камня, вида затворителя

на свойства теста К1ШЦВ..........................................................62

3.4. Влияние добавок портландцементного камня различной продолжительности твердения на прочность камня КШЩВ...............65

3.5. Влияние содержания и удельной поверхности добавок молотого портландцементного камня, вида затворителя, условий и продолжительности твердения на прочность, среднюю плотность и водопоглощение камня КШЩВ...................................................67

3.6. Влияние добавок молотого портландцементного камня

на прочность, среднюю плотность и водопоглощение камня КШЩВ в зависимости от вида шлака, вида затворителя, вида цемента и условий твердения портландцементного камня..........................................80

3.7. Выводы по главе 3.............................................................90

4. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК МОЛОТОГО ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНОГО РАСТВОРА НА СВОЙСТВА ТЕСТА И КАМНЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ШЛАКОЩЕЛОЧНОГО ВЯЖУЩЕГО.........92

4.1. Исследование влияния времени помола и анализ гранулометрического состава цементно-песчаного раствора..............92

4.1.1. Влияние времени помола на удельную поверхность цементно-песчаного раствора.................................................... 92

4.1.2. Анализ гранулометрического состава цементно-песчаного раствора в зависимости от удельной поверхности и соотношения цемент:песок..........................................................................92

4.2. Влияние добавок молотого цементно-песчаного раствора на свойства теста в зависимости от содержания, удельной поверхности, соотношения цемент:песок цементно-песчаного раствора.................93

4.3. Влияние добавок ЦПР различной продолжительности

твердения на прочность камня КШЩВ.........................................100

4.4. Влияние добавок молотого ЦПР на прочность камня КШЩВ в зависимости от содержания, соотношения цемент:песок, удельной поверхности, вида затворителя, условий и

продолжительности твердения...................................................102

4.5. Влияние добавок молотого ЦПР на среднюю плотность и водопоглощение камня К1ШЦВ в зависимости от содержания, удельной поверхности добавки и вида затворителя..........................116

4.6. Рациональные составы КИ1ЩВ с добавками ЦПР......................118

4.7. Исследование влияния добавок цементно-песчаного

раствора на прочность растворов на основе КШЩВ........................119

4.8. Выводы по главе 4..............................................................121

5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОТДЕЛЬНОГО И СОМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ЦПР НА СВОЙСТВА ТЕСТА, СОСТАВ И СТРУКТУРУ

КАМНЯ КШЩВ.....................................................................123

5.1. Сравнительный анализ отдельного и совместного влияния соотношения компонентов ЦПР на свойства теста КШЩВ................123

5.2. Сравнительный анализ отдельного и совместного влияния соотношения компонентов ЦПР на прочность КШЩВ...........................125

5.3. Влияние добавок молотого портландцементного камня и цементно-песчаного раствора на состав и микроструктуру камня композиционного шлакощелочного вяжущего................................130

5.4. Выводы по главе 5..............................................................138

6. МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ И ТЯЖЕЛЫЕ БЕТОНЫ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ

С ДОБАВКАМИ ПЦК И ЦПР.....................................................140

6.1. Мелкозернистые бетоны на основе КШЩВ с добавками

молотых добавок ПЦК и ЦПР.....................................................140

6.2. Тяжелые бетоны на основе КШЩВ с добавками молотых

добавок ПЦК и ЦПР.................................................................141

6.3. Выводы по главе 6............................................................. 143

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................................144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................147

Приложение 1. Расчет экономической эффективности композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками

молотого отсева дробления бетонного лома...................................163

Приложение 2. Опытно промышленное внедрение

разработанных КШЩВ.............................................................169

ВВЕДЕНИЕ

Современные проблемы обеспечения дальнейшего устойчивого развития земной цивилизации связаны с решением задач сохранения природных сырьевых ресурсов, энергосбережения и охраны окружающей среды. Крайне важной является разработка систем устойчивого развития отдельных отраслей промышленности, характеризующихся наиболее высокими ресурсо- и энергопотреблением, негативным воздействием на экосистемы. К таким отраслям относится и строительная, которая с одной стороны потребляя более 50% добываемых природных ресурсов, а с другой «вырабатывая» крупнотоннажные отходы и вторичные продукты на этапах добычи и подготовки сырья, производства строительных материалов, строительства и вывода из эксплуатации зданий и сооружений, является одним из мощных антропогенных факторов воздействия на состояние экологии. Промышленность строительных материалов способна при небольших затратах решить проблему утилизации многих видов отходов, используя их в качестве заменителей ископаемых видов природного сырья, топлива, сберегая при этом невозобновляемые природные ресурсы, пашни, леса. Однако, использование вторичных ресурсов в производстве строительных материалов за последние 20 лет в РФ снизилось в 2-2,5 раза. По данным Минпромнауки РФ, доля использования отходов в качестве вторичного сырья в производстве промышленной продукции не превышает 11% [1]. В связи с этим, развитие системы устойчивого развития строительной отрасли, очевидно, невозможно без решения задач постепенного снижения ресурсоемкости, повышения уровня разработок научных основ и технологических решений эффективного использования отходов различных отраслей промышленности взамен природного минерального сырья в производстве строительных материалов, увеличения объемов рециклинга строительных отходов [2, 145].

В большой номенклатуре строительных материалов в число наиболее потребляемых входят портландцемент и бетон, мировое производство которых исчисляется миллиардами тонн [3, 145]. Однако, ввиду значительных затрат природных и энергетических ресурсов, выбросов пыли, оксидов углерода и других газов, поддержание прежних и дальнейшее

наращивание объемов производства портландцемента становится проблематичным. В цементной промышленности на производство 1 т цементного клинкера, даже при применении самых современных технологий, расходуется 4180 кг различных природных материалов, включая карбонатное и глинистое сырье, топливо, электроэнергию, воздух на горение, безвозвратные потери воды на технологическое охлаждение и бытовые нужды [1]. При этом объемы использования вторичных ресурсов и крупнотоннажных отходов смежных отраслей промышленности при производстве цемента в Российской Федерации составляют всего 11,3% [4].

Проблемы повышения экологичности цементов в последние десятилетия значительно активизировали, особенно в развитых странах, поиск путей снижения потребления клинкера, сформировавшихся в итоге в 2 направления. Первое направление связано с разработкой и производством композиционных портландцементов, в которых снижение содержания клинкера достигается путем введения минеральных добавок. Второе направление - разработка и внедрение альтернативных видов вяжущих без содержания клинкера или так называемых «новых цементных матриц» [5], «нетрадиционных цементов» [137]. Среди «новых цементных матриц» все больший научный и практический интерес привлекают активированные щелочами цементы и, в частности, их разновидность - безобжиговые шлакощелочные вяжущие на основе активированных щелочами молотых крупнотоннажных отходов металлургической промышленности, выбранные в настоящей работе в качестве объекта исследования.

Шлакощелочные вяжущие исследуются уже более 50 лет, создана их теоретическая и практическая база, включающая принципы получения, формирования и управления структурой и свойствами, широкую номенклатуру вяжущих и бетонов, нормативные документы, внедрение в период 60-90 гг. XX в. в различных областях строительства. Наибольший вклад в разработку и исследования шлакощелочных вяжущих внесла Киевская школа Глуховского В.Д. - Кривенко П.В. [6-13]. Работы по изучению ТТТТЦВ и шлакощелочных бетонов проводились также в МГСУ, НИИЖБ [14], ПГТУ [15] и многих других институтах и организациях. Шлакощелочные вяжущие широко исследовались во многих зарубежных научных школах - Польши, Канады, США, Чешской Республики, Китая,

Японии, Финляндии, Норвегии, Индии, Испании, Австралии, Германии [1629] и др. Многочисленными длительными исследованиями и опытом применения доказана их конкурентоспособность с портландцементом, технические и экологические преимущества, потенциальная перспективность в плане обеспечения «устойчивого развития» цементной промышленности.

Исследования последних лет как в целом минеральных вяжущих, так и шлакощелочных, отличаются направленностью разработок и комплексного изучения композиционных - двух-, трехкомпонентных, мультикомпозиционных вяжущих. Высокая эффективность введения минеральных добавок базируется на широких возможностях варьирования содержания клинкера и управления комплексом свойств. Вопрос снижения шлака для шлакощелочных вяжущих (ТТТТЦВ) также актуален и перспективен, как и снижения клинкера в «традиционных цементах». Нестабильность состава шлака и рост стоимости в числе других причин ограничивают применение шлакощелочных вяжущих, что вызывает целесообразность снижения его содержания в составе вяжущих. Благодаря щелочной активации, особенностям химико-минералогического состава и структуры шлака ТНТЦВ допускают в своем составе присутствие различных минеральных добавок природного и техногенного происхождения в количестве до 80%. Разработками шлакощелочных вяжущих с различными минеральными добавками в последние годы занимаются как в России -Казанская школа [30-35], Пензенская школа [36, 37], так и отдельные ученые за рубежом в Чехии [38, 39], Испании [40], Германии [27] и др.

Особенно перспективным при разработке композиционных вяжущих является использование крупнотоннажных промышленных минеральных отходов приемлемого состава, к которым относятся и строительные отходы -молотые кирпичный бой, бой бетонного лома. Высокая эффективность использования в качестве добавки к КШЩВ кирпичного боя, заключающаяся в повышении прочности, возможности получения декоративных шлакощелочных материалов, композиционного шлакощелочного вяжущего (КШЩВ) оптимального гранулометрического состава при небольших энергозатратах, снижении высолообразования, установлена Соколовым A.A., Рахимовой Н.Р., Рахимовым Р.З. [34].

Очевидной пригодностью и ценностью в качестве добавки к К1ШЦВ обладает и бой бетонного лома по причинам близости химико-минералогического состава, нереализованного потенциала портландцемента и других факторов. В работах [38, 41] получены отдельные положительные результаты исследований влияния добавок молотого бетонного лома на свойства КШЩВ. Однако, не проводилось систематических исследований, необходимой частью которых является установление базовых зависимостей свойств теста, камня КШЩВ, состава продуктов твердения и структуры камня КШЩВ от состава, содержания, дисперсности, условий твердения модельных образцов, имитирующих отдельные компоненты отсева дробления бетонного лома и отсев дробления при различном содержании мелкого заполнителя. Многофакторность задачи исследования влияния добавок молотого отсева дробления бетонного лома на свойства композиционных шлакощелочных вяжущих, в частности, связана также и с необходимостью учета таких параметров как состав шлака и природа щелочного активатора, условия твердения. На основе таких зависимостей возможны оценка вклада компонентов и их соотношения в формирование активности отсева дробления как добавки, прогнозирование влияния отсевов дробления различного состава на свойства вяжущих.

На основании анализа возможностей применения молотых продуктов дробления бетонного лома в производстве строитель