автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Смеси с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог с использованием отходов КМА

На правах рукописи

СМЕСИ С ВЫСОКОЙ ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА УКРЕПЛЕННЫХ ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ КМА

05.23.05. - Строительные материалы и изделия 02.00.11. - Коллоидная химия и физико-химическая механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2004

Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом Университете (БГТУ) им. В. Г. Шухова

Научный руководитель Научный консультант

доктор технических наук, профессор Шаповалов Николай Афанасьевич кандидат технических наук доцент Лесовик Руслан Валерьевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Чистов Юрий Дмитриевич - кандидат химических наук,

доцент Ким Виссарион Евгеньевич

Ведущая организация - Воронежский государственный

архитектурно-строительный университет

Защита состоится »де/гоееря 2004 года в^У час, на заседании диссертационного совета Д 212.014. в Белгородском государственном технологическом Университете (БГТУ) им. В. Г. Шухова по адресу: 308012, г.

Белгород, ул. Костюкова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГТУ.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ, отдел аспирантуры.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета докт. техн. наук, доцент

Г. А. Смоляго

Актуальность. Развитие дорожной сети России необходимо и должно осуществляться путем перехода на создание сложных композитных конструкций дорожных одежд полифункционального значения, которые обеспечивают повышенную комфортность, долговечность и высокие транспортно-эксплуатационные свойства автомобильных дорог. Такой качественный скачок возможен за счет реализации концепции перехода на строительство укрепленных конструкций дорожных одежд. Снижение материалоемкости и себестоимости строительства подобных дорогих инженерных сооружений до уровня традиционных конструкций возможно за счет применения местных сырьевых ресурсов и, в первую очередь, отходов промышленности. Об этом свидетельствует, в частности, структура себестоимости строительства автомобильных дорог по Белгородской области, где транспортные расходы составляют около 20 %.

Решение проблемы комплексного использования минеральных ресурсов КМА позволило начать широкомасштабное использование отходов горнорудного производства для производства дорожно-строительных материалов, тяжелого и легкого бетонов, силикатного кирпича, штукатурных и кладочных растворов и т.д.

В качестве рабочей гипотезы было высказано предположение, что в дорожном строительстве в качестве наполнителя при производстве дорожного бетона могут применяться отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС), содержащие 70-75% кварца. Выполненный авторами анализ сырьевых ресурсов КМА показал, что отходы ММС являются наиболее крупнотоннажным техногенным сырьем, и на их долю ежегодно приходится около 80 % добытой из недр горной массы.

В то же время высокая себестоимость устройства дорожных оснований традиционными способами предопределяет необходимость широкого использования для строительства укрепленных оснований смесей с высокой проникающей способностью (СВПС). Для снижения самого дорогостоящего компонента смеси -цемента - актуальной является задача разработки многокомпонентного вяжущего, обладающего необходимыми реологическими и физико-механическими параметрами с повышенной удельной поверхностью.

Применение смесей с высокой проникающей способностью из тонкомолотых цементов (ТМЦ) с использованием отходов ММС железистых кварцитов требует особого регулирования реологических свойств и агрегативной устойчивости этих смесей. Процессы течения и структурообразования в водных минеральных суспензиях и способы их регулирования относятся к числу наиболее актуальных проблем коллоидной химии. Одним из наиболее эффективных способов регулиро-

вания этих процессов является применение пластификаторов и суперпластификаторов.

Таким образом, разработка и применение СВПС с использованием отходов ММС и пластифицирующей добавки является актуальной задачей и позволит снизить материалоемкость дорожных одежд и улучшить экологическую обстановку благодаря утилизации отходов ММС.

Работа выполнялась в рамках Российского фонда фундаментальных исследований, проект 03-03-96426 "Агрегативная устойчивость водных минеральных суспензий с полиэлектролитами"

Цель и задачи работы. Разработка эффективных смесей с высокой проникающей способностью с использованием отходов ММС железистых кварцитов и технологий их производства и применения в дорожном строительстве.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование вещественного состава и строения техногенных отходов ММС как компонента вяжущего;

- изучение фазового состава новообразований при твердении ТМЦ и влияние отходов ММС на этот фазовый состав;

- изучение коллоидно-химических закономерностей в цементных пастах на основе ТМЦ при использовании суперпластификатора СБ-3;

- разработка технологии производства и изучение физико-механических свойств многокомпонентных вяжущих с использованием отходов ММС;

- разработка методики определения проникающей способности СВПС;

- разработка технологии производства смесей с высокой проникающей способностью на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и применения их для устройства оснований автомобильных дорог;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Установлена размалываемость компонентов разработанных вяжущих, увеличивающаяся в ряду клинкер - шлак - отходы ММС. Выявлен характер зависимости удельной поверхности от времени помола и состава смеси, при этом показано, что введение отходов ММС приводит к увеличению начальной скорости и снижению коэффициента торможения помола.

Установлены зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости СВПС с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3 Показано, что введение 50% отходов ММС в ТМЦ приводит к незначительному снижению прочности по

сравнению с исходными портландцементами, что обусловлено механохимической активацией системы и оптимизацией структуры при твердении.

Установлены закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных паст на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и суперпластификатором С Б - 3, заключающиеся в снижении прочности контактов в коагуляци-онных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора на поверхности дисперсной фазы и позволяющие получить предельно агрегативно устойчивые суспензии с жидкообразным характером течения.

Разработана математическая модель и методика определения проникающей способности СВПС, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Установлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве миниконуса более 120 мм, что соответствует значениям предельного напряжения сдвига менее 25 Па.

Показано, что при твердении системы ТМЦ с использованием отходов ММС введение этих отходов практически не влияет на фазовый состав структуры. При этом образуется скрытокристаллическая структура гидросиликатов кальция, а также гидроалюминаты и гидрофериты кальция.

Практическое значение работы. Предложена рациональная область использования крупнотоннажных отходов железорудных месторождений - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов - в качестве сырьевых компонентов при производстве многокомпонентных вяжущих.

Разработана технология получения и составы смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора СБ-3.

Предложена технология устройства оснований автомобильных дорог I—IV категории с использованием смесей с высокой проникающей способностью.

Получены СВПС с прочностью на сжатие 45-62 МПа, позволяющие получать укрепленные основания с прочностью на сжатие 19-29 МПа и морозостойкостью до 150 циклов.

Внедрение результатов исследований.

Проведены опытные испытания СВПС при устройстве укрепленных дорожных оснований, которые подтвердили эффективность данной технологии.

Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.06 и 29.10.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы представлены на: Международной научно-практической конференции «Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве» (г. Белгород, 2002); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2002); Научно-практическом семинаре «Проблемы и пути создания композиционных материалов и технологий из вторичных минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2003); международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г. Белгород, 2003); II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2004).

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 научных работ.

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, включающего 27 таблиц, 31 рисунок и фотографии, списка литературы из 184 наименований, 2 приложений.

На защиту выносятся:

- результаты исследования особенностей минерального состава и гранулометрии отходов ММС железистых кварцитов;

- закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных паст на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и суперпластификатора СБ-3;

- зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости ТМЦ с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3;

- методика определения проникающей способности СВПС;

- зависимости свойств СВПС от вида и характеристик ТМЦ;

- оптимальные составы и технологии устройства оснований автомобильных дорог I—IV категории с использованием СВПС;

- результаты внедрения.

_7-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обобщенные данные, опубликованные в научно-технической литературе, показали, что в основаниях под асфальтобетонные и цементобетонные покрытия традиционно используются щебеночные материалы толщиной 28—42 см. Не смотря на то, что такая конструкция удовлетворяет расчетам нежестких дорожных одежд, она отличается значительной материалоемкостью. В условиях сложившейся ценовой политики это приводит к высокой себестоимости дорожного строительства. Применение смесей с высокой проникающей способностью из тонкомолотых цементов (ТМЦ) с использованием отходов ММС железистых кварцитов для устройства укрепленных оснований позволит не только снизить расход дорогостоящего щебеня, вследствие чего снизятся транспортные затраты при строительстве, материалоемкость дорожных одежд, но и в значительной степени улучшить экологическую обстановку благодаря утилизации отходов ММС, сотни миллионов тонн которых скопились в хвостохранилищах горнообогатительных комбинатов КМА.

В работе применяли современные методы исследования: РФА, ДТА, микроскопию, реологию, электроповерхностный анализ, а также стандартные методы. Было показано, что использование высокоподвижных смесей на основе ТМЦ за счет увеличения водоцементного отношения не позволяет получить смеси с высокой проникающей способностью. Это связано с протеканием седиментационных процессов и закупоркой пор каркаса. Для снижения водоцементного отношения и увеличения седиу р 9!да 'г"40 — щи супер пластификатор СБ-

Л-

3, получаемый п I I 'тва резорцина и формальде-

гида, формула которого представлена ниже: где

Пробы отходов ММС железистых кварцитов, которые отличаются изменчивостью свойств, отбирали по двум профилям согласно ранее проводившимся исследованиям.

Визуально отходы ММС представляют собой техногенный тонкодисперсный песок темно-серого цвета, состоящий из остроугольных шероховатых частичек кварца (около 70 %), магнетита, гематита, амфиболов, карбонатов, полевых шпа-

гов и их агрегатов. Модуль крупности меньше 1, около 80-85 % частичек - меньше 0,314 мм.

Микроскопически пробы хвостов обогащения представляют разнозернистый материал с размером зерен от десятых долей микрона до 20 мм (рис.1). Крупнозернистые фракции представлены обломками железистых кварцитов с тонкими прослоями, до 0,1-0,5 мм, кварца, магнетита, стариболов и обломками дайковых пород. Обломки плоские, остроугольные, иногда края границ сточены.

Рис. 1. Отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (увеличение в 75 раз).

Все породообразующие минералы имеют большое количество структурных дефектов. Это позволяет ускорить и улучшить взаимодействие с клинкерными минералами при формировании новообразований, что приведет к созданию более плотного и прочного цементного камня.

Для увеличения проникающей способности и снижения содержания наиболее энергоемкого компонента СВПС - цемента, применяли ТМЦ, которые получали путем совместного помола исходных вяжущих и отходов ММС. В этом случае отходы ММС можно рассматривать как микронаполнитель, являющийся своеобразным центром кристаллизации в твердеющей цементной системе.

Исследования размалываемости исходных компонентов показали, что при одинаковой исходной удельной поверхности размалываемость улучшается в направлении ММС. Результаты исследования по влиянию состава и строения вяжущих на энергоемкость помола приведены в таблице 1.

Более высокая скорость помола при переходе от ТМЦ-80 к ТМЦ-40 и от ТМЦ-100 к ТМЦ-50 объясняется лучшей размалываемостью отходов ММС. Более низкие значения удельной поверхности для ТМЦ-100 и ТМЦ-50 по сравнению с ТМЦ 80 и ТМЦ-40 обусловлены более высоким содержанием наиболее трудно размалываемого компонента цемента- клинкера.

Таблица 1

Кинетика помола исходных вяжущих с использованием отходов ММС

Наименование исходного вяжущего Наименование полученного вяжущего Удельная поверхность, м2/кг, при времени помола, мин

0 10 20 30

ПЦ400Д20 1.ТМЦ-80(шлак) 2. ТМЦ-40 (ММС + шлак) 355 273 448 403 514 467 570 573

З.ТМЦ-100 356 404 458 517

ПЦ500Д0

4. ТМЦ-50 (ММС) 285 410 479 526

Показано, что кинетика помола достаточно хорошо описывается уравнениями теории переноса.

где т - время помола, мин; 8- удельная поверхность,м2/кг; (т/$)0 - величина, обратная начальной скорости помола, мин*кг/ м2; к| И кз - коэффициенты торможения процесса помола.

Установлено, что введение отходов ММС железистых кварцитов при помоле приводит к увеличению начальной скорости процесса и снижению коэффициента торможения помола, то есть к улучшению размалываемости.

Как было показано, для получения смесей с высокой проникающей способностью необходимо повышать подвижность этих смесей путем введения пластифицирующих добавок. Было изучено влияние суперпластификатора СБ-3 на коллоидно-химические свойства полученных вяжущих.

Изучение реологических параметров концентрированных исходных суспензий ТМЦ показало, что они являются типичными псевдопластичными телами. Их течение наиболее точно описывается уравнением Оствальда: т=г|*у".

В области средних дозировок СБ-3 наблюдается значительное увеличение линейной части реологических кривых и течение суспензий описывается уравнением Бингама-Шведова: т=То+Т1пл*'?- . При дальнейшем увеличении дозировок течение из вязкопластичного переходит в жидкообразное и реологические кривые

описываются уравнением Ньютона: Т=Г|*у. На рис.2 представлены зависимости касательного напряжения от градиента скорости сдвига с различными концентрациями СБ-3. I, п«

- ПЦ400Д20

- ЛЦ40СД20»0.2У.СБ.З -ТМЦ-80(илщк)

- ТМЦв0(шлв«)»0135%СВ-3 -ТМСИХшлппММС)

- ТМИ-40(шлак»1

-пцкюдо —ПЦ500ДО+0 »СБ-3 -ТМЦ. 100

-ТМЦ 100-Ю 35ЧСБ-3 ^ —ТМЦ-50<ММС) -ТМЦ 50[МДОГ<1

Рис.2. Реологические кривые течения минеральных суспензий на различных видах вяжущих с различными концентрациями суперпластификатора СБ-3.

Из реологических кривых определяли предельное напряжение сдвига То и пластическую вязкость Т}™, зависимости которых от дозировки СБ-3 показаны в таблице 2.

Таблица 2

Вид цемента Концентрация СБ-3, % то. Па т)шь Пахе

ПЦ400Д20 0 15,5 0,306

0,2 1,25 0,240

ТМЦ-80(шлак) 0 51 0,335

0,35 7 0,195

ТМЦ- 40(шлак+ММС) 0 63,75 0,435

0,35 6,75 0,195

ПЦ500 Д0 0 20,6 0,404

0,3 8,7 0,078

ТМЦ-100 0 34,4 0,296

0,35 7,5 0,061

ТМЦ-50(ММС) 0 42,0 0,335

0,35 8,0 0,069

Уменьшение предельного напряжения сдвига до минимума при оптимальных дозировках добавок обусловлено падением прочности индивидуального контакта до значений, сравнимых с энергией теплового движения. Уменьшение же

пластической вязкости связано в первую очередь с высвобождением иммобилизованной воды и увеличением, в связи с этим, относительного содержания дисперсионной среды. Увеличение толщины водных прослоек между частицами приводит к уменьшению трения между движущимися слоями и падению пластической вязкости. Из данных таблицы видно, что оптимальные дозировки СБ-3 возрастают при увеличении удельных поверхностей вяжущих. Одинаковые оптимальные дозировки СБ-3 для ТМЦ-80 и ТМЦ-40 и ТМЦ-100 и ТМЦ-50 обусловлено тем, что отходы ММС, с одной стороны, увеличивают удельную поверхность за счет лучшей размалываемости, а, с другой стороны, обладают более низкой адсорбционной способностью.

Тесно связана с реологическими свойствами агрегативная устойчивость суспензий. Увеличение дозировки СБ-3 приводит к более узкому распределению частиц и сдвигу максимума распределения в сторону меньших значений диаметра (рис.3). При увеличении дозировки суперпластификатора наивероятнейший диаметр значительно падает, уменьшаясь с 6,6... 15,2 мкм до 4...8 мкм соответственно,

б)

Рис. 3. Дифференциальные кривые распределения частиц вяжущих без добавок и с добавками СБ-3 по диаметрам а) на основе ПЦ 400 Д 20 и б) на основе ПЦ 500 Д 0

Следует отметить, что выход диаметра на постоянное значение наблюдается при тех же концентрациях суперпластификатора СБ-3, что и выход на насыщение реологических параметров.

Непосредственно значения диаметра частиц определяли по данным оптической микроскопии на микроскопе марки ММК (рис.4).

а) ТМЦ-40 (шлак+ММС)

б) ТМЦ-40 (шлак+ММС)+СБ-3

в) ТМЦ-50 (ММС) г) ТМЦ-50 (ММС)+СБ-3

— Юмкм

10 мкм

Рис. 4. Микрофотографии цементных суспензий с микронаполнителем.

Как видно из фотографий, в исходных суспензиях наблюдаются относительно крупные агрегаты, которые при введении суперпластификатора СБ-3 пеп-тизируют до первичных частиц. При этом размер частиц по данным седиментаци-онного анализа и оптической микроскопии удовлетворительно совпадает.

Исследования электрокинетического потенциала измеренного методом потенциала протекания при различных концентрациях, показало, что поверхность немодифицированного вяжущего имеет незначительный избыточный отрицательный заряд, о чем свидетельствует небольшое отрицательное значение потенциала. Увеличение же дозировок суперпластификатора приводит к изменению абсолютных значений ¿¡-потенциала в отрицательной области от: -13...-14,5 мВ до -36,5...-41,5 мВ, что объясняется наличием анионактивных групп в молекуле СБ-3, олигомерные молекулы которого адсорбируются на поверхности дисперсной фазы.

Следует отметить, что увеличение содержания отходов ММС при переходе от ТМЦ-80 к ТМЦ-40 и от ТМЦ-100 к ТМЦ-50 приводит к меньшему сдвигу С,-потенциала в отрицательную область. Это обусловлено, по-видимому, повышенным содержанием оксидов железа в отходах ММС, которые обладают избыточным положительным зарядом. Увеличение одноименного заряда частиц должно приводить к возрастанию сил электростатического отталкивания и увеличению огрегативной устойчивости.

Оптимальное количество вводимой добавки суперпластификатора, и таким образом, его эффективность во многом определяется его адсорбцией на поверхности цементных частиц и зерен ММС.

Изотермы адсорбции во всех случаях носят мономолекулярный характер. При малых равновесных концентрациях наблюдается почти полное извлечение адсорбата из раствора, при дальнейшем увеличении концентрации кривые выходят на насыщение и адсорбция достигает своего максимального значения. При этом следует отметить некоторые особенности: при переходе от бездобавочных вяжущих к вяжущим с микронаполнителем величина максимальной адсорбции несколько снижается. Это связано с более низкой адсорбционной способностью отходов ММС железистых кварцитов и шлака по сравнению с клинкерными минералами. При этом наблюдается удовлетворительное совпадение между дозировкой, рассчитанной по данным адсорбции и оптимальной дозировкой по данным реологии и седиментации. Адсорбция молекул суперпластификатора, содержащих полярные окси-группы, должна приводить к гидрофилизации поверхности и дополнительному увеличению агрегативной устойчивости.

Предлагаемая технология позволяет использовать отходы ММС железистых кварцитов в качестве микронаполнителей и получать СВПС с активностью 45-62 МПа (с заменой 50% клинкерной составляющей), что позволит использовать вяжущие в дорожном строительстве. Учитывая требования к подвижности цементных композиций, была установлена оптимальная дозировка суперпластификатора, позволяющая получить СВПС оптимизированной структуры. Введение СБ-3 позволяет также значительно улучшить параметры условно-замкнутой пористости (повысить на 21%).

Определение состава и структуры новообразований проводили с помощью дифференциально-термического анализа с использованием дифрактометра вертикального типа. Исследование отходов ММС, исходных вяжущих, ТМЦ и цементного камня на их основе показало, что породообразующие минералы отходов ММС при помоле и твердении системы «вяжущее - заполнитель - вода» не оказывают существенного влияния на фазовый состав прогидратировавших вяжущих.

Анализируя проведенные исследования ДТА, можно утверждать, что процесс твердения ТМЦ обуславливается гидратацией клинкерных минералов с образованием гидросиликатов кальция, гидроалюминатных и гидроферритных комплексных солей кальция. Наличие гидросиликатов кальция подтверждается эндотермическим эффектом при 120-150°С и экзотермическим эффектом при 830-860

°С. Кроме того, при 420-440 °С и при 480 °С происходит дегидратация а-СгвН, а при 727-800 °С - у-СгБН. Также подтверждается наличие высокоосновных гидросиликатов кальция эндоэффектами при температурах 600-700 и 650-700 °С.

Структура каркасного композита (а в нашем случае это укрепленное пропиткой щебеночное основание) представляет собой совокупность соприкасающихся зерен крупного заполнителя, пустоты между которыми заполнены дисперсионной средой - матрицей. Физико-технические свойства каркасных композитов предопределяются структурой заполнителей и матрицы, особенностями взаимодействия на границе каркас - матрица, характером геометрической упаковки заполнителей в каркасе.

Параметром, характеризующим структуру каркаса, является геометрическая упаковка заполнителей. Для определения геометрических показателей каркаса рассмотрена элементарная ячейка, в которой заполнитель представляется в виде жестких сфер одинакового размера. Такая модель принята многими авторами для моделирования композитов и для нее существует универсальное соотношение между пористостью, удельной поверхностью и радиусом шара. Пустотность, зависящая от упаковки каркаса, с увеличением угловатости зерен возрастает. Особенно же увеличивается пустотность при применении зерен удлиненной формы (игольчатых, лещадных). Поэтому, чем плотнее упаковка, тем меньше пустотность каркаса, а, следовательно, и меньше расход пропиточной матрицы.

Вторым параметром служит пропускная способность каркаса, позволяющая заполнить поровое пространство связующим. Она зависит от размеров пор в каркасе, а также от предельных размеров радиусов зерен наполнителя в пропиточной матрице, не закупоривающих поры каркаса. Выявлена прямопропорциональная зависимость этих параметров от размеров зерен каркаса, а) б) в) г)

Рис. 5. Поверхность разлома укрепленных СВПС дорожных оснований при испытании на прочность при сжатии (а, б - на ТМЦ-40; в, г - на ТМЦ-50).

Особое внимание при устройстве каркасных композитов следует обратить на образование поверхностных соединений между каркасом и матрицей. Для обеспечения высокой адгезионной прочности необходимо способствовать получе-

нию плотного контакта между заполнителем и матрицей и осуществлять направленный подбор компонентов с требуемыми физическими и химическими свойствами. На рис.5 показана поверхность разлома укрепленных СВПС дорожных оснований. И[з рисунка видно, что плотный контакт между заполнителем и матрицей (СВПС) достигается и обусловлен хорошим смачиванием каркаса пропиточными композициями.

Выявлено влияние реологических параметров связующего (матрицы) на процесс пропитки, где определяющую роль играют вязкость и расслаиваемость. Так, чем больше вязкость связующего, тем меньше скорость пропитки. По требованиям нерасслаиваемости наполнители должны находиться в связующем во взвешенном состоянии. Для выполнения этого требования пропиточная композиция должна при введении наполнителя приобретать структуру, обладающую некоторой прочностью, а частицы наполнителя должны находиться во взвешенном состоянии, то есть, предложена формула для расчета максимального диаметра частиц наполнителя, не оседающих в пропиточной матрице.

Таблица 2

Расчетно-экспериментальные данные по проектированию каркасных

композиций.

Вид цемента Геометрические характеристики Пропускная способность Реологические характеристики

Расстояние между частицами в пропиточной матрице, мкм Пустотность каркаса (доли ед.) Средний радиус пор каркаса, мм, в зависимости от размера заполнителя, мм 1 Предельный радиус зерен наполнителя в пропиточной матрице, мм Время протекания композиций в каркас, сек, рассчитанное по экспериментальным данным Нерасслаиваемость. диаметр частиц наполнителя, мм, не оседающих в пропиточной матрице

модель щебень модель щебень модель щебень модель щебень

ПЦ400 ТМЦ-80 ТМЦ-40 9.1 3,8 1.2 | Расчетное 0,37 1 Экспериментальное 0,41 Экспериментальной,32 - 0,48 для Д 40 -Д 70 мм 0 Ч 1 т N 1 9,1-15,9дляД40-Д70 о ОС 5 4,2-7,4 дляД40-Д70 4,5 4,7 5,5 3.1-2,3 2,9-2,3 3.2-2,3 0,46 1,25 1,17

ПЦ500 ТМЦ-100 ТМЦ-50 4,8 1,6 0,4 3,9 3,6 3,6 2,6-2,2 2,5-2,1 2,5-2,1 0,037 0,209 0,123

ПЦ400+СП* ТМЦ-80+СП* ГМЦ-40+СП* 7,9 2,3 0,03 5,2 4,2 4,7 2,8-2,2 2,8-2,2 2,9-2,3 0,27 0,451 0,701

ПЦ500+СП" ГМЦ-100+СП ТМЦ-50+СП* 1.3 0,6 0,01 2,6 2,5 2,7 2,2-2,1 2,2-2,1 2,2-2,1 0,114 0,098 0,133

* - соответствующая оптимальная дозировка суперпластификатора СБ-3

На основе вышеизложенного разработана методика определения проникающей способности смесей с использованием модельной системы дорожного массива. В качестве модели был взят лабораторный стеклянный стакан, заполненный керамическими шариками средним диаметром 1 см с наиплотнейшей упаковкой. После заливки смеси объемом из расчета полного заполнения пустот шаров, методом взвешиваний и замеров высоты столба смеси, не пролившейся в массив, вычисляли массовые проценты смесей, пролившихся в массив. Расчеты по использованию модельной системы и щебня при изготовлении дорожных оснований методом пропитки сведены в таблицу 2.

Как видно из таблицы, при переходе от исходных вяжущих к ТМЦ наблюдается уменьшение расстояния между частицами, что обусловлено меньшими размерами частиц ТМЦ. Экспериментальные измерения показали, что при увеличении крупности щебня пустотность и средний радиус пор каркаса возрастают, что приводит к соответствующему увеличению предельного радиуса частиц в СВПС. Расчеты и эксперименты показали, что введение суперпластификатора значительно (на 30 - 32%) снижает водопотребность смесей при примерно одинаковом времени протекания.

Таким образом, анализ расчетно-экспериментальных данных показывает, что с целью увеличения проникающей способности, активности вяжущего и седи-ментационной устойчивости целесообразен совместный помол отходов ММС и портландцементов. Это и предопределило необходимость получения тонкомолотых многокомпонентных вяжущих.

При укреплении оснований автомобильных дорог методом пропитки важным технологическим фактором является высокая проникающая способность цементных смесей. На основе предложенной нами методики было установлено, что стопроцентная проникающая способность достигается при расплыве минико-нуса Была изучена зависимость проникающей способности от времени

выдержки СВПС при различных способах введения суперпластификатора (рис.6).

Было установлено, что введение добавки непосредственно перед укладкой смесей приводит к отдалению предела 100-процентной проникающей способности во времени в 3 и 3.5 раза для ТМЦ-40 (шлак+ММС) и ТМЦ-50 (ММС) соответственно. Таким образом, для практического применения СВПС рекомендуется ввод суперпластификатора непосредственно перед заливкой смесей в массив дорожного основания.

-17-

а) б)

Рис. 6. Зависимость диаметра расплыва миниконуса от времени выдержки СВПС с введением суперпластификатора с водой затворения (а) и с введением суперпластификатора в состав СВПС перед ее укладкой (б)

Были изучены физико-механические параметры СВПС на тонкомолотых цементах и исходных портландцементах (табл.3).

Таблица 3

Свойства СВПС на ТМЦ и портландцементах.

Вид вяжущего ПЦ400Д 20 ТМЦ-8( (шлак) ТМЦ-40 (шлак+ММС) ПЦ500Д0 ТМЦ-100 ТМЦ-50 (ММС)

Количество добавки, % 0,2 0,35 0,35 0,3 0,35 0,35

Количество цемента, кг на м3 смеси 1442 1400 688,5 1421 1380 679

Количество ММС (в составе вяжущего), кг на м3 смеси - - 688,5 - - 679

В/Ц 0,34 0,36 0,36 0,35 0,37 0,37

Расплыв миниконуса, мм 170 170 170 170 170 170

Средняя прочность на сжатие СВПС, МПа 53,1 62,0 45,2 67,9 82,8 62,1

Сред3няя плотность смеси, кг/м 1932 1904 1873 1918 1891 1860

Как видно из данных таблицы, при переходе от исходных портландцементов к тонкомолотым возрастает водоцементное отношение и оптимальное количество добавки, что обусловлено увеличением удельной поверхности при получении ТМЦ. Введение отходов ММС на эти параметры практически не влияет.

Получение ТМЦ из исходных ПЦ увеличивает прочность на сжатие на 9-15 МПа. Введение 50% отьодов ММС снижает прочность на сжатие, но не прямо пропорционально количеству вводимых отходов ММС. При этом прочности ТМЦ-40 и ТМЦ-50 примерно на 10 % ниже прочности исходных портландцементе®. Использование ТМЦ 40 и ТМЦ-50 на основе отходов ММС позволяет снизить расход клинкерной составляющей почти в два раза.

На основе подобранных составов смесей с высокой проникающей способностью были проведены опыты по укреплению щебеночных оснований (табл. 4). Испытания проводились согласно требованиям ВСН 184-75. Образцы формовали методом заливки щебеночного каркаса (в формах 10x10x10) высокопроникающими смесями. Сформованные образцы 48 часов хранили под влажной тряпкой, затем образцы помещали в камеру влажного твердения. На 28 сутки испытывали образцы на прочность при сжатии в состоянии естественной влажности, в водо-насыщенном состоянии и после испытаний на морозостойкость. Водопоглощение и морозостойкость оснований определяли в соответствии с ГОСТ 12733-78 и 10060-95.

Таблица 4

Физико-механические свойства укрепленных оснований

Вид вяжущего СБ-3 В/Ц ^СЛ» МПа (28 сут) мр„ ЦИКЛОВ Кмрэ Водопо-глощение по объему, % Ориентир расход СВПС на 1м2 основания Ср.плот- ность укрепленного основания.

ПЦ 400 Д 20 0,2 0,34 27,2 100 0,861 4,02 92 кг/мл 2350

200 0,724

ТМЦ-80 (шлак) 0,35 0,36 30,3 100 0,905 4,20 90 2570

200 0,722

ТМЦ-40 (шлак+ММС) 0,35 0,36 18,5 100 0,853 4,75 103 2405

200 0,523

ПЦ 500 Д 0 0,3 0,35 38,7 100 0,910 3,31 103 2290

200 0,768

ТМЦ-100 0,35 0,37 39,6 100 0,924 3,47 99 2310

200 0,758

ТМЦ-50 (ММС) 0,35 0,37 28,7 100 0,907 3,95 106 2280

200 0,648

Судя по таблице, образцы всех составов выдержали более 100 циклов попеременного замораживания-оттаивания (в пересчете с ускоренного метода), что удовлетворяет требованиям ВСН 185-75 для нижних укрепленных оснований всех

категорий дорог в умеренных климатических условиях. Коэффициент морозостойкости, который равен отношению предела прочности образцов после испытаний на морозостойкость к пределу прочности контрольных образцов, соответствует рекомендуемому коэффициенту.

По данным таблицы можно сделать вывод, что прочности образцов из укрепленных щебеночных оснований с использованием СВПС на вяжущих с микронаполнителем значительно превышают требования для оснований автомобильных дорог I- IV категории (СНиП 2.05.02 - 85).

Таким образом на основании проведенных исследований доказано, что тонкодисперсный полиминеральный техногенный песок - отходы ММС железистых кварцитов могут применяться для производства высококачественных оснований автомобильных дорог, укрепленных смесями с высокой проникающей способностью.

Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды и снижения материалоемкости экономический эффект составил 516329 руб на 1км покрытия.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения и состав смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора СБ-3.

2. Установлена энергоемкость помола компонентов разработанных вяжущих, уменьшающаяся в ряду клинкер Показано, что кинетика помола вяжущих хорошо описывается уравнениями теории переноса, при этом введение отходов ММС приводит к увеличению начальной скорости и снижению коэффициента торможения помола.

3. Установлены зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости СВПС с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3. Показано, что введение 50% отходов ММС в ТМЦ приводит к незначительному снижению прочности по сравнению с исходными портландцементами, что обусловлено механохимической активацией системы и оптимизацией структуры при твердении.

-204. Установлены закономерности изменения реологических, седиментацион-ных и электроповерхностных свойств СВПС, заключающиеся в снижении прочности контактов в коагуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора и увеличения одноименного заряда частиц. Это позволяет получить предельно агрегативно устойчивые суспензии с жидкообразным характером течения.

5. Разработана математическая модель и методика определения проникающей способности СВПС, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Установлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве миниконуса более 120 мм, что соответствует значениям предельного напряжения сдвига менее 25 Па.

6. Разработана технология устройства оснований автомобильных дорог I -IV категории с использованием СВПС, позволяющая уменьшить число технологических операций. Получены СВПС с прочностью на сжатие 45-62 МПа, позволяющие получить укрепленное основание с прочностью на сжатие 16-25 Мпа и морозостойкостью до 150 циклов.

7. Результаты экспериментальных исследований подтверждены опытными испытаниями. Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды и снижения материалоемкости экономический эффект составит 516329 руб на 1 км строящейся дороги.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Исаченко Е. И., Ханнаши Я. Эффективность бетонов на основе тонкомолотых цементов и вяжущих низкой водопотребности // Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве: Сб. науч. трудов Междунар. науч.-практич. конф. - Белгород: изд-во БелГТАСМ, 2002. - 4.2. - С. 102-105.

2. Исаченко Е. И., Шаповалов Н. А., Слюсарь О. А., Ханнаши Я. Использование тонкомолотых цементов и вяжущих низкой водопотребности для производства бетонов //Актуальные вопросы строительства: Материалы Всероссийской науч.-технич. конф. - Саранск: изд-во МГУ, 2002. - С.387-390.

3. Исаченко Е. И., Шаповалов Н. А., Лесовик Р. В., Ханнаши Я. Эффективность применения вяжущих низкой водопотребности и тонкомолотых це-

ментов // Проблемы и пути создания композиционных материалов и технологий из вторичных минеральных ресурсов: Сб. трудов науч.-практич. семинара - Новокузнецк: изд-во СибГИУ, 2003. - С.49-53.

4. Исаченко Е. И.. Шаповалов Н. А., Лесовик Р. В. О строительных смесях с высокой проникающей способностью // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. -2003.-№5.-С.417-419.

5. Исаченко Е. И. Регулирование технологических свойств высокопроникающих смесей для укрепления дорожных оснований // Материалы и технологии XXI века: Сб. статей II Междунар. науч.-технич. конф. - Пенза: изд-во ПДЗ,2004.-С.46-48.

6. Исаченко Е. И. Тонкомолотые цементосодержащие композиции с использо-

ванием отходов горнорудного производства// Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2004. - №8. - 4.6 - С 159-160.

ИСАЧЕНКО Елена Ивановна

СМЕСИ С ВЫСОКОЙ ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА УКРЕПЛЕННЫХ ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ КМА

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия 02.00.11 - Коллоидная химия и физико-химическая механика

Подписано в печать Формат 60x84 1/16 Объем Уч-изд.л. 1,18 Усл.-печ.л. 1,0 Заказ ЯМ_Тираж 100

Отпечатано в БГТУ им. В. Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.

Р22933

198

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Состояние дорожной сети региона.

1.2. Устройство оснований дорожных одежд.

1.3. Анализ научно-исследовательских работ по использованию отходов КМА в дорожном строительстве.

1.4. Состав, строение, классификация и способы получения пластифицирующих добавок.

1.5. Механизм пластифицирующего действия добавок в цементных системах.

1.6. К проблеме снижения расхода цемента.

1.7. Влияние состава и свойств минерального наполнителя (заполнителя) на процессы взаимодействия с вяжущим.

Выводы к главе 1.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

2.1. Методика отбора проб из хвостохранилища.

2.2. Методы исследований.

2.2.1. Рентгенофазовый анализ

2.2.2. Дифференциальный термический анализ

2.2.3. Электронно-микроскопический анализ

2.2.4. Изучение свойств бетонных смесей

2.3. Применяемые материалы.

2.4. Выбор пластифицирующей добавки.

Выводы к главе 2.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТМЦ.

3.1. Энергия техногенного воздействия и кристаллохимические характеристики кварца отходов ММС. ч 3.2. Энергоемкость помола и водопотребность в зависимости от вида компонентов ТМЦ.

3.3. Технология производства вяжущих с использованием отходов

Выводы к главе 3.

4. КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ ПАСТ

НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТОВ И ТОНКОМОЛОТЫХ

ЦЕМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ММС.

4.1. Адсорбция суперпластификатора СБ-3 на вяжущие.

4.2. Влияние СБ-3 на электрокинетический потенциал вяжущих.

4.3. Предельные напряжения сдвига и пластическая вязкость вяжущих с использованием отходов ММС.

4.4. Седиментационная и агрегативная устойчивость ТМЦ.

Выводы к главе 4.

5. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ ПАСТ ^ И ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ

ОТХОДОВ ММС И ДОБАВОК.

5.1. Влияние количества микронаполнителей и суперпластификатора СБ-3 на сроки схватывания и нормальную густоту цементных паст.

5.2. Влияние СБ-3 на кинетику твердения вяжущих.

5.3. Влияние микронаполнителей и добавок на водопоглощение и пористость вяжущих.

Выводы к главе 5.

6. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ fe КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СМЕСЕЙ С ВЫСОКОЙ ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ.

6.1. Структурные аспекты формирования каркасных композитов.

6.2. Гидравлические аспекты получения каркасных композитов.

6.3. Обоснование использования модельной системы для определения проникающей способности пропиточных композиций.

Выводы к главе 6.

7. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙВТВА УКРЕПЛЕННЫХ ДОРОЖНЫХ ОСНОВАНИЙ НА ОСНОВЕ ТОНКОМОЛОТЫХ ЦЕМЕНТОВ. П

7.1. Требования к материалам, используемым для строительства автомобильных дорог.

7.2. Определение проникающей способности цементосодержащих композиций.

7.3. Свойства оснований автомобильных дорог, укрепленных смесями с высокой проникающей способностью.

7.4. Технико-экономическое сравнение и расчет вариантов дорожной одежды.

Выводы к главе 7.

Развитие дорожной сети России необходимо и должно осуществляться путем перехода на создание сложных композитных конструкций дорожных одежд полифункционального значения, которые обеспечивают повышенную комфортность, долговечность и высокие транспортно-эксплуатационные свойства автомобильных дорог. Такой качественный скачок возможен за счет реализации концепции перехода на строительство укрепленных конструкций дорожных одежд. Снижение материалоемкости и себестоимости строительства подобных дорогих инженерных сооружений до уровня традиционных конструкций возможно за счет применения местных сырьевых ресурсов и, в первую очередь, отходов промышленности. Об этом свидетельствует, в частности, структура себестоимости строительства автомобильных дорог по Белгородской области, где транспортные расходы составляют около 20 %.

Решение проблемы комплексного использования минеральных ресурсов КМА позволило начать широкомасштабное использование отходов горнорудного производства для производства дорожно-строительных материалов, тяжелого и легкого бетонов, силикатного кирпича, штукатурных и кладочных растворов и т.д.

В качестве рабочей гипотезы было высказано предположение, что в дорожном строительстве в качестве наполнителя при производстве дорожного бетона могут применяться отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС), содержащие 70-75% кварца. Выполненный авторами анализ сырьевых ресурсов КМА показал, что отходы ММС являются наиболее крупнотоннажным техногенным сырьем, и на их долю ежегодно приходится около 80 % добытой из недр горной массы.

В то же время высокая себестоимость устройства дорожных оснований традиционными способами предопределяет необходимость широкого использования для строительства укрепленных оснований смесей с высокой проникающей способностью (СВПС). Для снижения самого дорогостоящего компонента смеси - цемента - актуальной является задача разработки многокомпонентного вяжущего, обладающего необходимыми реологическими и физико-механическими параметрами с повышенной удельной поверхностью.

Применение смесей с высокой проникающей способностью из тонкомолотых цементов (ТМЦ) с использованием отходов ММС железистых кварцитов требует особого регулирования реологических свойств и агрегативной устойчивости этих смесей. Процессы течения и структурообразования в водных минеральных суспензиях и способы их регулирования относятся к числу наиболее актуальных проблем коллоидной химии. Одним из наиболее эффективных способов регулирования этих процессов является применение пластификаторов и суперпластификаторов.

Таким образом, разработка и применение СВПС с использованием отходов ММС и пластифицирующей добавки является актуальной задачей и позволит снизить материалоемкость дорожных одежд и улучшить экологическую обстановку благодаря утилизации отходов ММС.

Работа выполнялась в рамках Российского фонда фундаментальных исследований, проект 03-03-96426 "Агрегативная устойчивость водных минеральных суспензий с полиэлектролитами"

Цель и задачи работы. Разработка эффективных смесей с высокой проникающей способностью с использованием отходов ММС железистых кварцитов и технологий их производства и применения в дорожном строительстве.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование вещественного состава и строения техногенных отходов ММС как компонента вяжущего;

- изучение фазового состава новообразований при твердении ТМЦ и влияние отходов ММС на этот фазовый состав;

- изучение коллоидно-химических закономерностей в цементных пастах на основе ТМЦ при использовании суперпластификатора СБ-3;

- разработка технологии производства и изучение физико-механических свойств многокомпонентных вяжущих с использованием отходов ММС;

- разработка методики определения проникающей способности СВПС;

- разработка технологии производства смесей с высокой проникающей способностью на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и применения их для устройства оснований автомобильных дорог;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Установлена размалываемость компонентов разработанных вяжущих, увеличивающаяся в ряду клинкер—► шлак—ютходы ММС. Выявлен характер зависимости удельной поверхности от времени помола и состава смеси, при этом показано, что введение отходов ММС приводит к увеличению начальной скорости и снижению коэффициента торможения помола.

Установлены зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости СВПС с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3. Показано, что с введением 50 % отходов ММС в ТМЦ возможно достижение прочности, соизмеримой с прочностью исходного портландцемента, за счет механохимиче-ского модифицирования системы и, как следствие, оптимизации структуры новообразований при твердении.

Установлены закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных паст на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и суперпластификатором СБ-3, заключающиеся в снижении прочности контактов в коа-гуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора на поверхности дисперсной фазы и позволяющие получить предельно агрегативно устойчивые суспензии с жид-кообразным характером течения.

Разработана математическая модель и методика определения проникающей способности СВПС, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Установлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве миниконуса более 120 мм, что соответствует значениям предельного напряжения сдвига менее 25 Па.

Показано, что при твердении системы ТМЦ с использованием отходов ММС введение этих отходов практически не влияет на фазовый состав структуры. При этом образуется скрытокристаллическая структура гидросиликатов кальция, а также гидроалюминаты и гидрофериты кальция.

Практическое значение работы. Предложена рациональная область использования крупнотоннажных отходов железорудных месторождений - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов - в качестве сырьевых компонентов при производстве многокомпонентных вяжущих.

Разработана технология получения и состав смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора СБ-3.

Предложена технология устройства оснований автомобильных дорог I-IV категории с использованием смесей с высокой проникающей способностью.

Получены СВПС с прочностью на сжатие 45-62 МПа, позволяющие получать укрепленные основания с прочностью на сжатие 16-25 МПа и морозостойкостью до 150 циклов.

Внедрение результатов исследований.

Проведены опытные испытания СВПС при устройстве укрепленных дорожных оснований, которые подтвердили эффективность данной технологии.

Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.06 и 29.10. На защиту выносятся:

- результаты исследования особенностей минерального состава и гранулометрии отходов ММС железистых кварцитов;

- закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных паст на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и суперпластификатора СБ-3;

- зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости ТМЦ с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3;

- методика определения проникающей способности СВПС;

- зависимости свойств СВПС от вида и характеристик ТМЦ;

- оптимальные составы и технологии устройства оснований автомобильных дорог I-IV категории с использованием СВПС;

- результаты внедрения.

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 научных работ. Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, 7глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена настраницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 31 рисунок и фотографии, списка литературы из 184 наименований, 2приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения и состав смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора СБ-3.

2. Установлена энергоемкость помола компонентов разработанных вяжущих, уменьшающаяся в ряду клинкер шлак—>отходы—»ММС. Показано, что кинетика помола вяжущих хорошо описывается уравнениями теории переноса, при этом, введение отходов ММС приводит к увеличению начальной скорости и снижению коэффициента торможения помола.

3. Установлены зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости СВПС с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3. Показано, что введение 50% отходов ММС в ТМЦ приводит к незначительному снижению прочности по сравнении с исходными портландцементами, что обусловлено механохимической активацией системы и оптимизацией структуры при твердении.

4. Установлены закономерности изменения реологических, седиментаци-онных и электроповерхностных свойств СВПС, заключающиеся в снижении прочности контактов в коагуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора и увеличения одноименного заряда частиц. Это позволяет получить предельно агрегативно-устойчивые суспензии с жидкообразным характером течения.

5. Разработана математическая модель и методика определения проникающей способности СВПС, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Установлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве миниконуса более 120 мм, что соответствует значениям предельного напряжения сдвига менее 25 Па.

6. Разработана технология устройства оснований автомобильных дорог I -IV категории с использованием СВПС, позволяющая уменьшить число технологических операций. Получены СВПС с прочностью на сжатие 45-62 МПа, позволяющие получить укрепленное основание с прочностью на сжатие 16-25 МПа и морозостойкостью до 150 циклов.

7. Результаты экспериментальных исследований подтверждены опытными испытаниями. Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды и снижения материалоемкости экономический эффект составит 516329 руб на 1 км строящейся дороги. I

1. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и . экология. М.: Изд-во АСВ, 1994. - 264 с.

2. Баженов Ю.М., Плотников В.В. Активация вяжущих композиций в роторно-пульсационных аппаратах. Брянск.: БГИТА, 2001- 336 с.

3. Удачкин Н.Б. Активные кремнеземсодержащие компоненты как ин-тенсификаторы. производства автоклавных материалов и изде-лий//Автореф. дисс. док. техн. наук. М., 1987. - 32 с.

4. Баженов Ю.М. Многокомпонентные бетоны с техногенными отхода-ми//Современные проблемы строительного материаловедения. Материалы международной конференции. Самара, 1995. - Ч. 4. - С.

5. Ш4акощелочные вяжущие и мелкозернистые бетоны на их основе/Под ред. проф. Глуховского В.Д. Ташкент: Узбекистан, 1980. - 484с.

6. Рыбьев И.А. Общий курс строительных материалов: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1987. - 584 с.

7. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М.: Строй-издат, 1986. - 325 с.

8. Рыбьев И.А. Открытие закона створа, его сущность и значимость. — Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 1999. №3-4.-С. 21-23.

9. Комохов П.Г., Грызлов B.C. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. Вологда, 1992. - 318 с.

10. Беляев A.M. Асфальтобетон с использованием минерального порошка из промышленных отходов Курской магнитной аномалии. Автореф. дис. .канд. тех. наук. Москва, 1999. - 21 с.

11. Программа совершенствования и развития автомобильных дорог РФ "Дороги России" на 1995- 2000 гг. М.: Минтранс РФ, 1994. - 78 с.

12. Кубасов А.У., Чумаков Ю.Л., Широков С. Д. Строительство, ремонт исодержание автомобильных дорог. Москва: Транспорт, 1985. - 254 с.

13. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. М.: Высшая школа, 1969. - 396 с.

14. Фахратов М. А. Эффективная технология использования промышленных отходов в производстве бетона и железобетона// Строительные материалы.-2003.-№ 12.-С. 48-51.

15. Коваль С. В. Бетоны, модифицированные добавками: моделирование и оптимизация// Строительные материалы. 2004. - № 6. - С. 23-25.

16. Юсупов Р. К. Процесс схватывания как отражение кинетики контактных взаимодействий в бетоне// Бетон и железобетон. — 2003. №3. -С.25-27.

17. Ферронская А. В., Олейников В. В. Баранов И. М. Модифицированный бетон для ремонта железо'бетонных конструкций транспортных сооружений// Строительные материалы. 2004. - № 4. — С. 50-52.

18. Санжаасурэн Р. и др. Исследование влияния некоторых местных добавок на свойства портландцемента// Известия вузов. 2002. - №3. - С. 41-44.

19. Шумпанов В. А., Орловский В. М., Погореляк О. А., Чудновский С. М. Расчет оптимальных дозировок пластификаторов бетонных смесей с• учетом минералогического и вещественного состава цемента// Бетон ижелезобетон. 2004. - №2. - С. 10-12.

20. Чистяков Б. Е. И др. ПАВ в народном хозяйстве. М. : Химия, 1989. -248с.

21. Мурог В. Ю., Вайтехович П. Е. Влияние домола цемента на прочность бетонных изделий// Строительные материалы. 2004. - № 6. - С. 36-38

22. Звездов А. И., Гамов М. Ч. Применение энергоэффективного заполнителя в бетонах// Бетон и железобетон. — 2004. №5. - С.2-4.

23. Краснов А. М. Морозостойкость и ползучесть высоконаполненного высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона// Бетон и железобетон. 2003. - №5. - С.10-13.

24. Борисов А. А. О возможности использования дисперсных техногенных отходов в мелкозетнистых бетонах// Строительные материалы. -2004. -№ 8.-С. 38-40.

25. Дворкин О. JI. Эффективность химических добавок в бетонах // Бетон и железобетон. 2003. - №4. - С.23-24.

26. Сальников А. В., Хозин В. Г., Морозова Н. Н., Демьянова В. С. Влияние комплексного модификатора на свойства цементного вяжущего// Строительные материалы. 2004. - № 8. - С. 36-38.

27. Гридчин А. М., Лесовик В. С. и др. Рекомендации по производству иприменению литых асфальтобетонных смесей на основе сырья КМА. -Белгород, 2001. 35 с.

28. Васильев Ю. М., Агафончева В. П., Исаев В. С и др. Дорожные одежды с основаниями из укрепленных материалов. М.: Транспорт, 1989. -191 с.

29. Проценко П. В. крупнопористый бетон: технология и свойства. М.: Стройиздат, 1977. - 120 с.а

30. Белов Н. В. Структура ионных кристаллов и металлических фаз. М.: Изд-во АН СССР, 1967. - 243 с.

31. Ерофеев В. Т., Соломатов В. И., Селяев В. П. Расчет модуля упругости

32. Ь1-- каркасных композитов// Научные исследования и их внедрение встроительной отрасли. Саранск, 1989. - С 12-14.

33. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970.-223 с.

34. Сиденко В. М. Технология строительства автомобильных дорог: Учебник/ В. М. Сиденко, О. Т. Батраков. 2 части

35. Дорожные одежды с основаниями из укрепленных материалов. М. Транспорт, 1989. — 192 с.

36. Щербакова Р.П., Шестаков В.Н. Температурные деформации и коэффициенты линейного расширения влажного цементогрунта. JI.: Энергия, 1971.-357 с.

37. Чистов Ю. Д., Тарасов А. С. Строительство — формирование среды жизнедеятельности//4-я традиционная научно-практическая конф.молодых ученых, асп. и докт. М., - 2001. - С 193-194.

38. Марченко К.И., Чунзменко Е.В., Ревенко Р.И. Тяжелые бетоны из отходов руд Днепропетровского ГОКа// Комплексное использование нерудных пород КМА в строительстве. М.: МИСИ, БТИСМ, 1975. -Вып. 13.-Т. Г-С. 13-17.

39. Зощук Н.И., Бабин А.Е. Кристаллические сланцы Курской магнитнойуаномалии как заполнители для бетонов// Комплексное использование нерудных материалов пород КМА в строительстве. — М.: МИСИ, БТИСМ, 1975.-Вып. 13.-Т. 1.-С. 100-119.

40. Зощук Н.И., Боровский А.П., Карпов Г.Н. Свойства кристаллических сланцев Старооскольского железорудного района // Комплекс-ное исf пользование нерудных пород КМА в строительстве. — М.: МИСИ,

41. БТИСМ, 1975.-Вып. 13.-Т. 1.-С. 25-35.

42. А.с. 867418 СССР. Способы измельчения дробленого минеральнного материала/ Зощук Н.И., Сопин М.В., Филонич B.C., Шухов В.И. -Опуб. в Б.И., 1981, № 36.

43. Зощук Н.И., Малыхина B.C., Стамбулко В.И. Структура и прочность бетона на заполнителях из кристаллических сланцев КМА// Комплексное использование нерудных пород КМА в строительстве. М.: МИСИ, БТИСМ, 1977. - Вып. 27. - С. 10- 21.

44. Шухов В.И. Дорожные цементобетоны с заполнителями из железистых отходов горнорудной промышленности Курской магнитной аномалии: Автореф. дис. .канд. тех. наук. Харьков, 1990. - 20 с.

45. Гридчин A.M., Королев И.В., Шухов В.И. Вскрышные породы КМА в дорожном строительстве. Воронеж: Центрально-Черноземное издательство, 1983. - 95 с.

46. Требуков A.J1. Применение твердеющей закладки при подземной добыче руд. -М.: Недра, 1981. 172 с.

47. Каушанский В.Е., Шелудько В.П., Романкулов М.Р., Тарарин В.К., Ра-химбаев Ш.М. Обжиг сырьевой смеси, содержащей отходы железорудной промышленности/ЛДемент. 1989. № 8. - С. 18-19.

48. Лесовик Р.В. Мелкозернистые бетоны для дорожного строительства с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов. Дисс. . к. т. н., Белгород, 2003. — 206 с.

49. Пъячев В. А. И др. Портландцементный клинкер на основе хвостов обогащения качканарских руд. Цемент и его применение, 2001. №4. -с.35-38.

50. Гафуров А., Магрунов М. А., Умаров А. В. Расчет расстояния между частицами наполнителя в композиционных материалах// Пластические массы. 1993. - №9. - С.59-60

51. Лугинина И. Г., Коновалов В. М. Цементы из некондиционного сырья. Новочеркасск, Новочеркасский государственный технический университет, 1994.

52. Рахимбаев Ш. М. И др. Использование отходов добычи и обогащения железистых руд КМА в технологии производства портландцемента.//i