автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Структура и свойства прессованных цементно-минеральных композитов с добавкой пористого низкомодульного компонента

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДАХНО СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВНА

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПРЕССОВАННЫХ ЦЕМЕНТНО-МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ С ДОБАВКОЙ ПОРИСТОГО НИЗКОМОДУЛЬНОГО КОМПОНЕНТА

05.23.05. - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель к.т.н., доц. Г.А. Ткаченко

РОСТОВ-НА-ДОНУ, 199В

СОДЕРЖАНМЕ С.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. РАБОЧАЯ ГИПОТЕЗА.................................8

1.1. Особенности мелкоштучных изделий для дорожного строительства...................................................................... ..8

1.2. Способы изготовления мелкоштучных дорожных изделий. Теоретическое обоснование...................................................16

1.3. Роль низкомодульных компонентов в структурообразовании

в регулировании -свойств бетонов.....'........................................27

1.4. Рабочая гипотеза. Постановка частных задач исследований............31

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................33

2=1 Обоевозшше выбора исходных.сырьевых материалов, оценка

и качества............................................................................33

2.2. Выбор вида, размеров и количества опытных образцов.................36

2.3 Способы приготовления сырьевой смеси и формования

опытных образцов................................................................37

2.4. Методики оценки физико- механических свойств

свежеуплотненных ж затвердевших композитов..........................39

2.5. Математическое планирование экспериментов

м обработка полученных результатов.......................................41

2.6. Методы физико - химических исследований ЦМК........................43

3. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ1 СВОЙСТВА

ПРЕССОВАННЫХ ЦМК.................................................................45

3.1. Влияние рецептурных параметров на свойства

• прессованных ЦМК...............................................................45

3.2 Влияние технологических факторов на свойства

прессованных ЦМК.................................................................59

3.3 Совместное влияние ренептурно-технологических факторов

на структурообразование и свойства ЦМК..................................65

3.4 Физико-химические исследования структуры

прессованных ЦМК...............................................................76

3.5. Механизм структурообразования прессованных ЦМК....................85

3.6 Выводы...............................................................................94

4 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ НМК С ДОБАВКАМИ ПОРИСТЫХ НИЗКОМОДУЛЬНЫХ

КОМПОНЕНТОВ...........................................................................96

4.1. Условная классификация и предполагаемая роль некоторых

низкомодульных минеральных добавок.....................................96

4.2 Физакохии еческие исследования структуры прессованных композитов с природными пуццолановыми добавками.................106

4.3 Физико-химические исследования структуры прессованных

композитов с искусственными пуццолановыми добавками.........115

4.4 Физико-химические исследования структуры прессованных

композитов с карбонатными добавками.................................121

4.5. Выводы.........................................................................129

5. СТУКТУРООБРАЗОВАНИЕ1 СВОЙСТВА ПРЕССОВАННЫХ ЦМК С ПОРИСТЫМИ НИЗКОМО ДУЛЬНЫМИ ДОБАВКАМ!.,.......................................................................131

5.1. Роль пористых низкоиодульных добавок в формировании структуры прессованных ЦМК............................................131

5.2 Влияние вида пористой низкомодульной добавки на свойства свежеотформованных и затвердевши ЦМК............................137

5.3 Влияние количества пористой ннзкомодульной добавки на свойства ЦМК.................................................................142

5.4 Совместное влияние рецептурно-технологических факторов на етруктурообразование и свойства ЦМК

с пористой низкомодульной добавкой..................................151

5.5 Оценка специальных свойств прессованных ЦМК с

пористой низко модульной добавкой.....................................172

5.6 Выводы...........................................................................178

6. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................181

6Л. Методика назначения номинального состава формовочной

смеси с добавкой вулканического туфа...................................181

6.2. Технологический регламент на производство тротуарной плитки мз прессованных ЦМК с добавкой вулканического

туфа..................................................'...........................188

6.3. Выпуск опытной партии изделий и результаты наблюдений

за их эксплуатацией...........................................................203

6.4. Оценка технико-экономической эффективности использования добавки вулканического туфа в

производстве пресссованной тротуарной плитки......................206

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................................217

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................220

-4»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы, Прессованные пементно-минеральные композиты (ЦМК), особенно с использованием местного сырья и отходов промышленности, находи широкое применен«, в том числе и в изготовлении мелкош тучных изделий для коммунального и дорожного строительства. Жесткое прессование при удельном давлении 25-40 МПа с однократным мгновенным приложением прессующего усилия и с использованием полусухих формовочных смесей позволяет получать полуфабрикат с немедленной распалубочной прочностью, а затвердевшие изделия с повышенной прочностью и водостойкостью. Сочетание высокой технико-экономической эффективности изделий с их эстетичностью и возможностью создания на их основе практичных покрытий тротуаров ш дорог .позволяет решать важные проблемы благоустройства у ли и как з нашей стране, так а за рубежом.

Важным критерием работы дорожных изделий, эксплуатируемых в суровых условиях статических, динамических я атмосферных воздействий, является их надежность. Однако отсутствие нормативных документов на изготовление прессованных изделий, неумение отладить производство и в ряде случаев попытки использовать сырьевые материалы ннзкого качества приводят к преждевременному выходу изделий из строя. Решение данной проблемы связано с изучением процессов структурообразования жестко прессованных це-иентно-минераяьных композитов (ЖЦМК) и разработкой эффективных технологических приемов их направленного регулирования, одним из которых может стать способ введения в состав формовочной смеси добавки пористого низкомодульного компонента (ИНК).

Положительная роль добавки ПНК в составе Ж ЦМК связана с возможностью регулирования процессов массоиереноса жидкой фазы в системе, релаксацией внутренних напряжений при уплотнении н твердении композитов. Пористое зерно в составе Ж ЦМК является демпфирующим элементом н энергетическим гасителем микротрещинообразования, что ведет к улучшению

технико-экономических показателей материала ж его надежности в эксплуатации.

Цель диссертационной работы: улучшил эксплуатационные свойства

прессованны! дорожных изделий за счет использования .добавки пористого низко модульного ко м по нента.

Для достижения поставленной целя необходимо решить следующие частные задачи:

• экспериментальнэ оценить влияние основных рецептурно-технологических факторов на свойства ЖЦМК, определить особенности структуры и установить механизм взаимодействия элементарных процессов их структуре» образования;

- определить эффективность различных приемов направленного регулирования структурообразования ЖЦМК, в том числе ж приема введения в состав формовочной смеем добавки ПНК;

- выявить степень химической активности добавки ПНК, ее физнко-химиче-схой роли в ЖЦМК и определить требования к выбору вида добавки; исследовать влияние вида и количества добавки ПНК на структуру и свойства ЖЦМК;

- разработать методику проектирования состава формовочной смеси ЖЦМК с добавкой ПНК;

• провести опытно-промышленную апробацию изготовления ЖЦМК с добавкой ПНК, составить технологический регламент на производство изделий и сделать ТЭО использования добавки ПНК.

Научная новизна работы:

- установлен механизм взаимодействия основных элементарных процессов структурообразования ЖЦМК, позволяющий дать опенку влияния различных технологических приемов на структуру и свойства материала:

-6- установлена возможность направленного регулирования свойств ЖЦМК путем варьировання рецептурно-технологическнх факторов, а том числе и фактора добавки ПНК;

- выявлена роль химической активности и физико-механических свойств добавки ПНК в структурообразующих процессах ЖЦМК;

- научно обоснован выбор вида и количества добавки ПНК в ЖЦМК;

- изучено влияние добавки ПНК на истираемость, ударную прочность и морозостойкость ЖЦМК;

- создана научная основа для разработки методики проектирования состава ЖЦМК с добавкой ПНК.

Практическая значимость работы:

- показаны возможности утилизации отходов от дробления плотных и пористых горных пород, техногенных отходов промышленности в изготовлении изделий из ЖЦМК;

. доказано, что введение добавки ПНК в состав формовочной смеси позволяет улучшить основные свойства ЖЦМК, в том числе и специальные свойства, предъявляемые к дорожным изделиям, что приводит к повышению их техкико- экономической эффективности и конкурентоспособности;

- разработана методика проектирования состава ЖЦМК и технологический регламент на изготовление тротуарной плитки; выпущена и испытана опытная партия изделий, подтвердившая практическую возможность использования добавки ПНК в прессованных изделиях;

- определена гехнико-экономическая эффективность введения добавки ПНК & состав ЖЦМК.

Автор защищает:

- результаты комплексных исследований, определившие механизм взаимодействия элементарных процессов структурообразования ЖЦМК;

-7- технологические приемы направленного регулирования структурообразо-вания, в том числе и способ введения в состав формовочной смеси добавки ШЖ;

- результаты физнко-химических исследований структуры ЖЦМК, в том числе и с различными добавками ПЕК;

- закономерности влияния рецептурно-технологических факторов на свойства ЖЦМК с добавкой ПНК;

•• методику проектирования состава формовочной смеси ЖЦМК с добавкой ПНК и назначения рациональных параметров основных технологических процессов производства мелкоштучных прессованных дорожных изделий.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением современных методов исследования, статистической обработкой экспериментальных данных, обеспечивающих доверительную вероятность 0.95 при погрешности измерений менее 10 %, и результатами обследования опытной партии изделий тротуарной плитки, изготовленной в производственных условиях и наблюдаемой в течение года.

Апробания работы. Материалы диссертационной работы доложены на международных научно-практических конференциях (г. Ростов-на-Дону, 1996, 1997,1998 гг.), (г. Пенза 1996,1997,1998 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, включая тезисы докладов конференций и научные статьи в сборниках.

Структура и объем работы» Диссертация состоит из введения, шести

глав, общих выводов, содержит_233 страницы машинописного текста, 53

рисунка, $0 таблиц, список литературы из_154 наименований.

-8]. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. РАБОЧАЯ ГИПОТЕЗА

1.1.Особенности мелкоштучных изделий для дорожного строительства

В соответствии с условиями эксплуатации ГОСТ 17608 «Плиты бетонные тротуарные. Технические условия», ГОСТ 23668 «Камень брусчатый для дорожных покрытий. Технические условия» и ГОСТ 6665 «Камни бетонные и железобетонные бортовые. Технические условия» предъявляют к изделиям для дорожного строительства определенные нормативные требования по прочности на сжатие (В 22,5-В30) и на изгиб (Вв,3.2-В&-4.4), истираемости (не более 0,5-0,9 г/см2), морозостойкости (с оттаиванием в 5% солевом растворе хлорида натрия - Р200 и более) 1 ограниченному водопоглощению по массе. В свою очередь указанные требования по прочности и морозостойкости ограничивают водонементное отношение формовочных смесей, которое для таких изделий не должно быть более 0,4. Сохранение целостности, хорошего внешнего вида, четких граней и ребер также является необходимым условием качества этих изделий.

В разных районах России организованы предприятия по выпуску дорожных нзделнй на базе местного сырья нлн отходов промышленности (отсевов от дробления горных пород, шлаков ГРЭС и др.). Попытки использовать сырьевые материалы низкого качества приводят к преждевременному выходу изделий из строя.

Традиционно в практике изготовления дорожных изделий применяют способ виброформования с использованием добавки суперпластификаторов. Широкий спектр подобных добавок (С-3, 10-03, 40-03, Дофен) позволяет повысить у д о б оу хладыв ае м о сть формовочной смеси, уменьшить ее водонотреб-ность и снизить расход цемента [98]. Сочетание эффекта добавки с вибрацией, способствующей уплотнению смеси, позволяет обеспечить необходимую прочность и водостойкость изделий. Однако ввиду того, что твердение изделий до приобретения ими распапубочной прочности происходит непосредст-

венно в формах, данный способ характеризуется высокой металлоемкостью производства. Другим его недостатком является высокая стоимость супер ила* стификатора. Это снижает эффективность данной технологии изготовления изделий ж требует поиска других способов формования.

Известно [2], что важнейшим фактором в выборе способа формования является получение полуфабриката с заданными свойствами. Именно эти свойства определяют как дальнейшие режимы его переработки, так и физико-технические свойства готовых изделий - плотность, равномерность распределения частиц ю объему, отсутствие дефектов в строении полуфабриката (раковины, трещины и т.д.) и, наконец, эксплуатационные характеристики. Стремление получить полуфабрикат с достаточной распалубочной прочностью, обеспечивающей немедленное извлечение изделий из формы сразу после формования, а вследствие этого и специфика полусухих формовочных смесей выделяют среди многих других способов формования метод прессования, который широко используется и а современных производствах огнеупорных и керамических изделий {1, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9,10,11,12,13,14,15].

Значительную роль в научном обосновании и развитии технологии прессования сыграли довольно многочисленные работы но изучению процессов формования керамических и огнеупорных материалов, выполненные как отечественны.« я (II.Я. Баландин, A.C. Бережной, С.С. Казакевич, Й.С. Кайнарский, H B. Кальмане, Г.В. Куколев, НС Мамыкин, А.Ф.'Огарков, Д.Н. Полубояринов, В.А. Полюх, М.Я. Сапожников, К.К. Стрелой, Н.Я. Струсинская, М.Я. Тимохова и др.), так я зарубежными (У.К. Белл, Т.Ф. Берри, СМ. Дадд, П. Д реньо, У .Д. Каягерх, Ф.Х. Клус, А,Р. Коопер, В. Нобл, Ф.Х. Нортон, Х.Б. Рис, Т. Хааз и др.) учеными и специалистами.

Метод прессования предполагает принудительное сближение частиц формовочной смеси под действием внешнего давления, создаваемого прессующим агрегатом. В технологии прессования известны несколько видов дан-

ного способа уплотнения смеем в зависимости от ах свойств: "сухое прессование", "полусухое прессование" а также прессование гидростатическое, вибрационное, горячее в т.д, Для уплотнения формовочных смесей'в производстве мелхоштучных дорожных изделий с учетом их особенностей можно использовать полусухое прессование, вибропрессование i прессование с введением в состав смесей поверхностно-активных добавок.

При полусухом прессовании (2, 4, б, 7, 15, 37] влажность формуемой смеси i удельное давление, прикладываемое к ней, в различных производствах ве одинаковы. Так, яри прессовании обычного керамического кирпича влажность составляет 8-1.2% при удельном давлении 10-2ОМШ> огнеупорных изделий. соответственно 4-11% и 15-40 МПа, силикатного кирпича 7-9% при удельном давлении до 25 МПа, а бетонных изделий 7-10%- при давлении 10-15 МПа.

В современной технологии прессования в зависимости от уровня прикладываемого давления к формовочной массе различают жесткое прессование -давление 20-40 МПа и гиперпрессование 40-80 МПа, характерными особенностями которых является мгновенное (2-3 с) одноразовое приложение сжимающего усилия. Назначение того или иного режима прессования определяется свойствами сырьевой' смеси и конкретной технологической задачей.

Метод жесткого прессования, как показывает, ряд работ [99, 100, 101, 102], выполненных под руководством А.Н. Юндина,- позволяет получать эффективные строительные материалы по нетрадиционной технологии на основе отходов производств, а также путем модифицирования состава материала

Прочные i водостойкие изделия из фосфогипса -дигидрата методом жесткого и гиперпрессования были получены путем введения модифицирующих добавок (портландцемента в сочетании с горелой породой или микрокремнезем а) в состав смеси на основе отходов фосфатного производства [100]. При этом жесткое и гиперпрессование фосфогипса-дигидрата позволило получить искусственный камень, обладающий прочностью до И МПа.

Разработанные составы и технологи композиционных магнезиальных

вяжущих для изготовления стр