автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Тонкодисперсные минеральные наполнители в составах цементных композиций

На правах рукописи

КАРИМОВ „ г г л п Ильдар Шакирьянопич

МО и Д

2 7 ЛИВ 1597

ТОНКОДИСПЕРСНЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ НАПОЛНИТЕЛИ В СОСТАВАХ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы

и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СЛНКТ-ППТЕРГ.УРГ 1990

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

доктор технических наук, профессор БАБКОВ В. В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ПОПОВА О. С;

кандидат технических наук, с. н. с. БЕРТОВ В. М.

Ведущая организация — БашНИИстрой (г. Уфа).

Защита состоится 30 января 1997 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 114.03.04 в Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 3-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Научный руководитель:

Автореферат разослан . . декабря 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н.

С. Р. ВЛАДИМИРСКИМ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование промышленных отходов в производстве строительных материалов решает комплекс экономических, социальных проблем, снижает экологическую напряженность, расширяет сырьевую базу, способствует ресурсосбережению и, в ряде случаев, улучшает качество конечного продукта. В последние годы рядом исследователей в России и за рубежом показано, что использование в цементных композициях некоторых минеральных добавок повышенной дисперсности из числа отходов производства позволяет достичь экономии цементного клинкера, улучшать физико-механические и строительно-технологические свойства цементных бетонов.

Однако, в имеющихся по этому вопросу публикациях даются разные точки зрения на механизм влияния тонкодисперсных минеральных наполнителей (ТМН) на свойства цементного камня (ЦК) и цементных композиций, отсутствуют рекомендации по оптимальной дисперсности и концентрации некоторых видов наполнителей в смешанных вяжущих и бетонах.

Целью работы явилось углубление представлений о механизме влияния ТМН на структуру и свойства ЦК; исследование возможности использования тонкодисперсных минеральных наполнителей различной природы и дисперсности для снижения расхода цементного клинкера в смешанных вяжущих, увеличения прочности и улучшения других свойств цементных растворов и бетонов; выявление материалов из числа отходов промышленности, пригодных в качестве сырья для получения добавок в смешанные вяжущие и тонкодисперсных наполнителей в растворы и бетоны.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложены качественные и количественные критерии, характеризующие дифференциальную пористость материалов типа ЦК. Такими критериями применительно к одноранговой структуре, т.е. пористой структуре, содержащей поры одного размера, является неоднородность распределения пор в обьеме; применительно к структурам, содержащим группы разноразмерных пор - многоранговость пористости.

2. Теоретически обоснована роль дифференциальной пористости как сильного самостоятельного структурного фактора, соизмеримого по влиянию на прочность пористых материалов с действием общей пористости, решен ряд задач по оценке влияния дифференциальной пористости на прочность пористых материалов типа ЦК.

3. С применением комплекса физико-механических и физико-химических методов исследований экспериментально подтверждено влияние взаимодействия пор разных рангов на прочность ЦК.

4. Предложены принципы оптимизации структуры цементных композиций в целях повышения прочности, сводящиеся к направленному регулированию дифференциальной пористости ЦК через понижение уровня многоранговости пористости. В частности, использование тонкодисперсных минеральных наполнителей различной природы в цементных композициях обусловливает снижение уровня многоранговости пористости ЦК через снижение среднего размера капиллярных пор, повышение однородности распределения пор в обьеме.

5. Получены теоретические зависимости среднего размера капиллярных пор в ЦК от степени гидратации с уче-

том дисперсности наполнителя, его объемной концентрации, гидравлической активности для нескольких вариантов введения наполнителя в водовяжущую систему.

6. Исследован ряд материалов разной минералогической природы из числа неорганических отходов промышленности и природного сырья с точки зрения их. пригодности для использования в качестве тонкодисперсных наполнителей в смешанных вяжущих, растворах и бетонах.

Практическая значимость работы состоит:

- в расширении номенклатуры наполнителей в цементные композиции и вовлечении в хозяйственный оборот ряда многотоннажных неорганических отходов промышленности;

- в улучшении строительно-технологических свойств смешанных вяясущих, растворов и бетонов с тонкодисперсными наполнителями;

- в снижении экологической напряженности в районах действия предприятий - источников образования отходов;

в сокращении материалоемкости (цемента на 10...30%) и экономической эффективности использования тонкодисперсных минеральных наполнителей.

Реализация работы. Результаты исследований получили опытно-промышленное внедрение на цементном производстве АО "Сода" (г.Стерлитамак, Республика Башкортостан) при изготовлении двух партий смешанного вяжущего на основе портландцементного клинкера с наполнителем из горелой породы повышенной удельной поверхности. На совместном российско-канадском предприятии "Берлек" (г.Уфа) были выпущены две партии стеновых вибропрессованных бетонных блоков повышенной прочности с использованием тонкодисперсного наполнителя в виде пиритного огарка Мелеуэоп-ского химического завода.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: "Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте" (Санкт-Петербург, 1995 г.), "Защитные строительные материалы и конструкции" (Санкт-Петербург, 1995 г.) , "Современные проблемы строительного материаловедения" (Самара, 1995 г.), "Проблемы нефтегазового комплекса России" (Уфа, 1995 г.), "Газ.Нефть-96" (Уфа, 1996 г.)/ "Современные проблемы строительного материаловедения" (Казань, 1996 г.), "Проблемы формирования структуры, эксплуатационной надежности и долговечности строительных материалов" (Плес, 1996 г.), 1-ом международном совещании по химии и технологии цемента (Москва, 1996 г.).

По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ. Описанные в данной работе результаты исследований получены благодаря гранту Академии наук Республики Башкортостан за 1994 год.

Обьем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, приложений и списка использованной литературы, включающего 127 наименований. Основная часть работы изложена на 209 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В последнее время активно дискутируется вопрос о природе так называемого "эффекта микронаполнителя", который выражается в повышении прочности при введении в цементные композиции инертных ТМН, а также может являться частью эффекта пуццоланических и гидравлически активных наполнителей.

К минеральным наполнителям для вяжущих материалов, а также для бетонов относятся природные и техногенные вещества в дисперсном состоянии неорганического состава, нерастворимые в воде "(основное отличие от химических добавок) и характеризуемые крупностью зерен менее 0,16 мм (основное отличие от заполнителей).

Изучение влияния ТМН на структуру и свойства ЦК и бетона началось с 30-х годов после публикации работ П.П.Будникова, В.Ф.Журавлева, В.А.Кинда, В.Н.Юнга. Впо-следствие вопросами применения микронаполнителей занимались Ю.М.Баженов, Ю.М.Бутт, В.К.Власов, В.А. Вознесенский, С.А.Высоцкий, А.Г.Зоткин, С.С.Каприелов, В.И. Колбасов, П.Г.Комохов, И.М.Красный, Л.А.Малинина, О.П. Мчедлов-Петросян, П.А. Ребиндер, И.А.Рыбьев, В.И. Соло-матов и др.

Сегодня общепризнано, что введение ТМН в качестве самостоятельной составляющей бетонных и растворных смесей является одним из существенных резервов повышения экономичности цементных композиций по стоимости и расходу цемента и улучшения их строительно-технологических свойств.

Однако, среди ученых нет единого мнения по механизму влияния ТМН высокой дисперсности на структуру и свойства ЦК и цементных бетонов.

В литературе выделяются несколько основных факторов положительного влияния ТМН на структуру и физико-механические характеристики цементных композиций:

- снижение общей пористости ЦК в бетоне при увеличении обьемной концентрации и дисперсности наполнителя;

- связывание гидроксида кальция Са(ОН)2 кристалло-гидратной связки амортизированным кремнеземом ЗЮ2 пуц-

цолановых наполнителей, повышение пуццоланической активности наполнителя при его тонком измельчении;

- ускорение начальной стадии химического твердения цементных систем с частицами наполнителя, служащими центрами кристаллизации;

- образование кластеров "вяжущее-наполнитель" за счет высокой поверхностной энергии частиц наполнителя;

- упрочнение контактной зоны между ЦК и заполнителями в бетонах;

- снижение водопотребности бетонных смесей рядом наполнителей разной минералогической природы и дисперсности .

Как показал анализ литературных источников, приведенные точки зрения по влиянию ТМН на прочность цементных бетонов не учитывают роли дифференциальной пористости ЦК, характеризующейся разноразмерностью пор (фактор многоранговости пористости) и неоднородностью их распределения в обьеме.

Применительно к одноранговой пористой структуре, т.е. структуре, содержащей одноразмерные поры, структурная неоднородность пористого материала с хрупкой структурообразующей фазой типа кристаллогидратной связки ЦК может быть представлена в виде функции распределения локальных значений пористости р (или локальной плотности ■у5=1-р) <р (V) в пределах от лг<> до

В условиях однородного нагружения структурные ячейки рассматриваемого материала будут нагружены неодинаково по уровню пикового напряжения на контуре пор, при этом наиболее нагруженными окажутся ячейки с наименьшей локальной плотностью, что предопределит их разрушение с перераспределением нагрузки, которую они несли, на

сохранившиеся, более "прочные" ячейки. Процесс нагруже-ния по механизму с предразрушением перегруженных микро-обьемов материала и стабилизацией состояния протекает до тех пор, пока значения локальной плотности достигнут некоторого критического уровня при которой стаби-

лизация становится невозможной и процесс завершается последовательным выходом из строя всех оставшихся структурных ячеек. Этот уровень нагрузки и соответствует прочности неоднородного пористого материала (\гга>,

значение которой можно получить анализом уравнения, описывающего промежуточное состояние структуры (состояния с локализацией местных повре>кдений)

■»я

а /<гМ<1у, (1)

где Ко - прочность плотной (непоризованной) фазы; п-степвнной показатель, отраясакхций измононио прочности с изменением плотности для однородной пористой структуры.

В качестве фС^) были рассмотрены несколько функций распределения структурных ячеек по локальной плотности и, в частности, симметричное и асимметричное нормальное распределение с коэффициентами асимметрии А*0 и эксцесса Е*0. Данный случай реализуется представлением функции распределения в виде ряда Граыа-Шарлье

9(V)и- (ф.^,-А «„ (И^Ф.'" (^)-К • •), (2)

с с 3! с 4! с

V — V V—V (л« V—V

где <?„(-), {-), 9а1 ' {-) - функции плотности

с с с

нормированного и центрированного нормального распределения и ее производные; V"» /фС^у™!-!? -интегральная плот-

ность твердой фазы, соответствующая интегральной пористости материала Р; с— ^ .

Анализ промежуточного состояния системы на экстремум по V дает формулу прочности в-виде

с 3!с с 4!с с с

О)

31с с 41с о

#21 V —V ,4) V —V

где Ф1 ' (-), Ф (-) - производные функции Лапласа.

с с

Результаты расчетов по связи 11-У, приведенные на рис.1 согласно (3), и зависимости для симметричного закона нормального распределения, показывают, что степень влияния неоднородности пористости на прочность пористых материалов с хрупкой структурообразующей фазой в области малых значений интегральной плотности У-0,1...0,3 достигает десятичного порядка, в области средних значений Л?-0,3...0,'7 составляет до 2...5 раз. В области высоких значений V (низкой пористости) влияние структурной неоднородности на прочность оказывается минимальным.

Сущность влияния многоранговости порового пространства определяется тем обстоятельством, что если пористость материала представлена сильно различающимися по размеру порами, то крупные поры при нагружении формируют в своей окрестности большие по обьему поля концентраций напряжений, куда легко вписываются мелкие поры, способные занять в пределах этих полей крайне невыгодное положение, обусловливающее значительное повышение локальных напряжений на микроуровне.

Для исследования взаимодействия пор разных рангов в

Рис.1. Зазисимости относительной прочности К/К» от интегральноЯ относительной плотности V пористой ОЕИорангозо'Л структуры для сидает-р 1гг2пох*о и асимметричного нормального распределения .

ЦК (макропор и микропористой структура) и связи этого взаимодействия с механизмом разрушения при сжатии была проведена серия экспериментов. Макропористость в ЦК моделировалась сквозными круговыми отверстиями, гранулами пенополистирола разных фракций. Использование разных водоцеыентных отношений и возраста ЦК позволило б пкро-ких пределах пропарьировать цикропористую структуру, соответствующую капиллярной пористости. Данные экспериментов свидетельствуют о том, что искусственные макропоры оказывают значительное дополнительное раэупрочняю-щее влияние, что связано с их взаимодействием с капиллярными порами ЦК,

В обобщенной форне плиянио на прочность ккогоранго-вости пористости длп структур с хрупкой структурообра-зуг'Щой фа^ой и рк'р.тяошшм разрывом распоров пор смежны?: рангов мог,от Сыть учтено пог.учпиной гшгдитическп заг.и-

СГ'.МОСГЬП

где Еи-прочность п-ранговой пористой структуры с общей пористостью 5с>1 - коэффициент концентрации на-

пряжений на контуре одиночной поры при однородной на-гружении; к>1-число рангов пор (уровень ыногоранговости пористости); а>1 - степенной показатель.

Из (Л) видно, что повышению прочности при прочих равных условиях (общей пористости для водовяжущих систем с одинаковым исходным иодоцементным отношением) Судет содействовать понижение уровня ыногоранговости пористости, т.е. снижение среднего и наибольшего размеров пор в пределах одного ранга и сближение размеров пор смежных рангов.

Пористую структуру твердеющего ЦК следует рассматривать минимум как трехранговую, содержащую внутрикри-сталлогидратные (гелевые), капиллярные поры и.макропоры защемленного воздуха со своими характеристиками средних условных диаметров.

Основой крксталлогидраткой связки ЦК на портландцементе является кристаллит гидросиликатной составляющей с поперечным размером около 10 ны, что предопределяет стабильное значение внутрикристаллогидратной (гелевой) пористости на уровне около 28% и среднего размера геле-вых пор порядка 2...3 нм. Таким образом, возможности регулирования дифференциальной пористости ЦК с целью повышения прочности следует искать в регулировании капиллярной пористости через понижение среднего размера пор этого ранга.

Средний размер капиллярной поры й, трактуемый как среднее расстояние между флокулами гидратируеыых частиц вяжущего, может быть представлен как отношение капиллярной пористости к удельной поверхности развивающихся

флокул Оу, скорректированное нормирующим коэффициентом к, учитывающим влияние формы пер:

З.оГ^И-ОЛЭ-!)]3'3 где к =5...7; Зг0- удельная поверхность исходного вяжущего (см2/г) ; ут- плотность вяжущего (г/см3); 3 - коэффициент увеличения обьема твердой фазы при химическом переходе вяхсущего в гидрат (в этот обьем вкл.'счона внуг-рикристаллогидратная пористость) , составляющей для портландцемента 2,1...2,2; 0Е- степень гидратации вягсу-щего; g- соотноиение плотностей воды и вяхущего; хг- во-доцементное отношение.

Таким образом, как это следует из (5), развитие структуры пористости и поды^ение прочности ЦК с повышением степени гидратации связаны но только со ниен капиллярной пористости, но со снижением среднего размера капиллярных пер.

Одной из наиболее интересных возможностей реализации названного механизма упрочнения в технологии цементных бетонов является использование ТМН с дисперсностью, в 2... 4 раза превышающей дисперсность портландцемента. Гранулы наполнителя, размещаясь ме;хду частицами цемента, существенно корректируют исходную дифференциальную пустотность аодозягг/щей пасты в сторону меньших по размеру пустот, что обусловливает формирование ЦК с меньшими размерами капиллярных пор, диспергированной капиллярной прористостью по сравнению со структурой Ссэ наполнителя.

Введение наполнителей в водопялсунуп пасту возможно двумя способами! Си?э изменения содержания цемента (прм

постоянном водоцементном отношении «=сопэ<:) или взамен части цемента (при постоянном водотвердом отношении B/T=w'=const или &, соответствующем нормальной густоте цементного теста).

Для первого варианта введения в водовяжущую пасту наполнителя с относительной обьемной концентрацией плотностью дисперсностью по удельной по-

верхности Бг-рЗао и гидравлической активностью средний размер капиллярных пор будет описываться зависимостью

д _ к УУ/в-0х(0-1)-а-о0х^(0-1) (б)

Е10Т х {[ 1 + 6, О -1)]2'3 + + $0.0"1)]2/3} ' где Уй - относительная обьемная концентрация исходного вяжущего.

Средний размер капиллярной поры для второго варианта введения наполнителя, в свою очередь, описывается зависимостью

(т/'/8-и)-(1-а)[1+ех(а-1)]-«[1+е^{э-1)]

«(О -а)П+0Ж(0 -1)]2/3+Э<хХ[1+4вж(О - } '

Анализируя (6) и (7), можно видеть, что с повышением дисперсности ({!), концентрации наполнителя (ее) , при снижении водоцементного (\г) и водотвердого (V) отношений значение с1 в ЦК на бинарном вяжущем при прочих равных условиях будет существенно, до нескольких раз снижаться по сравнению со структурой на исходном немодифи-цированном вяжущем. Гидравлическая активность ((,) и плотность (X) наполнителя также оказывают влияние на снижение <1.

Для исследования влияния ТМН на структуру пористости ЦК и получения возможно больших различий по проч-

ности на первом этапе были проведены эксперименты на весьма грубодисперсном клинкере с удельной поверхностью 8Я=920 см2/г при широком изменении дисперсности инертного наполнителя - молотого кварцевого песка. Введение в пасты на основе этого вяжущего данного наполнителя при сохранении постоянного №=0,3 (первый вариант введения наполнителя) обеспечило резкий рост прочности (рис.2). Наиболее характерными по соотношению прочностей являются результаты для раннего возраста. Инертный при нор-мально-влажностных условиях твердения наполнитель с Зг=9500...13300 см2/г при концентрации а=0,3...0,35 обеспечил в семисуточном возрасте 4...5-кратное упрочнение. В более поздние сроки твердения (28 сут и 3 мес) степень упрочнения понижается до двухкратного уровня. Эффект упрочнения понижается со снижением дисперсности наполнителя и полностью исчезает с выходом на дисперсность обычного мелкого заполнителя (кварцевого песка фракции 0,3...2,5).

Данные подобных экспериментов на портландцементе ПЦ500-Д0 (НГЦТ равно 0,27) с использованием кварцевого наполнителя с удельной поверхностью 8*-9000 см2/г и суперпластификатора С-3 в количестве 1% от массы тзердых продуктов при водоцементном отношении т?=»0,19 показали прочность ЦК до 140...150 МПа в трехмесячном возрасте в условиях водного твердения.

Во втором эксперименте (рис.3) на том же грубодисперсном клинкере и тех же наполнителях формовались образцы паст при постоянном водотвердоы отношении «*-0,3 (второй вариант введения наполнителя). Характерным в этом случае является сохранение уровня прочности для кварцевого наполнителя с 8г-9500 смг/г при значительном

Возраст 3 чсскца

В40

К

е»

Возраст 7 с;тс:

0,2

0,4

100 80

60

40

20

ВофвсгЗХсутск

/ т

--^

0,2 0,4

40

20

0

0

0,2

0.С

Ошосптслъпоо слдсрггакпг гкл.члтпгган по иассс с

Рис.2.

Прочность подоцрмонтных паст с тондод^сплрсного к».1р-

цеаого наполнителя раьной дисперсности при постоянном «-0,3: О - кварцазш! песок фракции 0,3...2,5 ии;0 -кварцевый наполнитель (3,-5800 сы'/г); о -то «е при Зг-9500 си2/п Е - то ке при ¡¡,-13300 си2/г; удальнак повнркносгь клкнкорл 3го"1320 оиг/г.

ки

60

4Э

е-

\ч -С! ^.о—

А

£ с

о

0 ОД 0,4

Оге<узтшю:п£ содер^т.'нс клгилтггатх г.о иигсе а

1-иг.З. Прочность зодоцеиектных паст с добаиками токкодисперсного кварцевого наполнителя при постоянной м'=0,3: ОДР- возраст 28 суток; С ¿.с ~ возраст 3 ие^нча; Л Л -кварцевый песок ¿рапзта 0,3...;,С ми; О С1-то гг.е при 5Г=9500 см Vг; □ с- то 7-с при Ег-13300 см*'/!1; улельнал поверхность клн-нт'срп 920 снг/г.

0

повышении а для наполнителя с 8г»13300 сы2/г прочность возрастала до 20%. Повышение содержания заполнителя фракции 0,3... 2,5 мм при постоянстве х? (расчет этого показателя выполнен с учетом всей массы твердых продуктов, включая песок фр.0,3...2,5 мм) привело к естественному снижению прочности в силу значительного повышения V в этих условиях.

На рис.4 приведены данные порометрических исследований структур ЦК из паст на груСодисперсном клинкере (8Ж=920 см2/г) и том же клинкере с добавкой тонкодисперсного кварцевого наполнителя при г^сопз!:. Сравниваемые структуры в равные сроки твердения при 2...5-ти кратном различии прочностей имеют практически одинаковую интегральную пористость, что свидетельствует о приблизительно одинаковой степени гидратации клинкерной составляющей для обеих паст. Различие жа структур определяется соотношением обьемов микро- и макропор. В частности, обьеы ыакропор радиусом г>100 нм в семису-точном возрасте для структуры с 40%-икм содержанием наполнителя по сравнению с исходной без наполнителя сокращается в 9,5 раз, пор г>50 нм а два раза; в 28-суточном возрасте соответственно в 3,6 и 4,5 раза; в трехмесячном возрасте - в 2 и 2,8 раза (см.рис.4).

Исследование строительно-технологических свойств смешанных вяжущих, кладочных растворов и бетонов проводилось с использованием полученных помолом тонкодисперсных наполнителей на основе группы крупнотоннажных неорганических отходов предприятий Республики Башкортостан и природного сырья, в том числе вскрышной горелой породы Кумертаусского Оуроугольного месторождения (0*=3050, 5700, 11500 смг/г), известняка-ракушечника

Раюдге пор г. ни (^-шкааз)

Рнс.4. Интегральные (а) и дифференциальные (б) кркше распределяй;:!: обьека пор по радиусам для цементного камнг водного твердения п 28-суточноы возрасте:

1-цекентный камень на грубодиспгрснои клк/ кере (5*-920 сьг/г) при 2,3- то ке, с добавкой кварцев го нгполкителк

(5^-9500 С!1г/г) при а<=0,4 к 0,С соотпетст

(0£-10200 смг/г), эолы Куыертауской ТЭС (В.—10800 см2/г), пиритных огарков Иелеуэопского химзавода (0г=«9500 см2/г) и керамзитовой пыли Уфимского засюда строительных материалов (Й£»-9800 сы2/г) .

Смешанные вяжущие, получаемый совмещением промыш-пгнногз портландцемента ПЦ500-ДО с укльани наполни-трлими, отвечают основным требованиям по срокам схваты-нчнип и равномерности изменения обьема, регламентиро-

ванным ГОСТ 10178-85 "Портландцемент и шлакопортландце-мент. Технические условия". При введении 40% наполнителя НГЦТ увеличивается на 4...8% по сравнению с портландцементом. Активность смешанных вяжущих не ниже активности портландцемента ПЦ500-Д0 при 20...30%-ном содержании наполнителей.

Исследован способ активации вяжущего путем совместного измельчения цемента и мелкой фракции известняка-ракушечника в дезинтеграторной установке ( активность вяжущего при 30%-ном содержании наполнителя не ниже активности портландцемента).

Равноконсистентные бетонные смеси с данными наполнителями имеют прочность на сжатие и на растяжение при изгибе не ниже прочности бетона базового состава при 20%-ном содержании наполнителей в составе смешанного вяжущего. Введение суперпластификатора С-3 в количестве 0,7% от массы дисперсных продуктов позволило увеличить прочность бетона на сжатие на 68...92% и прочность на растяжение при изгибе на 57...67% (рис.5).

Апробация технологии производства смешанных вяжущих с тонкодисперсным наполнителем в виде горелой породы была проведена на АО "Сода" (г.Стерлитамак) путем помола наполнителя до удельной поверхности Зг~6000 см2/г и его смешивания с промышленным цементом марки ПЦ500-Д0 (активность вяжущего соответствует базовому портландцементу) . Снижение себестоимости полученного смешанного вяжущего по сравнению с базовым портландцементом составило 17,51 тыс.руб/т (в ценах августа 1995 года).

Были выпущены две партии стеновых высокопустотных бетонных блоков на аибропрессовом оборудовании фирмы "Веззег" с использованием а качестве наполнителя в бет-

N 5 £

О 10 20 30 40

Содержание наполнителя в составе смешанного вяжущего, % по массе

Рис.5. Прочность тяжелого Сетона состава 1:1,51:2,85 с.заменой части цемента на тонкодисперсный наполнитель (а) и одновременным введением суперпластификатора С-3 (0,7%) (б), наполнители: ©-горелая порода (31-11500 см2/г);И- зола ТЭС (31-10800 см /г); А- известняк-ракушечник (31-10200 см2/г) ; д- керамэитоаая гшль (Б1-9ВО0 смг/г);о- пиритн-цД огарок (Эг-ЗбОО ск /г) .

онную сыесь высокодисперсных пиритных огарков. Прочность блоков с наполнителем превысила прочность блоков без наполнителя в 1,1...1,3 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе теоретических исследований выявлена роль дифференциальной пористости, характеризуемой неоднородностью распределения пор в обьеме и многоранго-востыо порового пространства (раэнораэмерностью отдельных групп пор), как сильного самостоятельного структурного фактора, соизмеримого по влиянию на прочность пористых материалов с действием общей пористости. Решен ряд задач по оценке влияния дифференциальной пористости на прочность пористых материалов типа ЦК. Количественная оценка показала, что степень влияния неоднородности пористости материалов с хрупкой структурообразующей фазой в области малых значений интегральной плотности У=0,1...0,3 достигает десятичного порядка, в области средних значений У=0,3...0,7 составляет до 2...5 раз. Многоранговость пористости снижает прочность структур типа ЦК до десятичного порядка.

2. Влияние взаимодействия пор разных рангов (макропор и микропористой структуры) на прочность ЦК подтверждено экспериментальными исследованиями. Макропористость в этих экспериментах моделировалась в цементных призмах сквозными круговыми отверстиями, гранулами пенополистирола разных фракций и др.

3. Предложены принципы оптимизации структуры пористости ЦК с целью повышения прочности, сводящиеся к направленному регулированию дифференциальной пористости, понижению уровня многоранговости пористости через снижение среднего размера капиллярных пор, повышение однородности распределения пор в обьеме посредством введения в композиции ТМН различной природы.

4. Получены теоретические зависимости среднего размера капиллярных пор в ЦК от степени гидратации, дисперсности наполнителей, их обьемной концентрации, гидравлической активности и плотности для различных вариантов введения наполнителя в водовяжущую пасту. Показано, что'наибольшее влияние на снижение среднего размера капиллярных пор оказывает дисперсность и обьемная концентрация наполнителей.

5. Исследован ряд материалов разной минералогической природы из числа неорганических отходов промышленности и природного сырья Республики Башкортостан с точки зрения их пригодности для использования в качестве тонкодисперсных наполнителей в цементные композиции. Основными критериями при выборе отходов явились: энергозатраты при размоле до требуемой дисперсности; наличие в составе отходов химических соединений, накладывающих ограничения по использованию их в цементных композициях (удовлетворение санитарным требованиям по предельно допустимым концентрациям токсичных соединений) .

6. С применением комплекса физико-механических и физико-химических методов (ртутной порометрии, металлографической микроскопии и др.) экспериментально подтверждено влияние дисперсности и обьемной концентрации ТМН на дифференциальную пористость и прочность ЦК. На портландцементе ПЦ500-Д0 с использованием кварцевого наполнителя (8г=9000 см2/г) и суперпластификатора С-3 достигнута прочность ЦК на сжатие до 140...150 Мпа в трехмесячном возрасте.

7. Исследованы основные строительно-технологические свойства смешанных вяжущих, получаемых:

- смешиванием портландцемента с тонкодисперсными наполнителями из известняка-ракушечника (01=10200 см2/г), горелой породы (81=11500 см2/г) , золы гидроудаления ТЭС (Зг=10800 см2/г), пиритных огарков (8Г=9500 см2/г) и керамзитовой пыли (8*=9800 см2/г) . Активность вяжущих при 20...30%-иоы содержании наполнителей не ниже активности исходного портландцемента;

- совместным измельчением портландцемента с дисперсным отходом известняка-ракушечника в деэинтегра-торной установке. Активность вяжущего при 30%-ном содержании наполнителя не ниже активности исходного портландцемента.

8. Методом математического планирования эксперимента оптимизирован состав смешанного вяжущего на портландцементе Пц500-Д0 с добавкой наполнителя в виде горелой породы с удельной поверхностью б**»11500 см2/г. При 20%-ном содержании наполнителя в составе вяжущего прочность на сжатие составила 53 Мпа, на растяжение при изгибе 6,8 МПа.

9. Использование тонкодисперсных наполнителей в составах цементно-песчаных растворов позволяет увеличить водоудерживающую способность на 15...25% и способствует сохранению нерасслаиваемости растворов.

10. Бетоны с 20%-ным содержанием тонкодисперсных наполнителей с удельной поверхностью 8г-9000...11000 см2/г имеют класс по прочности на сжатие и растяжение при изгибе не ниже класса по прочности Сетонов без наполнителей. Введение суперпластификатора С-3 в количестве 0,7% от массы дисперсных продуктов, позволило увеличить прочность бетонов на 68...92% и прочности на растяжение при изгибе на 57...67%.

11. Производственная апробация и опытно-промышленное внедрение тонкодисперсных минеральных наполнителей в виде горелой породы при производстве смешанного вяжущего на АО "Сода" (г.Стерлитамак) и пиритных огарков Мелеузовского химического завода при производстве стеновых высокопустотных бетонных блоков на вибропрессовом оборудовании фирмы "Besser" подтвердило основные результаты исследований.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Каримов И.Ш., Бабков В.В. О путях устранения недостатка вяжущих низкой водопотребности.//Материалы 45 науч.-техн. конфер. УГНТУ -Уфа, 1994. -С.105.

2. Бабков В.В., Каримов И.Ш. Аспекты получения высокопрочного цементного камня.//Теэ.докл. III Междунар. конфер. "Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте". - СПб.,1995. -С.47-48.

3. Использование промышленных отходов Башкирского региона в строительных технологиях /В.В.Бабков, И.В.Недосеко, Р.А.Анваров, И.Ш.Каримов, Л.Ф.Ямалтдинова //Теэ.докл. Межд. конф. по современным проблемам строительного материаловедения. -Самара, 1995. -С.18-19.

4. Каримов И.Ш.,' Бабков В.В. Механизм упрочнения цементного камня путем введения тонкодисперсных минеральных наполнителей.//Материалы 46 науч.-техн. конфер. УГНТУ. -Уфа, 1995. -С.213.

5. Каримов И.Ш., Бабков В,. В. Макропористость и прочность цементного камня.//Теэ.докл. Всероссийской науч.-техн. конфер."Проблемы нефтегазового комплекса России". - Уфа, 1995. -С.220.

6. Бабков В.В., Каримов И.Ш. Тонкодисперсные минеральные наполнители в цементных системах . повышенной прочности //Тез.докл. 1 Междун. совещания по химии и технологии цемента. -М., 1996. -С.84-85.

7. Использование дисперсного известняка-ракушечника в составах смешанных цементов/В.В.Бабков, Н.Х.Каримов, К.К.Джакупов, И.Ш.Каримов, И.В.Недосеко, Х.В.Газизов // Тез.докл. 1 Междун. совещания по химии и технологии цемента. -М., 1996. -С.68-69.

8. Аспекты формирования высокопрочных и долговечных цементных связок в технологии бетонов /Бабков В.В., Каримов И.Ш., Комохов П.Г.//Известия ВУЗов. Стр-во. 1996. -1>4. -С.41-48.

9. Бабков В.В., Каримов И.Ш. Дифференциальная пористость и прочность пористых материалов.//Тез.докл. Всероссийской науч.-техн. конфер. "Проблемы строительного материаловедения". -Иваново, 1996. -С.18-19.

10. Бабков В.В., Каримов И.Ш. Неоднородность пористости и ее связь с прочностью материалов типа цементного камня.//Тез. докл. Междун. науч.-техн. конфер. "Современные проблемы строительного материаловедения". -Казань, 1996. -С.18-21.

11. Высокопустотные вибропрессованные бетонные блоки в решениях трехслойных наружных стен зданий. /В.В.Бабков, А.М.Гайсин, И.Ш.Каримов, В.Б.Карташов, И.В.Недосеко//Тез. докл. Междун. науч.-техн. конфер. "Современные проблемы строительного материаловедения". -Казань, 1996. -С.55-57.

12. О некоторых путях экономии вяжущих и повышения прочности в технологии цементных бетонов /В.В.Бабков, И.Ш.Каримов, А.Е.Чуйкин //В сб.: Цементная и асбестоце-

ыентная промышленность. Вып.№4, -ВНИИЭСМ, -М., 1996. -С.9-12.

Подпиоано к печати 10.12.96 г. Усл.п.л. 1,5 Печать офсетная Бумага для инозшт.апп. Фориаг 60x84 1Д6 Тираж 100 экз. ЗакаяШа

РТП ПОТС,I9003I,C-neiep6yprtМосковский пр.,9