автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Тротуарная плитка на основе композиционного шлако-цементного вяжущего

ИВАНОВ Антон Владимирович

ТРОТУАРНАЯ ПЛИТКА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННОГО ШЛАКО-ЦЕМЕНТНОГО ВЯЖУЩЕГО

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДЕК 2011

Белгород-2011

005006320

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель - член-корреспондент РААСН,'

доктор технических наук, профессор Лесовик Валерий Станиславович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Корнеев Александр Дмитриевич

- кандидат технических наук, доцент Тарасеико Виктория Николаевна

Ведущая организация - Брянская государственная инженерно-

технологическая академия (БГИТА), г. Брянск

Защита состоится "28" декабря 2011 года в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242 г.к.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Автореферат разослан " 28" ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

Г.А. Смоляго

Актуальность работы. Тротуарная плитка давно и прочно вошла в облик современного города. Отличительной особенностью тротуарных покрытий из брусчатки бетонной являются широкая цветовая гамма и разнообразие конфигураций. При этом первостепенное значение для дорожного покрытия имеют показатели прочности и морозостойкости. Однако тенденция использования изделий из вибропрессованного бетона в местах с интенсивным движением автотранспорта в сочетании с агрессивным воздействием антиобледенителей при попеременном замораживании и оттаивании приводит к снижению этих физико-механических характеристик. Решение данной проблемы возможно за счет использования композиционных вяжущих веществ, многокомпонентность состава которых позволяет не только снизить клинкерную составляющую в смеси, но и эффективно управлять процессами структурообразования, обеспечивая высокое качество получаемых бетонов и изделий на их основе.

В то же время на сегодняшний день актуальными направлениями в строительном материаловедении являются снижение энергоемкости производства строительных материалов и использование при их получении техногенного сырья. С этой точки зрения одним из эффективных материалов в части экономии цемента является тонкомолотый доменный гранулированный шлак. Традиционным преимуществом шлаковых цементов по сравнению с портландцементами является их большая стойкость к химическим воздействиям, низкая теплота гидратации, высокая водонепроницаемость и экономичность. Добавка шлака в портландцемент является эффективным средством борьбы с вредным влиянием щелочных оксидов. Поэтому для производства вибропрессованной тротуарной плитки было предложено применять тонкомолотое композиционное шлако-цементное вяжущее (КШЦВ).

Работа выполнялась в рамках тематического плана г/б НИР № 1.1.07 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» на 2007-2011 гг.

Цель работы: разработка композиционных вяжущих с использованием клинкера, доменных гранулированных шлаков и добавок, с последующим получением на его основе эффективных мелкозернистых бетонов для тротуарной плитки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование минерального состава и физико-механических свойств доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК» как компонента композиционного вяжущего и заполнителя для мелкозернистого бетона;

- разработка составов композиционного вяжущего и изучение их свойств;

- проектирование состава мелкозернистого бетона на композиционном вяжущем для вибропрессованной тротуарной плитки;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований и промышленная апробация.

Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности мелкозернистого бетона для тротуарной плитки, заключающиеся в использовании тонкомолотого композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков, полученного совместным помолом всех составляющих компонентов и последующим кратковременным домолом с добавкой тонкомолотого шлака в количестве 5% (Sy,,=700 м2/кг), оказывающих направленное воздействие на формирование структуры бетона, уплотняя и упрочняя его вследствие оптимального гранулометрического состава и повышенной активности шлаковых составляющих.

Установлен характер зависимости процессов структурообразования композиционных шлако-цементных вяжущих от удельной поверхности и количества вводимого шлака. При содержании шлака в КШЦВ свыше 30% помол вяжущего целесообразно осуществлять до удельной поверхности 550 м2/кг, при значении шлака ниже 30 %-до 500 м2/кг.

Получены зависимости предела прочности при сжатии и изгибе композиционного вяжущего от расхода минеральной добавки, показывающие, что при введении добавки 0,5 % от массы клинкера увеличение прочности составило в ряду «КШЦВ 10% шлака - КШЦВ 20% шлака - КШЦВ 50% шлака» 12,5% - 5% - 9,5%; что связано с пластифицирующим эффектом добавки, обусловленным высокой дисперсностью и минеральным составом, благодаря чему при смешивании с водой она образуют коллоидный клей и физически связывают большое количество воды, уплотняя структуру. При этом ее частицы, являясь затравками, подложками и центрами кристаллизации шлакового стекла, оказывают каталитическое воздействие на процессы гидратации и твердения вяжущего.

Установлен характер зависимости величины оптимальной добавки гипса от удельной поверхности вяжущего и расхода клинкерной составляющей. Показано, что добавка гипса должна быть тем выше, чем тоньше его помол. В шлаковых цементах гипс, помимо регулирования скорости схватывания, способствует также более полной гидратации зерен шлака. Кроме того, кристаллы гидросульфоалюмината, армируя гель гидросиликата, создают каркас цементного камня и позволяют значительно увеличить его прочность.

Практическая значимость работы. Определены минеральный состав, активность и физико-механические характеристики доменных гранулированных шлаков ОАО «HJIMK», что позволило эффективнее использовать их как при получении мелкозернистых бетонов для вибропрессованной тротуарной плитки на основе композиционных вяжущих, так и непосредственно в составе самих вяжущих.

Разработаны составы композиционных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «HJIMK», позволяющие снизить расход клинкерной составляющей до 70% при обеспечении активности вяжущего в пределах, рекомендуемых вяжущим для производства тротуарной плитки.

Установлены оптимальные дозировки минеральной добавки, гипса и тонкомолотого шлака при получении композиционных шлако-цементных вяжущих.

Получены составы мелкозернистого бетона для производства тротуарной плитки на основе композиционных вяжущих КШЦВ-50 и КШЦВ-30 с применением в качестве мелкого заполнителя доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК».

Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены при производстве композиционных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков на ЗАО «Белгородский цемент» и при производстве опытной партии вибропрессованной тротуарной плитки на основе композиционных шлако-цементных вяжущих на заводе ООО «Белгородский завод архитектурного бетона» (ООО «БЗ АрБет»),

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве мелкозернистого бетона для вибропрессованных тротуарных плит разработаны следующие нормативные документы:

• рекомендации на изготовление вибропрессованной тротуарной плитки с использованием композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК»;

• стандарт организации СТО 02066339-022-2011 «Композиционные вяжущие на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК». Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе: при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных, материалов изделий и конструкций»; магистров по направлению «Строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены: на: Международной научно-практической конференции «Строительство -2010» (г. Ростов-на-Дону, 2010 г.); Международной научно-практической Интернет конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (г. Белгород, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов» (г. Белгород, 2011 г.); региональной научно-практической конференции «Молодые ученые - производству» (г. Старый Оскол, 2011 г.); в научно-теоретическом журнале «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова» (г. Белгород, 2011 г.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в пяти научных публикациях, в том числе, в двух статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России. Получено Ноу-хау № 20110019.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 210

страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 29 рисунков и фотографий, списка литературы из 150 наименований, 6 приложений.

На защиту выносятся:

- принципы повышения эффективности вяжущих для производства вибропрессованного мелкозернистого бетона для тротуарной плитки;

- минеральный состав и физико-механические характеристики доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК» и составы композиционных вяжущих на их основе;

- зависимости физико-механических характеристик композиционного вяжущего от удельной поверхности, количества вводимого шлака, расхода минеральной добавки и гипса, способа смешения вяжущего, времени хранения вяжущего;

- составы мелкозернистого бетона для вибропрессованной тротуарной плитки;

- технология производства вибропрессованной тротуарной плитки из мелкозернистого бетона с использованием композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК»;

- результаты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время все чаще во дворах, на детских площадках, при устройстве пешеходных зон, а особенно на дачных участках используются элементы мощения из декоративного бетона. Многообразие конфигураций и богатая цветовая гамма делают тротуарные плитки очень популярными. Тротуарная плитка придает городу или загородному участку цивилизованный и ухоженный вид, а одним из решающих факторов замены асфальта на плитку является экологический.

При этом современный подход к строительству предполагает создание эффективных строительных материалов пониженной себестоимости. Основным направлением в решении этой задачи является производство композиционных вяжущих, при получении которых расход топлива и клинкера значительно сокращается по сравнению с чисто клинкерными цементами. В настоящее время накоплен большой опыт по выпуску вяжущих с использованием активных минеральных добавок. Одним из эффективных материалов в части экономии цемента является тонкомолотый доменный гранулированный шлак. Данный материал достаточно хорошо изучен как активная минеральная добавка в цементы, кроме того, шлак является основным компонентом при получении шлакощелочных вяжущих и изделий на их основе. При его использовании параллельно решается экологическая проблема.

Рабочей гипотезой данного исследования явилась возможность получения композиционного шлако-цемеитного вяжущего с использованием клинкера, доменных гранулированных шлаков и добавок, с последующим получением на его основе эффективных мелкозернистых бетонов для вибропрессованной тротуарной плитки.

Исследование вещественного состава сырьевых материалов, синтезированного вяжущего и гранулированного заполнителя, а также бетонов на их основе включала определение химического состава, минералогического состава, рентгенофазового, дифференциально-термического анализов. Определение физико-механических характеристик сырьевых и синтезированных материалов проводилось по стандартным методикам согласно государственным стандартам.

Известно, что важнейшей характеристикой вяжущего является величина площади удельной поверхности. Чем тоньше помол вяжущего, тем быстрее рост твердой кристаллической части. Однако недостаточно добиваться лишь увеличения удельной поверхности вяжущих, не уделяя внимания гранулометрическому составу. С помощью введения различных наполнителей можно подобрать наиболее оптимальный гранулометрический состав вяжущих для обеспечения максимальной плотности бетонов на их основе. Поэтому для повышения качества комплексных вяжущих были сформулированы основные закономерности его получения (рис.1).

Рис. 1. Основные закономерности получения композиционного вяжущего для производства тротуарной плитки

Химический состав доменных шлаков зависит от вида и свойств железных руд, качества кокса, флюсов и вида выплавляемого чугуна (табл.1).

Таблица 1

Химический состав доменного гранулированного шлака ОАО «НЛМК»

Оксид 8Юл АЬОз Ре203 СаО Мй<) 803 к2о N3,0 МпО

Шлак, % 37,1 7,3 0,65 41,4 9,4 1,83 0,59 0,35 1,02

Гидравлические свойства шлаков определяются их минералогическим составом и соотношением кристаллической и стекловидной фаз. Доменный гранулированный шлак ОАО «НЛМК» по своему химическому составу относится к основным (Мо = 1,14) (табл.2)

Таблица 2

Физические свойства доменного гранулированного шлака ОАО «НЛМК»

Параметры Значения

Активность в возрасте, МПа 3 сут 7 сут 28 сут 0,11 2,5 19,1

Плотность насыпная в сухом состоянии, кг/м3 1090

Плотность истинная, кг/м^ 2820

Водопотребность, % 15

Модуль крупности 2,71

Модуль основности 1,14

Для производства КШЦВ были использованы клинкер ЗАО «Белгородский цемент», природный гипсовый камень, Новомосковский «Гипс-Кпаи6>,

добавка «ТЮСОБАЬ-Ш», Германия (табл 3).

Таблица 3

_Химический состав добавки «ТШС08АГ-181»

Оксид 8Ю2 АЬ03 Ре203 СаО МДО 80, к2о

Тпсояа!-181, % 1,55 1,66 0,283 89,1 0,629 6,37 0,23

К недостаткам шлаков относится плохая размалываемость. Шлаки, как правило, измельчаются труднее, чем цементный клинкер, и при совместном помоле шлака и клинкера гидравлический потенциал шлака раскрывается не в полной мере. Но при этом шлаку присуща и меньшая активность, чем клинкеру, вследствие этого именно шлак должен измельчаться более тонко, чтобы иметь возможность полностью проявить свои гидравлические свойства. Поэтому были проведены исследования по оценке возможности приготовления

комплексного вяжущего (КВ); путем раздельного помола компонентов и последующего их смешивания. Испытания проведены согласно ГОСТ 310.1-76-

ГОСТ 310.3-76, ГОСТ 310.4-76.

Клинкер, клинкер с добавкой Тпсо8а1 181 (0,5% от общего количества) и наполнители -шлак и отсев дробления кварцитопесчаника (отсев КВП) в количестве 20 % предварительно размалывали раздельно до Буд = 300 м2/кг и до 500 м2/кг, а затем перемешивали вручную. Размалываемость ком-

350

! 300 5

¡5 250

1 200 о

к 150 г

« 100 ш

50 0

...........................Шлак...................... Клинкер ... 100

| Клинкер+дсба вка

; ......Отсев КВП 85

45 ' ' 80

............ ........................27 ....... ... - •»' 65

30

300 м2/кг 500 М2/КГ

Удельная поверхность

понентов вяжущих при Зуд = 500 м2/кг повы-

Рис.2. Размолоспособность применяемых материалов

шается в направлении отсев КВП - клинкер - клинкер с добавкой - шлак. Тогда как для помола клинкера, клинкера с добавкой и отсева дробления кварцитопесчаника до Буд = 300 м2/кг требуется одинаковое время в среднем 30 мин, для шлака это время составляет 45 мин (рис.2).

Ускорение времени помола отсева дробления кварцитопесчаника по сравнению с клинкером при удельной поверхности от 300 до 500 м2/кг объясняется гетерозернистостью техногенного песка, что способствует разрушению контактной зоны между минералами, предел прочности которой значительно ниже, чем прочность кристаллов в техногенном песке, а также дефектностью структуры. Добавка пластификатора на минеральной основе несколько ускоря-

Рис. 3. Микрофотография частиц шлака: а - частица доменного гранулированного шлака после грануляции; б - доменный гранулированный шлак после помола

ет помол только лишь за счет высокой удельной поверхности самой добавки.

Доменный гранулированный шлак представлен пористыми зернами неправильной формы с развитой удельной поверхностью (рис. 3).

С -рэ

й г Я' £ а. Е с 5 43

55

§ 8

а & С: с

45,4

¿„ч : ' : ::

ж

1. У

055

шжт шшз^зшиадг

ЯМ*»«* 5да\5Ш»й#№

■Ивмтшавма- 5»5Шг9йй«: а

яШш

2шт.

Количество КВП/шлака,%

65-

¡": то С п

:

а;

66

т ш 60 5® 56 5№ а

50:

04

2 Ш

Количество КВЯ/шавка>®

Ш® т квп 5«ДМВМ2ЙЙГ

Ивма шшзш- 9вдЗШ!И2$®г ■Ш т тлже- Зш5 б

Рис.4. Влияние наполнителей на прочностные показатели КШЦВ при раздельном помоле: а - после ТВО; б - после 28 сут. твердения

нию с исходным клинкером. При этом минимальные прочностные показатели имеет вяжущее на основе отсева КВП и при естественном твердении, и при тепловлажностной обработке (ТВО) при 95° по режиму 2-6-2 ч. Интересно, что даже при более низкой удельной поверхности (Буд = 300 м2/кг) вяжущее на основе шлака при естественном твердении в 28-суточном возрасте имеет прочность, равную прочности вяжущего на основе отсева КВП при более высокой удельной поверхности (8уд=500 м2/кг).

После помола зерна шлака имеют большое количество сколов, заостренные и выщербленные места. Эта особенность будет способствовать слипанию частиц при прессовании или виброуп-лотнени

и в прочный монолит (по принципу зацепления).

Результаты испытаний вяжущих на прочность свидетельствуют о более высокой активности шлакового наполнителя в сравнении с наполнителем на основе отсева дробления КВП

(рис.4).

Введение 20 % как гранулированного шлака, так и отсева КВП при их раздельном помоле снижает конечную прочность вяжущих по сравне-

При ТВО в обоих случаях помол до активность вяжущих.

Зуд = 500 м"/кг позволил повысить

Однако, на наш взгляд, добиться тщательной гомогенизации вяжущего при раздельном помоле и дальнейшем смешивании чрезвычайно проблематично. Поэтому представляется целесообразным добиться повышения гидравлической активности вяжущего именно при совместном помоле клинкера и шлака.

Для определения влияния па активность композиционного вяжущего способа помола (совместный или раздельный) были получены композиционные вяжущие того же состава путем совместного помола компонентов до удельной поверхности Эуд = 500 м2/кг.

Установлено, что при совместном помоле клинкера как со шлаком, так и с отсевом КВП прочность остается выше у всех образцов по сравнению с вяжу щими, полученными при раздельном помоле (рис.5).

х 70'

в>.

с „ 65 1с

I 2 60

II

= 1» а

в " 50 ¡г

а

с 43. 40 35

$8.6

52.8

50,6,

^сут

7сут

28 с.уТ

ВШрнаКВП-

разддаьшшдаш ЯИШр «мишке-

¡ШЭДИШМ ЛЩИШЯ

ШШЦВна;И6П-

сомеетаомгм вШШРиашяавж-

соштжотоп Шттыр

Время твердения, «ут.

Кинетика набора прочности КШЦВ при совместном помоле

Рис.5.

В отличие от раздельного помола при совместном прочность вяжущего на основе шлака незначительно выше прочности вяжущего на основе отсева КВП. Так, в начальные сроки твердения прочности вяжущих на обоих видах наполнителей практически одинаковы. Но уже к 28-суточному возрасту прочность КВ на основе шлака превысила прочности всех вяжущих и достигла значений прочности клинкера. Что объясняется повышенной активностью шлакового наполнителя, позволяющей ускорить гидролиз клинкерных минералов путем связывания гидроксида кальция и образования дополнительных порций гидросиликатов кальция.

Процессы структурной релаксации наиболее интенсивно идут при механической активации, а по окончании ее роль становится незначительной. Однако не вызывает сомнений, что часть запасенной в твердом теле механической энергии будет рассеиваться во времени при его хранении. Поэтому нами была оценена активность КШЦВ после хранения в течение следующего интервала времени: 3, 5, 10, 15, 30, 60мин., 1 сут.

Установлено, что после 1- часового вылеживания у вяжущих как со шлаком,

так и с КВП прочность остается неизменной для всех образцов и при ТВО, и естественного твердения. Выдержка вяжущего в течение суток также не оказывает какого-либо существенного влияния на конечную прочность вяжущего. При этом активность вяжущих на основе КВП по сравнению с контрольным клинкером снижена примерно одинаково при разных удельных поверхностях (10-13%). Тогда как у образцов с использованием шлака при 8уд =300 м7кг снижение активности вяжущего по сравнению с контрольным клинкером больше и составляет 17 %, но уже при Б уд = 500 м2/кг этот показатель снижен всего на 5%.

Это объясняется тем, что только при тонком измельчении гидравлический потенциал шлака раскрывается в полной мере. Тогда как отсев КВП менее активно вступает в реакции гидратации, и большая его часть выступает в качестве дополнительных центров кристаллизации при формировании структуры бетона.

5:0© 3:45 2-3©: 1:15

6:» 5:00:

рэйггт™

4:35 I

начало

1:07 ;

3:53

3:35

3:501 ! 2:5Й |

3:МЦ

ЦШ

!Ч ! ■■

-2.10

,300 400 450: 500 550 600 Удельная п огерхнопь. шУт К+10% Шлака

ршя

Ь»:.23 .

—утыв

—ЩШЩ

2:3«

4:00

4:1?, !

Щ-271

12:02

! 4:40

М5 «—----------------^ 1:4|)

Ш 400 450 500 тш 600

Удлн>нл» яо5ен>сно<лн. м-/иг К+30% шлака

ВВ 5:00 3:45 239 1:15

6:15 5:00 3:-45

2: го

1:15

1 т |: "" "Ч^ 4'47: | — - |<4'М>Ы

1 , 5 | ~ мнёц

5 #-.. I 14:20 3:191 13:12

Мр-У ' Щ;, 2:2?

"1 «

2:45

1 2:25;

2:10

300 400 450 500 550 600 Удельнм повеимо^ть.зяг/в К+20% Шлака

1*5:20 | 5:00 -ьнаЦало

I «к.

г»:-- ™к«м<гц

4:10:

(4:25.: ш

I.......:........: 4:04 | ,2:32'

1 3:20 ш 17Х 2:17

215 Г

1:54

»: 400 450: $№ 559 600 Удельнаа П0в«рхиоетбум¥га

К+40% шлака

Рис. 6. Сроки схватывания КШЦВ в зависимости от удельной поверхности и расхода шлака: К-клинкер

.ию

•КН! 4:5®: 500 55® Удельная поверхность, кг/НГ

01)0

В работе были проведены исследования по влиянию количества доменного гранулированного шлака при производстве композиционных шлако-цементных вяжущих и удельной поверхности на активность вяжущих, Вяжущие получали путем совместного помола клинкера, гипса и шлака. Удельная поверхность менялась от 300 до 600 м2/кг. Состав вяжущего менялся в зави-

5« т_—----—_—-_---- еимости от содержания

шлака (10-40%).

Известно, что у клинкера с увеличением удельной поверхности начало схватывания происходит быстрее и сроки схватывания сокращаются, что согласуется с общими представлениями о гидратации цемента. Аналогичная картина наблюдалась у композиционных вяжущих на шлаке - с увеличением удельной поверхности происходит уменьшение периода схватывания и времени начала и конца схватывания для всех КШЦВ независимо от содержания вводимых наполнителей (рис.6). Это связано с увеличением гидратационной активности вяжущих с возрастанием удельной поверхности. Так при Зуд = 300 м2/кг время начала схватывания составляет от 4ч. 07 мин. до 4 ч. 25 мин., тогда как при 8уд = 600 м2/кг эти значения сокращаются почти в 2

308 400

450

5Я0

Удельна» поверхность, \т'/кг

- 7 шй* ■ 7 сутда 7 < V I зй£ ~7сутШ клинкер 550 600

Е О. С:

Ь С

/О 65 60

II

С Я

№ I

Ж

55

30«

4130:

450

500

Жед-йШШ

клинкер---

550 600

Удельная: поверхность, тЩт

Рис.7. Кинетика набора прочности при сжатии КШЦВ в зависимости от удельной поверхности и расхода шлака раза - от 1 ч 40 мин. до 2 ч. 10 мин.

У вяжущих с большей удельной поверхностью происходит уменьшение

периода схватывания и времени начала и конца схватывания при всех количествах вводимых наполнителей. При низкой удельной поверхности КШЦВ с большим содержанием шлака медленнее схватываются, чем вяжущие с минимальным содержанием наполнителя. При 10 %-м содержании это влияние проявляется незначительно ввиду малого количества наполнителя. Но уже при высокой удельной поверхности именно КШЦВ с максимальным содержанием шлака начинает быстрее схватываться. Шлак начинает активно участвовать в реакциях гидратации с еще более тонко размолотыми частицами клинкера.

При твердении в естественных условиях максимальные прочностные показатели имеют вяжущие с минимальным содержанием шлака (рис.7). При этом для вяжущих с содержанием шлака 30 % и выше целесообразно проводить помол до Зуд = 550 м2/кг, тогда как при значениях 10-20 % шлака - этот показатель соответствует 500 м2/кг. Контрольный клинкер имеет превышающие КШЦВ значения прочности только в 28-суточном возрасте. При 3-х и 7-ми суточном твердении значения прочности КШЦВ с 10 и 20 % шлака близки или даже выше аналогичных показателей у клинкера.

Увеличение удельной поверхности вяжущих с одной стороны, и уменьшение части клинкерной составляющей с другой при условии ТВО, приводит к тому, что прочностные показатели композиционных вяжущих с различным количеством добавки шлака в качестве наполнителя приближаются друг к другу и становятся практически одинаковы при Sya=550 м2/кг (рис.8).

Получены зависимости предела прочности при сжатии композиционного вяжущего с минеральной добавкой и без, показывающие, что при введении добавки 0,5 % от массы клинкера увеличение прочности составило в ряду «КШЦВ 10% шлака -КШЦВ 20% шлака -КШЦВ 50% шлака» 12,5% - 5% - 9,5%; что связано с пластифицирующим эффектом добавки, обусловленным высокой дисперсностью и минеральным составом, благодаря чему при смешивании с водой она образует коллоидный клей и физически связы-

5 -Е

оС S

S «

I 5

С I 5 х

ß- Ж

с: V

60

5® 4®

за 20

(1» Шлака

ттттш

t30S Шлака

40Х. Ш I Hi *

«

Лш

I

300 40® $59 500 550 600 Удельная поверхность вяжущего; мУкг

_

& О

| 6.5

5,5

?

Ol ;

Е: ;

300 400 450 500: 55® 600 Удельна* поверхность вяжущего, мг/нг

;,8. Кинетика набора прочности КШЦВ в зависимости от удельной поверхности и расхода шлака после ТВО

вает большое количество воды, уплотняя структуру. При этом ее частицы, являясь затравками, подложками и центрами кристаллизации шлакового стекла, оказывают каталитическое воздействие на процессы гдратации и твердения вяжущего (рис. 9).

Была определена оптимальная концентрация добавки Tricosal 181. Так при введении добавки 0,5% как от общего количества компонентов, так и от количества клинкера незначительно меняет прочностные показатели вяжущих в сравнении друг с другом, значения которых практически совпадают между собой. Поэтому экономически целесообразным является использование данной добавке в количестве 0,5% от расхода клинкера.

В ранние сроки шлак замедляет процесс гидратации, а уже к 28 сут. прочностные показатели всех вяжущих, кроме КШЦВ с 70% шлака, становятся равными прочности клинкера, а в некоторых случаях и превосходят ее. Добавка шлака в количестве 10 и 20 % позволяет получить вяжущее равнопрочное с исходным клинкером при вуд = 550 м2/кг как в ранние, так и в поздние сроки твердения. При содержании шлака 50 % прочность достигает значений клинкера только в 28 суточном возрасте.

При проведении ТВО прочностные показатели тонкомолотых композиционных вяжущих с добавкой шлака более 50 % в качестве наполнителя практически совпадают с прочностью исходного клинкера, а добавка шлака менее 20 % позволила даже превысить прочности клинкера и клинкера с добавкой TRICOSAL 181.

Установлен характер зависимости величины оптимальной добавки гипса от удельной поверхности вяжущего и расхода клинкерной составляющей. Показано, что добавка гипса должна быть тем выше, чем выше тонкость его помола (табл.4). Добавка гипса в количестве 6% от массы вяжущего или клинкера приводит к увеличению прочностных показателей только для вяжущих с добавкой шлака. Это объясняется переизбытком гипса в портландцементе, что в затвердевшем цементном камне приводит к созданию разрушающих внутрен-

S

а

о

о га о г

= ¡S

га

5 *

а о

Ч

о

а

С

70 65

60

55

50

К u 10<Ш 20Ж 50°/<Ш Наименование вяжущего

Рис. 9 Изменение активности вяжущих при введении добавки Тпсова1 181, Д-добавка- 0,5% от общего расхода компонентов

них напряжений.

Таблица 4

Свойства вяжущих в зависимости от содержания добавки гипса

Вид цемента нгтц, % Сроки схватывания (чаг.мин) тво Предел прочности, МПа

ИТ 1згиб МШЩ| Сжатие Нормальное твердение

Начало Конец Изгиб Сжатие

3 сут п сут 28 сут 3 сут ■7 сут 28 сут

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12

5% гипса

К 24,8 2:40 3:30 5,8 48,5 6,8 8,3 8,7 43,8 57,3 67,8

кшцв- 50 26,0 3:38 4:18 5,8 48,4 5,2 7,5 9,0 33,5 45,8 65,7

кшцв- 30 26,6 3:44 4:30 7,0 47,0 3,9 6,2 10,1 19,9 35,3 55,7

6% гипса

К 24,8 2:40 3:30 5,9 47,9 6,6 8 8,8 44,1 56,9 66,9

кшцв- 50 26,0 3:40 4:40 5,8 47 5,4 7,7 9,1 36,7 48,7 67,4

кшцв- 30 26,8 3:48 4:45 7,0 47 4,8 6,6 9,8 22,9 41 63

Примечание: К - клинкер.

В шлаковых цементах гипс, помимо регулирования скорости схватывания, способствует также более полной гидратации зерен шлака, так как препятствует образованию на их поверхности пленки геля, замедляющей диффузию воды и растворенных в ней веществ в поверхностный слой зерна. Кроме того, кристаллы гидросульфоалюмината, армируя гель гидросиликата, создают каркас цементного камня и позволяют значительно увеличить его прочность.

Для повышения эффективности вяжущего был осуществлен домол шлака до Syn;=700, 900 и 1200 м2/кг. Добавка шлака в количестве 5,10,15% добавлялась к уже помолотому до Буд = 550 м2/кг КШ1ДВ и производился совместный домол в течение 5 мин. (рис. 10).

рбсмдукмцмй

краткоере (именным до мол всех

Введение

тонкомолотого шлака Эуд 700-1200 м'/«г

¥

Совместный помол клинкера,шлака м добавки

Рис. 10. Схема повышения эффективности разрабатываемого вяжущего

Установлено, что оптимальным является состав с 5% содержанием добавки размолотого до Зуд = 700 м2/кг шлака. Прочность при сжатии у этих образцов увеличилась по сравнению с контрольными составами на 10-12 %. В остальных случаях также наблюдается увеличение прочности; однако эти показатели незначительны - около 3-5%. Увеличение прочности объясняется полученным наиболее оптимальным грансоставом вяжущего, высокоплотной упаковкой его частиц, а также увеличением активности самих компонентов КШЦВ за счет тонкого помола, способствующего наиболее полному протеканию процессов гидратации.

При исследовании структурообразования при твердении разработанных вяжущих в возрасте 28 наблюдалась следующая картина (рис.11). У всех составов формируемая матрица в затвердевшем вяжущем является однородной, плотной с небольшими включениями микропор. Однако цементный камень КШЦВ 30 имеет наряду с порами таких же размеров и несколько большие поры, чем у других вяжущих. При большем увеличении заметно, что образец на основе цемента имеет большую усадку, но меньшую пористость. При гидратации освобождается известь, которая реагирует с массой шлака. После полного связывания свободной СаО начинается образование гидросиликатов серии С8Н(В), что дополнительно уплотняет композит.

РЭМхЮО

РЭМхШОО

Рис. 11 Микроструктура цементного камня нормального твердения в возрасте 28 суток на основе различных вяжущих: а - ПЦ; 6 - КШЦВ 50; в - КШЦВ 30

Что подтверждается и проведенным РФА (рис.12). Количество образующегося портландита в составе КШЦВ в конечный период твердения снижается у обоих вяжущих, что связано с протеканием пуццолановой реакции между Са(ОН)2 и активными частицами шлака в составе вяжущего.

На основании разработанных вяжущих были рассчитаны составы бетона в соответствии с требованиями ГОСТ 27006-86 «Бетоны. Правила подбора состава» с ВЦ = 0,4 согласно требованиям ГОСТа к тротуарной плитке. При этом заполнитель из доменного гранулированного шлака отличается большей шероховатостью поверхности и водопотребностью, чем кварцевый песок, поэтому, содержащие его мелкозернистые бетоны отличаются повышенной «цементоемкостью».

шшш

Ш

3 сут.

СН

; сзв+с^ !

сн | ^^^¡^У

7 сут

СзБ+С^

Щ:

сн

28 сут

Рис.12 Рентгенограммы цементного камня композиционного цементо-шлакового вяжущего: а- КШЦВ50; б-КШЦВЗО

Были исследованы свойства вибропрессованного бетона на вяжущих с использованием добавки тонкомолотого шлака ( табл.5).

Наилучший результат показал состав с оптимальным составом КШЦВ при 5% добавки. Без введения пластификаторов удалось повысить прочность бетона за счет повышения тонкости помола и активности вяжущего, таким образом компенсировав необходимость увеличения расхода цемента в связи с повышенной «цементоемкостыо» шлакового заполнителя.

Таблица5

Свойства мелкозернистого бетона в зависимости от вида КШЦВ

Состав В/Ц Д,% Прочность, МПа

ТВО 3 суг. 7 сут 28 сут

ЦЕМ 1 42.51! - шлак 0,4 - 18,0 14 18,0 24

КШЦВ 30 + шлак молотый (700 м2/кг) + шлак гран. 0,4 5 20 14,4 19,0 30,3

10 17,6 12,1 15,9 27

15 16,8 11,8 16 25,8

КШЦВ 30 + шлак молотый (900 м2/кг) + шлак гран. 0,4 5 15,2 11 14,7 25,3

10 14,4 10,4 13,5 20,8

15 14,2 10,1 13,2 21

КШЦВ 30+ шлак молотый (1200 м2/кг) + шлак гран. 0,4 5 15,6 11,6 14,9 24,5

10 15,4 11,1 14,7 24,5

15 16,6 11,5 15,8 26,5

Анализ микростуктурных особенностей мелкозернистых бетонов на основе КШЦВ 30 в 28-ми суточном возрасте при различной удельной поверхности тонкомолотой добавки шлака показал схожесть процессов, происходящих при формировании структуры данных бетонов (рис.13).

Можно четко видеть, что адгезия новообразований происходит в зонах контакта со шлаковым заполнителем, имеющим пористую поверхность. Кроме того, прочному сцеплению способствует «загрязненность» поверхности песка минералами группы полевых шпатов. Однако у бетонов на основе КШЦВ 30 Д 700м2/кг наблюдается более полное зарастание зерна шлака новообразованиями. При использовании КШЦВ 30 Д 900 - 1200 м2/кг происходит небольшое разуплотнение структуры бетона, за счет повышения во-допотребности смеси. Таким образом, использование КШЦВ 30 Д 700м2/кг позволило получить мелкозернистый бетон с более плотной структурой, за счет лучшего сцепления заполнителя и продуктов гидратации

ж з и

хЮОО

Рис. 13 Микроструктура мелкозернистых бетонов па основе КШЦВ 30 в 28-ми суточном возрасте при различной удельной поверхности тонкомолотой добавки шлака (Д); а, г, ж—Д 700м'/кг; б, д, з-Д900м'/кг; в, е, и-Д 1200м'/кг

На основании полученных результатов были предложены составы тротуарной плитки (табл. 6).

Использование мелкозернистого бетона на основе композиционного вяжущего из доменного гранулированного шлака ОАО «НЛМК» в производстве вибропрессованных тротуарных плит позволило на 70% снизить расход цемента и привело к уменьшению себестоимости 1 м изделий.

Экономия клинкера при сравнении с традиционным составом составила до 358 кг на метре куб. бетона.

Таблица 6

Состав и свойства мелкозернистого бетона для тротуарной плитки

№п/п Вид вяжущего Составбетонной смеси, Вяжущее/Шлак 23 и м и О, о СЁ Расход добавки С-3,% е о о к >§ к н ё о ° т Ю о & 0 а X 1 С о с о ч о СО & о н~ о 0 а (и д 1 о к Предел прочности образцов при сжатии, МПа

в возрасте, суток

3 7 28

1 КШЦВ 30 (Д 700) 1:2,5 641,8/ 192,3 0,4 - Р200 4,95 0,30 15,4 22,0 30,3

2 1:2,5 641,8/ 192,3 0,4 0,7 Б200 4,48 0,25 22,3 23 35,1

3 1:1,2 810/ 243 0,33 0,7 Р200 4,22 0,15 24,4 28,8 46,7

Практическая реализация результатов диссертационной работы осуществлена при получении композиционного цементо-шлакового вяжущего и бетонной смеси на основе доменного гранулированного шлака, а также при выпуске опытной партии тротуарной плитки.

Подтверждена экономическая эффективность применения разработанных составов мелкозернистых бетонов для производства вибропрессованной тротуарной плитки.

Таким образом, доказана возможность использования доменного гранулированного шлака ОАО «НЛМК» для получения композиционных цементо-шлаковых вяжущих и мелкозернистых бетонов для производства вибропрессованной тротуарной плитки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Предложены принципы повышения эффективности мелкозернистого бетона для тротуарной плитки, заключающиеся в использовании тонкомолотого композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков, полученного совместным помолом всех составляющих компонентов и последующим кратковременным домолом с добавкой тонкомолотого шлака в количестве 5% (8УД=700 м2/кг), оказывающих направленное воздействие на формирование структуры бетона, уплотняя и упрочняя его вследствие оптимального гранулометрического состава и повышенной активности шлаковых составляющих.

Установлен характер зависимости процессов структурообразования композиционных шлако-цементных вяжущих от удельной поверхности и количества вводимого шлака. При содержании шлака в КШЦВ свыше 30%

помол вяжущего целесообразно осуществлять до удельной поверхности 550 м2/кг, при значении шлака ниже 30 %-до 500 м2/кг.

Получены зависимости предела прочности при сжатии и изгибе композиционного вяжущего от расхода минеральной добавки, показывающие, что при введении добавки 0,5 % от массы клинкера увеличение прочности составило в ряду «КШЦВ 10% шлака - КШЦВ 20% шлака - КШЦВ 50% шлака» 12,5% - 5% - 9,5%; что связано с пластифицирующим эффектом добавки, обусловленным высокой дисперсностью и минеральным составом, благодаря чему при смешивании с водой она образуют коллоидный клей и физически связывают большое количество воды, уплотняя структуру. При этом ее частицы, являясь затравками, подложками и центрами кристаллизации шлакового стекла, оказывают каталитическое воздействие на процессы гидратации и твердения вяжущего.

Установлен характер зависимости величины оптимальной добавки гипса от удельной поверхности вяжущего и расхода клинкерной составляющей. Показано, что добавка гипса должна быть тем выше, чем тоньше его помол. В шлаковых цементах гипс, помимо регулирования скорости схватывания, способствует также более полной гидратации зерен шлака. Кроме того, кристаллы гидросульфоалюмината, армируя гель гидросиликата, создают каркас цементного камня и позволяют значительно увеличить его прочность.

Определены минеральный состав, активность и физико-механические характеристики доменных гранулированных шлаков ОАО «HJ1MK», что позволило эффективнее использовать их как при получении мелкозернистых бетонов для вибропрессованной тротуарной плитки на основе композиционных вяжущих, так и непосредственно в составе самих вяжущих.

Разработаны составы композиционных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «HJIMK», позволяющие снизить расход клинкерной составляющей до 70% при обеспечении активности вяжущего в пределах, рекомендуемых вяжущим для производства тротуарной плитки.

Установлены оптимальные дозировки минеральной добавки, гипса и тонкомолотого шлака при получении композиционных шлако-цементных вяжущих.

Получены составы мелкозернистого бетона для производства тротуарной плитки на основе композиционных вяжущих КШЦВ-50 и КШЦВ-30 с применением в качестве мелкого заполнителя доменных гранулированных шлаков ОАО «HJIMK».

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве мелкозернистого бетона для вибропрессованной тротуарной плитки разработаны следующие нормативные документы: рекомендации на изготовление вибропрессованной тротуарной плитки с использованием композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «HJIMK»; стандарт организации СТО 02066339-022-2011 «Композиционные вяжущие на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «HJIMK».

Подтверждена экономическая эффективность применения разработанных составов мелкозернистых бетонов для производства вибропрессованной тротуарной плитки. Результаты работы внедрены при производстве композиционных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков на ЗАО «Белгородский цемент» и при производстве опытной партии вибропрессованной тротуарной плитки на основе композиционных шлако-цементных вяжущих на заводе ООО «Белгородский завод архитектурного бетона» (ООО «БЗ АрБет»).

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванов, A.B. Высокопрочные бетоны для современного строительства [Текст] // Наука и молодежь в начале нового столетия: Междунар. науч.-практич. конф. - Губкин: Изд-во Губкинский филиал БГТУ, 2009. - С. 171.

2. Иванов, A.B. Эффективное вяжущее низкой водопотребности [Текст] // Наука и молодежь в начале нового столетия: материалы докладов XVI международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2009». - М.: Изд-во М.: МАКС Пресс, 2009. - С. 39.

3. Лесовик, B.C. Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих [Текст] / B.C. Лесовик, М.С. Агеева, A.B. Иванов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ. - 2011. - №3. - С. 29-32.

4. Лесовик, B.C. Композиционные вяжущие на основе доменного гранулированного шлака [Текст] / B.C. Лесовик, М.С. Агеева, A.B. Иванов, О.Н. Михайлова // Инновационные материалы и технологии: Междунар. науч,-практ. конф., Белгород, 11-12 окт. 2011 г. - Белгород : Изд-во БГТУ, 2011. -Ч. 4.-С. 118-121.

5. Лесовик, B.C. Использование композиционных вяжущих для повышения долговечности брусчатки бетонной [Текст] / B.C. Лесовик, М.С. Агеева, Ю.В. Денисова, A.B. Иванов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ. - 2011. - №4. - С. 52-54.

6. Ноу-хау № 20110019. Композиционное шлако-цементное вяжущее для производства мелкозернистого бетона / B.C. Лесовик, М.С. Агеева, A.B. Иванов; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгор. госуд. технол. унив-т им. В.Г. Шухова. Дата регистр. 21.11.11. Срок охраны сведений: 5 лет.

ИВАНОВ Антон Владимирович

ТРОТУАРНАЯ ПЛИТКА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННОГО ШЛАКО-ЦЕМЕНТНОГО ВЯЖУЩЕГО

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 25.11.11 Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,44 Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете

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

61 12-5/1174

Белгородский государственный технологический университет

имени В. Г. Шухова

ИВАНОВ АНТОН ВЛАДИМИРОВИЧ

ТРОТУАРНАЯ ПЛИТКА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННОГО ШЛАКО-ЦЕМЕНТНОГО

ВЯЖУЩЕГО

05.23.05 - Строительные материалы и изделия ДИССЕРТАЦИЯ

На правах рукописи

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: член-корреспондент РААСН,' доктор технических наук, профессор, Лесовик Валерий Станиславович

Белгород - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ..................................... 10

1.1. Экономические аспекты применения тротуарной плитки. ...... 10

1.2. Составы цементо-песчаных плиток и технология их изготовления...........................................................................15

1.3. Использование комплексных вяжущих для производства плитки...........................................................................................21

1.4. Шлакопортландцемент для производства тротуарной плитки .. 26

1.5. Способы получения цементо-шлаковых вяжущих........ 29

Выводы к главе 1 ........................................................................................33

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ ............................... 35

2.1. Методика отбора проб................................ ..... 35

2.2. Методы исследований ................................... 35

2.2.1. Рентгенофазовый анализ..........................................35

2.2.2. Дифференциальный термический анализ................ 38

2.2.3. Химический анализ....................... ........... 39

2.2.4. Изучение микроструктуры сырьевых компонентов и дорожно-строительных материалов на их основе

их основе методом растровой электронной микроскопии... 42

2.2.5. Цементо- и водопотребность мелкого заполнителя ....... 43

2.2.6. Изучение свойств бетонных смесей..................... 46

2.3. Применяемые материалы ................................. 48

Выводы к главе 2......................................................................51

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРОТУАРНОЙ ПЛИТКИ................................................................................52

3.1. Условия эксплуатации тротуарной плитки..........................52

3.2. Особенности твердения композиционных шлако-цементных вяжущих............................................... 56

3.3. Свойства композиционного шлако-цементного вяжущего в зависимости от удельной поверхности. ..........................68

3.4 Микроструктура цементного камня в зависимости от вида и

количества добавок..................................... . 76

Выводы к главе 3 . ...................................................................................90

4. СВОЙСТВА ТРОТУАРНОЙ ПЛИТКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА ......................................................................92

4.1. Требования к составу и свойствам вибропрессованного бетона

для тротуарной плитки.................................................92

4.2. Свойства мелкозернистых бетонов в зависимости от состава... 100

4.3. Свойства мелкозернистых бетонов на основе КШЦВ с добавкой тонкомолотого шлака.. ................................... 106

4.4. Свойства мелкозернистых бетонов на основе КШЦВ для тротуарной плитки....... ............... ....... ..... ... 110

4.4.1. Морозостойкость и водопоглощение бетона.....................................110

4.4.2. Истираемость бетона.........................................................113

Выводы к главе 4...........................................................115

5. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ

ОБОСНОВАНИЕ...........................................................................................И6

5.1. Технология производства вибропрессованной тротуарной плитки...............................................................................................116

5.2. Экономическая эффективность............................ 123

Выводы к главе 5....................................................129

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ .......................................................130

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................................146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Тротуарная плитка давно и прочно вошла в облик современного города. Отличительной особенностью тротуарных покрытий из брусчатки бетонной являются широкая цветовая гамма и разнообразие конфигураций. При этом первостепенное значение для дорожного покрытия имеют показатели прочности и морозостойкости. Однако тенденция использования изделий из вибропрессованного бетона в местах с интенсивным движением автотранспорта в сочетании с агрессивным воздействием антиобледенителей при попеременном замораживании и оттаивании приводит к снижению этих физико-механических характеристик. Решение данной проблемы возможно за счет использования композиционных вяжущих веществ, много-компонентность состава которых позволяет не только снизить клинкерную составляющую в смеси, но и эффективно управлять процессами структурообра-зования, обеспечивая высокое качество получаемых бетонов и изделий на их основе.

В то же время на сегодняшний день актуальными направлениями в строительном материаловедении являются снижение энергоемкости производства строительных материалов и использование при их получении техногенного сырья. С этой точки зрения одним из эффективных материалов в части экономии цемента является тонкомолотый доменный гранулированный шлак. Традиционным преимуществом шлаковых цементов по сравнению с порт-ландцементами являются их большая стойкость к химическим воздействиям, низкая теплота гидратации, высокая водонепроницаемость и экономичность. Добавка шлака в портландцемент является эффективным средством борьбы с вредным влиянием щелочных оксидов. Поэтому для производства вибропрессованной тротуарной плитки было предложено применять тонкомолотое композиционное шлако-цементное вяжущее.

Работа выполнялась в рамках тематического плана г\б НИР № 1.1.07 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» на 2007-2011 гг.

Цель работы: разработка композиционных вяжущих с использованием клинкера, доменных гранулированных шлаков и добавок, с последующим получением на его основе эффективных мелкозернистых бетонов для тротуарной плитки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование минерального состава и физико-механических свойств доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК» как компонента композиционного вяжущего и заполнителя для мелкозернистого бетона;

- разработка составов композиционного вяжущего и изучение их свойств;

- проектирование состава мелкозернистого бетона на композиционном вяжущем для вибропрессованной тротуарной плитки;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований и промышленная апробация.

Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности мелкозернистого бетона для тротуарной плитки, заключающиеся в использовании тонкомолотого композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков, полученного совместным помолом всех составляющих компонентов и последующим кратковременным домолом с добавкой тонкомолотого шлака в количестве 5% (8уд=700 м2/кг), оказывающих направленное воздействие на формирование структуры бетона, уплотняя и упрочняя его вследствие оптимального гранулометрического состава и повышенной активности шлаковых составляющих.

Установлен характер зависимости процессов структурообразования композиционных шлако-цементных вяжущих (КШЦВ) от удельной поверхности и количества вводимого шлака. При содержании шлака в КВ свыше 30% помол

вяжущего целесообразно осуществлять до удельной поверхности 550 м /кг, при значении шлака ниже 30 %-до 500 м /кг.

Получены зависимости предела прочности при сжатии и изгибе композиционного вяжущего от расхода минеральной добавки, показывающие, что при введении добавки 0,5 % от массы клинкера увеличение прочности составило в ряду «КШЦВ 10% шлака- КШЦВ 20% шлака- КШЦВ 50% шлака» 12,5%-15%-9,5; что связано с пластифицирующим эффектом добавки, обусловленным высокой дисперсностью и минеральным составом, благодаря чему при смешивании с водой она образуют коллоидный клей и физически связывают большое количество воды, уплотняя структуру. При этом ее частицы, являясь затравками, подложками и центрами кристаллизации шлакового стекла, оказывают каталитическое воздействие на процессы гдратации и твердения вяжущего.

Установлен характер зависимости величины оптимальной добавки гипса от удельной поверхности вяжущего и расхода клинкерной составляющей. Показано, что добавка гипса должна быть тем выше, чем выше тонкость его помола. В шлаковых цементах гипс, помимо регулирования скорости схватывания, способствует также более полной гидратации зерен шлака. Кроме того, кристаллы гидросульфоалюмината, армируя гель гидросиликата, создают каркас цементного камня и позволяют значительно увеличить его прочность.

Практическая значимость работы. Определены минеральный состав, активность и физико-механические характеристики доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК», что позволило эффективнее использовать их как при получении мелкозернистых бетонов для вибропрессованной тротуарной плитки на основе композиционных вяжущих, так и непосредственно в составе самих вяжущих.

Разработаны составы композиционных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК», позволяющие снизить расход клинкерной составляющей до 70% при обеспечении активности вяжущего в пределах, рекомендуемых вяжущим для производства тротуарной плитки.

Установлены оптимальные дозировки минеральной добавки и гипса при получении композиционных шлако-цементных вяжущих.

Установлены оптимальные дозировки тонкомолотого шлака при получении мелкозернистых бетонов на основе разработанных вяжущих.

Получены составы мелкозернистого бетона для производства тротуарной плитки на основе композиционных вяжущих КШЦВ-50 и КШЦВ-30 с применением в качестве мелкого заполнителя доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК».

Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены при производстве композиционных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков на ЗАО «Белгородский цемент» и при производстве опытной партии вибропрессованной тротуарной плитки на основе композиционных шлако-цементных вяжущих на заводе ООО «Белгородский завод архитектурного бетона» (ООО «БЗ АрБет»).

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве мелкозернистого бетона для вибропрессованных тротуарных плит разработаны следующие нормативные документы:

- рекомендации на изготовление вибропрессованной тротуарной плитки с использованием композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК»;

- стандарт организации СТО 02066339-022-2011 «Композиционные вяжущие на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК».

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе: при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов изделий и конструкций»; магистров по направлению «Строительство».

Апробаиия работы. Основные положения диссертационной работы пред-

ставлены на: международной научно-практической конференции «Строительство - 2010» (г. Ростов-на-Дону, 2010 г.); международной научно-практической Интернет конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (г. Белгород, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов» (г. Белгород, 2011 г.); региональной научно-практической конференции «Молодые ученые - производству» (г. Старый Ос-кол, 2011 г.); в научно-теоретическом журнале «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова» (г. Белгород, 2011 г.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 5 научных публикациях, в том числе, в 2 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ России. Получено НОУ-ХАУ № 20110019.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, включающего 28 таблиц, 29 рисунков и фотографий, списка литературы из 150 наименований, 6 приложений.

На защиту выносятся:

- принципы повышения эффективности вяжущих для производства вибропрессованного мелкозернистого бетона для тротуарной плитки;

- минеральный состав и физико-механические характеристики доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК» и составы композиционных вяжущих на их основе;

-зависимости физико-механических характеристик композиционного вяжущего от удельной поверхности, количества вводимого шлака, расхода минеральной добавки и гипса, способа смешения вяжущего, времени хранения вяжущего;

- составы мелкозернистого бетона для вибропрессованной тротуарной плитки;

- технология производства вибропрессованной тротуарной плитки из мелкозернистого бетона с использованием композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК»;

- результаты внедрения.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1 Экономические аспекты применения тротуарной плитки.

В настоящее время в развитых зарубежных странах для устройства пешеходных переходов, площадей и других дорожных сооружений используются природный камень и тротуарная плитка на основе цемента, которую уже очень широко начали применять и в нашей стране. Все чаще во дворах, на детских площадках, при устройстве пешеходных зон, а особенно на дачных участках используются элементы мощения из декоративного бетона. Многообразие конфигураций и богатая цветовая гамма делают тротуарные плитки очень популярными (рис. 1.1). Высокая морозостойкость и износостойкость обеспечивают многолетний срок службы даже в условиях города [1-6].

Рис. 1.1. Различные виды тротуарной плитки

Тротуарная плитка придает городу или загородному участку цивилизованный и ухоженный вид, замена асфальта на плитку имеет множество преимуществ (рис. 1.2). Среди них и простота укладки, и привлекательный внешний вид тротуарной плитки, и отсутствие луж, и долговечность тротуарной плитки по сравнению с другими покрытиями [7].

Рис, 1.2. Виды покрытий из тротуарной плитки

При этом одним из решающих факторов замены асфальтобетона при строительстве автомобильных дорог является экологический. Так на практике очень часто не принимается во внимание влияние испарений, идущих от дорожных покрытий, количество которых особенно увеличивается в летний период. Тогда, как известно, что в процессе приготовления и укладки горячие асфальтобетонные смеси выделяют токсичные полициклические углеводороды. А при проведении поверхностных обработок для улучшения адгезионных свойств битумов в них вводят поверхностно-активные добавки типа ал и но в и продуктов каменноугольных смол, которые токсичны. В процессе эксплуатации они частично вымываются и испаряются, чем загрязняют окружающую среду [8-10].

Переход на строительство дорожных конструкций жесткого типа с использованием в качестве вяжущего цемента, позволит сократить суммарный выброс пылеватых частиц и токсичных веществ, выделяющихся при производстве асфальтобетона (табл. 1.1) [11].

Таблица 1.1

Вредные вещества уходящих газов, выделяющиеся

Наименование вещества Концентрация, г/м

Пыль неорганическая 12-40

Диоксид серы 0,016

Оксид углерода 0,0008

Оксиды азота 0,00007

Существенным обстоятельством, определяющим перспективу развития цементобетонных тротуаров и переходов, являются ограниченные запасы нефти, как основного источника сырья для производства битумов. Также решающим обстоятельством в пользу расширения в перспективе строительства цементобетонных покрытий служит незаменимость битума при выполнении ремонта практически всех типов покрытий. В отличие от битума, запасы сырья для производства цемента являются практически неограниченными[12-13].

Таким образом, тротуарная плитка имеет следующие достоинства:

•Экологичность. Тротуарная плитка производится из натурального, экологически чистого материала без вредных примесей и искусственных красителей, не выделяет канцерогенов.

•Долговечность. Высокая прочность тротуарной плитки, способность выдерживать большие механические нагрузки и ее низкая истираемость значительно продлевают срок ее эксплуатации и позволяют надолго сохранить ее привлекательный внешний вид.

•Морозоустойчивость. Способность тротуарной плитки выдерживать очень низкие температуры делают ее практически незаменимой в условиях сурового российского климата.

•Устойчивость к различным погодным условиям. Тротуарная плитка маловосприимчива к разрушительному воздействию дождя, ветра и открытого солнца.

•Простота в уходе. Тротуарная плитка легко очищается от любых типов загрязнений и нуждается в минимальном уходе.

•Ремонтопригодность. Это качество делает возможным многократное применение тротуарной плитки при повторной прокладке коммуникаций или других ремонтных работах.

•Эстетичность. Тротуарная плитка— идеальный вариант для мощения тротуаров, дорожек и приусадебных тер�