автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Цементные бетоны с реакционно-активным диатомитом армированные хризотилом

На правах рукописи

Саденко Денис Сергеевич

ЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ С РЕАКЦИОННО-АКТИВНЫМ ДИАТОМИТОМ АРМИРОВАННЫЕ ХРИЗОТИЛОМ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Пенза 2013

005542416

005542416

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Калашников Владимир Иванович

Официальные оппоненты - Ерофеев Владимир Трофимович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», заведующий кафедрой «Строительные материалы и технологии»

Максимова Ирина Николаевна

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры «Управление качеством и технология строительного производства»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Самарский

государственный архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится 18 декабря 2013 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.184.01, созданного на базе Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства.

Автореферат разослан 15 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

,—^ Бакушев

Сергей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Мировая практика производства бетона и железобетона показала, что развитие технологии направлено на создание высококачественных, высоко и особовысокопрочных бетонов. При этом значительную экономию материальных и энергетических ресурсов может обеспечить синтез цементирующих веществ на основе реакционно-активных наполнителей и цемента.

Известно, что для снижения опасности хрупкого разрушения конструкций из бетонов и повышения трещиностойкости эффективно их дисперсное армирование фиброй. Различный материал фибры по своему помогает реализовать потенциал бетона в конкретной конструкции, обеспечивая не только высокий класс по прочности В80-В100, но и вязкий характер разрушения.

Строительная практика показывает, что для реализации потенциала цементных бетонов требуется комплекс реологически- и реакционно-активных порошковых и фибронаполнителей.

Анализ научных работ по технологии цементных бетонов показывает эффективность применения в технологии реакционно-активных порошков из кремнеземистых горных пород и природных фиброматериалов совместно формирующих оптимальную по прочности матрицу в структуре бетона без применения более дорогих и менее технологичных видов фибр.

Разработка технологии высокопластичных и литых самоуплотняющихся смесей для получения цементных бетонов с использованием суперпластификаторов полимерного состава последнего поколения является актуальной научно-практической задачей.

На основе этого положения была сформулирована научная гипотеза работы, заключающаяся в том, что комплекс реакционно-активных порошковых и фибронаполнителей на основе горных пород в технологии цементных бетонов позволяет получить эффективные бетоны нового поколения.

Синтез цементирующих веществ с их высокоплотной структурой на основе комплекса реакционно-активных наполнителей, основанный на применении местных природных минеральных ресурсов, дает максимальный технико-экономический эффект при организации строительного производства. Природным фиброматериалом являются волокна хризотила, с диаметром нанометрического масштабного уровня. Строительная практика доказала высокую долговечность (более 50 лет) асбошиферных изделий, которые широко распространенны во многих регионах страны.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка технологии, составов, исследование структуры и свойств цементных бетонов на основе комплекса реакционно-активных наполнителей с использованием местных природных минеральных ресурсов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить физико-химические процессы структурообразования цементных бетонов на основе комплекса наполнителей реакционно-активного диатомита, хризотила, супер- и гиперпластификаторов;

- выявить микроструктуру дисперсно-армированной матрицы, ее взаимосвязь со структурой бетона;

- исследовать влияние состава цементных бетонов с реакционно-активным диатомитом, хризотилом, супер- и гиперпластификаторами на его основные физико-механические свойства;

- получить математические модели зависимости физико-механических свойств от состава и технологических факторов;

- разработать технологию приготовления цементных бетонов и установить влияние рецептуры на текучесть, плотность, прочностные и другие физико-технические свойства;

- определить технико-экономическую эффективность производства и применения разработанных цементных бетонов с использованием комплекса наполнителей.

Научная новизна работы

- Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения цементных бетонов на основе комплекса реологически- и реакционно-активных наполнителей с применением местных природных минеральных ресурсов порошковых наполнителей -диатомита, минеральной природной фибры из хризотила - и современных эффективных пластификаторов.

- Установлены закономерности формирования структуры цементных бетонов с комплексным реакционно-активным дисперсным порошковым и фибронаполнителем и получены математические модели зависимости физико-механических свойств от состава и технологических факторов.

- Получены экспериментальные зависимости влияния компонентов бетона на основные реологические и физико-механические свойства.

- Получены экспериментальные зависимости влияния супер-и гиперпластификаторов последнего поколения на поликарбоксилатной основе серии Melflux 2641, 5581 производства «BASF» (Германия) и гиперпластификаторы «Хидетал ГП-у9», «Хидетал ГП-Р9» российского производства на реологические и физико-механические свойства.

- Выявлены закономерности изменения прочностных показателей, модуля упругости, усадочных деформаций, плотности бетона от его состава и содержания компонентов.

- Установлено, что реакционно-активный порошковый наполнитель диатомит в количестве 8-10 % от массы цемента как наполнитель бетона совместно с фиброй на основе хризотила в количестве 0,5-1,5 % от массы цемента с добавкой гиперпластификатора «Хидетал ГП-у9» в количестве 0,5-1,0% от массы цемента максимально эффективны для получения цементных бетонов с классом по прочности В30-В40 и обеспечивают вязкий характер разрушения материала.

- Установлена эффективность производства и применения разработанных цементных бетонов на основе местных минеральных реакцнонно-активных порошков и фибронаподнителей манометрического размера.

Практическая значимость работы. Впервые предложена технология получения наноразмерной минеральной добавки из природных нанораз-мерных материалов и микроразмерных - хризотила и диатомита. Разработаны составы и технология изготовления цементных бетонов с классом по прочности В30-В40 на основе комплекса реакционно-активных наполнителей с применением местных природных минеральных ресурсов порошкового наполнителя - диатомита и минеральной природной фибры из хризотила и эффективных супер- и гиперпластификаторов последнего поколения на поликарбоксилатной основе.

Применение местных наполнителей позволило значительно расширить сырьевую базу, улучшить технико-экономические показатели цементных конструкционных бетонов, создать конкурентоспособную технологию, понизить стоимость комплексной добавки в 2-3 раза по сравнению с известными добавками аналогичного назначения на основе волластонита, микро- и нанокремнезема.

Разработанные составы прошли производственную апробацию в ООО «Бетонный завод «Терновский» и в ООО «Строительные материалы» в г. Пензе и используются в Пензенской области при изготовлении дорожных изделий, монолитных элементов в жилищном строительстве, ремонтных составов для строительных конструкций при оптимизации способа замены конструкций покрытия блока цехов, улучшения конструктивных проектных решений, восстановления работоспособности каркасов зданий при их ремонте.

На основании результатов проведенных экспериментальных исследований получены составы, позволяющие оптимизировать процесс проектирования состава цементных бетонов.

Определены рациональные области применения и технико-экономическая эффективность производства разработанных цементных бетонов. Показано, что стоимость разработанных материалов значительно ниже стоимости существующих аналогичных по назначению изделий.

Достоверность результатов обеспечена использованием стандартных методов испытаний, методов математического планирования эксперимента, статистической оценкой результатов, подтверждена сходимостью многих экспериментальных данных и результатами производственных и лабораторных испытаний согласно свидетельствам ФБУ "Пензенский ЦСМ" об аккредитации испытательной лаборатории Пензенского государственного университета архитектуры и строительства № 14-13 от 28 марта 2013 г. и № 73-06 от 26 декабря 2006 г.

На защиту выносятся:

- разработанные составы цементных бетонов с классом по прочности В30-В40;

- разработанная технология получения цементных бетонов на основе комплекса реакционно-активных минеральных наполнителей диатомита и

фибры из хризотила с использованием современных эффективных пластифицирующих добавок;

- зависимости прочностных свойств, усадочных деформаций, плотности, цементных бетонов от вида и содержания наполнителей, дисперсности компонентов, расхода и вида супер- и гиперпластификаторов;

- зависимости водопотребности, удобоукладываемости бетонных смесей от состава, дисперсности компонентов, расхода супер- и гиперпластификаторов и воды.

Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с разработанной по заданию Правительства Пензенской области стратегией развития строительного комплекса Пензенской области на 20062010 годы и до 2015 года и Постановлением Правительства Пензенской области от 18 ноября 2008 г. № 772-пП «О развитии инвестиционного потенциала Пензенской области (на 2009-2013 годы)».

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: VI Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (ПГУАС, 2007); VIII Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2008); IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, (Пенза, 2009); Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза: РИО ПГСХА, 2010) и др.

Проект, разработанный в рамках диссертационных исследований "Разработка добавок на основе модифицированных природных наноразмерных материалов для технологии бетонов нового поколения", участвовал в 6-м Региональном смотре-конкурсе инновационных проектов по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса-2012» («УМНИК-2012»)» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере при Правительстве Пензенской области (22.11.2012 - 23.11.2012). Проект «Разработка добавок на основе модифицированных природных материалов для технологии бетонов нового поколения» был представлен на Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» по программе "УМНИК" 28 мая 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей в журналах по перечню ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, приложений и списка использованной литературы, включающего 145 источников, изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, ее научная новизна, практическая значимость, сформулированы цель и задачи работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ исследований по разработке бетонов нового поколения.

Развитие и теоретическое осмысление бетоноведения Белолюб-ским H.A., Волженским A.B., Поповым Л.Н. и другими учеными привело на практике к оптимизации технологии бетонов.

Юнг В.Н., рассматривая цементный камень как искусственный конгломерат, предложил применительно к нему термин «микробетон» и теоретически обосновал введение в состав цемента тонкомолотых добавок -микронаполнителей.

В работах Баженова Ю.М., Калашникова В.И., Хозина В.Г. отмечается особое влияние реологически активного порошка из молотых горных пород на реологию бетонных смесей, водоредуцирующий эффект, гравитационную растекаемость. Значительная роль реакционно-активных добавок отмечается в исследованиях многих зарубежных и отечественных ученых, подтвержденных практикой.

С использование микрокремнезема, мелкого песка, дисперсной фибры в количестве от 50 до 150 кг/м3 и других компонентов можно получить бетоны нового поколения с использованием многокомпонентных (8-12-ком-понентных) систем, при сочетании в их составе различных реакционно-активных материалов и интенсивной технологии.

Соломатов В.И., используя полиструктурную технологию бетона, предложил интенсивную (раздельную) технологию с двухстадийным приготовлением бетонной смеси. На первой стадии в турбулентном смесителе готовится растворная составляющая, которая на второй стадии в обычном бетоносмесителе смешивается с крупным заполнителем.

В составе бетонов нового поколения дополнительно имеется значительное количество микроразмерных наполнителей от 1 до 100 мкм. Обязательными компонентами смесей являются реологически активные добавки в смеси с цементно-водной пластифицированной дисперсией.

Сложные рецептуры многокомпонентных бетонов требуют системного подхода к выбору его составляющих, особенно супер- и гиперпластификаторов последнего поколения типа Melflux 2641, 5581 «Хидетал ГП-у9», «Хидетал ГП-р9» и др., позволяющих сохранить гравитационную текучесть пластифицированных минеральных суспензий при снижении воды в 1,5-2,0 раза по сравнению с бетонами старого поколения.

В современных цементных бетонах каменная мука может заменяться на 10-20% и более пуццолановыми добавками микрокремнезема, мета-каолина и т.п.

Кардинально улучшает прочностные и деформативные свойства дисперсное армирование цементосодержащих материалов при помощи фибры, которая при сочетании ее с порошковыми компонентами обеспечивает синтез оптимальной структуры бетона.

Известна высокая технико-экономическая эффективность от применения природной минеральной фибры на основе волластонита и при довольно низком его содержании 1 -3 % по объему.

Многочисленные исследования на клетках и тканях животных показывают, что все известные материалы для фибры обладают определенным уровнем биологической активности, т.е. негативно влияют на организм, однако хризотил намного быстрее выводится из организма, чем стеклянные, базальтовые и целлюлозные волокна и многие другие.

В проекте Стратегии развития промышленности строительных материалов Правительства Российской Федерации на период до 2020 года хризотилцементные изделия признаны основными (базовыми) в строительстве, повсеместное внедрение которых будет содействовать прогрессу отрасли и совершенствованию технологии цементных композиционных материалов.

Технология производства фибробетонов требует равномерного распределения дисперсной фибры и особенно, нанометрической в структуре материала. Однако добиться такого распределения не всегда просто.

Цементные реакционно-порошковые бетоны и фибробстоны, полученные под руководством профессора В.И. Калашникова, обладают низким удельным расходом цемента на единицу прочности 2,5-5 кг/МПа, при прочности при осевом сжатии и на растяжение при изгибе до 180-200 МПа и 45-50 МПа соответственно.

Особенностью составов современных цементных бетонов является наличие песка тонкой фракции 0,1-0,6 н- 0,1-0,4 мм, усиливающей реологическое действие дисперсных суспензий и эффективных пластификаторов.

Ориентиром в технологии бетонов могут служить показатели, достигнутые в развитых странах, для высокопрочных бетонов - 3,5-5 кг/МПа, с повышенной прочностью - 5-6 кг/МПа, малоцементных - до 2-3 кг/МПа.

По мнению В.И. Калашникова, для получения бетонов нового поколения необходимо модернизировать существующую технологию и отказаться от использования низкокачественных традиционных рядовых сырьевых материалов, следует при этом увеличить число компонентов бетона с 4-5 до 7-8 за счет создания современной производственной базы.

Вторая глава диссертации посвящена характеристикам применяемых материалов и методикам проведения исследований.

В качестве основных компонентов цементных бетонов применялись минеральные добавки диатомит и хризотил.

В качестве вяжущего использовались бездобавочные цементы класса прочности ЦЕМ I 42,5 Н производства ОАО «Мордовцемент», ОАО «Вольскцемснт», ЗАО «Ульяновскцеменг», Красноярский цемент.

В работе использовался диатомит Инзенского месторождения Ульяновской области и Ахматовского месторождения Пензенской области. Средняя плотность диатомитов в сухом состоянии колеблется в пределах от 0,5 до 0,7 г/см". Истинная плотность диатомитов - 1,8-2,0 г/см3.

Минерал хризотил (Mg3Si205(0H)4) обладает способностью легко делиться на тонкие пучки волокон и очень трудно на индивидуальные, выполняющие в бетоне роль дисперсной арматуры.

В качестве дисперсного наполнителя для бетонной смеси использовались молотые кварцевые пески с 5уд=3000-4000 см3/г, в качестве мелких заполнителей пески «Ртищевского», «Русеевского», «Чаадаевского» карьеров Пензенской области, «Ивано-Хромцовского» карьера Ивановской области с Мкр = 1,5-2,5, соответствующие ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия».

Для регулирования реологических свойств использовались суперпластификаторы на поликарбоксилатной основе серии Mel flux 2641, 5581 производства «BASF» (Германия) и гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе российского производства «Хидетал ГП-у9», «Хидетал ГП-Р9» (г. Новозыбков, Брянская область).

При выполнении работы основные физико-механические и технические свойства материалов для бетонов оценивались в соответствии с методиками ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 10181.1-81, ГОСТ 24544-81, Межгосударственного стандарта ГОСТ 31108-2003.

При проведении исследований использовались современные методы и приборы: для определения реотехнологических свойств цементных суспензий с добавками и без них - встряхивающий столик; для текучих смесей -конус Хегерманна.

Для рентгенофазовых исследований был использован дифрактометр «Empyrean».

Исследования проводили в соответствии с методами математического планирования эксперимента. Планирование эксперимента, статистическую обработку и анализ результатов выполняли с помощью программы «Gradient».

Третья глава посвящена исследованию влияния компонентов на рео-технологические свойства смесей цементных бетонов на основе активированного диатомита, армированных хризотиловыми волокнами.

Выбор оптимальной пластифицирующей добавки производился из продукции последних поколений вначале на основании растекаемости суспензий на разных нементах (по водоредуцирующему эффекту), а затем на основании основных физико-механических свойств бетона.

Нормированный расплыв пластифицированных суспензий был принят в диапазоне 260-350 мм, что соответствовало относительной текучести (Г), вычисленной по формуле (1)

Г= (F/F0)2-l, (1)

где F„ и Г - соответственно, диаметр нижнего основания конуса, равный 10,0 см, и диаметр расплыва, равный 5,8-11,3 см.

Пластическая вязкость цементных суспензий при расплыве смеси из конуса Хегерманна, составляющем от 260 до 380 мм, изменяется от 10 до 2-3 Па-с, а предел текучести - от 25 до 5-6 Па.

На рис.1 представлены зависимости прироста расплыва цементной суспензии (РЦ) от водоцементного отношения (В/Ц), процентного содержания хризотила и СП «МеШих 5581».

0,75 % МеШих 5581

>

Рис. 1. Зависимости величины расплыва цементной суспензии (РЦ) от водоцементного отношения (В/Ц ), процентного содержания хризотила и содержании СП «МеШих5581» 0,75 % от массы цемента

Установлено, что наибольшая растекаемость смеси была достигнута при использовании «Хидетал ГП-у9» и МеШих 5581. С увеличением содержания пластификатора расплыв цементной суспензии (РЦ) увеличивается, и оптимальная концентрация добавки составляет 0,5-1,0 % от массы цемента.

Показано, что использование минеральных добавок диатомита и хризотила в качестве фибры, при содержании ее более 1 %, сильно снижает величину расплыва цементной суспензии. В связи с этим в последующем снизили дозировку хризотила до 0,5 %. Исследовалось влияние модифицированного и ^модифицированного диатомита на консистенцию смеси и среднюю плотность (рис. 2).

Диатомит, %

Рис. 2. Влияние модифицированного (1) и немодифицированного (2) диатомита на консистенцию иесчано-бетонной смеси

о беа добавки. /

О 1 % Хризотила .

А 2 % Хризотила

о 3 % ХриэотипвК

60

0%:у = 1196.5х - 135.9 Я? = 0.9354

2%: у = 240х - 42.8 № = 1

1%: у = 328,29х - 48,33

3%: у = 235,61 х - 60,726 Я2 = 0.9283

В результате исследований выявлено, что увеличение дозировки и модифицированной и немодифицировнной минеральной добавки диатомита снижает расплыв смеси на встряхивающем столике, но в составах с модифицированным диатомитом это снижение значительно меньше Для получения равноподвижных смесей содержание модифицированного диатомита должна быть на 4.. .6 % больше, чем немодифицированного.

Установлено влияние модифицирующих добавок на реотехнологичес-кие свойства диатомовых, цементно-диатомовых и хризотилсодержащих суспензий.

Недостатком смешанного вяжущего для получения цементных бетонов, содержащего в качестве компонентов высокодисперсные хризотил и диатомит, является более высокая водопотребность в сравнении с портландцементом без этих минеральных добавок. Результаты исследований приведены в табл. 1.

Таблица 1

Водопотребность смешанного вяжущего с добавкой СП МеШих 5581 J^gИJкmичнoм содержании хргош-ил^диатомита

СП, %

0,25

0,5

0,75

Хризотил, %

0

.Водопотребность при содержании диатомит. %

15 ~

0

0,230

0,408

0,518

0.607

0,177

0,423 0,499

0.608

ОД 85

3

0,5

0.391

0,302

0.465

0,585

0,680

0,241

0,462

0,570

0,675

0,212

0,512

0,597 0.240

0,436

10

0.397

0,519

0,561

0.661

0,804

0,306

0,505

0.350

0,627

0,730

0,288

0.548

0,647 0,260

0,490

0,625

0,740 0,320

0,340

Установлено, что водопотребность суспензий вяжущего эффективно регулируется добавкой СП Melflux 5581. Введение Mel flux 5581 позвопяется повысить дозировку диатомита на S..7 % без ухудшения текучести смеси Использование в смешанном вяжущем волокон хризотила "в количестве 0,5-1,5 % приводит к сильному повышению водопотребности Даже максимальная дозировка СП - 0,75 % не позволяет заметно снизить водопотребность цемента с добавкой фиброволокон. Введение в состав смеси суперпластификатора Melflux 5581 устраняет этот негативный эффект при понижении содержания хризотила до 0,5 %.

Анализ зависимости водоредуцирующего эффекта СП от степени замещения цемента диатомитом для различных дозировок Melflux 5581 показывает, что максимальный водоредуцирующий эффект достигается при расходе диатомита около 5.. .6 % (рис.3).

Диатомит, %

Рис. 3. Влияние доли замещения цемента диатомитом на водопотребность цементной суспензии при различной дозировке СП МеШих 5581: 1 без добавки; 2 - 0,25 %; 3 - 0,5 %; 4 - 0,75 %

В результате исследований установлено, что введение в цемент диатомита, измельченного до высокой удельной поверхности, повышает водопотребность цементной суспензии приблизительно в два раза (рис.4).

Исследования водопотребности суспензии вяжущего с измельченным диатомитом показали, что эта минеральная добавка в количестве 10 % повышает водопотребность немента на 50...70 %. Введение в смесь суперпластификатора МеШих 5581 позволяет получить смесь без снижения ее текучести при расходе диатомита 5..7 %.

В результате исследований выявлено, что суперпластификатор МеШих 5581 и добавка диатомита обладают синергетизмом действия, а введение в смесь хризотила приводит к сильному ее загущению.

Установлено влияние содержания диатомита, хризотила и СП МеШих

Диатомит. %

Рис.4. Зависимость водоредуширующего эффекта СП МеШих 5581 от степени замещения цемента диатомитом для различных дозировок СП: 1 - 0,25 %; 2 - 0,5 %; 3 - 0,75 %

Таблица 2

Влияние содержания хризотила и СП на водопотребность цементной суспензии _

№ п/п СП, %, от цемента Хризотил, %, от цемента В/Ц РЦ. мм Коэффициенты уравнения (РЦ=ахВ/Ц+Ь): В/Црасч (и-з уравнения)

а Ь

I 2 3 4 5 6 7 8

1 0,25 - 0.225 66,5 1270 -212.33 0.23

2 0.275 130

3 0,25 119

4 ! 0,425 0,425 460 -107.5 0.41

5 0,3875 0,3875

6 7 8 2 0,475 ^ 0,475 300 -75,5 0.52

0,525 0,525

3 0,6 0.6 330 -120.42 0.61

9 0,575 0,575

10 0,625 0,625 п

11 0,5 - 0,3 142,5 543,98 -16,104 0.18

12 0,25 128,5 1

13 0,2 100

14 1 Г 0,1975 80 275,8 -36,648 |

15 0,55 112,5 0,42 ) |

16 0,35 58

17 0.4625 95,5

18 2 0,4 73,5 376 -107.6 ! 0.50

19 0,45 60,5

20 0,525 88

21 22 0.4875 76,5

0,5 82,5

23 3 0,55 60 346,67 -130,67 0,61

24 0,625 86

25 0,75 - 0,22 124.5 1196.5 -135,9 0.19

26 0.2075 117

27 0,1975 102

28 0.1925 91

29 1 0,42 90,5 328.29 -48,33 1 1 0,39

30 0,32 58,5

31 0,37 68,75

32 0.395 83

33 2 0.47 70 240 -42.8 0,51

34 0,5075 79

35 36 3 0.545 66,5 235,61 -60.726 1 0.60

0,57 76,5

37 0,595 77,25

38 0,625 87

Установлено, что при наполнении бетонной смеси диатомитом в количестве, равном 5 и 10 %, и при концентрации СП, равной 0,25%, 0,5% и 0,75%, но при отсутствии хризотила, водопотребность смеси сравнительно невелика, а плотность суспензии составляет около двух тысяч и более кг/м3.

Четвертая глава посвящена исследованию состава на физико-механические свойства цементных бетонов на основе активированного диатомита армированными хризотиловыми волокнами и разработке составов.

Показано влияние волокон хризотила в качестве добавки, повышающей прочностные свойства цементно-песчаного бетона. В исследовании был использован центральный композиционный ортогональный трех-факторный план.

Анализ результатов показывает, что при низком водонементном отношении прочность при сжатии при увеличении дозировки СП возрастает, что объясняется улучшением удобоукладываемости и уплотнения смеси. При высоком В/Ц наблюдается противоположная тенденция: при повышении расхода СП прочность снижается. Причиной этой закономерности является, вероятно, повышение расслоения и неоднородности смеси. Для прочности при изгибе отмечено снижение этого показателя при увеличении дозировки СП до 0,5%. Дальнейшее повышение расхода СП приводит к росту прочности.

Проведенные исследования показали, что оптимальная дозировка хризотила в жестких бетонных смесях составляет 1,5 %, так как при этом расходе волокон прочность при изгибе - на 20...35 %, а при сжатии - на 10-11 % выше, чем в составах без хризотила.

Показано влияние модифицированного и немодифицированного диатомита на среднюю прочность бетонов при сжатии (рис. 5).

5 10 15

Диатомит, %

Рис. 5. Влияние модифицированного (1) и немодифицированного (2) диатомита на прочность цементно-песчаного бетона при сжатии после телловлажностной обработки Выявлено различие в показателях прочности составов с добавкой модифицированного и немодифицированного диатомита. При повышении расхода модифицированного диатомита от 5-7 % до 14 % прочность

постепенно снижается до показателей прочности контрольного бездобавочного состава. Установлены зависимости трещиностойкости бетона от содержания хризотила. Анализ зависимости «прогиб - сила» свидетельствует, что развитие магистральной трещины у состава бетона с армирующим волокном происходит позже, чем в составе бетона без хризотилового волокна. Несмотря на то, что величина прогиба такого состава почти в 2 раза выше, чем у бездобавочного бетона, этот состав дольше сопротивляется разрушению (рис. 6).

сЯ к

ЯІ

X

о ОЛ 0.2 0.3 0А 0.5 0.6

Прогиб, мм

Рис. 6. Влияние прогиба образцов на силу сопротивления

В результате исследований определены модуль упругости (£б) и другие характеристики песчаного бетона. Модуль упругости песчаного бетона рассчитывали, исходя из величины прогиба (/), образуемого при действии на образец нагрузки (£с), соответствующей началу движения магистральных трещин, по формуле (2)

£с-/3

Д-, = , (2),

где 1К - момент инерции (I

Ь-к3 12

4 8-4-Г

, Ъ, Ь — ширина и высота образца в м);

I - пролет, м.

Модуль упругости бетона с I % хризотила был равен 33300 МПа, а без добавки - 29600 МПа.

Установлено, что за счет введения хризотила повышается прочность при изгибе и возрастает модуль упругости бетона в 1,12 раза.

Исследована зависимость Ятг бетона от степени наполнения бетонной смеси хризотилом в присутствии суперпластификатора МеШих 5581 (рис.7).

Степень наполнения хризотилом, %

Рис. 7. Зависимость прочности при изгибе от степени наполнения бетонной смеси хризотилом в присутствии суперпластификатора МеШих 5581

Установлено, что зависимость прочности при изгибе от степени наполнения экстремальная, и нановолокна хризотила склонны к агрегированию, что усложняет их использование, подтверждает их высокую активность.

Пятая глава посвящена исследованию микроструктуры и ее влиянию на основные эксплуатационно-технические свойства цементных бетонов.

Выполненный рентгенофазовый анализ показал, что исследуемые минеральные добавки способствуют активации процесса формирования в цементном камне гидросиликатов кальция.

Проведена ИК-спектроскопия компонентов и их смесей.

Выявлены закономерности формирования микроструктуры дисперсно-армированной матрицы. Показано, что наполнение матрицы материала диатомитом и хризотилом является эффективным способом формирования оптимальной структуры цементных бетонов.

В шестой главе представлены результаты выпуска опытно-промышленных партий составов, разработанных в ООО «Бетонный завод «Терновский» и в ООО «Строительные материалы» в г. Пензе, для использования в Пензенской области при изготовлении дорожных изделий, монолитных элементов в жилищном строительстве, ремонтных составов для строительных конструкций.

Произведена оценка экономической эффективности производства цементных бетонов на основе комплекса реакционно-активных наполнителей армированных хризотилом с применением местных природных минеральных ресурсов.

Для разработанных бетонов классов В30-В40 экономический эффект составляет 12-15 % от стоимости сырьевых материалов. Разработанные материалы обладают улучшенными технико-экономическими показателями по сравнению с традиционными бетонами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлены закономерности формирования структуры цементных бетонов и показано, что наполнение матрицы материала диатомитом и хризотилом является эффективным способом формирования оптимальной структуры бетонов.

2. Установлено влияние пластифицирующих добавок на микроструктуру цементных бетонов. Микроструктура бетонов при использовании Melflux 5581 и «Хидетал ГП-у9» содержит гидросиликаты, повышающие основные физико-механические свойства.

3. Установлено влияние реакционно-активных наполнителей на свойства бетонов. Посредством планирования эксперимента и применения центрального композиционного ортогонального трехфакторного плана получено оптимальное содержание диатомита, хризотила и водоцемент-ного отношения для обеспечения заданных прочности и плотности. Оптимальное содержание хризотила 0,5-1,5 % увеличивает прочность при изгибе - на 20-35 %, а при сжатии - на 10-11 %. Предложенное оптимальное наполнение матрицы цементных бетонов реакционно-активным диатомитом и фиброматериалом с нанометрическими размерами стабилизирует структуру цементных бетонов, обогащая ее дополнительно новообразованиями. На основе установленных физико-химических процессов структурообразования доказана возможность получения на основе диатомита, хризотила, супер- и гиперпластифшсаторов цементных бетонов с применением местных природных минеральных ресурсов с классом по прочности В30-40.

4. Установлено влияние пластифицирующих добавок на основные физико-технические свойства бетонных смесей. Наибольшая растека-емость бетонных смесей с расплывом конуса до 29 см была получена при использовании «Хидетал ГП-у9» и Melflux 5581. С увеличением содержания пластификатора расплыв конуса цементной суспензии увеличивается, и оптимальная концентрация добавки составляет 0.5-1,0 % от массы цемента.

5. Установлена эффективность химической активации наполнителей для регулирования свойств смесей цементных бетонов. Применение модифицированного и немодифицированного диатомита существенно меняет консистенцию смеси. При увеличении содержания немодифицированного и модифицированного диатомита с 0 до 10 % расплыв конуса снижается, соответственно, с 240 до 130 см и с 240 до 155 см. В составах с модифицированным диатомитом снижение расшшва конуса значительно меньше. Водопотребность суспензий вяжущего эффективно регулируется добавкой СП Melflux 5581. Введение Melflux 5581 позволяет повысить дозировку диатомита на 5-7 % без ухудшения текучести смеси. Использование в смесях волокон хризотила в количестве 1-3 % приводит к значительному увеличению водопотребности в 2 раза и более.

6. Установлено влияние состава цементных бетонов с реакционно-активным диатомитом, хризотилом и супер- и гиперпластификаторами на его основные физико-механические свойства. При низком водоцементном

отношении прочность при сжатии при увеличении дозировки супер- и гиперпластификаторов возрастает, а при высоком В/Ц - при повышении расхода супер- и гиперпластификаторов - снижается.

7. Максимальная прочность бетона при сжатии и изгибе получена при содержании диатомита 7-10%. Установлено, что реакционно-активный порошковый наполнитель диатомит совместно с фиброй на основе хризотила в количестве 0.5-1,5 % и добавкой гиперпластификатора «Хидетал у9» в количестве 0,5-1,0 % (от массы цемента) максимально эффективны в составе бетона, и обеспечивают вязкий характер разрушения. Введение хризотила в оптимальной концентрации повышает прочность бетона на изгиб на 22 %, модуль упругости - в 1,8 раза. Получены математические модели зависимости основных физико-механических свойств от состава и технологических факторов.

8. Предложена технология приготовления песчаных бетонов с использованием комплекса наполнителей реакционно-активного диатомита, микроармирующего хризотила, супер- и гиперпластификаторов.

Установлено влияние рецептуры и способа приготовления на свойства смесей и бетонов: плотность, водопотребность, текучесть, прочность бетона при сжатии и изгибе, трещиностойкость, усадка, морозостойкость.

9. Произведенная сравнительная оценка экономической эффективности производства цементных бетонов на основе комплекса реакционно-активных наполнителей, армированных хризотилом, с применением местных природных минеральных ресурсов показала, что для разработанных бетонов классов В30-В40 экономический эффект составляет 10% от стоимости сырьевых материалов. Разработанные материалы обладают улучшенными технико-экономическими показателями по сравнению с традиционными бетонами.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК МОиН РФ:

1. Вернигорова, В.Н. О взаимодействии суперпластификаторов и гиппласгифи-каторов с водой [Текст] / В.Н. Вернигорова, Д.С. Костин, Д.С. Саденко, В.В. Ульянов // Региональная архитектура и строительство. - 2010. — №1 (8). — С. 26-30.

2. Вернигорова, В.Н. О механизме активирования шлаковых цементов [Текст] / В.Н. Вернигорова, Д.С. Саденко, В.В. Ульянов П Региональная архитектура и строительство. - 2010. - №2(9). - С.4-9.

3. Вернигорова, В.Н. Вода загворения как микрогетерогенная организованная среда [Текст] / В.Н. Вернигорова, Д.С. Саденко / Региональная архитектура и строительство. - 2013. -№2(16). С.32-36.

4. Саденко, Д.С. Морфология поверхности гидросиликатов кальция [Текст] / В.Н. Вернигорова, Д.С. Саденко, М.М. Вернигоров // Региональная архитектура и строительство. - 2013. - №2(16), - 2013. - №2(16). С.62-66.

5. Коровкин, М.О. Влияние способа введения суперпластификатора на его водоредуцирующий эффект [Текст] / М.О. Коровкин, H.A. Ерошкина, Д.С. Саденко // Региональная архитектура и строительство. - 2013. - №2( 16). С.66-71.

Публикации в других изданиях

6. Вернигорова, В.Н. О роли воды в процессе гидратации минералов портландцемента [Текст] / В.Н. Вернигорова, Е.В. Королев, Д.С. Костин, Д.С. Саденко, H.H. Перфильева // Материалы IV Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Пенза: ПГУАС, 2009. - С.9-13.

7. Вернигорова, В.Н. Влияние концентрации апротонных кислот (АК) на стационарную концентрацию в системе Ca0-Si02-H20 [Текст] / В.Н. Вернигорова, Д.С. Саденко, И.Г. Гвоздева // Сб. ст. XII Межяунар. науч.-техн. конф. «Информационно-вычислительные технологии и их приложения». Пенза-ИГСХА, 2010. - С.33-38.

8. Ерошкина, H.A. Трещиностой кость бетона с добавкой хризотила [Текст] / H.A. Ероппсииа, Д.С. Саденко, A.B. Мельников // МНТК "Исследования и инновации в строительстве". - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. - C.7I-74.

9. Саденко, Д.С. Применение в технологии бетонов и строительных растворов диатомита совместно с суперпластификатором [Текст] / Д.С. Саденко, Д.В. Ульянов // МНТК «Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. ст. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. - С.101-104.

10. Калашников, В.И. Использование волокон хризотила в качестве добавки, повышающей прочность бетона [Текст] / В.И. Калашников, Д.С. Саденко // МНТК «Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. ст. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. - С .26-30

11. Саденко, Д.С. Научно-практические основы выбора материалов для минеральных добавок в бетоны [Текст] / Д.С. Саденко // МНТК «Новые энерго-и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов»: сб. ст. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. - С.64-67

12. Коровкин, М.О. Влияние способа введения суперпластификатора на водоредуцирующий эффект [Текст] / М.О. Коровкин, H.A. Ерошкина, Д.С. Саденко, C.B. Симаков, И.М. Куликов // МНТК «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов»: сб. ст. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. - С.47-52.

13. Калашников, В.И. Добавка модифицированного диатомита для бетонов нового поколения с низким расходом цемента [Текст] / В.И. Калашников, Д.С. Саденко // Сурский молодежный инновационный форум-2012: сб. науч ст - Пенза: ПГУАС, 2012. - С. 179-182.

14. Вернигорова, В.Н. О плотности дислокаций в гидросиликатах кальция, образующихся в цементном камне малоцементного бетона [Текст] / В.Н. Вернигорова, Д.С. Саденко, М.М. Вернигоров // Материалы VII Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов». - Пенза: ПГУАС, 2012. - С.24-27.

15. Вернигорова, В.Н. Электронно-микроскопическое исследование гидросиликатов кальция [Текст] / В.Н. Вернигорова, Д.С. Саденко, М.М. Вернигоров // Материалы VII Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов». -Пенза: ПГУАС, 2012. - С.27-30.

16. Калашников, В.И. Исследование модифицированного диатомита в качестве компонента бетона нового поколения [Текст] / В.И. Калашников, Д.С. Сааенко // Материалы VII Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов». - Пенза: ПГУАС, 2012. - С.165-169.

17. Коровкин, М.О. Исследование механизма повышения эффективности суперпластификатора в вяжущих низкой водопотребности [Текст] / М.О. Коровкин, H.A. Ерошкина, Д.С. Саденко, С.В. Симаков // Актуальные проблемы современного строительства: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. - С. 140-144.

Саденко Денис Сергеевич

ЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ С РЕАКЦИОННО-АКТИВНЫМ ДИАТОМИТОМ АРМИРОВАННЫЕ ХРИЗОТИЛОМ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.11.2013. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать на ризографе.

Заказ № . Тираж 100 экз._

Отпечатано в ООО «Интеллект-Сервис». 440028, г. Пенза, ул. Беляева. 12А.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

04201452238

ЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ С РЕАКЦИОННО-АКТИВНЫМ ДИАТОМИТОМ АРМИРОВАННЫЕ ХРИЗОТИЛОМ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

На правах рукописи

Саденко Денис Сергеевич

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Заслуженный Деятель науки и техники РФ, д. т. н., проф. Калашников В. И.

Пенза-2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................12

1.1. Теоретические и практические аспекты получения цементных бетонов............................................................................................12

1.2. Технологии цементных бетонов и особенности их развития......18

1.3. Цементные бетоны с низким удельным расходом цемента

на единицу прочности.......................................................................................25

1.4. Реакционно-активные, армирующие и пластифицирующие добавки для получения цементных бетонов нового поколения...................31

1.5. Экологические аспекты использования хризотила в производстве строительных материалов на основе цементных

вяжущих..............................................................................................................40

1.6. Сравнение хризотиловых волокон с другими волокнистами материалами.......................................................................................................45

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................49

2.1. Характеристика используемых материалов..................................49

2.2. Методики исследований и применяемое оборудование..............53

2.2.1. Методики и приборы для определения реологических характеристик бетонной смеси..................................................................53

2.2.2. Исследование прочностных и деформационных свойств бетона..............................................................................................................59

2.2.3. Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ исследования..................................................................................................61

2.3. Методика приготовления модифицирующих добавок на основе диатомита, армирующих хризотиловых волокон и образцов цементных бетонов............................................................................................61

2.4. Математические методы планирования эксперимента................61

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ НА

СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ..................................................................62

3.1. Влияние минеральных наполнителей и модифицирующих добавок на реотехнологические свойства цементных бетонов, суспензий и растворных смесей.......................................................................62

3.2. Исследование влияния активации наполнителей на реотехнологические свойства бетонных смесей............................................72

3.3. Исследование влияния модифицирующих добавок на реотехнологические свойства диатомовых, цементно-диатомовых и хризотилсодержащих суспензий......................................................................82

Выводы по главе 3...................................................................................87

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ И РАЗРАБОТКА ИХ СОСТАВОВ........................89

4.1. Влияние минеральных наполнителей и модифицирующих добавок на основные прочностные свойства бетонов...................................89

4.2. Влияние минеральных наполнителей и модифицирующих добавок на основные деформативные свойства бетонов..............................97

Выводы по главе 4.................................................................................112

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ С РЕАКЦИОННО-АКТИВНЫМ ДИАТОМИТОМ АРМИРОВАННЫХ ХРИЗОТИЛОМ................................................................114

5.1. Исследование микроструктуры цементного бетона

методом ИК-Фурье-спектроскопии...............................................................114

5.2. Рентгенографическое исследование образцов цементного камня с добавками диатомита, хризотила и МеШих 5581...........................123

5.2.1. Рентгенографическое исследование продуктов гидратации портландцемента, модифицированного хризотилом и добавками МеШих 5581 иСЗ.......................................................................................................125

Выводы по главе 5.................................................................................126

ГЛАВА 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИИ

ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ С РЕАКЦИОННО-АКТИВНЫМ ДИАТОМИТОМ АРМИРОВАННЫХ ХРИЗОТИЛОМ.........128

6.1. Технологическая эффективность производства бетонных изделий..............................................................................................................128

6.2. Экономическое обоснование использования разработанных составов цементных бетонов в строительных изделиях и конструкциях....................................................................................................132

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6.......................................................................134

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.............................................................................135

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................................................................157

Введение

Актуальность. Мировая практика производства бетона и железобетона показала, что развитие технологии направлено на создание высококачественных, высоко и особо высокопрочных бетонов. При этом значительную экономию материальных и энергетических ресурсов может обеспечить создание цементных бетонов на основе реологически- и реакционно-активных наполнителей.

Для снижения опасности хрупкого разрушения конструкций из высокопрочных бетонов и повышения их трещиностойкости эффективно дисперсное армирование бетонов фиброй. В строительстве используются различные виды фибры, каждая из которых по своему обеспечивает реализацию потенциала бетона, как материала в конкретной конструкции, обеспечивая не только высокий класс по прочности 80-100, но и вязкий характер разрушения.

Отечественная строительная практика показывает, что класс бетонов по прочности па сжатие остается низким и составляет В30-В40 у выпускаемых 98% бетонов. Это позволяет наряду с обеспечением потребности в бетонах заданной прочности реализовать потенциал цементных бетонов на основе комплекса порошковых наполнителей и фибры.

Анализ научных работ по технологии цементных и высокопрочных бетонов показывает, что эффективными компонентами являются реологически- и реакционно-активные порошки из горных пород и пуццоланических добавок и за счет дополнительного применения природных фиброматериалов можно создать оптимальную по прочности матрицу в структуре бетона без применения более дорогих и менее технологичных видов фибр. Фиброматериалами являются нанометрические волокна хризотила.

Современные научные достижения в области технологии высококачественных бетонов, направленные на создание высокопластичных

и литых самоуплотняющихся смесей, основаны на использовании суперпластификаторов олигомерного состава и гиперпластификаторов полимерного состава последнего поколения обеспечивающих и заполнения опалубок конструкций с любыми видами каркаса и комбинацией арматуры.

Максимальный эффект при организации производства цементных бетонов на основе реологически- и реакционно-активных наполнителей возможен при использовании в качестве компонентов наполнителей из местных природных минеральных ресурсов.

Реакционно-активными наполнителями могут быть природные диатомиты, модифицированные соляной кислотой.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с разработанной по заданию Правительства Пензенской области стратегией развития строительного комплекса Пензенской области на 2006-2010 годы и до 2015 года и Постановлением Правительства Пензенской области от 18 ноября 2008 г. N 772-пП «О развитии инвестиционного потенциала Пензенской области (на 2009 - 2013 годы)» (подпрограмма «Развитие базы строительной индустрии и промышленности строительных материалов Пензенской области (2009-2011 годы)») (в ред. Постановлений Правительства Пензенской обл. от 17.02.2009 N 129-пП, от 18.06.2009 N 504-пП, от 22.07.2009 N 591-пП, от 17.09.2009 N 719-пП (ред. 15.10.2009), от 18.09.2009 N 726-пП (ред. 15.10.2009), от 07.10.2009 N 773-пП, от 10.12.2009 N 975-пП, от 16.02.2010 N 80-пП) (приложение 2).

Цель и задачи исследования. Целыо работы является разработка технологии, составов, исследование структуры и свойств цементных бетонов на основе комплекса реакционно-активных наполнителей с использованием местных природных минеральных ресурсов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить физико-химические процессы структурообразования цементных бетонов на основе комплекса наполнителей реакционно-активного диатомита, хризотила, супер- и гиперпластификаторов;

- выявить микроструктуру дисперсно-армированной матрицы, ее взаимосвязь со структурой бетона;

- исследовать влияние состава цементных бетонов с реакционно-активным диатомитом, хризотилом, супер- и гиперпластификаторами на его основные физико-механические свойства;

- получить математические модели зависимости физико-механических свойств от состава и технологических факторов;

- разработать технологию приготовления цементных бетонов и установить влияние рецептуры на текучесть, плотность, прочностные и другие физико-технические свойства;

- определить технико-экономическую эффективность производства и применения разработанных цементных бетонов с использованием комплекса наполнителей.

Научная новизна работы

- Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения цементных бетонов на основе комплекса реологически- и реакционно-активных наполнителей с применением местных природных минеральных ресурсов порошковых наполнителей - диатомита, минеральной природной фибры из хризотила - и современных эффективных пластификаторов.

- Установлены закономерности формирования структуры цементных бетонов с комплексным реакционно-активным дисперсным порошковым и фибронаполнителем и получены математические модели зависимости физико-механических свойств от состава и технологических факторов.

- Получены экспериментальные зависимости влияния компонентов бетона на основные реологические и физико-механические свойства.

- Получены экспериментальные зависимости влияния супер-и гиперпластификаторов последнего поколения на поликарбоксилатной основе серии Melflux 2641, 5581 производства «BASF» (Германия) и гиперпластификаторы «Хидетал ГП-у9», «Хидетал ГП-(39» российского производства на реологические и физико-механические свойства.

- Выявлены закономерности изменения прочностных показателей, модуля упругости, усадочных деформаций, плотности бетона от его состава и содержания компонентов.

- Установлено, что реакционно-активный порошковый наполнитель диатомит в количестве 8-10 % от массы цемента как наполнитель бетона совместно с фиброй на основе хризотила в количестве 0,5-1,5 % от массы цемента с добавкой гиперпластификатора «Хидетал ГП-у9» в количестве 0,51,0 % от массы цемента максимально эффективны для получения цементных бетонов с классом по прочности В30-В40 и обеспечивают вязкий характер разрушения материала.

- Установлена эффективность производства и применения разработанных цементных бетонов на основе местных минеральных реакционно-активных порошков и фибронаполнителей нанометрического размера.

На защиту выносятся:

- разработанные составы цементных бетонов с классом по прочности В30-В40;

- разработанная технология получения цементных бетонов на основе комплекса реакционно-активных минеральных наполнителей диатомита и фибры из хризотила с использованием современных эффективных пластифицирующих добавок;

- зависимости прочностных свойств, усадочных деформаций, плотности, цементных бетонов от вида и содержания наполнителей, дисперсности компонентов, расхода и вида супер- и гиперпластификаторов;

- зависимости водопотребности, удобоукладываемости бетонных смесей от состава, дисперсности компонентов, расхода супер- и гиперпластификаторов и воды.

Достоверность результатов работы обеспечена использованием стандартных методов испытаний, методов математического планирования эксперимента, статистической оценкой результатов, подтверждена сходимостью многих экспериментальных данных и результатами производственных и лабораторных испытаний согласно свидетельствам ФБУ "Пензенский ЦСМ" об аккредитации испытательной лаборатории Пензенского государственного университета архитектуры и строительства № 14-13 от 28 марта 2013 г. и № 73-06 от 26 декабря 2006 г.

Практическая значимость работы. Впервые предложена технология получения наноразмериой минеральной добавки из природных наноразмер-ных материалов и микроразмерных - хризотила и диатомита. Разработаны составы и технология изготовления цементных бетонов с классом по прочности В30-В40 на основе комплекса реакционно-активных наполнителей с применением местных природных минеральных ресурсов порошкового наполнителя - диатомита и минеральной природной фибры из хризотила и эффективных супер- и гиперпластификаторов последнего поколения на поликарбоксилатной основе.

Применение местных наполнителей позволило значительно расширить сырьевую базу, улучшить технико-экономические показатели цементных бетонов, создать конкурентоспособную технологию, понизить стоимость комплексной добавки в 2-3 раза по сравнению с известными добавками аналогичного назначения на основе волластонита, микро- и нанокремнезема.

Разработанные составы прошли производственную апробацию в ООО «Бетонный завод «Терновский» и в ООО «Строительные материалы» в г. Пензе и используются в Пензенской области при изготовлении дорожных изделий, монолитных элементов в жилищном строительстве, ремонтных составов для строительных конструкций при оптимизации способа замены

конструкций покрытия блока цехов, улучшения конструктивных проектных решений, восстановления работоспособности каркасов зданий при их ремонте.

На основании результатов проведенных экспериментальных исследований получены составы, позволяющие оптимизировать процесс проектирования состава цементных бетонов.

Определены рациональные области применения и технико-экономическая эффективность производства разработанных цементных бетонов. Показано, что стоимость разработанных материалов значительно ниже стоимости существующих аналогичных по назначению изделий.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, являются составной частью стратегии развития строительного комплекса Пензенской области па 2006-2010 годы и до 2015 года направленной на создание современных бетонов и вовлечение местных минеральных сырьевых ресурсов в разработку строительных материалов.

Проект, разработанный в рамках диссертационных исследований "Разработка добавок на основе модифицированных природных наноразмерпых материалов для технологии бетонов нового поколения" участвовал в "6-м Региональном смотре-конкурсе инновационных проектов по программе «Участник молодежного научно-инновационного копкурса-2012» («УМНИК-2012»)» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере при Правительстве Пензенской области(22.11.2012-23.11.2012).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

- VIII Международная научно-техническая конференция «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» ПГУАС, 2008;

- Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, Пенза, ПГУАС, 2009;

XII Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», Пенза: РИО ПГСХА, 2010;

- Международная научно-техническая конференция « Композитные строительные материалы. Теория и практика», Пенза: ПДНТП, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научно-технических статей (из них 5 работ в изданиях по перечню ВАК).

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 26 таблиц, библиографический список содержит 145 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Теоретические и практические аспекты получения цементных

бетонов

Снижение расхода цемента - наиболее дорого, энерго- и ресурсоемкого компонента бетона оставалось одной из актуальных задач на протяжении полутора столетий развития его технологии. Стремление уменьшить расход цемента в бетонах и строительных растворах, было обусловлено не только экономическими причинами. Возможно, более важным фактором являлся дефицит цемента в строительстве, который был характерен для периода бурного промышленного, транспортного и жилищного строительства в прошлом и позапрошлом веках не только в нашей, по и во многих других странах.

В современных рыночных условиях, ко