автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Цементобетонные покрытия на основе отходов камнедробления

На правах рукописи

Хасиев Ахмет Абдуллаевич

ЦЕМЕНТОБЕТОННЫЕ ПОКРЬітаЯ НАОСНОВЕ ОТХОДОВ КАМНЕДРОБЛЕНИЯ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1? Мп!:! ¿Ш

Махачкала - 2013

005059689

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллиошцикова».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Муртазаев Санд-Альви Юсупович.

Официальные оппоненты:

Кокоев Мухаммед Нургалиевич — доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет», профессор кафедры строительного производства.

Мантуров Загир Абдулнасирович - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», доцент кафедры материаловедения и технологии конструкционных материалов.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия».

Защита состоится «18» мая 2013 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.052.03 при ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по адресу: 367015, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, 70, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальном сайте ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «15» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Х.Р. Зайнулабидова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из основных критериев уровня развития страны является состояние ее улично-дорожной сети. В настоящее время покрытия отечественных автомобильных дорог по совокупной эффективности эксплуатационных характеристик заметно отстают от мирового уровня. К тому же на многих дорогах интенсивность движения для данной категории дороги возросла почти в 3 раза в сравнении с нормативной нагрузкой, заложенной при их проектировании.

Наиболее перспективным решением данной проблемы, в соответствии с Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года, является строительство дорожных покрытий жесткого типа с использованием цементобетонных композитов, которое предполагает значительное увеличение объемов работ. Для этого дорожно-строительная отрасль должна обладать необходимой сырьевой базой для производства цементобетонов при устройстве таких покрытий.

Основными предпосылками для получения эффективных дорожных цементобетонов являются снижение водопотребности проектируемых составов, повышение активности вяжущего с одновременным сокращением его расхода, а также уменьшение стоимости получаемого бетона. Следовательно, наиболее целесообразным представляется применение особо жестких бетонных смесей с пониженным расходом цемента по сравнению с традиционными составами, широкое использование техногенных отходов и наполненных вяжущих веществ на их основе.

На территории Чеченской Республики накоплено десятки миллионов тонн отходов дробления горных пород и бетонного лома, а также мелкозернистые составы камнепиления, которые могут быть отнесены к категории техногенных крупно- и мелкозернистых песков, отличающихся от обычно применяемых полиминеральным и зерновым составами.

Эффективным направлением использования промышленных отходов для решения проблемы расширения сырьевой базы строительной индустрии является их комплексное использование с обеспечением требуемых для дорожных покрытий физических и эксплуатационных свойств. Рациональное использование техногенных продуктов, как известно, возможно только после их предварительной механической и механохимической обработки с учетом их химического и вещественного составов, а также предъявляемых к ним требований.

Используя современные технологии измельчения с применением суперпластификаторов и других модификаторов для получения бетонных композитов, можно рекомендовать эффективные способы производства строительных материалов и изделий на основе техногенного сырья в виде отходов камнедробления.

Таким образом, использование отходов камнедробления в качестве мелкого заполнителя и тонкомолотого наполнителя для получения цементобетонных покрытий, предназначенных для строительства автомобильных дорог, позволит обеспечить высокую плотность и качество

цементного камня и снизить себестоимость дорожных покрытий.

Степень изученности проблемы. Проведенный анализ источников отечественной и зарубежной литературы позволяет сделать вывод о том, что существующие способы устройства цеменгобетонных покрытий основаны на использовании традиционных бетонов, сырьевая база приготовления которых требует значительного расширения. Использование техногенного сырья для этой цели связано со значительными дополнительными трудовыми, материальными и энергетическими затратами, резко ограничивающими их применение в строительстве. Разработка альтернативных способов для их эффективного использования является актуальной задачей в области технологии получения композиционных материалов, в том числе предназначенных для цеменгобетонных покрытий, используемых при строительстве автомобильных дорог.

Цель и задачи диссертационного исследования Целью диссертационного исследования является разработка научно обоснованных способов получения цеменгобетонных покрытий на основе использования отходов камнедробления.

В соответствии с целью исследования в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

- обоснованы способы формирования структуры и свойств цеменгобетонных покрытий, используемых при строительстве автомобильных дорог,

- изучен механизм действия химических добавок на процессы структурообразования цеменгобетонных композитов, полученных с использованием отходов камнедробления;

- предложены рецептуры наполненных вяжущих с тонкомолотым наполнителем из отходов камнепиления, предназначенных для производства на их основе цеменгобетонных смесей для автомобильных дорог;

разработана рецептура цеменгобетонных композитов, получаемых с применением модифицированных необогащенных отсевов дробления бетонного лома и горных пород и наполненных вяжущих веществ;

- исследованы тепло- и массообменные процессы в твердеющих цеменгобетонных смесях, полученных на основе разработанных наполненных вяжущих;

- разработаны нормативные документы и ТЭО полученных результатов экспериментальных, теоретических исследований и опытно-промышленного внедрения.

Научная новизна диссертационного исследования. Установлен характер протекания процессов образования структуры при выдерживании жесткой бетонной смеси с использованием наполненных вяжущих веществ и отходов дробления бетонного лома и горных пород.

Показано, что при затворении водой наполненное вяжущее с наполнителем из отходов камнепиления, частично аморфизованное в процессе помола, ускоряет процесс образования клинкерных минералов, выступая подосновой при получении новообразований и способствуя связыванию Са(ОН)2 в

нерастворимые гидросиликаты кальция мелкокристаллической структуры с различной степенью основности.

Выявлен характер распределения пор по размерам цементного камня наполненных вяжущих на основе отходов камнепиления. Кривая гранулометрического состава частиц наполненного вяжущего на отходах камнепиления носит более прерывистый характер за счет полиминерального состава, интенсифицирующего помол, что оказывает положительное влияние на формирование микроструктуры цементного камня вследствие более плотной пространственной укладки частиц и, следовательно, получения более прочного цементного камня.

Выявлено влияние модифицированного мелкого заполнителя из отсевов дробления бетонного лома и горных пород и микронаполнителей на структурообразование и основные физико-механические свойства прессованных бетонов для строительства цеменгобетонных покрытий.

Теоретическая значимость диссертационной работы обоснована тем, что:

- предложены принципы улучшения технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств цементобетонных композитов для устройства покрытий автомобильных дорог путем использования наполненных вяжущих веществ и отходов камнедробления;

- развита теория гидратации и твердения клинкерных минералов с наполнителями различной природы, в частности, отходов камнеобработки, а также раскрыты основные положения теории структурообразования многокомпонентных композиционных материалов;

- изложены основные положения, касающиеся повышения энергоэффективности технологии производства цементобетонных композитов для устройства покрытий автомобильных дорог с использованием отходов камнедробления и камнеобработки;

- раскрыты механизмы снижения размера пор цементного камня и повышения их однородности за счет введения суперпластификатора и мельчайших частиц отходов камнепиления;

- изучено влияние состава наполненных вяжущих из отходов камнепиления на эксплуатационные характеристики цеменгобетонных покрытий;

- применительно к проблематике диссертации эффективно использованы методы математического планирования эксперимента со статистической обработкой результатов и стандартные методы испытания.

Теоретические выводы, сделанные в результате исследования, могут быть использованы в преподавании следующих учебных курсов: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», «Добавки в бетон», «Строительные материалы и изделия», «Технология вяжущих веществ», «Строительные композитные материалы» и др.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что:

- расширена сырьевая база для производства цементобетона, предназначенного для строительства цементобетонных дорожных покрытий, за

б

счет использования заполнителя из отсевов дробления горных пород и бетонного лома и тонкомолотого наполнителя из отходов камнепиления;

- разработаны рациональные рецептуры наполненных вяжущих с тонкомолотым наполнителем из отходов камнепиления и цементобетонных композитов на их основе с применением модифицированных необогащенных отсевов дробления бетонного лома и горных пород;

- предложена технология модифицирования поверхности заполнителя из отходов дробления горных пород и бетонного лома и установлена эффективная дозировка- химической добавки для его обработки, позволяющая получить значительный водоредуцирующий и цеменгосберегакхций эффект.

Методы исследования базируются на известных положениях теории твердения клинкерных минералов с наполнителями различного состава, в частности, отходов камнедробления и камнеобработки, математической логики, технологии композиционных материалов, теории автоматизации и управления технологическими процессами и производствами. Исследования проводились с учетом государственных стандартов и рекомендаций.

Основные положения, выносимые на защиту:

-результаты исследований гранулометрического, химического и минерального составов отходов камнепиления, а также наполненных вяжущих веществ на их основе;

-анализ результатов по механохимической активации наполненных вяжущих для цементобетонных покрытий с использованием отходов камнепиления;

- свойства смесей для цеменгобетонных покрытий на основе наполненных вяжущих веществ и отходов камнедробления;

-оптимальные составы мелкозернистых цементобетонов для строительства дорожных покрытий;

- результаты апробации.

Внедрение результатов работы. Полученные результаты были апробированы в промышленных условиях на предприятиях ГУП «Стройматериалы и стройиндустрия» Министерства автомобильных дорог Чеченской Республики при строительстве опытного участка автомобильной дороги IV категории протяженностью 1000 м по ул. Плановая г. Грозный.

Для внедрения результатов работы при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие технические документы:

- технологический регламент на производство цементобетонных покрытий на основе использования наполненных вяжущих веществ и модифицированного заполнителя из отходов дробления;

- рекомендации по изготовлению цементобетонных композитов с использованием вторичного сырья;

- стандарт предприятия на производство наполненных вяжущих веществ для строительства цеменгобетонных покрытий с заполнителем и наполнителем из техногенного сырья.

Результаты работы использовались при реализации федеральных целевых программ: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики на 2008-2011 годы». В результате этого получены эффекты как экологического и экономического, так и социального содержания.

Основные положения диссертационного исследования, подтвержденные результатами промышленного внедрения, включены в содержание учебно-методических материалов при подготовке специалистов, бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Строительство».

Достоверность полученных результатов диссертационных исследований подтверждается применением:

- апробированных методов экспериментальных исследований;

- поверенного оборудования и математического аппарата планирования эксперимента;

- современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных.

Апробация результатов исследования. Наиболее значимые результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждались на:

1. Всероссийской научно-практической конференции «Наука и образование в Чеченской Республике: состояние перспективы развития», посвященной 10-летию со дня основания Комплексного научно-исследовательского института Российской академии наук (КНИИ РАН), г. Грозный, 2011 г.;

2. 15-м Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед - 2012», г. Москва, 2012 г.;

3. II международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в производстве, науке и образовании», г. Грозный, 2012 г.;

4. Всероссийской научно-технической конференции «Качество строительных материалов, изделий и конструкций», г. Махачкала, 2012 г.;

5. Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы геологии, географии и геоэкологии», посвященной 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского, г. Грозный, 2013 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ, из них 2 - в изданиях, определенных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 184 страницах машинописного текста, содержащих 35 таблиц, 40 рисунков и структурно представлена введением, пятью главами, общими выводами, списком литературы из 186 наименований и 4 приложениями.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы, рабочая гипотеза, цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость обоснованы и представлены во введении.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса с целью обоснования направления дальнейших исследований. Изучен мировой опыт применения отходов дробления горных пород, бетонного лома и камнепиления в технологии строительных композиционных материалов. Приведён анализ отечественного и зарубежного опыта применения цементобетонных покрытий автомобильных дорог. Рассмотрены основные тенденции в конструировании дорожных одежд с цементобетонными покрытиями. Проведен анализ опыта использования различных добавок в цементобетонах для дорожных покрытий.

Для обоснования рабочей гипотезы о возможности производства цементобетонных покрытий с улучшенными эксплуатационными свойствами с использованием техногенного сырья и отходов камнедробления изучен и проанализирован опыт ведущих научных школ В.И. Соломатова, Ю.М. Баженова, П.Г. Комохова, ДМ Роя, Г.Р. Гоуда и других российских и зарубежных ученых.

По исследованиям многих ученых причина недостаточного использования техногенного сырья и отсевов камнедробления в технологии композиционных материалов связана, в первую очередь, с повышенным содержанием мелкодисперсных частиц менее 0,16 мм, достигающих в их составах 15-30 % и способствующих к увеличению водопотребности смеси, суммарной поверхности заполнителя и ухудшению их сцепления с цементом.

Однако отдельными учеными сформулированы теоретические основы влияния тонкомолотых наполнителей'на цементную матрицу, утверждая, что пылевидные частицы отсевов, играя роль мелкодисперсных минеральных включений, оказывают положительное влияние на свойства цементного камня. При этом основными физико-химическими процессами структурообразования бетона являются: повышение энергии на поверхности тонкодисперсных частиц и использование этой энергии при протекании реакций гидратации; образование дополнительных кристаллизационных центров; полная кристаллизация клинкерного вяжущего вещества. В то же время установлено, что введение в цементную пасту мелкодисперсных частиц в качестве наполнителей приводит к заметному повышению водопотребности самих паст.

Согласно основным положениям структурной теории Ю.М. Баженова для бетонов, полученных на основе использования продуктов техногенного происхождения, одним из факторов, определяющих их свойства, является водотвердое отношение, в котором вода представлена в виде суммы водопотребностей пылевидной, песчаной и щебеночной фракций заполнителя и количества воды, необходимого согласно нормальной густоте вяжущего.

Структурно-механические и реологические свойства дисперсных систем зависят от целого ряда факторов: размера и формы частиц самой структуры, объемного содержания воды, толщины пленок и водоудерживаюшей способности дисперсных частиц, их смачиваемости и др.

Отходы камнедробления в значительной степени содержат тонкодисперсные частицы с удельной поверхностью 130-150 м2/кг, которая обладает неодинаковой сорбцией по отношению к влаге из-за химического и минералогического составов сырья, из которого образован отсев.

В научных трудах Б. Г. Печеного отмечено, что использование пылевидной фракции в бетонах снижает прочность контактной зоны между заполнителем и цементным камнем за счет низких адгезионных связей между ними. В то же время Ю.М Баженовым и А.Е. Шишкиным проведены исследования, доказавшие, что частицы пыли не оказывают влияния на прочность бетона, если они механически не связаны с поверхностью заполнителя, а при введении соответствующих химических добавок даже повышают её.

К тому же, использование промышленных отходов будет обеспечивать производственные предприятия источником дешевого и частично подготовленного сырья, способствовать экономии средств, предназначенных для строительства добывающих и перерабатывающих предприятий, и повышению показателей их рентабельности, а также понижению уровня загрязнения окружающей среды и получению значительных площадей сельхозугодий. Обеспечение степени повышения использования промышленных отходов рассматривается как важнейшая задача государственного значения.

Следовательно, для широкого внедрения в производство бетонных композитов, полученных с использованием техногенного сырья, необходимо исследовать его влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства цементобетонных покрытий. Это позволит разработать на его основе рациональные пути проектирования составов цементобетонных смесей с применением химических добавок и различных способов активации минералов цементного клинкера и заполнителя бетона.

В результате литературного обзора поставлены цель и основные задачи диссертационного исследования.

Во второй главе рассмотрены методики проведения исследований и основные свойства сырьевых материалов. Представлена информация о химическом и минералогическом составе, дисперсности и влажности материалов, используемых в работе в качестве минеральных вяжущих и заполнителей.

В качестве исходных материалов для получения цементобетонных композитов в работе использовались: портландцемент (ПЦ) ЦЕМ142,5 Н производства ФГУП «Чири-Юртовский цементный завод», соответствующий ГОСТ 31108-2003; химические добавки - «Био-НМ» и «АДМАХ», соответствующие ТУ 58 7000-001-58690085-03 и ТУ 2482-008-04706205-2004 соответственно, а также наполненные вяжущие вещества, полученные совместным помолом ПЦ ЦЕМ I 42,5 Н, наполнителя из отходов камнепиления и активной минеральной добавки «Био-НМ». В качестве мелкого заполнителя в исследованиях использовались отсевы камнедробления Аргунского карьера Чеченской Республики (карьер Аргунского комбината стройматериалов).

Для определения прочности цементобетонных композитов использовались известные разрушающие способы и методы неразрушающего контроля. Для

определения морозостойкости использовался дилатометрический метод его ускоренного определения с помощью прибора «БЕТОН-ФРОСТ». Совместное измельчение наполнителя, портландцемента и ПАВ производилось в роликовой мельнице MJIP-15, имеющей объем загрузки 5 кг. Тонкость помола порошков определялась прибором Товарова Т-3, применяемым для определения удельной поверхности мелкодисперсных частиц методом воздухопроницаемости.

Макро- и микроструктура бетонных композитов и химический состав исходного сырья изучались с помощью дисперсионно-энергетического спектрометра (ДЭС) растрового электронного микроскопа Quanta 3D 200i с интегрированной системой микроанализа GenesisApex 2 EDS от EDAX. Обработка спектров производилась при помощи программного обеспечения EDAXTEAM В работе применялись математические методы планирования эксперимента с системой их статистической обработки, а также стандартные методики исследования предлагаемых вяжущих веществ и бетонов на их основе.

Экспериментальные исследования проводились в учебно-научной лаборатории строительного факультета и научно-исследовательском центре коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы» (НИЦКП НИМ) Грозненского государственного нефтяного технического университета имени академика М.Д. Миллионщикова.

В третьей главе обоснована возможность изготовления цеменгобетонных композитов на основе вторичного сырья из отходов камнедробления. Исследовано влияние вида и зернового состава заполнителя на свойства цементобетона. Изучено влияние наполнителя из отходов камнепиления на процессы структурообразования и физико-механические свойства затвердевшего композита.

На первом этапе работы были исследованы отсевы дробления бетонного лома и горных пород и их влияние на физико-механические свойства цементобетонных композитов.

Результаты ситового анализа показали зависимость между количественным содержанием щебеночной фракции в составе отсевов и прочностью исходного сырья, из которого образован данный отсев. Было установлено, чем выше прочность щебня (марка по дробимости), тем больше содержание в отсеве дробления щебеночной фракции.

Известно, что прочность бетонов в значительной степени зависит от прочности его заполнителя и характера границы раздела цементного камня и заполнителя, которая в свою очередь существенно зависит от вида применяемого заполнителя.

Важной отличительной чертой отсева дробления бетонного лома является частичная или сплошная оболочка на поверхности его зерен из цементного камня дробимого бетона, которая обладает определенной пористостью, приводящей к повышенному водопоглощению такого заполнителя. Заполнитель, характеризующийся повышенной водопотребностью и водопоглощением, будет оказывать своеобразное влияние на процессы структурообразования цеменгобетонного композита. Вследствие перераспределения воды между

твердой, жидкой и газообразной фазами меняются и реологические свойства смеси. В связи с этим исследовались особенности формирования структуры и контактная зона цеменгобетонных композитов на отсевах дробления бетонного лома, которые показали, что заполнитель из бетонного лома, имеющий частичную или сплошную цементную оболочку, активно влияет на процесс формирования структурных характеристик цементного камня и плотной контактной зоны между ними.

Однако, отрицательный заряд поверхности зерен заполнителя требует применения поверхностно-активных веществ катионактивного характера, которые способны эффективнее увеличивать адгезию на границе раздела «цементная матрица - заполнитель». Следовательно, важным показателем ПАВ становится их электрокинетическая активность и, другой, не менее важной характеристикой - наиболее рациональное их содержание в цементобетонном композите, способствующей значительному увеличению прочностных показателей.

Исследованиями влияния модифицированного катионактивной добавкой АДМАХ заполнителя на процессы структурообразования и свойства прессованного мелкозернистого бетона установлено, что при обработке заполнителя ПАВ катионактивного характера наблюдается избирательно-ориентированная адсорбция его макромолекул. При этом полярная концевая группа молекул имеет положительный заряд, и поэтому в различных средах (нейтральном или щелочном) она притягивается отрицательно заряженной поверхностью кремнезема. Одновременно гидрофобные углеводородные цепи молекул стремятся освободиться от жидкой фазы и присоединиться друг к другу, образовывая в исследуемой среде адсорбционный монослой, в результате чего поверхность становится гидрофобной. Именно эти процессы адсорбции обеспечивают повышенное смачивание и лучшее проникание цементной суспензии в микрорельеф зерен заполнителя, создавая при этом наиболее выгодные условия для формирования адгезионного контакта повышенной прочности. Установлено, что использование модифицированного АДМАХ заполнителя улучшает уплотняемость формовочных смесей, изменяет характер открытой пористости и повышает прочностные характеристики бетона (таблица!).

Таблица 1 - Влияние катионактивной добавки на свойства прессованіл>іх _цементобетонов_

Наименование добавки в бетоне, % содержания Распалубоч-ная прочность, МПа Коэф. уплотнения, купл Средняя плотность, кг/м3 Водопо-глошение по массе, % Прочность на сжатие Ясж, МПа Открытая пористость, %

АДМАХ 0,1% 0,96 1,77 2312 2,51 55,8 7,6

Без добавки 0,84 1,71 2283 4,23 42,9 11,2

Кроме того, образование четного числа слоев модификатора на поверхности зерен заполнителя, как правило, не приводит к достижению желаемых результатов, потому что при этом не наблюдается существенный прирост прочности на сжатие Ясж- Максимальный положительный эффект наблюдается при введении ПАВ на поверхность зерен заполнителя нечетным количеством слоев, а конкретно в исследованиях в рамках настоящей работы -пятью слоями (таблица 2).

Таблица 2 - Основные свойства и прочность прессованного цементобетона в

зависимости от вида поверхностной обработки

№ п/п Кол-во монослоев АДМАХ на поверхности заполнителя Концентрация АДМАХ, % Водопот- ребность, % В/Ц при одинаковых параметрах удобоукла-дываемости Прочность на сжатие Ясж, МПа

7 сут. 28 сут.

1 - 10"2, затворе ние водой 4,4 0,32 25,4 45,8

2 8 1-Ю'1 4,1 0,30 22,1 32,2

3 7 7-Ю"2 4,0 0,30 25,2 42,9

4 6 5-Ю"2 3,8 0,29 25,6 43,7

5 5 МО"2 3,5 0,27 29,1 49,8

6 4 510-3 4,2 0,29 25,7 44,1

7 3 310"3 4,5 0,30 25,1 45,8

8 2 МО-3 5.2 0,32 22,8 40,1

9 1 6-ю-4 5,2 0,33 21,7 37,9

10 - - 5.2 0,34 21,3 37,4

Вероятно, эти внешние слои АДМАХ могут десорбироваться с поверхности зерен заполнителя в бетонной смеси в результате адсорбционного равновесия в ней и оказывать положительное влияние на твердение композита. Такое предположение подтверждают также данные дифференциально-термического и рентгенофазового анализов.

Изучение структуры прессованного мелкозернистого бетона с использованием заполнителя, поверхностно обработанного катионактивной добавкой АДМАХ, производилось методом рентгенографического анализа и растровой электронной микроскопии (рисунок 1, 2). Было установлено, что использование модифицированного заполнителя в процессе гидратации клинкерных минералов способствует синтезу мелкокристаллических новообразований низкоосновных гидросиликатов кальция.

Исследования рентгенофазового анализа показали, что микроструктура цементного камня в 28-суточном возрасте (рисунок 2, а, увеличение х5000) образцов без добавок представлена рыхлой матрицей, отсутствуют новообразования с выраженным габитусом кристаллов. Микроструктура образцов на основе модифицированного заполнителя (рисунок 2, б) преимущественно

представлена в том же возрасте плотной массой и мелкозернистой фазой, а кристаллогидрат, который является основным элементом микроструктуры, — игольчатой формой. В таких структурах в большей степени преобладают кристаллы волокнистой, игольчатой и призматической форм. Наблюдается образование однородной структуры за счет эффективного прорастания гидросиликатов по всей матрице твердеющей системы композита. Цементный камень, полученный на основе модифицированного мелкого заполнителя, характеризуется значительно меньшей пористостью и слитной структурой. Гидросиликаты кальция в таких системах представлены в виде мелких разветвленных иглообразных кристаллических образований, что способствует формированию дендритообразной непрерывной высокопрочной структуры.

Рисунок 1 - Рентгенограммы контактных зон цементного камня на основе модифицированного (1) и обычного заполнителей (2)

Структурные частицы (чешуйки и пластинки) низкоосновного гидросиликата кальция проникают в пространство между частичками вяжущего, что обеспечивает повышение прочности

твердеющей коллоидной

Рисунок 2 - Микрофотографии контактной системы-

зоны обычного (а) и модифициро- У бездобавочных образцов

ванного (б) -заполнителя и цементного ннтевиДнЬ1е и столбчатые камня (увеличение *5000) кристаллы заполняют пустоты

цементного камня, однако такие агрегаты не соединяются со стенками пор. Таким образом, из-за слабого коотакта между ними не наблюдается повышение его прочностных свойств.

Следовательно, использование заполнителя, модифицированного катионактивной добавкой АДМАХ, оказывает положительное влияние на

структурообраэование композита, улучшая при этом его физико-механические и эксплуатационные показатели.

Кроме того, одним из примеров развития новых высокоэффективных технологий получения многокомпонентных составов для строительства цеменгобетонных покрытий является механохимическая активация вяжущих веществ, которая позволяет синергетически усилить свойства компонентов самого наполненного комплексного вяжущего: прочность цемента увеличивается на 2-3 марки, а пластифицирующий эффект органического компонента и модифицирующей добавки возрастает примерно в два раза. Поэтому в работе для получения эффективных составов, предназначенных для цеменгобетонных покрытий с улучшенными свойствами, поставлена задача -разработать рецептуру цеменгобетонных смесей с использованием вторичного сырья для дорожного строительства.

Таким образом, получены наполненные вяжущие (НВ) с наполнителем из отходов камнепиления (таблицаЗ). В качестве вяжущего при их получении использовали ПЦ ЦЕМI 42,5 Н.

Таблица 3 - Рецептура наполненных вяжущих на основе отходов _камнепиления_,_

Вид наполненного вяжущего вещества Кол-во цемента, % Кол-во наполнителя, % Кол-во добавки «Био-НМ», %(от массы HB) Удельная поверхность HB, м2/кг Прочность при сжатии^ МПа

НВ85 85 15 2 558 75.3

НВ70 70 30 2 578 69,8

НВ55 55 45 2 599 45,2

Общеизвестно, что удельная поверхность связующего материала и величина площади поверхности раздела фаз в процессе твердения вяжущих веществ влияет на характер зародышеобразования и кристаллизации новой фазы. Кристаллическая составляющая при этом увеличивается во времени, а гелевая - уменьшается. Соотношение во времени между этими двумя составляющими цементного камня в основном будет зависеть от марки вяжущего и тонкости помола. Поэтому рост твердой кристаллической части произойдет тем быстрее, чем тоньше помол вяжущего вещества. Это доказывается еще и тем, что концентрация дефектов на поверхности частиц вяжущего вещества растет экспоненциально с уменьшением размера кристалла. Таким образом, скорость гидратации тончайших частиц вяжущего зависит не только от их высокой удельной поверхности, но и от более высокой концентрации дефектов на их поверхности. Следовательно, одной из важнейших характеристик вяжущего является значение площади удельной поверхности, определяемое его гранулометрическим составом. Изучение последнего показало, что гранулометрия существенно влияет на значения водопотребности, скорости нарастания прочности, активности вяжущих, расширяет представления о внутренней составляющей мелкодисперсной системы.

Генезис и исходные свойства применяемого наполнителя существенно влияют на эффективность вяжущего вещества на его основе.

Основной предпосылкой получения качественных бетонов, как известно, является снижение В/Ц бетонной смеси и повышение реакционной способности вяжущего. Наиболее актуальным направлением, с этой точки зрения, считается использование наполненных вяжущих с тонкостью помола до 600 м2/кг. Такие подходы при проектировании рецептуры позволяют получать композиты с высокой плотностью и повышать качество цементного камня за счет повышения степени гидратации цемента совместно с наполнителем и обеспечить необходимый запас непрогидратированных частиц цемента для замоноличивания дефектов, возникающихся под действием различных внешних факторов.

Результаты сравнительного анализа гранулометрических составов предлагаемых наполненных вяжущих НВ55 и НВ70 с тонкомолотым наполнителем из

отходов камнепиления с удельной поверхностью Буд = 549-599 м2/кг (рисунок 3, таблица 4) выявили существенное различие в их гранулометрии. Большее содержание количества мелких фракций наблюдается у наполненного вяжущего марки НВ55 (интервал от 2,21 до 20,2 мкм, см. рисунок 3), что объясняется механизмом разрушения агрегатов частиц отходов и изначально более мелкодисперсным составом.

5 10 15 20 25 30 35 40 Номера фракций (см. таблица 4)

Рисунок 3 - Сравнение распределений частиц по размерам НВ70 и НВ55 на основе отходов камнепиления

Таблица 4 - Размеры частиц Ц мкм, относящихся к фракциям

№ фр. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

О, мкм 0,20- 0,25- 0,30- 0,36- 0,44- 0,49- 0,58- 0,75- 0,90- 1,03-

0,25 0,30 0,36 0,44 0,49 0,58 0,75 0,90 1,03 1,31

№ фр. 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Б, мкм 1,31- 1,50- 1,80- 2,21- 2,61- 3,22- 3,81- 4,53- 5,46- 6,54-

1,50 1,80 2,21 2,61 3,22 3,81 4,53 5,46 6,54 7,83

№ фр. 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Э, мкм 7,83- 9,42- 11,4- 14,1- 15,9- 20,2- 24,8- 28,2- 34,5- 41,5-

9,42 11,4 14,1 15,9 20,2 24,8 28,2 34,5 41,5 49,9

№ фр. 31 32 33 34 35 36 37 38_ 39 40

О, мкм 49,9- 58,9- 70,2- 84,6- 100- 125- 150- 175- 210 - 260-

58,9 70,2 84,6 100 125 150 175 210 260 300

У НВ55 количественное содержание более мелких фракций увеличивается в указанном интервале. Кривая просеивания НВ70 располагается в интервале более крупных фракций. Таким образом, содержание более мелких фракций в составе НВ55 больше, чем в НВ70. Такая разница в гранулометрии при одинаковой удельной поверхности частиц объясняется тем, что наличие наполнителя способствует более тонкому измельчению вяжущего.

Следовательно, необходимо не только увеличивать значение удельной поверхности вяжущих, но и стремиться обеспечить рациональный зерновой состав путем применения наполнителей различного происхождения. Кривая гранулометрического состава частиц наполненного вяжущего на отходах камнепиления характеризуется прерывистым характером из-за его полиминерального состава, способствующим ускорению помола. Последнее оказывает позитивное влияние на структурообразование цементного камня вследствие повышенной плотности объемной упаковки частиц и обеспечивает, таким образом, получение прочного и плотного цементобетонного композита.

Электронно-микроскопическими исследованиями установлен более плотный характер цементного камня образцов на НВ55 с удельной поверхностью 599 м2/кг (рисунок 4, б) в сравнении с цементным камнем обычного ПЦ (рисунок 4, а). Структура образцов на НВ55 представляет собой плотную упаковку клинкерных зерен в цементном камне, что объясняется наличием тончайших пленок воды между зернами и гарантированным образованием в стесненном объеме достаточного количества низкоосновных гидроРисунок 4 - Микрофотографии силикатов кальция. Отмечается цементного камня на ПЦ (а, в - избирательное точечное распреде-увеличение в 5000 раз) и вяжущем ление ПАВ на зернах цемента НВ55 (б, г-увеличение 10000 раз) (РИ(=Унок 4, г). Поэтому расход

добавки «Био-НМ» при получении наполненного вяжущего составляет небольшую долю от суммарной поверхности зерен цемента.

Среди факторов, влияющих на структурообразование и свойства как свежеуплотненных смесей, так и затвердевших бетонов, можно выделить основные: водосодержание, давление прессования, расход вяжущего, условия приготовления и последующего твердения композита. Влияние содержания воды в формуемых смесях на свойства бетонов изучалось на образцах, полученных с использованием заполнителя из отсева дробления Аргунского месторождения и НВ70. Прессование образцов осуществлялось при давлении около 30 МПа, которые были испытаны в возрасте 28 суток (таблица 5).

Таблица 5 - Свойства цементобетонов в зависимости от начального

водосодержания в формовочной смеси

№ п. п. Водосодержание начальное, % от массы сухих компонентов Коэффициент уплотнения, КуПЛ Средняя плотность бетонной смеси, кг/м3 Средняя плотность цементобетона, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа

1 5,5 1,52 2302 2276 51,1

2 6,5 1,73 2328 2294 56,0

3 7,5 1,81 2316 2288 55,1

4 8,5 1,84 2294 2264 52,0

5 9,5 1,87 2272 2252 50,7

Проведенными исследованиями доказано, что наибольшая прочность имеют бетоны, приготовленные из формовочных смесей с водосодержанием 6,5 % (рисунок 5), поэтому, в последующем исследовались формовочные смеси именно с таким начальным содержанием воды.

Изучение влияния расхода вяжущего и давления прессования на свойства исследуемых цементобетонов (рисунок 6) проводилось с использованием формовочных смесей на отсевах дробления щебня Аргунского карьера с расходом вяжущего 20-35 % от массы приготавливаемой смеси и начальным водосодержанием смеси 6,5 %. Образцы формовались в интервале давления 2050 МПа, а затем хранились в нормальных условиях в течение 28 суток.

н 44-46 ы 46-48 и 48-50 я 50-52 в 52-54 и 54-56 и 56-58 и 58-60

5.5

6.5

7.5

Видооодйржащіе. "" К.5

и 42-44 И 44-46 а 50-52 и 52-54

И 48-30

^ 46-48

а З4-5С

Рисунок 5 - Зависимость прочности прессованного цементобетона от начального водосодержания и давления прессования

Рисунок 6 - Зависимость прочности прессованного

цементобетона от расхода вяжущего вещества

Повышение расхода цемента способствует увеличению физико-механических характеристик затвердевших композитов. В то же время увеличение расхода цемента на 25 % и более не приводит к ощутимому приросту прочности бетонов (таблица 6).

Таблица 6 - Влияние содержания вяжущего в формовочной смеси на свойства цеменгобетонных композитов _

№ п. п. Относительное содержание вяжущего в формовочной смеси, % Средняя плотность бетонной смеси, кг/м3 Средняя плотность цементобетона, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа

1 20 2232 2223 50,2

2 25 2323 2294 56,0

3 30 2345 2312 57,6

4 35 2354 2325 59,2

Увеличение давления прессования свыше 30 МПа оказывает незначительное влияние на свойства как свежеуплотненных, так и затвердевших композитов (таблица 7), поэтому в дальнейших исследованиях было принято давление прессования 30 МПа как наиболее эффективное (рисунки 5-7).

Таблица 7 - Влияние давления прессования на свойства цементобетонов

№ п. п. Давление прессования, МПа Коэффициент уплотнения Средняя плотность бетонной смеси, кг/м3 Средняя плотность цементобетона, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа

1 20 1,56 2245 2215 48,9

2 30 1,77 2330 2294 56,0

3 40 1,82 2350 2320 57,0

4 50 1,83 2360 2325 53,2

Изучение влияния условий выдерживания цеменгобетонных покрытий на их основные свойства показало, что и тепловлажностная обработка в пропарочных камерах и твердение в естественных условиях окружающей среды обеспечивают требуемые параметры прессованного цементобетона (таблица 8).

Учитывая существенное влияние условий выдерживания цеменгобетонных покрытий на формирование его структуры и свойств, были проведены экспериментальные исследования по изучению зависимости интенсивности влагопотерь свежеотформованной бетонной смеси от вида вяжущего вещества и степени наполнения его тонкомолотыми отходами камнепиления.

Применялись составы цементобетонных композитов на наполненном вяжущем веществе и, в качестве эталона, мелкозернистый бетон на ПЦ ЦЕМ I 42,5 Н.

Результаты исследований показали, что относительные влагопотери эталонного образца выше, чем у исследуемых составов, что свидетельствуют о том, что наполнитель из отходов камнеобработки в составе цементобетонной смеси активно влияет на процесс-сы структурообраэования бетона, отдавая поглощенную им воду для протекания процесса гидратации

цемента на более поздних стадиях (рисунок 8).

Таблица 8 - Влияние условий твердения на свойства прессованного _цементобетона_ _

№ п. а Условия твердения бетона Свойства Ед. изм. Значение показателя

1 2 3 4 5

1 Тепловая обработка в пропарочной камере Средняя плотность кг/м3 2291

Предел прочности при сжатии МПа 53,6

Водопоглощение, по массе % 4,2

2 Твердение в нормальных условиях Средняя плотность кг/м3 2294

Предел прочности при сжатии МПа 56,0

Водопоглоще ние, по массе % 3,6

В четвертой главе приведены результаты исследования физико-механических и эксплуатационных свойств цементобетонов, получаемых с использованием модифицированного заполнителя и наполненного вяжущего, предназначенных для строительства покрытий автомобильных дорог.

Для прогнозирования прочности цементобетонов с использованием модифицированного заполнителя и применения тонкомолотого микронаполнителя из отходов камнепиления проводились исследования с использование аппарата математического планирования эксперимента. В качестве переменных были выбраны: водовяжущее отношение В/В - от 0,20 до 0,40 (X,); вид наполненного вяжущего (Х2) и соотношение между количеством

25 30

Расход вяжущего, %

Рисунок 7 - Зависимость плотности прессованного цементобетона от давления прессования и расхода вяжущего

отсева дробления (ОД) и наполненным вяжущим в бетоне (ОД:В) от 2:1 до 4:1 (Х3).

В результате статистической обработки полученных данных выявлены оптимальные дозировки компонентов и получены математические модели для цементобетонов, предназначенных для строительства покрытий автомобильных дорой

^ = 49,7 -\,ЗХ{ + 7,6Х2 - 5,0Х3 - 4,ЗХ,2 + 0.1Х2 -10,7Х2 -- 1,4Х1Х2 + 5,9Х{Х3 - 6,0Х2Х3 (1}

Полученные таким образом составы смесей и результаты испытаний

бетонов в возрасте 28 суток представлены в таблице 9. Для исследуемых составов бетонов с расходом вяжущего 435 - 585 кгУм3 без добавок прочность на сжатие в возрасте 28 суток изменяется в пределах 34,2 - 42,3 МПа. Аналогичные составы с применением заполнителя, модифицированного АДМАХ, имеют прочность на сжатие 46,6 - 61,4 МПа и призменную прочность - 40,8 -54,0 МПа.

Таким образом, использорание заполнителя, обработанного катионактивной добавкой АДМАХ, в предложенных эффективных составах позволяет повысить прочность на сжатие и призменную прочность примерно на 2030%. Также увеличиваются значения величин статического и динамического модулей упругости.

Так как к бетонам для дорожного строительства предъявляются повышенные требования по морозостойкости, водонепроницаемости и истираемости, в работе были проведены исследования, направленные на создание направленных структур цементобетона с использованием поверхностно-активных веществ и механоактивации наполнителя.

Поверхностно активные вещества, используемые для обработки заполнителя, как известно, адсорбируются на зернах заполнителя и гидратных соединений. Применительно к проведенным в рамках настоящей работы исследованиям добавка АДМАХ химически взаимодействует с гидратом окиси кальция цементного теста. В результате реакции образуется соответствующая кальциевая соль и выделяется молекулярный водород, который распределяется в виде мелких пузырьков в твердеющем цементном камне.

Испытания на морозостойкость образцов с использованием заполнителя, модифицированного АДМАХ, показали марку Р400 и выше, а у образцов прессованных, но без модификаторов — Р200.

г?

га

Цементобетон на ПЦ Цементобетон на НВ70

4 8 12 16 20 22

Время выдерживания, час

Рисунок 8 - Влагопотери цементобетонов в зависимости от вида вяжущего

Таблица 9 - Физико-механические и эксплуатационные свойства _ прессованных бетонов___1_

ее 03 Расход материалов на 1 м3 цементобетона Прочность цементобетона, МПа Модуль упругости, Е х103,МПа ©^ аГ 5 X В § « 3 8 § О с р

на сжатие и на изгиб к X ■ о 3 ь о Е

и ж о* Г-- Ш К ОД, кг т" £ цилиндр приз-менная X и <3 ж к | 03 о. X 0 <ц 1 динамиче кий и 0 с 1 03 8 § 0 о. 1 о. К

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 535 1610 165 - 373 32,4 22 3,8 30 47 32 200 0,47

2 545 1640 145 ОД 56,2 48,8 4Д 55 33 50 22 500 035

3 435 1740 155 - 34 2 28Д 2,0 32 26 46 4,6 200 0,48

4 445 1780 135 0,1 46,6 40,8 32 4,7 31 49 3,0 400 037

5 485 1695 160 - 36,5 322 2,1 42 30 43 42 200 0,49

6 495 1710 140 од 51,7 44,8 42 4,8 34 48 2,6 500 036

7 585 1590 175 - 423 37,8 3,4 4,8 31 45 3,6 200 0,46

8 600 1630 155 од 61,4 54,0 4,8 63 36 50 12 500 033

Использование модифицированного заполнителя, обработанного АДМАХ, снижает также открытую пористость бетонов, что уменьшает водопоглощение и повышает водостойкость композитов. Эксперименты по изучению фактической водонепроницаемости прессованных бетонов показало, что разработанные составы цементобетонов с использованием обработанного заполнителя АДМАХ выдерживают 1,4-2,0 МПа, в то время как у прессованных бетонов без модификаторов этот показатель составляет менее 1,2 МПа.

Такое влияние модифицированного заполнителя на водонепроницаемость бетона обусловлено тем, что повышается степень адгезии в контактной зоне «цементный камень-заполнитель», вступая в реакцию с клинкерными минералами, образовывает низкоосновные гидросиликаты кальция, что снижает показателей проницаемости бетонов.

Истираемость прессованных цементобетонов на основе модифицированных заполнителей, как показывают данные проведенных исследований, существенно ниже предельных значений для дорожных покрытий с интенсивным движением (не больше 0,5 г/см2). Модифицированный катионактивной добавкой заполнитель обеспечивает снижение истираемости бетона с 0,46 до 0,33 г/см2.

В пятой главе приведены результаты производственного внедрения и результаты оценки технико-экономической эффективности применения разработанной технологии получения мелкозернистого цементобетона для строительства покрытий автомобильных дорог.

По результатам исследований диссертационной работы разработаны следующие нормативно-технические документы:

- стандарт организации на наполненные вяжущие вещества для цементобетонных покрытий с наполнителем и заполнителем из техногенного сырья;

- рекомендации по изготовлению бетонных композитов на основе отсевов камнедробления;

- технологический регламент на строительство цементобетонных покрытий на основе использования наполненных вяжущих веществ и модифицированного заполнителя из отходов дробления.

Опытно-производственное внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в рамках данной работы, осуществлялась на предприятиях ГУП «Стройматериалы и стройиндустрия» Министерства автомобильных дорог Чеченской Республики при строительстве цементобетонного покрытия автомобильной дороги IV категории протяженностью 1000 м по ул. Плановая г. Грозный.

Экономический эффект от внедрения разработок достигнут за счет применения отходов камнедробления, снижения расхода цемента в бетонных композитах путем его замены механоактивированным наполнителем и составляет 233,4 рублей на 1 м3 бетона.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны научно обоснованные способы получения цементобетонных композитов с использованием наполненных вяжущих и модифицированных отсевов дробления горных пород и бетонного лома, позволяющие улучшить их физико-механические и эксплуатационные свойства.

2. Изучен механизм влияния химических добавок на основные свойства мелкозернистых цементобетонных смесей и бетонов, полученных из модифицированных отсевов дробления горных пород и бетонного лома. Введение в состав бетонной смеси химических добавок снижает начальное водосодержание на 20-30 % и увеличивает прочность цементобетона в возрасте 28суток до 30 %, улучшает показатели морозостойкости, истираемости и водонепроницаемости, сокращая при этом расход цемента до 20-30 %.

3. Разработана рецептура наполненных вяжущих веществ с удельной поверхностью 549-599 м2/кг с наполнителем из отходов камнепиления и изучены свойства цементобетонных композитов на их основе. Активность цемента после механической активации возрастает в 1,5-2 раза с одновременным снижением водопотребности до 30 %. Бетоны на основе наполненных вяжущих отличаются повышенной плотностью, прочностью, меньшим радиусом пор, а, следовательно, повышенной стойкостью и водонепроницаемостью и более длительным до 3-6 ч периодом формирования структуры по сравнению с бетонами на портландцементе.

4. Исследование контактной зоны заполнителя и цементного камня показало, что прочность сцепления заполнителя из отсева дробления бетонного

лома с цементным камнем значительно выше, чем прочность самого заполнителя, что свидетельствует об активном влиянии такого заполнителя на формирование как структурных характеристик цементного камня, так и плотной контактной зоны между ними.

5. Исследованиями влияния основных рецептурно-технологических факторов на свойства прессованных мелкозернистых цементобетонов установлено, что при рациональном начальном водосодержании бетонных смесей 6,0-6,5 % от массы компонентов снижение эффективности влияния расхода вяжущего наблюдается после 25 % увеличения его содержания в бетонной смеси. Повышение значения давления прессования более 30 МПа не эффективно и нецелесообразно.

6. Исследованиями физико-механических и деформационных характеристик прессованных цементобетонов с использованием модифицированного катионактивной ПАВ заполнителя установлено, что добавка АДМАХ приводит к увеличению коэффициента интенсивности напряжений на 20-40 %, повышает морозостойкость (F400 и выше) и значительно снижает истираемость дорожных покрытий (до 0,33-0,37 гУсм2).

7. Разработаны стандарт предприятия и технологический регламент на производство цеменгобетонных композитов с заполнителем из модифицированных необогащенных отсевов дробления и с применением наполненных вяжущих, которые приняты для применения при производственном внедрении полученных результатов предприятиями ГУП «Стройматериалы и стройиндустрия» Министерства автомобильных дорог Чеченской Республики.

Экономическая эффективность от применения цементобетонной смеси на основе отходов камнедробления и камнепиления в качестве заполнителя и наполнителя для строительства покрытий дорог IV категории шириной 6 м составляет до 10%, что соответствует около 252 тыс. руб/км строящейся дороги.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

I) статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:

1. Хасиев A.A. Утилизация отсева дробления бетонного лома /С-А.Ю. Муртазаев, З.Х. Исмаилова, A.A. Хасиев, М.Р. Нахаев //Экология и промышленность России,- 2012 - Август. -С.26-28. (0,4 п.л. (авт. -0,1 п.л.)).

2. Хасиев A.A. Использование механоактивированных отсевов дробления бетонного лома в производстве бетонокомпозитов / С-А.Ю. Муртазаев, М.С. Сайдумов, М.А-В. Абдуллаев, A.A. Хасиев // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки.- 2011.- №3. -Том 22. -С. 136-140. (0,5 п.л. (авт. -0,1 п.л.)).

II) статьи, опубликованные в других научных журналах н изданиях:

3. Хасиев A.A. Утилизация отсевов дробления бетонного лома для производства бетонных композитов /С-А.Ю. Муртазаев, Д.К-С. Батаев, М.С. Сайдумов, A.A. Хасиев //Вестник Международной академии наук экологии, и безопасности жизнедеятельности. - 2012. - Том 17. - №2. - С.42-45. (0,4 п.л. (авт. -0,1 пл.)).

4. Хасиев A.A. Строительные растворы на основе техногенного сырья / С-А.Ю. Муртазаев, A.C. Успанова, Б.А. Салмурзаева, A.A. Хасиев //Наука и образование в Чеченской Республике: состояние и перспективы развития: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-ти летию со дня образования КНИИ РАН. - Грозный: КНИИ РАН, 2011,- С.184-187. (0,4 п.л. (авт.-0,1 п.л.)).

5. Хасиев A.A. Наполненные вяжущие вещества с использованием отходов камнепиления для цементобетонных покрытий / С-А.Ю. Муртазаев, И.А. Керимов, М.С. Сайдумов, A.A. Хасиев И Инновационные технологии в производстве, науке и образовании: сборник трудов II Международной научно-практической конференции, 19-21 октября 2012 г. - Махачкала: Риасофт, 2012. -4.2. -С.248-254. (0,4 п.л. (авт. -0,1 пл.)).

6. Хасиев A.A. Использование техногенного сырья для производства мелкозернистых цементобетонных дорожных покрытий жесткого типа / С-А.Ю. Муртазаев, М.С. Сайдумов, A.A. Хасиев // Современные проблемы геологии, географии и геоэкологии: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского, 25-28 марта2013 г.-Махачкала: АЛЕФ,2013.-С.304-306. (0,3 пл. (авт.-0,1 пл.)).

Подписано в печать 15.04.2013 г. Формат 60x84„16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии «Ореол» ИП Турова П.В. РД, г.Махачкала, пр.И.Шамиля, 43 (пристройка) тел.8988-64-909-44, 8928-250-99-15 е-таіі: polysnak@mail.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова»

На правах рукописи 04201357325 ^

ХАСИЕВ АХМЕТ АБДУЛЛАЕВИЧ

ЦЕМЕНТОБЕТОННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ

КАМНЕДРОБЛЕНИЯ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, \ профессор Муртазаев С-А. Ю.

Грозный 2013

Ь'

Содержание

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................... 13

1.1 Опыт использования техногенного сырья при производстве строительных композиционных материалов............................... 13

1.2 Бетоны для дорожного строительства...................................... 24

1.2.1 Использование добавок в бетонах для дорожных покрытий........ 35

1.2.2 Требования к материалам и бетонным смесям для цементобетонных покрытий.................................................... 40

1.3 Рабочая гипотеза................................................................ 45

Цель и задачи диссертационной работы.................................. 48

Глава 2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................. 49

2.1 Материалы и их свойства...................................................... 49

2.1.1 Минеральное вяжущее............................................................................................................49

2.1.2 Заполнитель........................................................................................................................................50

2.1.3 Наполнитель......................................................................................................................................51

2.1.4 Добавки химические..................................................................................................................52

2.1.5 Вода............................................................................................................................................................54

2.2 Методика проведения исследований..............................................................................54

Глава 3. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ БЕТОННЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ КАМНЕДРОБЛЕНИЯ.................................. 60

3.1 Влияние вида и зернового состава заполнителя на свойства цементобетона.................................................................... 60

3.2 Механохимическая активация наполненного вяжущего и его роль в формировании структуры цементобетона................................ 76

3.3 Рецептурно-технологические факторы и их влияние на структурообразование и свойства цементобетонного композита...... 93

3.4 Поверхностная модификация заполнителя катионактивной добавкой и изучение их влияния на процессы формирования структуры композита............................................................ 98

3.5 Тепло- и массообменные процессы в твердеющих бетонных смесях

на основе наполненных вяжущих........................................... 109

Выводы по третьей главе........................................................... 116

Глава 4. ЦЕМЕНТОБЕТОННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НАПОЛНЕННЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ.................................... 118

4.1 Рецептура цементобетонных покрытий автомобильных дорог....... 118

4.1.1 Требования к бетонным смесям и свойствам прессованного цементобетона для покрытий автомобильных дорог..................... 118

4.1.2 Определение рецептуры мелкозернистого цементобетона для покрытий автомобильных дорог............................................. 123

4.2 Физико-механические свойства цементобетонных композитов с использованием модифицированных заполнителей..................... 125

4.2.1 Прочность на сжатие и растяжение, модуль упругости.............. 127

4.2.2 Трещиностойкость бетона................................................... 132

4.3 Эксплуатационные свойства цементобетонных покрытий на основе использования техногенного сырья и отходов камнедробления.................................................................. 138

4.3.1 Морозостойкость............................................................................................................................138

4.3.2 Водостойкость..................................................................................................................................144

4.3.3 Водонепроницаемость..............................................................................................................148

4.3.4 Истираемость....................................................................................................................................151

Выводы по четвертой главе....................................................................................................152

Глава 5. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ............153

5.1 Рекомендации по изготовлению цементобетонных композитов с

использованием вторичного сырья....................................................................................153

5.1.1 Общие положения................................................................................................................153

5.1.2 Составы цементобетонных композитов..........................................................154

5.1.3 Технология получения цементобетонных композитов....................155

5.2 Внедрение результатов работы............................................................................................156

5.3 Экономическое обоснование эффективности производства цементобетонных композитов на основе нетрадиционного сырья... 159 5.3.1 Расчет экономии материальных затрат............................................................161

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ....................................................................................................................................165

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................167

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Копия стандарта организации........................................................186

Приложение Б. Копия технологического регламента........................................194

Приложение В. Копия справки о внедрении результатов

исследований..............................................................................................................................210

Приложение Г. Копия акта внедрения результатов исследований.... 211

Введение

Актуальность темы исследования. Одним из основных критериев уровня развития страны является состояние ее улично-дорожной сети. В настоящее время покрытия отечественных автомобильных дорог по совокупной эффективности эксплуатационных характеристик заметно отстают от мирового уровня. К тому же на многих дорогах интенсивность движения для данной категории дороги возросла почти в 3 раза в сравнении с нормативной нагрузкой, заложенной при их проектировании.

Наиболее перспективным решением данной проблемы, в соответствии с Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года, является строительство дорожных покрытий жесткого типа с использованием цементобетонных композитов, которое предполагает значительное увеличение объемов работ. Для этого дорожно-строительная отрасль должна обладать необходимой сырьевой базой для производства цементобетонов при устройстве таких покрытий.

Основными предпосылками для получения эффективных дорожных цементобетонов являются снижение водопотребности проектируемых составов, повышение активности вяжущего с одновременным сокращением его расхода, а также уменьшение стоимости получаемого бетона. Следовательно, наиболее целесообразным представляется применение особо жестких бетонных смесей с пониженным расходом цемента по сравнению с традиционными составами, широкое использование техногенных отходов и наполненных вяжущих веществ на их основе.

На территории Чеченской Республики накоплено десятки миллионов тонн отходов дробления горных пород и бетонного лома, а также мелкозернистые составы камнепиления, которые могут быть отнесены к категории техногенных крупно- и мелкозернистых песков, отличающихся от обычно применяемых полиминеральным и зерновым составами.

Эффективным направлением использования промышленных отходов для решения проблемы расширения сырьевой базы строительной индустрии является

их комплексное использование с обеспечением требуемых для дорожных покрытий физических и эксплуатационных свойств. Рациональное использование техногенных продуктов, как известно, возможно только после их предварительной механической и механохимической обработки с учетом их химического и вещественного составов, а также предъявляемых к ним требований.

Используя современные технологии измельчения с применением суперпластификаторов и других модификаторов для получения бетонных композитов, можно рекомендовать эффективные способы производства строительных материалов и изделий на основе техногенного сырья в виде отходов камнедробления.

Таким образом, использование отходов камнедробления в качестве мелкого заполнителя и тонкомолотого наполнителя для получения цементобетонных покрытий, предназначенных для строительства автомобильных дорог, позволит обеспечить высокую плотность и качество цементного камня и снизить себестоимость дорожных покрытий.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с федеральными целевыми программами «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики на 2008-2011 годы».

Степень изученности проблемы. Проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы позволил сделать вывод о том, что существующие способы устройства цементобетонных покрытий основаны на использовании традиционных бетонов, сырьевая база приготовления которых требует значительного расширения. Использование техногенного сырья для этой цели связано со значительными дополнительными трудовыми, материальными и энергетическими затратами, резко ограничивающими их применение в строительстве. Разработка альтернативных способов для их эффективного использования является актуальной задачей в области технологии получения

композиционных материалов, в том числе предназначенных для цементобетонных покрытий, используемых при строительстве автомобильных дорог.

Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертационного исследования является разработка научно обоснованных способов получения цементобетонных покрытий на основе использования отходов камнедробления.

В соответствии с целью исследования в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

- обоснованы способы формирования структуры и свойств цементобетонных покрытий, используемых при строительстве автомобильных дорог;

- изучен механизм действия химических добавок на процессы структурообразования цементобетонных композитов, полученных с использованием отходов камнедробления;

- предложены рецептуры наполненных вяжущих с тонкомолотым наполнителем из отходов камнепиления, предназначенных для производства на их основе цементобетонных смесей для автомобильных дорог;

- разработана рецептура цементобетонных композитов, получаемых с применением модифицированных необогащенных отсевов дробления бетонного лома и горных пород и наполненных вяжущих веществ;

- исследованы тепло- и массообменные процессы в твердеющих цементобетонных смесях, полученных на основе разработанных наполненных вяжущих;

- разработаны нормативные документы и ТЭО полученных результатов экспериментальных, теоретических исследований и опытно-промышленного внедрения.

Научная новизна диссертационного исследования. Установлен характер протекания процессов образования структуры при выдерживании жесткой бетонной смеси с использованием наполненных вяжущих веществ и отходов дробления бетонного лома и горных пород.

Показано, что при затворении водой наполненное вяжущее с наполнителем из отходов камнепиления, частично аморфизованное в процессе помола, ускоряет

процесс образования клинкерных минералов, выступая подосновой при получении новообразований и способствуя связыванию Са(ОН)2 в нерастворимые гидросиликаты кальция мелкокристаллической структуры с различной степенью основности.

Выявлен характер распределения пор по размерам цементного камня наполненных вяжущих на основе отходов камнепиления. Кривая гранулометрического состава частиц наполненного вяжущего на отходах камнепиления носит более прерывистый характер за счет полиминерального состава, интенсифицирующего помол, что оказывает положительное влияние на формирование микроструктуры цементного камня вследствие более плотной пространственной укладки частиц и, следовательно, получения более прочного цементного камня.

Выявлено влияние модифицированного мелкого заполнителя из отсевов дробления бетонного лома и горных пород и микронаполнителей на структурообразование и основные физико-механические свойства прессованных бетонов для строительства цементобетонных покрытий.

Теоретическая значимость диссертационной работы обоснована тем, что:

-предложены принципы улучшения технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств цементобетонных композитов для устройства покрытий автомобильных дорог путем использования наполненных вяжущих веществ и отходов камнедробления;

- развита теория гидратации и твердения клинкерных минералов с наполнителями различной природы, в частности, отходов камнеобработки, а также раскрыты основные положения теории структурообразования многокомпонентных композиционных материалов;

- изложены основные положения, касающиеся повышения энергоэффективности технологии производства цементобетонных композитов для устройства покрытий автомобильных дорог с использованием отходов камнедробления и камнеобработки;

- раскрыты механизмы снижения размера пор цементного камня и повышения их однородности за счет введения суперпластификатора и мельчайших частиц отходов камнепиления;

- изучено влияние состава наполненных вяжущих на основе отходов камнепиления на эксплуатационные характеристики цементобетонных покрытий;

-применительно к проблематике диссертации эффективно использованы методы математического планирования эксперимента со статистической обработкой результатов и стандартные методы испытания;

Теоретические выводы, сделанные в результате исследования, могут быть использованы в преподавании следующих учебных курсов: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», «Добавки в бетон», «Строительные материалы и изделия», «Технология вяжущих веществ», «Строительные композитные материалы» и др.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что:

- расширена сырьевая база для производства цементобетона, предназначенного для строительства цементобетонных дорожных покрытий, за счет использования заполнителя из отсевов дробления горных пород и бетонного лома и тонкомолотого наполнителя из отходов камнепиления.

- разработаны рациональные рецептуры наполненных вяжущих с тонкомолотым наполнителем из отходов камнепиления и цементобетонных композитов на их основе с применением модифицированных необогащенных отсевов дробления бетонного лома и горных пород.

- предложена технология модифицирования поверхности заполнителя из отходов дробления горных пород и бетонного лома и установлена эффективная дозировка химической добавки для его обработки, позволяющая получить значительный водоредуцирующий и цементосберегающий эффект.

Методы исследования базируются на известных положениях теории твердения клинкерных минералов с наполнителями различного состава, в частности, отходов камнедробления и камнеобработки, математической логики,

технологии композиционных материалов, теории автоматизации и управления технологическими процессами и производствами. Исследования проводились с учетом государственных стандартов и рекомендаций.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты исследований гранулометрического, химического и минерального составов отходов камнепиления, а также наполненных вяжущих веществ на их основе;

- анализ результатов по механохимической активации наполненных вяжущих для цементобетонных покрытий с использованием отходов камнепиления;

- свойства смесей для цементобетонных покрытий на основе наполненных вяжущих веществ и отходов камнедробления;

- оптимальные составы мелкозернистых цементобетонов для строительства дорожных покрытий;

- результаты апробации.

Внедрение результатов работы. Полученные результаты были апробированы в промышленных условиях на предприятиях ГУЛ «Стройматериалы и стройиндустрия» Министерства автомобильных дорог Чеченской Республики при строительстве опытного участка автомобильной дороги IV категории протяженностью 1000 м по ул. Плановая г. Грозный.

Для внедрения результатов работы при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие технические документы:

- технологический регламент на производство цементобетонных покрытий на основе использования наполненных вяжущих веществ и модифицированного заполнителя из отходов дробления;

- рекомендации по изготовлению цементобетонных композитов с использованием вторичного сырья;

- стандарт предприятия на производство наполненных вяжущих веществ для строительства цементобетонных покрытий с наполнителем и заполнителем из техногенного сырья.

Результаты работы использовались при реализации федеральных целевых программ: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и «Социально-экономическое развитие Чеченской Республ�