автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Улучшение качества конструкционно-теплоизоляционного бетона модификацией керамзитового гравия отходами метизного производства

л

ч : ■

ОДЕССКИЙ ЙШЕНВРНО-СТР ОИТЕЛ ьНЫй ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КОСАРЕВА 1вдкила Евгеньевна

(}

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО БЕТОНА МОДИФИКАЦИЙ! КЕРАМЗИТОВОГО ГРАВИЯ ОТХОДАМИ МЕТИЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.23.05 - Строительные материалы а изделия

Автореферат диссертации на.соискание учёной степени кандидата технических наук :

. Одесса - 1991.'.

Работа выполнена в Одесском инасеьерно-отрдительнок институте

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор А.Э.ЛШАТТО

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор Невский В,А.

хандадат технических наук, доцент Коваль С;В.

г-.

Ведущая организация - Производственное объединение

"Одескелозобетон" Мивпроистроя СССР

Защита состоится /л час.

на заседании специализированного совета К. 066.41.01 по присуждении ученой степени кандидата технических наук в Одесском инженерно-строительном институте по адресу: 270029, Одесса, ул.Дадрихсона, ауд.210

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук, .....

доцент ' Н.А.Малахова

наличке градиентов прочности цементного камня между рядом рас-¡ложенными зернами заполнителя. Прочность элементных сечениЯ ма-шчного камня зависит в основном от ада матрицы, заполнителя, юстояния между зернами заполнителя и Елаяносш заполнителя. Ма- • шлальная прочность у контакта с заполнителем и киникалшая -

центральных'зонах. Градиенты прочности тем шее, чем болше во-J за твореная поглощает заполнитель. Бодогасыщешге заполнителя з исключает градиенты, а только меняет их знак и величину. По зре перехода я тонким прослойкам цементной матрицы вкравниьают-1 прочности у контакта и центральных зон.

Подтверждение объективное!® существования гипотез о наличии эадиентов химически связанной воды в твердеющей матрице и проч-эспг цементного камня' в затвердевшей определяет необходимость ^пользования заполнителя с низкой степенью водопоглоценжя. Полу-ать такой заполнитель можно модификацией смеси. Ь качестве модника тора выбраны железосодержащие отхода метизно:! промышленности, пя практического решения поставленной задачи изучены и опишгзи-ОЕаны различные рецепгурда-технологическне параметри проязв'од-тва керамзита: концентрация модификатора, время и температура * йт.ига, а также способ введение модификатора в сырьевую су.есь.

Основная часть экспериментальных исследований выполнена с" рименением методов математического планирования и анализа полу-енных резз'лвтатов на ЗШ в системе СШЕБХ - ОИСй.

Предварительный опытны»! анализ, база современных исследова-йй в области высокотемпературных процессов и расчет количества-асплага определили уровень варьирования основного из исследуе-ых ¿[акторов - железистой добавки от 0 до 10%. Процессы терют'е-кой диссоциации железистых оксидов протекают в условиях ьосста-ови тельной атмосферы печи, созданию которой способствуют орга-ические примеси е глине. В большигзгве случаев органическую добавлявшую необходимо добавлять извне и она является следующим арькруемым фактором - от 0 до 1,552. Уровень варьирования те:люг атуры обтлга был выбран шк результат предварительных исследо-ашй интервала',>в котором наступает пиропласпгческ'ое'состояние: 140...1200°С. Эксперимент был реализован по шгану В 3. За выхо-нне приняты параметры модифицированного кералзита: коэ^Дшгаент спучивания, насыпная плотность, прочность при сдаагавании в ш-ипдре и водопоглоцение.'Они .списаны математическими моделями, о последним прогеден сравнительный анализ относительного елик-ия .каддого из факторов на физико-механичесше свойства заполни-

'теля. Выяснено, что именно минеральный модификатор лучше других • способствует резкому снижению водопоглотеняя керамзита и ксмлен-сирует падение прочности от введения органики.

Геамечрические образы моделей полученных характеристик в условиях взаимовлияния всех исследуемых факторов представлены

^изико-ыеханяческие характеристики модафщнровашюго керамзита

- насыпная плотность, кг/к3; й - прочность при сдавливании в' шлякдре., Ша; в'- водопоглощение за 1 ч; г - зона оптимальных свойств заполнителя.

рис, 2

на рис.2, fia рис.2.а отображено изменение значений основного показателя качества керамзитового гравия - насыпной плотности. Ее минимального значения (250 кг/м3) можно достичь при введении модификатора в количестве 5,0...10% от массы основного сырья. Наиболее обширна, изоповерхность значений насыпной плотности 400 кг/м3. Это оптимально приемлемая в технологических условиях марка керамзита (<Л 400), позволяющая в то же время максимально использовать в качестве модификатора отходи промышленности (7,5$), экономя при этом основное сырье.

Анализ рис.2.(3 показывает полную взамрсвязь прочностных характеристик полученного заполнителя и ого насыпной плотности в соответствии с нормативны™ требованиями, а. в некоторых случаях и их улучшение. Так, значение плотности 400 кг/м3 находится в интервале прочности от 2,5 до 3,5 !Ша, что на I МПа превышает нормативные показатели, расширяя тем самим область применения заполнителя.

Ещё один полояигельшй фактор влияния минерального модификатора отражён на рис.2.в. Являясь по сути единственным фактором,, наиболее интенсивно влияющим на степень водопоглощения, он . способен снизить этот показатель до 4$, т.е. в 1,8....2,3 раза.

Па основании витосказанного, нами выделена область наиболее благоприятного влияния всех трех факторов на физико-механические свойства конечного продукта. IIa рис,2.в' такая область выделена для заполнителл марки по прочности П 100, по плотности M 400 с зодопоглощепие»! по массе до 105?. Это.достижимо при оптимальном температурном соотношении составляющих смеси: органическая добазка - 0,5.. .1%, минеральная добавка - 2,5.. Л% от массы основного сырья и температуре обжига в интервале 1140... 1170°С.

' На основе этих сведений были изготовлены опытнс-промышленные производственные.партии. Полученный.модифицированный керамзит параллельно о контрольным и лабораторным вариантом подвергли всестороннему исследовании, которое подтвердило его качественные преимущества. Имея плотность на 50...75 кг/мз менЬшуЙ1 точность модифицированного керамзита остаётся без изменений, либо на 5... 1% превышает контрольную. В совокупности с погашенным в 1,8...2,3 раза водопоглощением, это приводит к показателям коэффициента размягчения 0,96.. .0,97 против 0,91...О,32 и умонь-

пает потери массы при замораживании и оттаиванииг 4 А%, против 7,5р. Одикл из факторов, обусловливающих приобретение этих свойств, является оршктащк ©гвклофазы на поверхности, грану-" лы при введении колезосодерясащей добавки. Содержание стеклофа- .; зн в корковом слоо модифицированного керамзита стабильно выше этого показателя в ядровом на 7...I0&. Как следствие,, на 40...45,1 СШ1КЗ.СТСЯ содерладге расколотых зёрен и на 10. . .22% . улучлазтсл коэффициент формы зерна. Практически на одном уров-но, удоалотворяшом нормативным требования:/., остались показа- . толп стойкости против склика-ного и железистого распадов, потери массы при киплчощ«, содержание водорастворимых сорнистых и сорнокислнх соединений.

Исследования пористости базового и модифицированного керамзита показали: количество пор радиусом от 30 до 4Рх10~'см увв-ч личипается на 33/!, а от 10 до 20х10-7см уменьшилось на ,.',

Протсриели изменения такйе поры всех остальных размеров, Б общем картина пористости с введением модификатора изменилась в, ■ -сторону увеличения количества крупных пор с более однородным распределением остальных. Так, количество нор в. пределах. (2ü...50)xI0~7c;,i увеличилось .от-48,5$ до 53,8...67,3$. Этим объясняется снижение плотности заполнителя - увеличением объёма благодаря наращивании адгпной пористости. Кроме того, заметно прослеживается одноралговостъ пор модифицированного керамзита. Если размер пор контрольного заполнителя варьируется по всей кривой распределения, то е модифицированном 65£ пор игла-ют один размер. Это является основным фактором, характеризующим уровень структурной однородности материала.

Открцтая и сквозная пористость заполнителя во многом одре- . долязт его отношение к воде затворенгл. Сквозная- пористость . . . обычного керамзита находится в пределах 30,9...45,3£, т.е. составляет 1/3...1/2 от всего объёма пор. Аналогичные показатели кодифицированного керамзита варьируются не в столь 'широком дна-пазонэ и составляют 1/4..Л/5 от всего объема пор, т.е. 17,8... 24,3р. Открытая пористость его в 2,7...3,5 раза ниже, чем в контрольном и составляет И.,2% против 12.8/3.

Дифракционному анализу подвергли как исходаые компоненты,. ■raí: и кояочиий продукт. Железистая составляющая в модификаторе

находится в основном в аморфном состоянии и, кале показал разовый анализ термообработанного отхода при нагревании 600°С, способна к переходу в кристаллическое состояние. В процессе обжига в глинистом сырье наблюдается перераспределение интенсив. ностей в отдельных группах рефлексов, линии дифракции меняют положение. Прослеживается общая тенденция смещения ди;£>ракщ:он-ннх максимумов в зону больших углов вследствие уменьшения расстояния между атомными плоскостями, ответственными за отракекие, т.е. происходит сжатие кристаллической решётки исходного вещества, в процессе которого возможны фазовые превращения. Сравиет'.е дифрактохрамм контрольного и модифицированного керамзита показало, что изменения качественного фазового состава не произошло. Система ключевых линий модификатора на дифрактограмме модифицированного керамзита отсутствует. В процессе синтеза его составляющие претерпели разложение с последующим соединением в многокомпонентные системы, присутствующие и в обычном керамзите, т.е. "свободные" компоненты, способные к самостоятельной реактивной деятельности,отсутствуют. Замечена меньшая интенсивность всех модификаций ¿1^2' 4,10 такжб подтверждает образование легкоплавких эвтетик, основой которых являются плавни К20, Пар, ГеО через соединения с кварцем и большей стабилизации, в связи с этим, общей системы. Кроме того, рефлексы-модифицированного керамзита более чёткие, имеют тенденции к расщеплению, что указывает на лучшую степень его кристалличности.

■Исследования методом инфракрасной спектроскопии и дифференциально-термический анализ подтвердили механизм модифицирования керамзита за счёт интенсивной дегидратации на всех уровнях, потери группы ОН", разложения, диссоциации как основного вещества, так и модификатора и формирования новых структурных ячеек через связи с кварцем и образования метасиликатов сложного типа.

- Оценку эффективности модифицированного керамзита-в бетоне проводили с использованием симплекс-решетчатого плана для трех-компонентной системы. Варьируемые факторы рабочего плана: расхода цемента Х1 от 220 до 300 кг/мз ( суперпластификатора С~3 Хз от 0 до 0,6% и воздухововлекающей добавки СНВ - Х3 от 0 др 0,08% от массы вяяущэго. Количество воды затворения для всех составов - величина постоянная, подобранная опытным путём и

составляет 250 л/м3 на обычном и 200 л/м3 на модифицированном керамзите. Варьированием отдельных компонентов получены смеси с различной удобоукладаваемостыо - от 1...3 до 12...14 см.

Получен комплекс экспериментально-статистических моделей, характеризующих исследуемые свойства бетонной смеси и бетона: плотности, подвижности, прочности после тепловой обработки и в возрасте 28 суток естественного твердения и остаточной влажности,

Модели логарифма величины осадки конуса для смеси на контрольном ( ¿п 0Кк) и модифицированном ( ¿лОКу) керамзите имеют вид:

НяОКд = 1,7-1, 4хх +1,081^-0, 2x3 -0,9 х1 Хд -Ю, 74^X3 -О", 9Ь х.^ +0,59х|

ЬОК^, = 1,4-1 .бх^, ЗХ2-0,9х3-0,2х1х2-0,9х£х3-0,9x^+0,

Анализ их показал, что введение в бетонную смесь модифицигг рованного керамзита снизило на 20% количество воды затворения без изменения её подвижности. Заполнитель, обладая'незначительным водопоглощением сохраняет воду в цементной матрице, обеспечивай тем самым оптимальные условця для укладки, и уплотнения ' смеси. .

Модели средней плотности для бетонов на контрольном ( ](к) и на модифицированном ( |н) заполнителе, кг/м3:

Л к = 1227 + 77х1 - 54х3 - 45X7X3 - Ш^Хд - Г7х^ - 28х§

= 1162 + 80ху - 56Хд - 45X2X3 - 109X2X3 - 22х| - 38х| ,

а такка модели прочности в возрасте 28 суток для бетона на контрольном (Ек) к на модифицированном (Ем) заполнителе, Ша;

Рк = 13,1+3,2хт+1,9x3--!, 05 х1х2+1,2x2X3-1,64x^-2,26х|-0,52х§

= 18,745,9x2+1,6X3+1,бХд-Хз-О^ХзХд-а,4з^-1,

свидетельствуют, что прочность бетона на модифицированном керамзите в среднем на 7...107» провышает прочность бетона на обычном ирк пониженной на 75...100 кг/м3 средней плотности. Это следст-зге благоприятных условий структурообразования: вода затворения уже в начальный период после .приготовления смеси максимально, используется для гидратациошшх процессов ввиду низкой водопо-

глотательной способности модифицированного керамзита. Происходит минимизация 1радиенгов химически рвязанной воды в твердеющей матрице и прочности цементного камня в затвердевшей. Создаются предпосылки для минимизации дефектности структуры бетонного комгозига. Это же подтверздаег анализ моделей остаточной влажности после тепловой обработки для бетона на контрольном заполнителе (V/K) и на модифицированном ( W м), %:

\х/к = 13,B+6,5x£+4,4Xg-t3,2x2+4,IXjXg-te,5x^3+1,5x2x3+3,6x1+1,7x2 = 12,4+9,9x^+4,95x2+4, OXg+4,8x^X3+5, 4x^x2+5, 5x^+1,6х|

Полученный набор диаграмм позволяет максимально варьировать смесевыа компоненты для достижения- необходимых в каждой конкретной ситуации фгзико-мбханических свойств. Оптимальные составы приняты для изготовления образцов с целью изучения морозостойкости и теплопроводности. При этом морозостойкость батона на модифицированном керамзите на 20...25$ выше: потери прочности после 50 циклов замораживаниг и оттаивания в 1,3...1,8 раза меньше, чем на обычном. Теплопроводность его на 25...21% ниже, чем у обычного.

В условиях Кулиндоровского завода SEK, ПО "Одесжелезобетон" Минпромстроя УССР и ССК ПО "Агрострой" Украгростроя г.Одессы отработаны предложенные технологические решения модификации сырьевой смеси железосодержащим отходом для производства керамзита по пластическому способу и изготовлена изделия на его основе. Экономический эффект при объёме внедрения 22 тыс.м составил 25,2 тыс.руб при снижении себестоимости I м3 керамзита на 1,16 руб.

ОСНОВНЫЕ выводы

1. Разработанные теоретические предпосылки повышения однородности структуры кер амзнт об е г она и причин его неоднородности обосновали применение пористого заполнителя с низким- водопогло-щением, что позволило улучшить физико-механические свойства бетона.

2. Экспериментально установлена объективность существования в твердеющей цементной матрице градиентов химически связанной воды, а в затвердевшей - градиентов -прочности цементного камня. Они тем значительнее, чем больше диаметр и водопоглощение

заполнителя, а также водовяжущее отношение цементной матрица и толщина её прослойка между соседними зёрнами заполнителя.

3. Нелезосодержадие отходы в качестве модификатора сырьевой смеси для производства керамзита позволяют направленно влиять на его конечные свойства.

4. Разработанные рецептурно-технологические параметры модификации (железосодержащего отхода 2,5... 10/2, органической добавки 0,5...1,5%,' температура-обжига 1140...П70°С) обеспечивают снижение водопоглощения модифицированного керамзита в 1,8... 2,3 раза, средней плотности на 50...75 кг/м3 без потери его прочности, в 1,38...1,4 раза потери массы при попеременном замораживании и оттаивании ч повышение коэффициента размягчения на 5...7/5,,

5. Структура модифицированного керамзита характеризуется меньшим количеством открытой и сквозной пориотооти, накоплением в корковом слое гранулы большего количества стеклофазы, образованием стабильной многокомпонентной системы и повышением степень, её кристалличности.

6. Применение модифицированного керамзита снижает водопот- . ребность бетонной смеси на 20$ в сравнении с равноподвюсной смесью на обычном керамзите. Оптимизация рецептурных составов понижает плотность кераызитобегона на 75...100 кг/м3 при сохранении или поьшенш его прочности при сжатии на 7... 10$, что обеспечивает на 10...15$ экономию цемента. ■

7. Получены номограммы для подбора составов конструкционно-теплоизоляционных бетонов на модифицированном керамзите плотностью '^900.. .1200 кг/м3 классов В 3,5...12,5 с использованием сутаряластификатора 0-3 и воздухововлекавдей добавки СНВ. Морозостойкость такого бетона выше на 20...25$. а коэффициент теплопроводности ниже на 26...29$.

8. Предложенные способы введения кодификатора в сырьевую 1..ассу для изготовления ьэрамзж-а по пластическому способу получили опытно-промышленное внедрение при экономическом эффекте 1,16 руб. на кубометр керамзита. Общая суша экономического эффекта составила 25,5 тыс.руб. при объёме внедрения 22 тыс.м3 . керамзитового травия.

Основные результаты и научные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Лопатто А.Э., Кучеренко A.A., Косарева Л.Е. Использование железосодержащих отходов в производстве керамзита //Применение и перспективы развития лёгких бетонов в строительстве: Тез.докл.респ.науч.конф. - Ашхабад,.Ылым, 1987. С.208.

2. Лопатто А.Э., Кучеренко А./., Косарева Л.Е. Свойства ке-рамзитобетона на гидрофобизированном керамзите //Бетон и железобетон. - 1988. - Si 6. - С.8.

3. А.о.1512945 ШШ3 С 04 В 14/12. Сырьевая смесь для изготовления керамзита / Кучеренко A.A., Косарева Л.Е., Емельянов.Л.К., 1^йталюк H.H. (СССР)'. - 2 с.

4. Лопатто А.Э., Косарева Л.Е. Об использовании железосодер-аащих отходов в производстве строительных материалов //Использование отходов производства в строительной индустрии: Тез.докл. науч.конф. - СевкавШШЙагропром, Ростов-на-Дону, 1989.С.4-6.

5. Кучеренко A.A., Косарева Л.Е,, Лавреиок Л.И. Теоретические предпосылки улучшения качества строительных композиционных строительных материалов - эффективней путь экономии ресурсов и трудовых затрат в строительстве: Тез.докл.науч.конф. -М., 1989. С,68-69.

6. Косарева Л.Е., Парута В.А. Теоретический аспект дефектности конструкций.сельскохозяйственных зданий и пути её минимизации //Повышение долговечности сельскохозяйственных зданий и сооружений: Тез.докл.Всесоюз.науч.конф. - Челябинск, 1990.

С.127-128.

7. Косарева Л.Е., Кузылук Н.В.,- Кучеренко A.A. Пути ликвидации дефектности структуры бетонного композита //Исследование работы и применение в строительстве эффективных элементов и конструкций: Тез.докл,науч.конф. -Ровно,1990. С.108-109.

8. Кучеренко А.А,, Парута В.А., Кузьмук Н.В , Косарева Л.Е. и др. .Эффективность применения модифицированных пористых заполнителей для 0етонов//йютромснтируеьше здания различного назначения из сборного железобетона полной заводской готовности: Тез. докл.рагаональн. семинара. - Владивосток - IÖ9Ü. С.44-47.

9. Кучеренко A.A., Парута В.А., Кузьмук Н.В., Косарева Л.Б. и др. Экономия цемента направленной модификацией заполнителя //Состояние и пути экономии цемента в строительстве: Тез.докл. науч.конф. - Ташкент, -1990. С.73-74. ^ __ ___ ___

10. Кучергчко A.A.", Кузьмук Н.В. , Косарева Л.Е. Пути улучшения структуры бетона //Работоспособность композиционных строительных материалов при воздействии эксплуатационных факторов. - Казань: КИСИ, 1989. С.1С 1-108. ----