автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Высоконаполненный мелкозернистый бетон на основе техногенных отходов металлургии

На правах рукописи

ХИРИС НАТАЛЬЯ СЕРГЕЕВНА

ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫЙ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЯНВ 20]5

005557562

Волгоград - 2014

005557562

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, профессор Акчурин Тал гать Кадимович.

доктор технических наук, доцент Гончарова Маргарита Александровна, заведующая кафедрой «Строительные материалы» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»;

кандидат технических наук, Разинкова Ольга Александровна, доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство» государственного автономного образовательного учреждения Астраханской области высшего профессионального образования «Астраханский инженерно-строительный институт».

Ведущая организация:

государственное предприятие «Институт химических проблем экологии» РАЕН, г. Волгоград.

Защита состоится 10 февраля 2015 г. в 10:00 часов в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, ул. Академическая 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан //. J2. . 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин

Тал гать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тенденция замены обычных цементных бетонов, в том числе и тяжелых, мелкозернистыми бетонными композициями, возможна при условии улучшения физико-механических характеристик последних, таких как прочность при изгибе, морозостойкость. Что может быть достигнуто высоким наполнением мелкозернистых бетонов дисперсными частицами как природного, так и техногенного происхождения. Управляя процессом формирования общей структуры мелкозернистого бетона, наполнение цементной матрицы микрочастицами является наиболее эффективным методом модифицирования составов мелкозернистых бетонных композиций, что способствует снижению расхода цементного вяжущего за счет создания более плотной структуры.

Наибольшее распространение в последнее время получила технология изготовления изделий из мелкозернистого бетона методами поличастотного виброуплотнения и вибропрессования, которые обладают рядом положительных особенностей, среди которых высокие показатели прочности, морозостойкости, истираемости, водопоглощения и т.д. В перечень изделий из мелкозернистого бетона, изготовленных этими методами входят шлакоблоки, камни бетонные бортовые, плиты тротуарные, т. ч. фигурные элементы мощения, трамвайные плиты, камни бетонные стеновые, фундаментные блоки, перегородочные, бордюрные камни и прочее. Мелкозернистые бетоны в основном по составу представляю собой цементно-песчаную смесь, с введенным микронаполнителем. Диссертационная работа посвящена разработке составов высоконаполненных мелкозернистых бетонов (ВНМЗБ) повышенного качества, путем их наполнения дисперсными частицами металлургического шлака. Цементное вяжущее с содержанием шлакового микронаполнителя до 50 %, по стоимости существенно ниже существующих аналогов с природными микронаполнителями. Одновременно использование шлаковых отходов позволяет улучшить экологическую ситуацию региона. Создание плотной структуры дисперсной системы ВНМЗБ, а именно, изменения расстояния между ее структурными элементами достигается за счет подбора фракционного состава шлакового наполнителя и внешнего механического воздействия в виде поличастотного виброуплотнения. Сближение структурных элементов различного размера (измельченный шлак, кварцевый песок, частицы вяжущего) и доведение их до минимальных значений уплотняет структуру ВНМЗБ, при этом снижается пористость, увеличивается плотность, что и определяет прочность, морозостойкость и другие эксплуатационные характеристики композиции.

Степень разработанности проблемы. Исследования, проводимые учеными России и за рубежом, посвящены вопросам улучшения эксплуатационных характеристик цементных бетонов за счет изменения их физико-механических характеристик. Вышесказанное относится и к мелкозернистым бетонам, вытесняющим в последнее время цементные бетоны на крупном заполнителе. Разработка составов многокомпонентных мелкозернистых композиций с высокой функциональностью и такой же высокой организацией структуры нашла свое отражение в работах Соломатова В.И., Ерофеева В.Т., Баженова Ю.М., Акчурина Т.К., Корнеева А.Д., Иващенко Ю.Г., Калашнико-

ва В.И., Чернышова Е.М., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Рахимова Р.З., Латыпо-ва В.М., Федосова C.B., Рахимбаева Ш.М., Гаркави М.С., Пичугина А.П., Пу-харенко Ю.В., Орешкина Д.В., Белова В.В., Грызлова B.C., Акуловой М.В., Ярцева В.П. и др. В работах перечисленных авторов отмечаются достоинства мелкозернистой структуры такие как высокая технологичность мелкозернистого бетона, легкость в транспортировке, возможность получения специальных видов материала с различным комплексом свойств. Получение конструк-щюнного, теплоизоляционного, гидроизоляционного, декоративного и других видов бетона возможно благодаря многофункциональности получаемых мелкозернистых составов на определенном цементе и песке, варьируя соотношением компонентов, введением комплекса добавок и технологическими приемами, такими как поличастотное виброуплотнение. Применение местных материалов, в том числе и техногенной природы, расширяет возможности оптимизации составов мелкозернистых бетонов и, как правило, снижает их себестоимость по сравнению с классическим крупнозернистым бетоном.

Существует определенная зависимость свойств мелкозернистых бетонов от структуры композиции, типа и характера используемых составляющих компонентов состава, что необходимо учитывать при внедрении таких бетонов в строительстве. Целесообразность введения в мелкозернистый бетон тонкодисперсных минеральных наполнителей (зола, тонкомолотые шлаки, микрокремнезем и др.) с целью улучшения их свойств не вызывает сомнений. Рекомендуется использование тройных систем «Суперпластификатор-микрокремнезем-минеральный наполнитель». Количество добавок определяется требованием к бетону и бетонной смеси и качеством песка. Научное сообщество расходится во мнении, каков механизм взаимодействия, и какое влияние оказывают минеральные наполнители с высокой дисперсностью на структуру и получаемые свойства цементного камня и цементных мелкозернистых бетонов. Центральное место в дискуссиях и научных публикациях занимает так называемый «эффект микронаполнителя» (его природа, механизм действия и др.), заключающийся в увеличении механической прочности бетона в результате введения в его состав инертных тонкомолотых наполнителей (ТМН), которые могут быть гидравлически активными. Для оптимального насыщения структуры цементного камня цементом наполнителем необходимо произвести оптимизацию количества дисперсной добавки в бетон, главными критериями которой являются: 1) достижение максимально плотной упаковки частиц в тесте, 2) максимальное насыщение цемента микронаполнителем при отсутствии контактов частиц между собой, если размеры частиц наполнителя соизмеримы с частицами цемента. В этой связи актуальным является введение шлакового микронаполнителя оптимальной дисперсности и пусть незначительной активности в состав мелкозернистого бетона, что позволяет экономить в среднем от 30 до 40 % цемента без ухудшения механических свойств изделий с одновременным повышением эксплуатационных свойств композиции. Формирование плотной и прочной структуры высо-конаполненного мелкозернистого бетона достигается путем использования одного из наиболее эффективных технологических приемов уплотнения жесткой цементно-песчаной смеси: вибровоздействие с использованием химических добавок.

Таким образом, не вызывает сомнения актуальность проведения комплексного исследования по разработке модифицированных составов высоко-наполненной мелкозернистой композиции в сочетании с комбинированными режимами вибрации, основанными на одновременном использовании колебательных процессов различных по величине амплитуд и частот с целью достижения плотной упаковки дисперсного шлакового наполнителя и цементного геля в структуре мелкозернистого бетона.

Возможность получения высоконаполненного мелкозернистого бетона (ВНМЗБ) при использовании металлургического шлака позволяет не только снизить стоимость бетонной композиции за счет экономии цемента, но и получить составы с улучшенными физико-химическими и технологическими свойства. Все вышесказанное подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Цель работы состоит в научном обосновании способов формирования структуры и свойств высоконаполненных мелкозернистых бетонов с использованием тонкомолотых шлаковых наполнителей при их поличастотном виброуплотнении.

Задачи исследований:

-дать оценку возможности использования шлаковых отходов металлургии при оптимизации условий их измельчения в качестве наполнителя мелкозернистых бетонов;

- подобрать составы и изучить свойства высоконаполненной цементной композиции в сочетании с режимами поличастотного вибрационного уплотнения;

- установить закономерности изменения физико-механических свойств ВНМЗБ от полноты введения шлакового микронаполнителя и условий виброуплотнения;

- выявить особенности процессов структурообразования ВНМЗБ и определить степень влияния факторов наполнения и механического воздействия на структурно-механические характеристики бетона;

- оптимизировать составы ВНМЗБ путем получения адекватной математической модели для прогнозирования эксплуатационных характеристик бетона;

- дать технико-экономическую оценку эффективности использования дисперсного шлакового наполнителя в сочетании с поличастотным виброуплотнением в составах мелкозернистых бетонов, опытно-промышленной апробации результатов исследований.

Научная новизна:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения высоконаполненных мелкозернистых бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками при использовании тонкомолотого наполнителя металлургического шлака в сочетании с поличастотным виброуплотнением;

-установлены закономерности формирования структуры и свойств ВНМЗБ в зависимости от рецептурно-технологических факторов;

- выявлено влияние фракционного состава дисперсной добавки шлакового наполнителя в сочетании с поличастоным виброуплотнением на процессы структурообразования высоконаполненных мелкозернистых бетонов, оп-

ределяющих его эксплуатационные свойства (плотность, пористость, морозостойкость и прочность);

-построенная регрессионная модель, подтверждающая зависимость эксплуатационных характеристик ВНМЗБ от степени наполнения шлаковой добавкой, что подтверждено результатами экспериментальных исследований;

-дополнены и расширены представления о способах формирования структуры высоконаполненных мелкозернистых бетонов с использованием тонкомолотых наполнителей техногенной природы при поличастотном виброуплотнении.

Практическая значимость работы. Предложена и обоснована возможность получения высоконаполненного мелкозернистого бетона с улучшенными эксплуатационными характеристиками путем его наполнения тонкодисперсной добавкой металлургического шлака при использовании метода поличастотного виброуплотнения. Установлены закономерности образования структуры и соответствующих свойств высоконаполненных мелкозернистых бетонов в зависимости от рецептурно-технологических факторов. Разработаны оптимальные составы высоконаполненного мелкозернистого бетона с применением местных материалов, в том числе шлаковых отходов металлургии, обладающего улучшенными эксплуатационными и технологическими показателями, такими как плотность, пористость, прочность, водопоглоще-ние, морозостойкость. Сочетание высоконаполненной мелкозернистой структуры бетона и метода поличастотного виброуплотнения при изготовлении изделий позволяет получать конструкционные, теплоизоляционные, гидроизоляционные, декоративные и другие виды строительных материалов. Экономия цемента и природных материалов в составах ВНМЗБ снижает его себестоимость по сравнению с классическим крупнозернистым бетоном, что делает изделия из него конкурентоспособными. Вклад в решение экологической проблемы региона по утилизации техногенных отходов очевиден.

Объект исследований. Мелкозернистые бетоны высокой степени наполнения, с использованием шлаковых отходов металлургической отрасли.

Предмет исследований. Способ формирования структуры мелкозернистых бетонов при поличастотном виброуплотнении с использованием шлаковых микронаполнителей. Процессы структурообразования мелкозернистой бетонной системы при ее высоком наполнении дисперсной тонкомолотой шлаковой добавкой и оценка влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические характеристики мелкозернистой бетонной композиции. Положения, выносимые на защиту:

-принципы, улучшающие физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики мелкозернистого бетона за счет его высокого наполнения дисперсными частицами металлургического шлака;

-теоретические представления о механизме получения плотной упаковки дисперсного шлакового наполнителя и цементного геля в структуре мелкозернистого бетона за счет подбора фракционного состава тонкомолотой шлаковой добавки в сочетании с методом поличастотного виброуплотнения;

- результаты экспериментальных исследований и оценка влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические характеристики мелкозернистой бетонной композиции;

-новые составы и эксплуатационные характеристики высоконапол-ненных мелкозернистых бетонов с использованием шлаковых отходов металлургии и их опытно-промышленная апробация.

Достоверность исследований и выводов по диссертационной работе обеспечена обоснованным использованием апробированных методов экспериментального исследования, использование стандартных средств измерений и методов исследований; использованием современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных, которое обеспечивает не противоречие и совпадение опытных испытаний и их положительных практических результатов с результатами расчетов и выводов известных положений.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 1У-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование» (Михайловка, 2011 г.); Ш и ГУ-й научно-технических конференциях «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г., 2013 г.); ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов ВолгГАСУ(Волгоград, 2014 г.); опубликованы в научных изданиях ПНИ-ПУ (Пенза, 2014 г.).

Личный вклад автора. Вклад автора состоит: в выборе и обосновании направления исследования; в расширении представлений о процессах струк-турообразования высоконаполненных мелкозернистых бетонов при использовании метода поличастотного виброуплотнения и их научном обосновании; в разработке новых составов мелкозернистых бетонов, наполненных тонкодисперсной добавкой шлаковых отходов металлургии региона, с улучшенными физико-механическими характеристиками; в проведении анализа и обобщения полученных результатов исследований диссертационной работы; во внедрении результатов исследований в виде опытно-промышленной апробации.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений, изложена на 144 страницах машинописного текста, включает 21 таблицу и 22 рисунка, приведен список использованных источников из 205 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, ее научная новизна, практическая значимость, а также основные положения работы, выносимые на защиту, приведены сведения об опытно-промышленной апробации работы. Сформулированы цель и задачи исследований. Представлена целесообразность сочетания наполнения мелкозернистых бетонов тонкодисперсной добавкой шлаковых отходов с методом поличастотного виброуплотнения для получения бетонов более плотной структуры с пониженной пористостью и как следствие с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

В первой главе проведен анализ литературных источников по состоянию вопроса использования мелкозернистых бетонов в строительной отрасли, дана оценка влияния рецептурно-технологических факторов на процессы структурообразования и свойства мелкозернистых бетонных композиций, определено влияние дисперсных наполнителей минеральной и техногенной природы, в сочетании с химическими добавками на процессы структурообразования и физико-механические свойства мелкозернистых бетонов.

Вопросам улучшения физико-механических и эксплуатационных характеристик мелкозернистых цементно-песчаных бетонов, путем их модификации микронаполнителями различной природы посвящены работы многих современных российских и зарубежных авторов. Комплексная переработка отходов и их использование в технологии строительных материалов отражена в работах П.И. Боженова, Ю.М. Баженова, B.C. Лесовика, В.И. Калашникова, Ш.М. Рахимбаева, Р.З. Рахимова, Е.М. Чернышева, А.Д. Корнеева. Результаты этих исследований позволили установить основные факторы, определяющие прочностные свойства и структурные характеристики мелкозернистого бетона, связанные с высокой неоднородностью структуры, ее пористостью, плотностью. Но механизм влияния минеральных наполнителей высокой дисперсности на структуру и свойства цементного камня и цементных бетонов остается вопросом, по которому ученые не пришли к единому мнению. Дискуссии по вопросу природы и механизма «эффекта микронаполнителя», который проявляется в повышении прочности бетонных композиций при введении в их составы инертных тонкомолотых наполнителей (ТМН), но в тоже время может проявляться в частичном эффекте гидравлически активного наполнителя, не нашли однозначного определения. Существование несколько точек зрения о природе «эффекта микронаполнителя» при использовании тонкомолотого наполнителя высокой дисперсности говорит о недостаточной изученности этого вопроса, нуждающейся в научном обосновании механизма структурообразования высоконаполненных мелкозернистых бетонов и их экспериментальном подтверждении. Основными факторами, оказывающими положительное влияние на структуру и физико-механические характеристики мелкозернистых цементных композиций при введении тонкомолотых наполнителей являются: снижение общей пористости цементного камня в зависимости от объемной концентрации и дисперсности наполнителя; за счет центров кристаллизации ускорение начальной стадии химического твердения цементных систем с частицами наполнителя, служащими центрами этой кристаллизации; снижение водопотребности бетонных смесей рядом наполнителей разной минералогической природы и дисперсности; упрочнение бетонов путем снижения дифференциальной пустотности исходной водовяжущей пасты в сторону меньших по размеру пустот при размещении гранул наполнителя между частицами цемента, что обусловливает формирование цементного камня с меньшими размерами капиллярных пор. Перечисленные факторы можно отнести к рецептурным. Не рассматривается в литературных источниках вопрос влияния рецептурно-технологических факторов на свойства мелкозернистых цементных бетонов. В частности последнее время все большее распространение получает производство изделий из мелкозернистого бетона методом поличастного виброуплотнения. И это дает возможность использования широкой гаммы местных вяжущих материалов и наполните-

лей, расширения номенклатуры производимой продукции на универсальном технологическом оборудовании с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

В связи с этим предлагаемые в диссертационной работе исследования влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические и эксплуатационные свойства мелкозернистого бетона при его наполнении тонкомолотым шлаковым наполнителем в сочетании с методом поличастотного виброуплотнения представляются весьма актуальными и экономически оправданными.

На основании проведенного литературного обзора диссертационной работы выдвигается рабочая гипотеза - введение в состав цементных мелкозернистых бетонов тонкомолотого дисперсного наполнителя металлургического шлака приводит к максимально плотной упаковке частиц в цементном тесте, участие шлакового микронаполнителя в процессах структурообразова-ния позволяет получить методом двухчастотного виброуплотнения изделия с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Во второй главе обоснован выбор материалов и методик исследований. В диссертационной работе были использованы следующие материалы:

- природные разнофракционные пески с Мк 1,0 - 2,0, получаемые при разработке песчаного месторождения без использования специального обогатительного оборудования ООО «Волгоградский карьерный союз»;

- портландцемент ПЦ 500 ДО производства ОАО «Себряковцемент»;

- металлургические шлаки Волжского трубного завода крупностью 1020 мм, пустотностью 0,43; насыпной плотностью 1,380 - 1,400 г/см3; истинной плотностью 2,3 г/см3;

- пластифицирующие добавки: суперпластификатор марки С-3 (ТУ 5870-002-58042865-03), Реламикс (ТУ 5870-002-14153664-04) Полипласт Вибро (ТУ 5745-027-58042865-2008).

Для проведения экспериментальных исследований изготавливались серии образцов в лабораторных условиях кафедры СМ и СТ и условиях производственной площадки. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 26633-2012 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия». Морозостойкость определялась в соответствии с ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования. Тяжелые, мелкозернистые, легкие и плотные силикатные бетоны». Макро- и микроструктура прессованного образца изучалась методами оптической микроскопии.

При проведении исследований и испытаний использовались современные физические и физико-химические методы анализа, математические методы планирования эксперимента и их компьютерная обработка.

В третьей главе представлены результаты исследования механизма процессов структурообразования высоконаполненного мелкозернистого бетона (ВНМЗБ) при его наполнении дисперсными частицами металлургического шлака.

Использование металлургических шлаков в составах мелкозернистых и тяжелых бетонах в качестве инертного заполнителя является традиционным. Раскрытие всех свойств шлаковых отходов в качестве наполнителей и микронаполнителей возможно только при их механоактивации. Помол наполнителей способствует увеличению их удельной поверхности и активности в це-

мснтных системах. Заполнение плетет и порового пространства ВНМЗБ тон-комо.ютон шлаковой лобавкой является фншчсскнм эффектом и может рассматриваться в совокупности с гидравлической активности дисперсного материала или независимо от нее. В процессе помола снижается степень полимеризации «шлакового стекла», при этом возможен переход ионов металлов из одной координации в другую, характеризующуюся более слабой связью. Под влиянием тонкого измельчения компоненты шлака переходят в термодинамически мстастабильнос рснтгсноаморфнос состояние, что влияет на их гидравлическую активность.

Помол металлургического шлака проводили на лабораторной конусно-инерционной дробилке. Удельная поверхность измельченного материала определялась на приборе для измерения удельной поверхности дисперсных материалов ИУП-1 в соответствии с руководством по эксплуатации На рис. 1 - 4 представлены зависимости свойств и змельченного шлака от условий помола

Рис 2 - Зависимость остатка на сите 0063 продукта помола от времени измельчения

>Х»и тро«1|Ш1 »»Гж'1

О. I I — • >»РМ I

Рис. 1 - Зависимость остатка на еггте 0063 проду кта помола от удельных затрат энергии на измельчения

»«Ов--- ?

Б 5 100* —

1 ¿во» У

—

• м м •• и |м |и 1« Iт |н я* а»

^ г |1 11 — . Л

Рис. 3 - Зависимость у дельной поверхности продукта помола от удельных затрат энергии на тмельчення

«ООО \ - к'

! /

/

}

в I 10 15 30 15 1о М М

---- *щтт I . («м< I

Рис 4 - Зависимость удельной поверхности продукта помола от времени измельчения

В результате измельчения получен продукт шлакового микронаполни-тсля (ШМН) с остатком на сите 63 мкм ~ 11.5% и удельной поверхностью ~ 4X00 см:/гр Введение ШМН в бетонные смеси производилось частично заменяя цемент, а частично - кварцевый песок. При этом анализировалась

активность ШМН и микронаполняюшнй эффект та счет роста содержания дисперсных частиц в смеси

ШМН та счСт большой удельной поверхности окатывает на бетонную смесь комплексное воздействие Нариу с контактами «цементное тссто -наполнитель», появляются контакты < микронаполнитсль - вяжущее», прочность которых значительно зависит от физико-химического взаимодействия минералов, входящих в состав ШМН я частиц вяжущего. ШМН представляет собой дисперсные частицы произвольной осколочной формы, что позволяет им участвовать в организации структуры цементного вяжущего. На рис 5 отчетливо видно участие в процессах структурообразовання ВНМЗБ именно шлакового мнкронаполнитсля и мелких фракций кварцевого песка

/ - кварцевый песок: 2 - норовое пространство; 3 - цементный камень ./-ШМН

Рис. 5 - Микроструктура высокснаполненного мелкозернистого бетона (Ц: ШМН - I : 1)

Структура образца дисперсно-упрочненная Характер распределения компонентов, изменения размера и формы поровых пространств позволяют сделать вывод о наличии реакционных связен между компонентами дисперсной системы ВНМЗЬ. чго в конечном итоге и привело к изменению физико-механических показателей, в частности, к повышению прочностных характеристик бетонной композиции Микрострукту ра ВНМЗБ (рис. 5) представлена равномерно расположенными зёрнами кварцевого песка, между которыми видны плотные стру кту ры цементного камня, наполненного ШМН. Качество цементного камня характеризуется его поровой структурой. Общая пористость микронаполненных образцов снизилась в сравнении с контрольным на 10 %. Поровос пространство представлено в основном технологическими порами, размер которых находится в пределах от 20 мкм до ХОО мкм.

Проведены исследования по подбору режимов уплотнения бетонной смеси при различных частотах вибрационного воздействия. Уплотнение смеси ВНМЗБ осу ществлялось на вибрационной установке (рис. 6) в режиме колебательных движений, оптимальным является режим воздействия верхнее -12600 кол/мин. нижнее - 3000 кол/мин. под пригрузом 10 кПа Время вибрационного уплотнения варьировалось от 10 с до 30с. Подобранные экспериментально частоты колебаний при виброуплотнении бетонной смеси считаем оптимальными и дальнейшее варьирование частотами виброуплотнення и временем его воздействия не целесообразным Так как зерна песка утке сблизились на расстояние, соизмеримое с размером частиц заполнителя при сдвиге структу рных кластеров в единичной матричной фазе на момент прекращения вибрационного воздействия Перемещению подверглись так же и частицы шлакового мнкронаполнитсля. чтэ снизило толщину сферы из цементной пленки вокруг микрочастиц ШМН три обдире во время виброколсбаний. и уменьшило расстояние между ними (рис. 5). Структу ра такой композиции ВНМЗБ имеет среднюю плотность - 2345 кг/м\ такой плотности способствует высокое наполнение композиции тэнкомолотым шлаковым наполнителем.

Однородность структуры ВНМЗБ (рис. 5) обеспечивается рецегггурно-техно.тогичсским факторами, высоким наполнением шлаковым микрона-плолннтслем и использованием метода поличастотного виброуплотнення Снижению у дельных напряжений в зоне межфазного контакта и увеличению интегральной силы сцепления между цементным камнем и наполнителями в жесткой цементно-песчаной смеси способствовало использование пластифицирующих добавок. Введение пластификаторов (супсрпластнфнкатор марки С-3. Рсламикс. Полипласт Внбро) в количестве 0.3 - 0.5 % в среднем привело к росту показателя прочности при сжатии на 30 % не зависимо от типа пластифицирующей добавки

Г

Рис 6 - Вибрационная установка

Г

Поличастотиый виброу плотнитель (рис. 6) позволил привести в колебательное движения зерна кварцевого песка, частицы ШМН и зерна цементного вяжущего хтя создания высокой плотности жесткого каркаса, непрерывной по всему объему клекщей цементной матрицы для образования единого композиционного материала Образцы для испытаний изготавливались исходя из традиционно рекомендуемого соотношения цемента (Ц) и микронаполнителя (ШМН) 1:1, В/Ц 0.44. в качестве наполнителя использовался кварцевый песок с модулем крупности Мл 1.0 - 2.0.

При двухчастотном режиме вибрационного уплотнения была получена прочность ВНМЗБ при сжатии - 117 МПа. Прочность при изгибе составила 7.0 МПа. Величина прирогта прочностных .характеристик ВНМЗБ в возрасте от 28 до 180 суток составила: для прочности при сжатии - 15 %, для прочности при изгибе - 20 %. Рост прочностных характеристик в поздние сроки твердения связан с процессами дальнейшей гидратации цемента благодаря развитой поверхности связующего и ШМН. и с уплотнением структуры ВНМЗБ за счет высокоплотной упаковки частиц в цементном тесте. Развитая поверхность ШМН позволяет интенсифицировать процессы стру кту рообра-зования и ускоряет набор прочности бетона. Причем введение ШМН возможно как непосредственно в процессе приготовления бетонных смесей, так и в составе композиционных вяжу щих.

Используя один из способов повышения прочности мелкозернистых бетонов можно управлять процессом стру кту рообразования ВНМЗБ на микроуровне путСм введения го н код не перс н ы х частиц ШМН в состав бетона, на макроуровне за счет использования метода двухчастотного виброуплотнения. что приводит к получению бетонной композиции на местных материалах с улучшенными физико-механическими характеристиками

В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальной проверки теоретических предположений, выдвинутых в работе, оптимизация составов высоконаполнсниых мелкозернистых бетонов.

При оптимизации гарамстров технологии изготовления ВНМЗБ с использованием двухчастотного вибрационного у плотнения определи влияния соотношения цемента и ШМН на физико-механические характеристики мелкозернистого бетона наполненного тонкомолотым металлургическим шлаком Тенденция изменении прочностных характеристик и плотности композиции представлена в табл 1.

Таблица I

Фнзико-мсханичсскнс .характеристики высоконаполненного мелкозернистого бетона в зависимости от соотношения вяжущего и шлакового микронаполннтсля в композиции (7 сут.)

Физико-механические характеристики Соотношение Ц ШМН

1:0 1:0.3 1:0.5 1:0.8 1:1

Прочность при сжатии. МПа 20,0 28,0 27.6 26.8 25.6

Прочность при изгибе. МПа 3.S 5.5 4.9 4.6 4.5

Средняя плотность. кг/м3 2120 2343 2320 2298 2254

При введении шлакового микронаполннтсля наблюдается рост физико-мс.ханичсских показателей ВНМЗБ При соотношении 1 : 0.8 и до 1 : I есть тенденция стабилизации показателен на общем фоне их снижения Но введе-

ннс шлакового микронаполнителя в количествах более 30 % в сочетании с пластифицирующей добавкой (С-3) повышает расход супсрпластифнкатора и цемента в композиции, что не целесообразно с экономической точки зрения

Поэтому для оптимизации состава ВНМЗБ и исследования показателей. определяющих плотность, пористость, морозостойкость и водопотреб-ность. проводились при соотношении Ц : ШМН 1:0,3.

Структурной пористости определяли по ГОСТ 12730.4-78 (полный объем открытых пор бетона И'„ объем открытых капиллярных пор - И'» водопо-глощение бетона, показатс.» среднего размера пор - X, показатель однородности пор по размерам - а). В табл 2 представлены резу льтаты испытаний

Таблица 2

Влияние мнкронаполнителя на пористость, плотность и прочность

бетона (28 сут.)

Образец Прочность при сжатии. МПа Средняя плотность. кг/м3 Полный объем пор И'0, % Показатели пористости

и;. % X а

Контрольный 51 2258 17.8 6.1 0.9 0.5

С добавкой ШМН 72 2343 15,6 3,9 0.7 0.6

мо

290

По результатам испытаний видно, что полный объем пор уменьшился на 13.5 % за счет введения ШМН и двухчастотного виброуплотнення композиции. открытая пористость снизилась на 40 %. показатель среднего размера пор уменьшился на 2.5 %. увеличилась однородность размеров пор

»> Структура высоконапол-

ценного мелкозернистого бетона стала более мслкопорнстой. более однородной, что привело к росту плотности и прочности композиции в целом. Зависимость морозостойкости ВНМЗБ от объема открытых капиллярных пор представлена на рис. 7.

Формирование плотной структуры ВНМЗБ при двухчас-тотном вибрационном уплотнении связано не только с у порядочением расположения частнц ШМН в жестком каркасе из зерен кварцевого песка, но и с максимальным заполнением пу стот в цементном вяжущем частицами ШМН. а также пустот в цементирующей пленке конгломератов

I

I

»МО

I»

ие

Рнс.

и

4)

54

«I

7 - Зависимость морозостойкости ВНМЗБ от объема открытых капиллярных пор

Снижая тем самым и пористость композиции в целом Совокупность этих факторов приводит к снижению водопоглощения бетона в среднем в 1,5 - 2 раза (с 16.8 до 4.5 %) и повышению его морозостойкости Испытания бетонов на морозостойкость осу ществлялось пу тем попеременного замораживания и оттаивания После 20 циклов потерн прочности составили 0.5 %. после 37 циклов - 4.2 %.

При всех положительных аспектах повышения прочности мелкозернистых бетонов при введении в состав цементно-песчаных смесей тонкомолотой шлаковой добавки увеличивается расход цементного вяжу щего. Поэтому при выполнении исследований анализировался еще один способ улучшения свойств ВНМЗБ это введение укрупняющей добавки в виде шлакового отсева (ШО) за счет сокращения доли кварцевого песка Эффективность применения ШО в сочетании с кварцевым песком (КВП) с моду лем крупности Л/,р не более 2.0 в соотношении КВП : ШО. 1 . 1 проявилась в снижении начального водосодержания примерно на 10 - 15 %. в увеличении прочности ВНМЗБ примерно в 1.2 раза. Но использование 50 % добавки ШО по отношению к КВП может привести к недоуплотнению бетонной смеси при поличастотном виброу плотнении, что в свою очередь приведет к снижению прочности Поэтому содержание ШО приняли не более 50 % от КВП. Так как зерновой состав. крупность и форма зерен являются основным фактором, определяющим прочность и морозостойкость ВНМЗБ. соотношение ШМН и цемента, а также соотношение ШО и КВП были выбраны как факторы оптимизации состава ВНМЗБ. Исходя из экономической целесообразности количество пластифицирующей добавки (С-3) вводилось по общепринятым рекомендациям

Математической моделью процесса является фу нкция, связывающая параметры оптимизации плотность (р). прелат прочности при сжатии (ЛС4). пористость (/7). волопо!лощение (И-) с переменными «¡»акторами - соотношением цемента и шлакового микронаполнителя (ШМН/Ц). соотношение кварцевого песка и шлакового отсева (КВПЯНО + КВП) и водоцсментнос отношение В/Ц.

Выбор факторов оптимизации состава ВНПМЗБ производился исходя из технологической и экономической целесообразности получения материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками В табл. 3 представлены уровни и интервалы варьирования выбранных факторов

Таблица 3

Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

в натуральном виде в колированном виде + 1 0 -1

ШМН/Ц X, 0,35 0.3 0.25 0.05

КВП/(ШО+ КВП) Х: 0.8 0.6 0.4 0.2

В/Ц X, 0.5 0.4 0.3 0.1

После статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, количественно характеризующие зависимость физико-механических характеристик ВНМЗБ от исследуемых ([»акторов

У,(р) = 2332 + 306.7Л', + 518.4Л': + 123.5Л"3 + 306.0Л',Л": - \2JX\Xy + 14.7ВД (1) \;(//) = 16.85 + 1.69Л', + 4.28Л': -З.ОТДГ, - 2.93Л',Л': - 1.55Л",.V, - 5.16ЛЧ\', (2) УМ) = 71.56 + 5.35Л , + 6.67Л': + 5.37Л',- 1,01ЛГ|ЛГ2 - 1.71.\ ,Л', - 1.61ЛЧУ, (3) У4(II") = 5.87 + 1.1 &У, + 0.82Л': + 0.26Л', + 0.49Л',Л': + 0.12Л',Л", - 0.06Л'>\', (4)

Используя математическую модель, получено комплексное представление о влиянии шлаковых добавок в виде мнкронаполнителя и шлакового отсева на эксплуатационные характеристики ВНМЗБ. Графическая интерпретация зависимости функций отклика плотности, пористости, предела прочности при сжатии, водопоглощення от факторов варьирования представлены на рнс. 7-14.

I ах

Рис. 7 - Функция отклика плотности ВНМЗБ в зависимости от количества вводимых шлаковых добавок

Рис. 8 - Функция отклика пористости ВНМЗБ в зависимости от количества вводимых шлаковых добавок

5,

Рис. 9 - Функция отклика предела прочности при сжатии ВНМЗБ в зависимости от количества вводимых шлаковых добавок

Рис. 10 - Функция отклика водопоглощення ВНМЗБ в зависимости от количества вводимых шлаковых добавок

Оптимизация составов композиции позволила получить ВНМЗБ с у лучшенными физико-механическими свойствами при использовании метода дву хчастотного виброуилотнення при экономии цементного вяжу щего.

Анализируя структуру композиции, характер распределения компонентов. форму поровых пространств можно сделать вывод, что в ВНМЗБ «эффект микронаполнителя» при введении тонкомолотой шлаковой добавки в цемент проявляется как физическое явление заполнения соответствующих пустот, а также уплотнения стру ктуры Что приводит к увеличению показателей плотности, прочности ВНМЗБ. В системе цемент - шлаковый микрона-полннтель частицы дисперсного шлака не обволакивают поверхность новых фаз и не препятствуют образованию контактов срастания между кристаллогидратами, так как подобранные режимы помола металлургического шлака оптимизируют объемные концентрации цементного вяжу щего и ШМН. При этом учитывается гидравлическая активность шлакового микронаполнителя. пусть даже и не значительная Во избежание снижения прочностных характеристик введение ШМН более 30 % считаем не цетссообразным (рис 7 - 10).

Ив)

Рис. 11 - Функция отклика плотности ВНМЗБ в зависимости от водоцементиого отношения

м

ШММ1Ц

Рис 13 - Функция отклика прочности при сжатии ВНМЗБ в зависимости от водоцементиого отношения

к

к ^^

Рис. 12 - Функция отклика пористости ВНМЗБ в зависимости от водоцементиого отношения

л

035 01 „М

ШЫМ'Ц

Рис. 14 - Фу нкция отклика во-допоглощения ВНМЗБ в зависимости от водоцементиого отношения

м

04 «и

01

При анализе результатов эксперимента выявлена связь водоцементного отношения с количеством ШМН введенного за счет цементного вяжущего (рис. 11 - 14) и ШО, введенного за счет замены части мелкого заполнителя кварцевого песка. Эта связь зависит от степени дисперсности вводимых шлаковых наполнителей и поверхностной активности их частичек. На начальных стадиях структурообразования поверхностная энергия меньше либо равна поверхностной активности элементарных структурных элементов цемента. Поэтому частички ШМН являются активными центрами, вокруг которых группируются структурные элементы цемента, образуя кластеры смешанного типа «вяжущее-микронаполнитель», и могут быть самостоятельными источниками образования собственных кластеров. Что приводит в конечном итоге к упрочнению контактной зоны между цементным камнем и заполнителем кварцевого песка в бетонах. На поверхности частиц ШМН и ШО образуется адсорбционная пленка воды с пластификатором, что приводит к ослабеванию коатуляционных контактов, придавая им обратимый характер. При получении смесью вибрационного импульса она разжижается. После прекращения вибрационного воздействия коагуляционные контакты восстанавливаются, система может быстро структурироваться и снова становиться вязкой, что является признаком тиксотропности. Поэтому для обеспечения необходимой текучести композиции не требуется дополнительного количества воды затво-рения. Оптимизированный состав ВНМЗБ приведен в табл. 4.

Таблица 4

ВНМЗБ оптимального состава для производства изделий, кг/м3

Портландцемент марки ПЦ 500 ДО производства ОАО «Себряковцемент» 375 - 380

Пескок кварцевый с модулем корупности Мк 1,0 - 2,0 ООО «Волгоградский карьерный союз» 930 - 950

Вода 140 - 150

Суперпластификатор С-3 2,4 - 2,6

Металлургический шлак Волжского трубного завода крупностью 10-20 мм, измельченный с уд. поверхностью около 4800 см2/гр 160-165

Шлаковый отсев фракция 0-10 мм 700-750

Полученные результаты положены в основу опытно-промышленной апробации бетонных изделий на ООО "СПЕЦСТРОЙ 155" и ООО «Управление Фасадремонт ВГГС» (г. Волгоград).

В пятой главе приведены результаты опытно-промышленной апробации разработанного состава мелкозернистого высоконаполненного бетона. Результаты испытаний опытно-промышленных изделий представлены в табл. 5

Выполнен расчёт технико-экономических показателей производства шлакоблоков, камней бетонных бортовых, плит тротуарных из оптимизированного состава методом поличастотного виброуплотнения. Экономический

эффект от внедрения разработанного оптимального состава ВНМЗБ достигается за счёт снижения расхода цемента и улучшения эксплуатационных характеристик бетона. Себестоимость изделий (в пересчете на одно изделие) снижена на 20 %.

Таблица 5

Результаты испытаний опытно-промышленных изделий_

Показатель Значение показателя

фактическое по ГОСТ 6665-91 по ГОСТ 17608-91

Прочность бетона при сжатии, МПа 73,8 39,6

Прочность бетона на изгиб, МПа 7,5 5,2

Истираемость, г/см2 0,58 <0,7

Водопоглощение, % 4,6 <6

Морозостойкость, ^ Р 200 ^ 200

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность получения высоконаполненных мелкозернистых бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками при высоком наполнении композиции тонкоизмельченными частицами металлургического шлака в сочетании с методом двухчастотного вибропрессования при изготовлении изделий.

2. Выявлены особенности процесса структурообразования ВНМЗБ, заключающиеся в проявлении «эффекта микронаполнителя» при введении тонкомолотой шлаковой добавки в цемент за счет заполнения соответствующих пустот и уплотнения структуры композиции при оптимально подобранных режимах измельчения шлака в сочетании с рецептурно-технологическими факторами.

3. Установлены закономерности механизма формирования структуры и свойств ВНМЗБ в зависимости от рецептурно-технологических факторов. ШМН за счёт большой удельной поверхности оказывает на бетонную смесь комплексное воздействие. Наряду с контактами «цементное тесто - наполнитель», появляются контакты «микронаполнитель - вяжущее», что способствует увеличению прочности при сжатии на 15 %, прочности при изгибе на 20 %, снижению пористости на 10 %. Дисперсные частицы ШМН произвольной осколочной формы участвуют в организации структуры цементного вяжущего. При двухчастотном виброуплотнении сближение частиц на расстояние соизмеримое с их размерами, при сдвиге структурных кластеров в единичной матричной фазе, снижает толщину сферы из цементной пленки вокруг микрочастиц ШМН при обдире во время виброколебаний и еще более уменьшает расстояние между ними. ВНМЗБ имеет среднюю плотность - 2345 кг/м3, такой плотности способствует высокое наполнение композиции тонкомолотым шлаковым наполнителем в сочетании с виброуплотнением.

4. Дополненные и расширенные существующие представления о способах формирования структуры высоконаполненных мелкозернистых бетонов подтверждены построенной регрессивной моделью и результатами экспериментальных исследований. С помощью математического метода планирования эксперимента получены зависимости, связывающие параметры оптимизации: плотность (р), предел прочности при сжатии (Лсж), пористость (Я), водопоглощение (ИО с переменными факторами - соотношением цемента и шлакового микронаполнителя, соотношением кварцевого песка и шлакового отсева и водоцементным отношением. Что позволило получить материал ВНМЗБ с улучшенными характеристиками: плотностью 2330 кг/м3, прочностью при сжатии 72,5 МПа, водопоглощением 4,9 %, морозостойкостью > №00.

5. Эффективность высокого наполнения мелкозернистых бетонов дисперсными шлаковыми отходами в сочетании с методом двухчастотного виброуплотнения при оптимизации рецептурно-технологических факторов подтверждена результатами экспериментов. За счет развитой поверхности измельченного шлака и поверхностной активности его частиц группируются структурные элементы цемента. Образовавшиеся кластеры смешанного типа являются самостоятельными источниками образования собственных кластеров, что приводит к упрочнению межфазной контактной зоны ВНМЗБ и в конечном итоге к получению материала более плотной структуры с низким поровым пространством, более морозостойким.

6. Экономический эффект от использования ВНМЗБ достигается за счет материалосбережения. Опытно-промышленная апробация показала, что при объеме производства дорожного бордюра 156 шт. достигнуто 20 % снижение себестоимости изделий. При организации технологической линии мощностью около 500 пгг./мес. кроме экономического эффекта достигается значительный экологический эффект, за счет утилизации шлаковых отходов металлургии региона. Предлагаемая технология, сочетающая высокое наполнение бетона с методом двухчастотного виброуплотнения, при использовании техногенных отходов металлургии рентабельна, экологически и экономически эффективна.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 публикациях, в том числе:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Хирис, Н. С. Анализ влияния шлакового микронаполнителя на процессы формирования структуры высоконаполненного мелкозернистого бетона / Н. С. Хирис, Т. К. Акчурин // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. Ч. 2. Строит. Науки. - 2013. - Вып. 33 (52). - С. 97 - 102.

2. Хирис, Н. С. Формирование внутренней структуры мелкозернистого бетона высокой плотности и прочности при наполнении металлургическим

шлаком и двухчастотном виброуплотнении / Н. С. Хирис, Т. К. Акчурин // Веетн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. -2014. - Вып. 35 (54). - С. 121 - 126.

Публикации в других гаданиях:

3. Хирис, Н. С., Акчурин Т. К. Новый тип бетона / Н.С. Хирис, Т.К. Акчурин // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта "Доступное и комфортное жилье гражданам России": технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : материалы Ме-ждунар. науч.-практ. конф., 15-16 дек. 2009 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. - С. 105-107.

4. Хирис, Н. С. Применение наноразмерных добавок для производства модифицированных бетонов различного назначения / Н. С. Хирис, Т. К. Акчурин // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование : материалы IV Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Волгоград - Михайловка, 17 - 18 мая 2011 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ. - 2011. - С. 207 - 212.

5. Патент РФ № 2474542, МПК8 - С04В18/06, Крупный заполнитель для бетона / Хирис. Н.С., Ушаков А. В., Акчурин Т. К., Стефаненко И. В., Чернышев Е. М., Коротких Д. Н. [и др.] - Реестр.№ 2011110632/03, заявл. 21.03.2011, опубл. 10.02.2013, бюлл.№4, 13 с.

6. Оценка качества смешивания компонентов высоконаполненной цементной композиции / Н. С. Хирис и [др.] // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы П1 Междунар. науч.-техн. конф., 10 - 12 апр. 2012 г., Волгоград. -Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ. - 2012. Ч. 1. - С. 147 - 151.

7. Хирис, Н. С. Высоконаполненный мелкодисперсный бетон / Н. С. Хирис, Т. К. Акчурин // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., 23 - 25 сент., 2013 г., Волгоград / М-во образования и науки Рос. Федерации [и др.]., Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ. - 2013. - С. 234 - 240.

8. Хирис, Н. С. Высоконаполненный мелкодисперсный бетон для фундаментов гидротехнических сооружений/ Н. С. Хирис, Т. К. Акчурин // Вестн. ПНИПУ Сер.: Стр-во и архитектура. - 2014. - № 4. - С. 298 - 304.

9. Хирис, Н. С. Высоконаполненный мелкодисперсный бетон для гидротехнических сооружений / Н.С. Хирис, Т.К. Акчурин // Ежегодная науч.-техн. конф. ППС и студентов ВолгГАСУ : материалы конф., Волгоград, 29-30 апр. 2014 г. : в 2-х ч. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2014. - Ч. 1. - С. 40-42.

Хирис Наталья Сергеевна

ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫЙ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИИ

Автореферат

Подписано в печать 04.12.2014 Формат 60x84/16. Бумага Union Prints. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная Усл. печ. л. 1 . Уч.-изд. л. 1,13. Тираж 100 экз. Заказ № 120.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, 400074 г. Волгоград, ул. Академическая 1

Сектор оперативной полиграфии ЦИТ