автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:╩ырфюўэ√х ЁрёЄтюЁ√ эр юёэютх ъюьяючшЎшюээ√ї т цє∙шї

На правах рукописи

КУПРИНА Анна Александровна

Кладочные растворы на основе композиционных вяжущих

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

11 НОЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005564475

Улан-Удэ - 2015

005564475

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

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Лесовик Валерий Станиславович

Официальные оппоненты Шангина Нина Николаевна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I», профессор кафедры «Строительные материалы и технологии»

Чулкова Ирина Львовна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, зав. кафедрой «Строительные материалы и специальные технологии»

Ведущая организация ФГБОУ ВО «Национальный

исследовательский Московский государственный строительный университет»

Защита состоится «_17_» декабря 2015 г. в II22 на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 в Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул.Ключевская, 42 б, стр. 4, ауд.8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и на сайте http://job.essЩ.тWuportal/disseгtatioл/dissertationCoпlшerltary■htпl?disseltationId=465

Автореферат разослан « 16 » октября 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета /"" Дамдинова Дарима Ракшаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Каменная кладка является одним из древнейших видов конструкций, состоящих из стенового материала и кладочного раствора. Актуальность возведения каменных конструкций не снижается и в наше время. Ключевым недостатком традиционной каменной кладки является её невысокая надёжность при динамических воздействиях техногенного и природного характера, что ограничивает её применение в свете тенденции к ужесточению норм по сейсмостойкости зданий и сооружений. Слабым местом системы является контактная зона между стеновым материалом и раствором, а именно- недостаточное сцепление между ними. Направленность работы на устранение данного недостатка, путём создания экономичных и эффективных композиционных вяжущих, обусловливает её актуальность.

Диссертационная работа выполнена в рамках: Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г., договор №А-14/12 - «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» (сроки выполнения 2012-2014 г); госбюдженой НИР №1978 от 31.01.2014 г. «Повышение эффективности производства энергосберегающих, инвестиционно-привлекательных стеновых и отделочных материалов за счёт использования неорганических пластифицирующих систем», в рамках госзадания на оказание услуг — базовая часть. Срок выполнения 2014-2016 г.

Степень разработанности темы. Известно, что традиционные кладочные растворы на основе минеральных компонентов имеют ограниченный потенциал наращивания основных показателей, в частности адгезии к различным видам стеновых материалов. Это связано с большим количеством негативных побочных явлений, вызываемых вводимыми в них тонкодисперсными компонентами, перекрывающими основной положительный эффект. Использование полимерных модификаторов, хорошо зарекомендовавших себя в сухих строительных смесях различного назначения, не популярно ввиду значительного удорожания строительного раствора при его высоком расходе - в толегошовной кладке растворные швы могут формировать до 20% от общего объёма конструкции.

Решением, не применявшимся ранее, является разработка композициошгых вяжущих, обеспечивающих сродство растворов к основным типам применяемых стеновых материалов, с целью повышения сцепления между элементами кладки, её надёжности и безопасности.

Цель работы: разработка эффективных композиционных вяжущих и кладочных растворов на их основе.

Задачи:

— анализ факторов, определяющих надёжность и безопасность каменной кладки, средств их реализации;

- разработка и исследование свойств композиционных вяжущих, оптимизированных для получения кладочных растворов, с учётом закона сродства структур;

- исследование особенностей взаимодействия разработанных кладочных растворов с основными типами стеновых материалов;

- определение путей совершенствования разработанной системы;

- подготовка нормативных документов, практическая реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

Предложены принципы повышения эффективности кладочных растворов, заключающиеся в проектировагши композиционных вяжущих с учётом закона сродства структур. Замена 60% портландцемента на минеральную добавку из соответствующего стенового материала приводит к росту новообразований, аналогичных матрице элементов кладки. В созданной таким образом конструкции предел прочности на срез и на разрыв повышается в 1,5-3 раза, что особенно актуально в связи с ужесточением требований по сейсмостойкости зданий.

Установлено, с учётом специфики твердения, кладочные растворы должны быть адаптированы к заполнению микронеровностей поверхности соответствующих стеновых материалов; иметь в составе вяжущего минеральную добавку, способную противодействовать отсосу влаги поверхностью стеновых материалов для благоприятного протекания гидратационных процессов в начальный период твердения, иметь высокую рагапого прочность. Так, предел прочности при сжатии растворов, разработанных с учётом закона сродства структур и твердеющих на подложке из соответствующих стеновых материалов, в 3-3,5 раза выше, чем у стандартных в возрасте 7-14 сут.

Доказано, что высокие эксплуатационные характеристики кладки на разработанных растворах объясняются микроструктурой оптимизированного камня, которая отличается однородностью, существенно меньшим размером новообразований, их равномерным распределением, полиминеральным составом, повышенной плотностью и степенью гидратации клинкерных минералов. Четкой границы контактной зоны со стеновым материалом не просматривается за счёт сродства структур элементов многослойной системы. Гармонизация тепловых и влажностных деформационных показателей предопределяет долговечность конструкции.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- предложены принципы повышения эффективности кладки за счёт применения композиционных вяжущих;

- обоснована новая разновидность композиционного вяжущего вещества, предназначенного для приготовления строительных растворов различного назначения, в первую очередь - кладочных;

- разработана рецептура низкомарочных композиционных вяжущих, имеющих сродство к основным типам стеновых материалов, являющихся

высокоэффективной специализированной минеральной основой для широкого спектра строительных растворов различного назначения;

— определены составы и изучены свойства кладочных растворов на основе разработанных композиционных вяжущих и кварцевого песка, приготавливаемые на стройплощадке, позволяющие повысить нормальное сцепление раствора со стеновым материалом в 2-3 раза по сравнению с традиционным цементно-известковым кладочным раствором, в 1,5-2 раза по сравнению с сопоставимыми по стоимости товарными кладочными смесями; увеличить надёжность и безопасность кладки в условиях динамических воздействий, повысить культуру строительного производства;

— предложена схема организации производства композиционных вяжущих, которые содержат в качестве минеральной добавки бой соответствующих стеновых материалов, в формате мобильного комплекса. Рассмотрены варианты его размещения по отношению к источникам сырья и потребителям;

— проведена оценка затрат на организацию и производство композиционных вяжущих для кладочных растворов, определена себестоимость продукции, оказавшаяся равной применяемым цементно-известковым растворам, существенно уступающим по техническим показателям.

Методология работы и методы исследований. Методологической основой явились теория искусственных конгломератов, основные положения закона сродства структур. Задачи в диссертационной работе решались с помощью установления закономерностей «рецептура (технологические факторы) — параметры структуры - свойства».

Изучение свойств композиционных вяжущих производилось методами лазерной гранулометрии и ротационной вискозиметрии. Для проведения качественного и количественного анализа процессов структурообразования композиционных вяжущих, кладочных растворов и каменной кладки использовались методы растровой электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, физико-механические методы испытаний.

Достоверность результатов работы. Для получения достоверных результатов при проведении исследований широко применялись стандартные методики, регламентированные нормативными документами. В работе использовалось аттестовагаюе оборудование. Все результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора.

Внедрение результатов исследований. Для внедрения результатов исследований диссертационной работы разработаны следующие нормативно-технические документы: СТО 11779802 - 001 — 2015 «Смеси сухие кладочные «Мог1агСегагшс», «Мог1аг5Шса1е», «Мог1агВ1оск». Технические условия»; технологический регламент на производство сухих кладочных смесей на основе композиционных вяжущих. Подписан протокол о намерениях внедрения результатов работы с ООО «Старатели» (г. Лыткарино, МО).

Разработаны рекомендации по приготовлению композиционных вяжущих для кладочных растворов. Зарегистрировано ноу-хау №20150007 от 01.07.2015 г.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены и используются в учебном процессе в БГТУ им. В.Г.Шухова при подготовке студентов бакалавриата по направлению 270800.62 — «Строительство», профиль - «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; студентов магистратуры профилей 270800.68-03 «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и 270800.68-04 «Инновации и трансфер технологий», что отражено в учебных программах дисциплин «Современные технологии композиционных материалов», «Инновационные технологии и материалы в строительстве».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международная научная конференция «Геоника: Проблемы строительного материаловедения; энергосбережение; экология» (Белгород, 2012 г.); Международная научная конференция «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013 г.); 42-я студенческая научная конференция (Белгород: БГТУ им. В. Г. Шухова, 2013 г.); III Всероссийская научно-практическая конференция: «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Якутск, 2014 г.); XII международная научно-практическая конференция «Наука вчера, сегодпя, завтра» (Новосибирск, 2014 г.); Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2014 г.); XIII Академические чтения РААСН «Научные и инженерные проблемы строительно-технической утилизации техногенных отходов (Белгород, 2014 г.); Международная научно-практическая конференция, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова» «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Россия, Чеченская Республика, г. Грозный, 24 - 26 марта 2015 г.); Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича (Белгород, 2015 г.).

Публикации. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы изложены в 9 научных публикациях, в том числе: 2 в центральных рецензируемых научных журналах, 2 в зарубежных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus.

Объём и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 160 наименований, и 3-х приложений. Работа изложена на 203 страницах текста, содержит 45 рисунков, 37 таблиц.

На защиту выносятся:

— реализация принципов закона сродства структур при решении практических задач;

- теоретическое обоснование и технология получения композиционных вяжущих для кладочных растворов;

- составы и свойства кладочных растворов с повышенной адгезией к основным типам кладочных материалов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При всём многообразии свойств кладочного раствора и стенового материала, ключевым, с точки зрения прочности, надёжности и безопасности кладки, является удельная сила сцепления между ними. Взаимосвязь действующих факторов показана на рисунке 1.

Как видно из схемы, за формирование адгезионного взаимодействия отвечает целый ряд факторов, часть которых не учитывается при традиционных подходах к разработке и созданию кладочных растворов, как на основе минеральных компонентов, так и современных, с использованием полимерных модификаторов.

Рисунок 1 - Факторы формирования адгезии в кладке

Слабым местом растворов, используемых на практике, является применяющийся в качестве основного вяжущего портландцемент. Совокупность его свойств плохо соотносится с требуемыми для достижения высокой эффективности кладочных растворов. Низкая удельная поверхность, оптимальная для бетонов, имеющих в качестве приоритетного свойства прочность - не обеспечивает нужной водоудерживающей способности и скорости твердения; высокая активность - пе позволяет получать низкомарочные растворы с достаточным содержанием минерального клея, без неоправданного перерасхода дорогостоящего вяжущего и т.п.

Минеральные и полимерные добавки, вводимые для придания требуемых свойств, чаще всего лишь устраняют «узкие места», присущие портландцементу, плохо приспособленному для растворов, а не способствуют раскрытию его потенциала. Использование минеральных тонкодисперсных компонентов, например, извести, при определённом улучшении адгезии, приводит к существенному падению прочности, повышению усадки и высолообразованию, снижению морозостойкости и падению многих других показателей.

В связи с этим, повышение надёжности и безопасности каменной кладки не целесообразно без пересмотра сырьевой базы кладочных растворов. Наиболее гибкой минеральной системой, обладающей огромным адаптационным потенциалом, являются композиционные вяжущие. Они позволяют, за счёт изменения соотношения между клинкерной составляющей и минеральной добавкой, варьирования состава последней, введения химических модификаторов и изменения режимов обработки, придавать им разнообразные свойства, необходимые для решения конкретной задачи.

Анализируя с позиций Геоники (Геомиметики) причины высоких прочностных показателей слоистых горных пород, являющихся природными аналогами каменной кладки, было установлено, что в большинстве случаев природный цементирующий раствор содержит большое количество мелких частиц основной породы, обеспечивающих формирование шва на макро- и микроуровнях аналогичного по составу и структуре основной породе. Данный фактор может быть воспроизведён искусственно при разработке композиционных вяжущих для кладочных растворов, что отвечает требованиям закона сродства структур.

Для проверки рабочей гипотезы, в качестве минеральных добавок в состав композиционных вяжущих были выбраны: бой силикатного кирпича (Ск) и газосиликата (Гс) - как родственные к силикатному кирпичу и другим автоклавным стеновым материалам; бой керамического кирпича (Кк) и керамзитобетона (Кб) - как родственные к керамическим стеновым материалам; бой тяжёлого бетона (Тб) — родственный стеновым материалам на основе портландцемента; кварцевый песок (Кп) - контрольная добавка.

Соотношение клинкерной части и минеральной добавки в составе композиционного вяжущего, на основе предварительных экспериментов, было установлено как 40% к 60%. Минеральные добавки предварительно измельчались дроблением до максимальной крупности частиц 2 мм. Получение композиционных вяжущих производилось совместным помолом компонентов в вибрационной шаровой мельнице.

Поскольку условия твердения раствора в кладке, в виде прослойки толщиной 8-12 мм, существенно отличаются от принятых при испытаниях бетонов и растворов, наряду со стандартными показателями определялись и дополнительные, позволяющие оценить поведение раствора в естественных условиях (таблица 1).

Активность разработанных композиционных вяжущих достигает 38,7 МПа, несмотря на замену 60 % клинкерной составляющей на минеральную добавку соответствующего состава.

Более важной и информативной характеристикой для кладочных растворов является прочность при твердении в условиях, близких к реальным. Наилучшие абсолютные и относительные (фактическая прочность по отношению к активности) результаты при этом продемонстрировали составы, содержащие в качестве минеральной добавки бой керамзитобетона (КВ40К6), керамического кирпича (КВ40Кк) и газосиликата (КВ40Гс).

Таблица 1 - Основные характеристики композиционных вяжущих

Состав Я" КВ40К6 КВ40Кк о и, о я ы КВ40Ск КВ40Т6 5 о §

Рациональная дозировка пластификатора Мигар1ая1, % от вяж. 1 0,7 0,5 1 0,5 0,7 0,5

Нормальная густота теста, % - без СП 26 34 34,5 34 30,3 30 34,7

-с СП 19,5 27 26 23 21,5 23,5 25

Сроки схватывания, мин - начало 100 120 130 130 100 120 110

- конец 210 250 240 220 190 240 220

Зуд, м2/кг 340 756 814 894 626 677 699

Активность, МП а 54,6 34,6 32,9 29,7 38,7 36,1 32,3

Прочность р-ра, МПа при Ц:П=1:3, В/Ц=0,5 (хранение в воздушно-влажных условиях, 28 суг.) 17,9 17,6 17,3 14,9 12 12,4 10,6

Высокая дисперсность частиц является залогом высокой водоудерживающей способности, что приводит к формированию более мелких капиллярных пор, лучше сохраняющих влагу в твердеющем композите.

При изучении микроструктуры камня на основе композиционных вяжущих (рисунок 2 а), установлено: материалы с использованием в качестве минеральной добавки боя керамического кирпича и керамзитобетоиа имеют высокоразвитую внутреннюю поверхность. При обжиге глин происходит оплавление частиц, разрушение которых при помоле способствует адсорбции воды - измельчённая керамика служит своеобразным аккумулятором влаги в твердеющем композите.

Аналогичная картина имеет место и в составе на основе вяжущего КВ40Гс, содержащего в качестве минеральной добавки бой газосиликата. В данном случае источником поверхности для удержания воды служат продукты автоклавного взаимодействия молотого песка и извести -гидросиликаты кальция, занимающие значительную долю объёма межпоровых перегородок и представляющие собой микропористые сростки кристаллических частиц различной морфологии (рисунок 2 б). Разрушение по связям между отдельными кристаллами требует меньших затрат энергии, что объясняет самую высокую удельную поверхность вяжущего КВ40Гс.

а):

ШИИараИ г б) ® ш

|Й, А

■гшш:' !а ж;? ¡В V

111111 кц <4

Не ш

111ШШ1вШ111

||

Рисунок 2 - Микроструктура камня на основе: а) КВ40Кк (бой керамического кирпича); б) КВ40Гс (бой газосиликата)

На основе разработанных композиционных вяжущих были получены кладочные растворы. Для всех составов было принято единое отношение вяжущего к песку 1:3, пластифицирующая добавка вводилась в рациональной дозировке, количество воды подбиралось для обеспечения глубины погружения стандартного конуса 9-10 см. Другие функциональные добавки на данном этапе не вводились.

Водоудерживающая способность всех составов превышает 98%, что соответствует требованиям нормативных документов (таблица 2). Марочная прочность растворов (определяемая на образцах - кубах) колеблется в довольно широких пределах: от 10,6 до 17,6 МПа. Поскольку корреляция прочности с В/Т отношением растворов не прослеживается, то наиболее значимым фактором в данном случае является вид минеральной добавки в составе вяжущего.

Однако фундаментальной характеристикой растворов является их фактическая прочность при твердении на подложке соответствующих стеновых материалов в условиях, приближенных к реальным. Вот здесь и прослеживается действие закона сродства структур. Наиболее высокие показатели прочности при твердении на подложке керамического кирпича показал раствор на основе композиционного вяжущего с минеральной добавкой боя керамзитобетона (Р4) и керамического кирпича (РЗ); на подложке силикатного кирпича соответственно Р2. Данная тенденция прослеживается и на других растворах.

Примечательно, что предел прочности растворов на предложенных композиционных вяжущих, твердеющих на подложках соответствующих стеновых материалах, в 1,5-4,5 раза выше, чем традиционных цементно-извсстково-песчаных.

Таблица 2 - Свойства растворных смесей и растворов

Состав Обозначение ВАГ Подвижность раствора по глубине погружения конуса, см Водо-удерж. сп-ть, °Л Средняя плотность, кг/м3 Прочность раствора, МПа

Марочная проч ноет ь Фактическая при твердении на подложке

Вяжущее (40 %) Вид минеральной добавки (60 %) Кер. кирп. Сил. кирп. Цем. бетон

ЦЕМ 142,5 Бой газосиликата Р1 (КВ40 Гс) 0,15 10 99 1932 14,9 10,4 5 8,2

Силикатный кирпич Р2 (КВ40 Ск) 0,12 10 98,7 2023 12 10,7 6,1 7,5

Керамический кирпич РЗ (КВ40 Кк) 0,16 11 98,8 1965 17,3 11,5 5,8 7,1

керамзито-бегон Р4 (КВ40 Кб) 0,12 9 98,6 2061 17,6 13,8 4,9 7,9

тяжелый бетон Р5 (КВ40 Тб) 0,16 12 98,8 2055 12,4 8,7 5,1 6,8

Кварцевый песок Р6 (КВ40 Кп) 0,14 11 98,7 1994 10,6 11,2 5 6,4

сухая строительная смесь для кладочных и штукатурных работ «Р-10» Р-10 0,17 11 97,3 1910 11,3 5,7 1,7 6

цемептно-известково-песчаный раствор Ц - 20%; И - 5%; П -75%) цип 0,11 10 97,6 1832 11,1 3,4 1,3 5

Наиболее высокую марочную прочность продемонстрировали составы РЗ и Р4 на основе композиционных вяжущих с использованием боя

керамических материалов. В случае с раствором Р4, в состав вяжущего которого входит керамзитобетон, имеют место все перечисленные факторы;

- растворная часть керамзитобетона всегда содержит некоторое количество не прореагировавшего клинкерного вещества, обнажаемого в ходе тонкого помола;

- вещество минеральной добавки имеет полиминеральный алюминатно-силикатный состав, что обусловливает возможность его взаимодействия с пластифицирующей добавкой и подтверждается данными реологических исследований и одним из самых низких В/Т=0,12 в рассмотренной серии;

- гидратные фазы керамзитобетона, диспергированные в процессе помола, проявляют сродство к новообразованиям клинкерной части вяжущего, формируют центры кристаллизации.

Высокая прочность состава Р1 обусловлена наличием в составе его вяжущего боя газосиликата, который, в отличие от боя силикатного кирпича, кроме измельчённого кварцевого песка содержит существенно большее количество цементирующего вещества. Это является следствием необходимости обеспечения повышенной прочности межпоровых перегородок.

Скорость твердения вяжущих (рисунок 3) имеет большое значение, поскольку 0 10 20 зо период относительно благоприятной Возраст, сут влажности для набора прочности раствором

Рисунок 3 - Кинетика набора в возводимой кладке, является не прочности растворами продолжительным. Чем большую прочность материал успеет набрать до перехода условий твердения в неблагоприятные, тем ниже риск возникновения дефектов.

Снижение скорости набора прочности происходит более плавно у растворов РЗ и Р4 и, в меньшей степени, Р1. Это также говорит в пользу предположения о выполнении минеральной добавкой в составе КВ функции аккумулятора влаги.

Кривые твердения составов Р5 и Р6 (минеральные добавки: кварцевый песок и тяжёлый бетон) после 14 суток выполаживаются, набор прочности практически прекращается.

Твердение контрольных составов характеризуется снижением скорости твердения после 4 суток. Набранная за это время прочность на 20-30% ниже аналогичных показателей композиционных вяжущих, содержащих на 60% меньше клинкерной составляющей.

Таким образом, управление процессами структурообразования композиционных вяжущих за счёт замены 60% цемента на минеральные добавки соответствующего состава в зависимости от применяемых стеновых материалов приводит к синтезу новообразований, аналогичных матрице элементов кладки, что увеличивает прочность растворов, твердеющих на подложке, в 1,5-4,5, по сравнению с традиционными цементно-известково-песчаными смесями.

Важнейшей характеристикой кладочных растворов является их адгезия к стеновым материалам (таблица 3).

Таблица 3 - Влияние состава кладочного раствора на величину адгезии к

различным кладочным материалам

Состав (вяжущее) Нормальная адгезия к основанию, МПа

Керамический кирпич Силикатный кирпич Цементный бетон

Р1 (КВ40Гс) 0,55 0,57 0,39

Р2(КВ40Ск) 0,49 0,48 0,43

РЗ (КВ40Кк) 0,61 0,34 0,48

Р4 (КВ40К6) 0,77 0,34 0,52

Р5 (КВ40Т6) 0,51 0,31 0,59

Р6 (КВ40Кп) 0,34 0,29 0,76

ССС «Р-10» 0,53 0,38 0,64

ЦИП 0,33 0,37 0,48

Согласно полученным данным, наиболее значимым фактором, влияющим на сцепление кладочного раствора со стеновым материалом, является сродство между ними.

Проводя сопоставление с данными по прочности (таблица 2), можно отметить, что в большинстве рассмотренных случаев составы растворов, способные хорошо твердеть в кладке, демонстрируют и более высокие показатели по адгезии, четкая взаимосвязь с марочной прочностью не прослеживается.

Как уже упоминалось ранее, важным аспектом формирования хорошего адгезионного контакта является гармоничность деформационных характеристик материалов, формирующих кладку.

Кривые нарастания усадочных деформаций растворов на основе композиционных вяжущих, разработанных с учётом закона сродства структур, имеют «8»-образную форму с двойным перегибом, что позволяет разбить весь процесс на три стадии, и проследить связь с динамикой набора прочности растворами (рисунок 4) и адгезией к стеновым материалам.

Растворы Р1, РЗ-Р5 из всех рассмотренных имеют минимальную величину усадочных деформаций в ранние сроки твердения (0-7 сут) и демонстрируют, в данный период, максимальную скорость набора прочности. Далее следует период нарастания усадочных деформаций (7-15

сут.), обусловленный контракционной усадкой и расходованием запасов воды в структуре цементного камня на протекание гидратации клинкерной составляющей. Данный период сопровождается снижением темпов твердения.

Контрольные составы имеют другой характер нарастания усадочных деформаций. В начальный период усадка имеет максимальную скорость и приводит к нарушению контакта с кладочным материалом и повышению дефектности не набравшего достаточной прочности раствора.

С точки зрения обеспечения долговечности кладки при циклическом нагревании-охлаждении, предпочтительным является равное или незначительно о ю 20 зо повышенное значение величины теплового время твердения, сут расширения раствора по отношению к Рисунок 4-Динамика нараста- кладочному материалу. Другим важным ния усадочных деформаций критерием обеспечения эффективной совместной работы раствора и стенового материала в кладке является различие величин деформации набухания.

Оптимальные величины показателя деформации набухания имеют растворы на основе разработанных в диссертационной работе композиционных вяжущих. Величина их удлинения составляет 0,5-0,7 мм/м. Рассматриваемые стеновые материалы имеют более низкую величину данного показателя 0,25-0,45 мм/м. Причиной этого являются особенности микроструктуры композитов.

Подобное соотношение показателей набухания, так же как и в случае с коэффициентом термического расширения, является благоприятным при хорошем сцеплении между раствором и основным стеновым материалом. При увлажнении кладки будет иметь место обжатие раствора за счёт передачи растягивающих напряжений на основной стеновой материал, при условии более высокой прочности последнего.

С учётом повышенной влажности системы это может так же способствовать «залечиванию» микротрещин, раскрытие которых будет уменьшаться за счёт действия сжимающей силы. Клинкерное вещество, обнажённое при возникновении микротрещин, при попадании воды образует «ремонтный раствор» для соединения стенок дефекта. С данной позиции, для

обеспечения долговременного запаса непрогидратированного вяжущего и повышения способности к самовосстановлению, имеет смысл вводить в раствор, наряду с композиционным вяжущим, 3-5% от его массы немолотого портландцемента, этим закладывая в данный материал элементы «интеллектуальности», что является весьма перспективным, ввиду современных тенденций в строительном материаловедении.

Таким образом минимальная величина усадочной деформации в ранние сроки твердения (до 7 суток) и максимальный набор прочности кладочных растворов на композиционных вяжущих, разработанных с учётом сродства структур, способствуют повышению эффективности кладки в целом.

Для оценки потенциала совершенствования разработанной минеральной системы была проведена её модификация за счёт добавления эфира целлюлозы МесеНозе РМС 24502 в минимальной дозировке 0,05% от массы вяжущего.

Введение полимерного модификатора привело к снижению прочности раствора в кладке в среднем на 10-25%, сближению величины данного показателя у разных по составу растворов. Адгезия растворов к различным основаниям выросла в среднем на 20-40% (рисунок 5).

1,4 1.2 1

го

I 0,8

а

|

г о.б

ЯГ

<

0,4 0,2 0

Рисунок 5 - Адгезия модифицированных растворов к основным типам стеновых материалов (проранжированы по убыванию)

Введете полимерного модификатора в минимальной дозировке в растворы на композиционных вяжущих, родственных применяемому стеновому материалу, позволяет повысить удельную силу сцепления между ними до уровня 0,75-1 МПа и более, что в большинстве случаев превосходит показатели высокомодифицированных товарных сухих строительных смесей.

Силикатным кирпич

Керамическим кирпич

Цементный бетон

I

§ 9

9 9?

со аз са

9 9

£Е С2

О

9

Общий прирост величины адгезии за счёт модификации высокоэффективной минеральной основы составляет до 90%. Модификация стандартных (низкоэффективных) минеральных основ даёт существенно меньший эффект. Прирост адгезии составляет до 50%.

Наряду с испытаниями на стандартных образцах рассмотрено влияние разработанных составов на степень анизотропности кладки. Для этого были изготовлены образцы, состоящие из трёх перевязанных рядов стенового материала, которые были испытаны сжимающим воздействием вдоль и поперёк горизонтальных растворных швов.

На степень анизотропности кладки (таблица 5) значительное влияние оказывает вид вяжущего в составе кладочного раствора.

Таблица 5 - Прочность образцов кладки при различных направлениях приложения нагрузки___

Стеновой материал Состав кладочного раствора (вяжущее с полимерным модификатором) Прочность, МПа, при приложении нагрузки по отношению к горизонтальным швам Коэффициент анизотропности Прочность при сдвиге, МПа

поперёк вдоль

Керамический кирпич Р3.1 (КВ40Кк) 13,5 11 1,23 1,21

ЦИП 1 14,2 8,9 1,60 0,5

Силикатный кирпич Р1.1 (КВ40Гс) 12,5 9,6 1,30 0,87

ЦИП 1 11,8 6,1 1,93 0,32

Установлено, что использование родственных стеновым материалам композиционных вяжущих позволяет на 30-45% снизить коэффициент анизотропности кирпичной кладки по сравнению с модифицированным цементно-известково-песчаным раствором. Данный эффект более ярко проявляется на более «сложном», с точки зрения обеспечения хорошего сцепления с раствором, силикатном кирпиче.

Интегральной характеристикой, определяющей надёжность кладки в условиях сейсмических нагрузок, является предел прочности при сдвиге. Показано, что данный показатель в 2,4-2,7 раз выше у кладки с применением кладочным растворов на основе разработанных композиционных вяжущих. Значение этой характеристики хорошо коррелируется с показателями по адгезии кладочных растворов к стеновым материалам.

Это объясняется микроструктурой контактной зоны раствора и стеновых материалов. Чёткой границы не видно, существенная разница в морфологических особенностях материалов не прослеживается, трещины и дефекты отсутствуют (рисунок 6).

ШШЩ

Я

а) б)

Рисунок 6 - Общий вид контактной зоны раствора со стеновым материалом (х60-65): а) с керамическим кирпичём; б) с силикатным кирпичём.

Таким образом, предложены принципы повышения эффективности кладочных растворов, заключающиеся в проектировании композиционных вяжущих с учётом закона сродства структур. Высокие эксплуатационные характеристики кладки на разработанных растворах объясняются микроструктурой оптимизированного камня на основе разработанных композиционных вяжущих, которая отличается однородностью и малым размером новообразований, их равномерным распределением, повышенной плотностью и полиминеральным составом. В результате в 1,5-3 раза повышается прочность на сдвиг и на разрыв, что предопределяет долговечность конструкции в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги выполненного исследования:

1. Теоретически и практически подтверждена рабочая гипотеза о возможности получения высокоэффективных кладочных растворов на основе специальных композиционных вяжущих, разработанных с учётом закона сродства структур.

2. Для повышения адгезии к стеновым материалам необходимо обеспечить хорошее заполнение неровностей рельефа стенового материала за счёт повышенного содержания цементного клея, его хорошей текучести и высокой проникающей способности. Кроме того, должны быть обеспечены благоприятные условия синтеза новообразований твердеющего вяжущего на поверхности стенового материала за счёт миграции продуктов реакции к границе раздела и поддержания благоприятного микроклимата в твердеющем растворе максимальное время. Это достигается за счёт формирования

капиллярно-пористой микроструктуры структуры растворного камня, за счёт использования соответствующих композиционных вяжущих.

3. По данным лазерной гранулометрии, все составы разработанных композиционных вяжущих имеют высокое содержание мелких частиц <4 мкм, отвечающих за обеспечение водоудерживающей способности.

4. Микроструктура камня на основе разработанных композиционных вяжущих отличается однородностью и малым размером новообразований, равномерностью их распределения, повышенной плотностью и степенью гидратации клинкерной части, и, в ряде случаев, развитой внутренней поверхностью, благоприятной для аккумулирования влаги и твердения в сухих условиях.

5. Композиционные вяжущие, содержащие в качестве минеральной добавки бой различных стеновых материалов, имеет более полную степень гидратации клинкерной составляющей в условиях кладки, т.е. демонстрируют более высокую эффективность её использования, оцениваемую по расходу цемента на достижение 1 МПа прочности.

6. Растворы на композиционных вяжущих способны аккумулировать и удерживать 1,5-2% (масс.) влаги, необходимой для твердения в условиях кладки. В растворах на основе композиционных вяжущих влага размещается на высокоразвитой ячеистой поверхности минеральной добавки и твёрдой фазы вяжущего, что обеспечивает её постепенное поступление к гидратирующимся клинкерным частицам в течение наиболее продолжительного периода (до 15 сут.), и обеспечивает интенсивный прирост прочности при неблагоприятных внешних условиях.

7. Наилучшие показатели адгезии обеспечивают растворы на основе композиционных вяжущих, в состав которых входит минеральная добавка, родственная основному стеновому материалу по структуре и свойствам.

8. Спецификой нарастания усадочных деформаций растворов на композиционных вяжущих является наличие периода в течение первых 3-7 сут., характеризуемого их минимальной величиной. За данный отрезок времени формируется прочная связь между элементами кладки, и кладочный раствор успевает набрать необходимую прочность для противодействия последующему нарастанию усадки. Таким образом, динамика нарастания усадочных деформаций является следствием структурных особенностей камня композициошюго вяжущего, формируемых под влиянием использованной для его приготовления минеральной добавки.

9. Деформация набухания растворов на композиционных вяжущих выше или равна аналогичному показателю рассмотренных стеновых материалов. В условиях повышенной влажности системы это может так же способствовать «залечиванию» микротрещин, раскрытие которых будет уменьшаться за счёт действия сжимающей силы. Обнажённое при их возникновении клинкерное вещество при попадании воды образует ремонтный раствор для соединения стенок дефекта. С данной позиции, для обеспечения долговремешюго запаса непрогидратированного и повышения

способности к самовосстановлению, имеет смысл вводить в раствор, наряду с композиционным вяжущим с Sya=750-850 м2/кг, 3-5% от его массы обычного портландцемента, этим закладывая в данный материал элементы «интеллектуальности», что является весьма перспективным, ввиду современных тенденций в строительном материаловедении.

10. Разработанные композиционные вяжущие, при их выборе с учётом сродства к основному стеновому материалу, позволяют получать кладочные растворы, по совокупности значимых показателей в 2-3 раза превосходящие традициошше и дешевле по стоимости сухих строительных смесей аналогичного назначения.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы:

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационный работы могут быть рекомендованы к применению в практике проектирования искусственных композитов различного назначения, в первую очередь -широкой гаммы кладочных, монтажных, ремонтных и отделочных растворов, а также использованы в учебном процессе при подготовке студентов бакалавриата по направлению 270800.62 «Строительство» профиль «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; студентов магистратуры профилей 270800.68-03 «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и 270800.68-04 «Инновации и трансфер технологий», что отражено в учебных программах дисциплин «Современные технологии композиционных материалов», «Инновационные технологии и материалы в строительстве».

Исследования целесообразно продолжить в направлении изучения особенностей протекания процессов техногенного метасоматоза разработанных композитов с целью придания им свойств интеллектуальных композитов: способности к самовосстановлению при возникновении микродефектов, самоизоляции порового пространства с целью повышения долговечности, самоочищения с целью поддержания эстетичного вида кладочных швов; разработки широкой гаммы рецептур растворов различного назначения (отделочных, монтажных, ремонтных и др.) на основе разработашюй минеральной системы, как в виде сухих смесей, так и «влажных» растворов, приготавливаемых на месте, исследования их свойств, внедрения в повседневную строительную практику.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Лесовик B.C. Использование положений Геопики при проектировании конструкций для работы в условиях динамических и сейсмических нагрузок / B.C. Лесовик, Ю.А. Беленцов, A.A. Куприна // Известия вузов. Строительство. 2013. № 2-3 (650-651). С. 121-126.

2. Лесовик B.C. Эффективные сухие смеси для ремонтных и восстановительных работ / B.C. Лесовик, JI.X. Загороднюк, Д.А. Беликов, А.Ю. Щекина, A.A. Куприна // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 8285.

В зарубежных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus

3. Anna A. Kuprina, Valéry S. Lesovik, Liliya H. Zagorodnyk and Michail Y. Elistratkin. Anisotropy of Materials Properties of Natural and Man-Triggered Origin // Research Journal of Applied Sciences, 2014. T. 9. №. 11. C. 816-819.

4. Ruslan V. Lesovik, Zagorodnuk L. Hasanovna, Andrey V. Shkarin, Denis A. Belikov and Anna A. Kuprina. Creating Effective Insulation Solutions, Taking into Account the Law of Affinity Structures in Construction Materials // World Applied Sciences Journal, 2013. T. 24. №. 11. C. 1496-1502.

В других изданиях

5. Куприна A.A.., Наномодифицированные строительные растворы для сейсмостойкого строительства / B.C. Лесовик, В.В. Потапов, A.A. Куприна // Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение. Сборник материалов 1П Всероссийской научно-практической конференции. — Якутск, СевероВосточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 3-4 марта 2014 г. С. 305-311.

6. Куприна A.A. Закон сродства структур - основой принцип проектирования многослойных систем / A.A. Куприна, Е.О. Прасолова // сборник статей по материалам XII международной научно-практической конференции «Наука вчера, сегодня, завтра». - Новосибирск: Изд. «СибАК», июнь 2014 г. № 6 (13). С. 35-40.

7. Куприна A.A. Эффективные кладочные растворы с повышенной адгезией к основанию / Куприна A.A. // Вестник ЦРО РААСН: сб. науч. ст. / РААСН, БГТУ им. В.Г. Шухова, выпуск 13. - Белгород: изд-во БГТУ, 2014. С. 140-145.

8. Куприна A.A. Доступный модификатор для кладочных растворов / A.A. Куприна, М.Ю. Елистраткин, Н.В. Кулик // В сборнике: Современные строительные материалы, технологии и конструкции. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова» (24-26 марта 2015 г., г. Грозный). В 2-х томах. Т.1. - Грозный: ФГУП «Издательско-полиграфический комплекс «Грозненский рабочий». 2015. С 370-376.

9. Куприна A.A. Композиционные вяжущие для эффективных строительных растворов [Электронный ресурс] / A.A. Куприна, B.C. Лесовик, М.Ю. Елистраткин, A.B. Гинзбург // Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича. Белгород. 2015.

КУПРИНА Анна Александровна

Кладочные растворы на основе композиционных вяжущих

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 25.09.15. Формат 60x84/16. Усл. псч. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ №1210

Отпечатано в типографии «Зебра» 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 36 А