Прессованные цементобетонные изделия с использованием мелкозернистых бетонов на модифицированном заполнителе

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Прессованные цементобетонные изделия с использованием мелкозернистых бетонов на модифицированном заполнителе

Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Саламанова Мадина Шахидовна

Махачкала-2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Муртазаев Сайд-Альви Юсупович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кокоев Мухаммед Нургалиевич

кандидат технических наук, профессор Чернышева Наталья Васильевна

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Защита состоится «_16__» __12___2011 г. в 14 00 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.052.03 при ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по адресу: 367015, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, 70, ауд. 202.

Факс: 8(8722) 62-38-68, e-mail: dstu@dstu.ru.

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

Автореферат разослан «15_» __11___ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к. т. н. Х.Р. Зайнулабидова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время все более актуальным становится использование цементобетонных изделий для производства плит автомобильных дорог, устройства сборных покрытий спортивно-массовых сооружений, тротуарных дорожек вдоль городских проспектов и улиц и т.д. Технологичность их производства и возможность инвестирования представителями малого и среднего бизнеса является существенным обстоятельством, определяющим их перспективу развития. Особенностью этих изделий является практичность, архитектурная выразительность, эстетичность, простота монтажа и возможность замены их при ремонте. При эксплуатации таких изделий бетон подвергается интенсивным механическим воздействиям и чередующимся циклам замораживания и оттаивания, находясь в водонасыщенном состоянии. Внешние воздействия могут вызвать преждевременный выход этих изделий из эксплуатации, что и подтверждается многолетним опытом. Дефекты наблюдаются на участках дорог с интенсивным движением транспорта и пешеходов. Анализ причин появления дефектов указывает не только на недостаточную прочность материала, но и на необходимость повышения требований к его эксплуатационным свойствам.

Во многих регионах Российской Федерации, в том числе и в Чеченской Республике, наблюдается острый дефицит качественных материалов и сырья для производства высокоэффективных строительных композитов для дорожного строительства и коммунального хозяйства, поэтому назрела необходимость поиска эффективных способов повышения качества бетона, позволяющие не только увеличить их прочностные характеристики, но и положительно влиять на морозо- и коррозионную стойкость, истираемость. В связи с этим наиболее перспективным представляется использование технологии прессования мелкозернистого бетона, полученного с использованием модифицированного заполнителя и микронаполнителя из тонкомолотых кварцевых песков, которое позволяет получать изделия с высокой распалубочной прочностью и отказаться от дорогостоящей опалубки и тепловлажностной обработки изделий.

В связи с изложенным, важной проблемой является - разработка технологии производства цементобетонных конструкций для дорожного покрытия из прессованных изделий из бетонов, с использованием заполнителя, обработанного катионактивными добавками.

Работа выполнена в соответствии с федеральными целевыми программами «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики на 2008-2012гг».

Степень изученности проблемы. Проведенный анализ позволил сделать вывод, что опыт разработки и промышленной реализации технологии производства прессованных цементобетонных изделий из жестких формовочных смесей невелик, в сравнении с опытом производства покрытий пластического формования. Процессы структурообразования прессованных мелкозернистых бетонов в настоящее время изучены недостаточно, исследования влияния катионактивных добавок на свойства бетонов мало изучены и свидетельствуют об актуальности проблемы разработки эффективных цементобетонных изделий с использованием мелкозернистых бетонов на модифицированном заполнителе.

Целью диссертационного исследования является разработка научно обоснованных способов формирования структуры и свойств прессованных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированных заполнителей и тонкомолотых наполнителей из тонкомолотых кварцевых песков. строительный мелкозернистый бетон микронаполнитель

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

- подобраны составы и изучены свойства многокомпонентных вяжущих с использованием тонкомолотых наполнителей и различных химических добавок;

разработаны теоретические положения и основные принципы проектирования прессованных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированного заполнителя;

выявлено оптимальное количество катионактивной добавки для получения модифицированного заполнителя с поверхностной активацией;

разработана технология производства цементобетонных изделий из мелкозернистого прессованного бетона с использованием модифицированного заполнителя и тонкомолотых наполнителей;

разработаны нормативные документы для реализации результатов теоретических и экспериментальных исследований и промышленного внедрения;

определена технико-экономическая эффективность предлагаемых прессованных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированного заполнителя.

Научная новизна диссертационного исследования:

установлены закономерности формирования структуры и свойств прессованных мелкозернистых бетонов в зависимости от рецептурно-технологических факторов;

выявлено влияние модифицированного заполнителя и тонкомолотых наполнителей на процессы структурообразования и физико-механические свойства прессованных мелкозернистых бетонов;

исследованы эксплуатационные свойства прессованных композитов с использованием модифицированного заполнителя и тонкомолотых наполнителей, определяющих долговечность бетона в дорожных покрытиях.

Практическая значимость диссертационной работы:

показана возможность утилизации отходов дробления горных пород при изготовлении изделий из прессованных мелкозернистых бетонов;

разработаны прессованные мелкозернистые бетоны с улучшенными эксплуатационными свойствами с применением тонкомолотых кварцевых песков и модифицированного заполнителя;

разработан технологический регламент на изготовление прессованных цементобетонных изделий;

- разработаны технические условия на изготовление прессованных изделий из мелкозернистого бетона.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены фирмой «Строй-Групп» при изготовлении прессованных плит покрытия с использованием мелкозернистых бетонов с использованием модифицированного заполнителя и тонкомолотых наполнителей из кварцевых песков.

Разработаны нормативные и технические документы:

-технические условия на изготовление прессованных цементобетонных плит с использованием модифицированного заполнителя;

-стандарт предприятия на получение многокомпонентного вяжущего с применением тонкомолотых наполнителей из кварцевых песков.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе при подготовке инженеров в рамках направления 270000 «Архитектура и строительство» по специальностям 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и 270102 «Промышленное и гражданское строительство».

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием апробированных методов экспериментального исследования, поверенного оборудования;

- использованием современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных, испытанием необходимого количества контрольных образцов.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование и производство», г. Грозный, 2008;

2. Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Пензенского государственного университета «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», г. Пенза, 2008;

3. Всероссийской научно-практической конференции «Наука и образование в Чеченской республике: состояние и перспективы», г. Грозный, 2011;

4. Пятой международной конференции «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в XXI веке», ГОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет им. акад. М.Д. Миллионщикова», ГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», г. Грозный, 2010.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ, в том числе 1 в изданиях, определенных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 200 наименований, изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 37 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, дана краткая аннотация работы, ее научная новизна, практическая значимость, а также основные положения работы, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы.

В главе 1 проведен анализ состояния вопроса использования прессованных мелкозернистых бетонов в строительстве, натурные обследования прессованных цементобетонных изделий, дана оценка влияния структурных характеристик на свойства жестких мелкозернистых смесей, определено влияние химических добавок и микронаполнителей на процессы структурообразования и физико-механические свойства мелкозернистых бетонов.

Вопросами анализа причин разрушения мелкоштучных цементобетонных изделий для дорожного покрытия занимались ведущие ученые страны В.В. Стольников, Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов В.А. Невский, A.M. Подвальный, В.П. Шурыгин, Г.А. Ткаченко и др. Их исследования позволили установить основные факторы, определяющие недостаточную коррозионную стойкость бетона, связанную высокой неоднородности их структуры.

Опыт разработки и промышленной реализации технологий производства прессованных цементобетонных изделий из жестких формовочных смесей небогат, в сравнении с опытом получения традиционных покрытий пластического формования.

Недостаточно исследованы вопросы использования химических добавок в жестких формовочных смесях, в условиях повышенных давлений и скоростей деформаций, так как добавки, которые используются в технологии пластического формования, недостаточно эффективны в условиях дефицита воды и высоких динамических нагрузок.

Существует принципиальная возможность повышения физико-механических и эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона для производства прессованных цементобетонных изделий путем химической активации заполнителя катионактивными добавками и использования тонкомолотых наполнителей из кварцевых песков. Процессы структурообразования прессованных мелкозернистых бетонов в настоящее время изучены недостаточно.

Исследования влияния катионактивных добавок на свойства бетонов мало изучены. Существующие методы контроля свойств бетонных смесей, разработанные применительно к технологии пластического формования, к жестким смесям неприменимы, поэтому нужна их разработка.

В главе 2 приведены характеристики использованных материалов и методы исследования основных физико-механических и эксплуатационных свойств цементных композиций в виде мелкозернистых прессованных бетонов.

Для исследований применялся цемент, соответствующий ГОСТ 10178-85, выпускаемый Чири-Юртовским цементным заводом (ПЦ 500-Д0), г. Грозный. Химический и минералогический состав клинкера для изготовления цементов приведены в таблицах 1, 2.

Для изготовления прессованных мелкозернистых бетонов использовались мытые пески Червленского месторождения и мелкие пески Веденского месторождения. Химический состав песков приведен в табл. 3.

Таблица 1

Химический состав цемента

Наименование	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	CaO	SO3	TiO2	ппп	Na2O	K2O
Чири-Юртовский цемент	20,09	5,3	4,06	2,03	63,14	2,44	0,066	2,2	0,22	0,38

Таблица 2

Минералогический состав цемента

Завод-изготовитель и марка	Удельная поверхность, см2/г	Нормальная густота, %	Плотность, кг/м3	Минералогический состав, %	Активность МПа, 28сут
				C3S	C2S	С3А	C4AF	сжатии	изгибе
Чири-Юртовский ПЦ 500 Д0	3300	25	3100	59	16	8	13	52,6	6,2

Так как применяемые пески относятся к группе мелких, то в исследованиях, для выравнивания фракционного состава, применялись отсевы дробления от переработки горных пород Аргунского карьера, основные физико-механические характеристики которых приведены в табл. 4.

Таблица 3

Химический состав песков

Наименование	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	CaO	SO3	TiO2	ппп
Червленский песок	64,27	12,55	3,78	2,31	7,48	0,36	0,10	5,8
Цанар-Корт Ведено наполнитель	78,28	5,45	0,99	2,40	2,36	0,19	0,08	1,8

Для регулирования процессов структурообразования и физико-механических свойств прессованного бетона в состав формовочных смесей вводили различные виды добавок:

- суперпластификатор С-3, соответствующий ТУ 6-36-0204229-625-90, произведенный п/о «Оргсинтез» в г. Новомосковск Тульской области и состоящий из продуктов конденсации меламинсульфокислоты и формальдегида;

- минерально-химическая добавка «БИО-НМ» - ТУ 58 7000-001-58690085-03, произведенная ООО «Биотекс-СП» г. Москва, рекомендуется применять для бетонов с высоким требованиями по эксплуатационным свойствам.

Пластификатор на основе фракционированных лигносульфонатов, неорганических солей, простых эфиров целлюлозы и сополимеров акрилового ряда;

- катионактивная добавка для модификации заполнителя алкилдиметилбензиламмоний хлорид (АДМАХ) - бесцветная, прозрачная жидкость с молярной массой µ_ср=346-376 (ТУ 2482-008-04706205-2004), изготовленной «КАТАПАВ 1214С.80» в г. Волгодонске.

Формула:

R(CH₃)₂[NCH₂C₆H₅]⁺C1,

где R - остаток, содержащий C₁₂- C₁₈;

- гидрофобизирующий 30% водно-спиртовый раствор полиметилсиликоната натрия марки ГКЖ-11 (ТУ 6-02-696-76), полученный из кубов остатков ректификации метилхлорсиланов. Производится Данковским химическим заводом Липецской области.

Таблица 4

Физико-механические характеристики отсевов дробления Аргунского карьера

Вид заполнителя	Полные остатки (%) на ситах, мм	Модуль крупности песчаной составляющей смеси	Межзер Новая пустотность, %	Насыпная плотность, кг/м3	Марка по дробимости фр.5- 10мм
	5	2,5	1,25	0,63	0,315	0,16
Рядовой отсев дробления	38,2	65,1	73,1	73,1	91,5	95,3	4,3	44,3	1510	М1000
Мытый отсев дробления	75,2	96,9	97,8	98,2	98,3	98,4	4,89	46,0	1535	Ml000

Порошкообразные добавки (С-3, БИО-НМ) перед применением растворялись и вместе с водой затворения добавлялись в состав бетонной смеси, а жидкими добавками (АДМАХ, ГКЖ-11) осуществлялась поверхностная обработка заполнителя.

Для улучшения эксплуатационных свойств в состав мелкозернистой смеси вводились фибры полипропиленовые ВСМ - 18 с длиной волокон 18 мм и диаметром 20-30 мкм. Производитель ООО «Альянс-Строительные Технологии», полный аналог фиброволокон Британской марки «Fibrin» производства компании «Adfil». Физико-механические характеристики волокон представлены в табл. 5.

Таблица 5

Физико-механические характеристики волокон

Тип волокна	Плотность, г/см3	Прочность на растяжение, МПа•103	Модуль упругости, МПа•103	Удлинение при разрыве, %
Полипропиленовое	0,9	0,4-0,77	3,5-8,1	10-23

Для проведения экспериментов в специально изготовленной цилиндрической пресс-форме (высота и диаметр 7см) изготавливались серии образцов-цилиндров, которые прессовались при удельном давлении 30 МПа.

На образцах-цилиндрах изучалось влияние модифицированного заполнителя на процессы структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства прессованных мелкозернистых бетонов.

Прочность при сжатии, предел прочности на растяжение при изгибе, предел прочности на растяжение при раскалывании определялась по ГОСТ 10180-90, призменная прочность определялись в соответствии ГОСТ 10180-90. В специальных пресс-формах были изготовлены образцы-призмы размером 40х40х160 мм.

Испытания бетонов на морозостойкость осуществлялись по ГОСТ 10060.2 для дорожных бетонов. В соответствии с ГОСТ 310.4-81 определялась водостойкость бетона.

Величина открытой пористости определялась по ГОСТ 12730.4 «Бетоны. Методы определения показателей пористости». Испытания образцов бетона на водонепроницаемость проводились на установке УВБ-МГ4 в соответствии с ГОСТ 12730.5-84.

Испытания на истираемость осуществлялись в соответствии с ГОСТ 13087-81 на круге ЛКИ-3.

Макро- и микроструктура прессованного образца изучалась с помощью растрового электронного микроскопа системы Quanta 200 3D .

В главе 3 проведены исследования процессов структурообразования прессованных мелкозернистых бетонов. Изучено влияние тонкомолотого микронаполнителя из кварцевых песков на: процессы структурообразования, степень гидратации, параметры порового пространства, свойства затвердевшего бетона.

При разработке состава многокомпонентного вяжущего определено наиболее оптимальное соотношения портландцемента и тонкомолотого наполнителя (ПЦ 75% и МН 25%), которое будет использовано в дальнейших исследованиях (табл. 6).

Таблица 6 Свойства прессованных бетонов с модифицированным заполнителем и микронаполнителем из тонкомолотых кварцевых песков

Характеристика состава бетона	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности на сжатие, МПа	В/Ц	Водопоглощение, %
		7	28
ПЦ75%,МН25% без добавки	2310	24,8	40,3	0,28	4,4
ПЦ75%,МН25% с добавкой АДМАХ 0,1%	2360	36,8	59,4	0,25	2,43
ПЦ75%,МН25% с добавкой БИО-НМ 1,5% от Ц	2320	27,4	52,1	0,27	4,07

Анализ приведенных результатов показывает, что модификация заполнителя катионактивной добавкой АДМАХ позволяет увеличить физико-механические свойства прессованного мелкозернистого бетона.

Изучение сырьевой базы Чеченской Республики по наличию заполнителей для приготовления бетонов показал, что ощущается дефицит средне- и крупнозернистых кварцевых песков, но наблюдается широкое распространение валунно-песчано-гравийных смесей (ВПГС), которые в настоящее время используются в качестве сырья для получения щебня. В настоящей работе применяются отсевы от дробления этих пород (рис. 1, 2).

Рисунок 1 _ Поверхность частиц отсева дробления в отмытом состоянии (а), землистая структура отдельных зерен (б)

Рисунок 2 _ Форма и морфология поверхности частиц отсева дробления в естественном состоянии: а - ВПГС; б - зерно ВПГС; в - поверхность зерна ВПГС; г - зерна кубовидной и лещадной формы; д - плотная «рубашка» на поверхности кварца из глинистого вещества

Применение мытого отсева дробления вместо рядового практически не сказалось на жесткости и степени уплотнения цементно-песчаной смеси и на прочности прессованного бетона. По-видимому, пылевидные частицы, содержащиеся в рядовых отсевах дробления, выполняют роль микронаполнителя. Следовательно, промывка заполнителя приводит к повышению межзерновой пустотности и незначительному снижению прочности бетона (табл. 7).

Таблица 7

Влияние промывки заполнителя на прочность прессованного мелкозернистого бетона.

Расход материалов, кг/м3	Заполнитель	Жесткость, с	Коэффициент уплотнения, КУП	Прочность бетона, МПа
Ц	ОД	В
580	1680	160	рядовой	49	1,81	43,3
			мытый	47	1,79	41,5
620	1580	165	рядовой	43	1,82	52,2
			мытый	46	1,81	51,2

Для получения прессованных бетонов класса В50 и выше была рассмотрена возможность применения смешанного заполнителя, состоящего из природного Червленского песка и мытого отсева дробления ВПГС. Применение укрупняющей добавки приводит к снижению пустотности и водопотребности заполнителей, что может привести к повышению прочности и морозостойкости бетона.

Наибольший прирост прочности бетона имеет место при соотношении П : ОД= 1 : 1, так как прочность увеличилась на 12 - 13 МПа. Результаты испытаний приведены в табл. 8 и 9.

Таблица 8

Характеристики смешанных заполнителей

Доля песка в заполнителе	Соотношение П/ОД	Средняя плотность заполнителя в уплотненном состоянии, кг/м3	Пустотность заполнителя в уплотненном состоянии, %
1,00	1/0	1930	29,4
0,80	4/1	2000	26,7
0,67	2/1	2020	26,0
0,50	1/1	2070	24,2
0,33	0,5/1	1950	28,6
0,00	0/1	1950	38,8

На структурообразование и свойства как свежеуплотненных смесей, так и затвердевших бетонов оказывают влияние многочисленные рецептурные и технологические факторы. Среди них можно выделить основные: исходное водосодержание и давление прессования при уплотнении смеси, расход вяжущего, условия приготовления смеси и последующего твердения композита.

Таблица 9

Влияние заполнителей на свойства бетонов

Доля песка в смеси заполнителей	Соотношение заполнителей П/ОД	В/Ц	Коэффициент уплотнения, КУП	Прочность бетона на сжатие (МПа) в возрасте, сут.
				7	28
1,00	1/0	0,28	1,72	24	45
0,83	5/1	0,27	1,73	29	50
0,65	2/1	0,26	1,77	34	53
0,50	1/1	0,26	1,77	38	57
0,42	0,7/1	0,25	1,76	37	55

Исследования показали заметное водоотделение при прессовании формовочных смесей с начальным водосодержанием 7,5 % и 9 %, поэтому в последующем готовили формовочные смеси с водосодержанием 6,5 %, обеспечивающим наибольшую прочность затвердевшего бетона (табл. 10, рис. 3).

Таблица 10

Свойства свежеуплотненных и затвердевших бетонов в зависимости от водосодержания

Начальное водосодержание (% от массы сухих компонентов)	Свойства свежеотформованых композитов	Свойства затвердевших композитов
	Коэффициент уплотнения	Средняя плотность, кг/м3	Распалубочная прочность, МПа	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа
5,5	1,51	2300	0,90	2274	51,4
6,5	1,72	2326	0,84	2292	58,8
7,5	1,80	2314	0,81	2286	57,1
9,0	1,83	2292	0,70	2262	52,2

Рисунок 3 _ Зависимость прочности (1) и плотности (2) прессованного бетона от начального водосодержания

С увеличением расхода вяжущего повышаются физико-механические характеристики затвердевшего бетона.

Однако, при расходах цемента более 25 % прирост прочности бетонов замедляется (табл. 11 и рис. 4).

Таблица 11

Свойства свежеотформованных и затвердевших бетонов в зависимости от расхода вяжущего

Относительное содержание вяжущего в формовочной смеси, %	Свойства свежеуплотненных композитов	Свойства затвердевших композитов
	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа
20	2230	0,86	2190	51,6
25	2320	1,05	2290	57,8
30	2340	1,08	2310	59,6
35	2350	1,14	2320	61,8

Рисунок 4 _ Зависимость прочности на сжатие (1) и плотности (2) прессованного бетона от расхода вяжущего

Результаты оценки влияния давления прессования на свойства свежесформованных и затвердевших бетонов приведены в табл. 12.

Таблица 12 Влияние давления прессования на свойства свежесформованных и затвердевших бетонов

Давление прессования, МПа	Свойства свежеотформованых композитов	Свойства затвердевших композитов
	Коэффициент уплотнения	Средняя плотность, кг/м3	Распалубочная прочность, МПа	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа
20	1,56	2245	0,85	2215	42,7
30	1,77	2330	1,16	2295	54,8
40	1,82	2350	1,22	2320	55,1
50	1,83	2360	1,23	2325	53,2

Увеличение давления прессования свыше 30 МПа оказывает малозначительное влияние на свойства как свежеуплотненных, так и затвердевших композитов, поэтому в дальнейших исследованиях было принято давление прессования 30 МПа как наиболее рациональное (рис. 5).

Рисунок 5 _ Зависимость прочности на сжатие (1) и плотности (2) прессованного бетона от давления прессования

Таблица 13

Влияние условий твердения на свойства прессованного бетона

Относительное содержание вяжущего %	Свойства пропаренных бетонов	Свойства бетонов нормального твердения
	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Водопоглощение по массе, %	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Водопоглощение по массе, %
25	2305	53,6	4,2	2310	56,8	3,6

Отрицательный заряд поверхности заполнителя предопределяет использование катионактивных ПАВ, способных наиболее эффективно повысить адгезионную связь на поверхности раздела цементная матрица - заполнитель.

Отсюда следует, что одной из важных характеристик ПАВ является их электрокинетическая активность и не менее важный показатель оптимальное содержание ПАВ в композите, обеспечивающее максимальное увеличение прочности.

Исследованиями влияния модифицированной катионактивной добавкой АДМАХ заполнителя на процессы структурообразования и свойства прессованного мелкозернистого бетона установлено, что при обработке заполнителя катионактивными ПАВ происходит избирательно-ориентированная адсорбция его макромолекул, полярная концевая группа молекул заряжена положительно, и поэтому в нейтральном или щелочном растворе она притягивается отрицательно заряженной поверхностью кремнезема, и одновременно гидрофобные углеводородные цепи молекул стремятся освободится от воды и присоединиться друг к другу, формируя в растворе адсорбционный монослой, в результате этого поверхность становится гидрофобной.

Такой характер адсорбции способствует более полному смачиванию, а, следовательно, лучшему прониканию цементной композиции в микрорельеф заполнителя, тем самым создают благоприятные условия для получения прочного адгезионного контакта.

Установлено, что использование модифицированного АДМАХ заполнителя улучшает уплотняемость формовочных смесей, изменяет характер открытой пористости и повышает прочностные характеристики бетона (табл. 14).

Таблица 14

Влияние катионактивной добавки на свойства прессованных бетонов

Вид используемой катионактивной добавки	Распалубочная прочность бетона, МПа	Коэффициент уплотнения купл	Свойства затвердевшего композита
			Средняя плотность, кг/м3	Водопоглощение по массе, %	Предел прочности при сжатии, МПа	Открытая пористость, %
Контрольный (без добавки)	0,85	1,78	2410	4,20	43,3	10,1
С добавкой АДМАХ 0,1%	0,95	1,71	2350	2,43	56,6	7,2
С добавкой ГКЖ-11 0,1%	0,92	1,69	2290	3,82	53,8	8,7

Установлено, что формирование на поверхности заполнителя четного числа слоев модификатора нежелательно, так как он не дает значительного прироста прочности.

Наибольший эффект достигается при модифицировании заполнителя нечетным числом слоев ПАВ, т.е. пятью слоями катионактивной ПАВ (табл. 15).

Таблица 15

Влияние обработки заполнителя АДМАХ на его свойства и прочность прессованного бетона

Концентрация АДМАХ для обработки заполнителя, %	Кол-во монослоев АДМАХ на поверхн. заполнителя	Водопотребность, %	В/Ц при одинаковой подвижности	Предел прочности при сжатии, МПа
				7 сут.	28 сут.
0	0	5,0	0,30	21,6	38,2
7х 10 -4	1	5,0	0,30	21,6	37,2
10 -3	2	5,0	0,30	22,2	39,8
4 х 10 -3	3	3,7	0,26	24,6	45,5
6 х10 -3	4	4,3	0,28	25,7	43,3
10 -2	5	3,7	0,26	31,6	56,4
6 х 10-2	6	4,0	0,28	24,3	43,1
7,5 х 10 -2	7	4,3	0,28	23,2	41,2
10 -1	8	5,0	0,30	20,7	31,6
10-2, введение с водой затворения	-	5,0	0,30	26,7	47,6

Вероятно, эти внешние слои АДМАХ могут десорбироваться с поверхности заполнителя в бетонной смеси, состоящей из модифицированного заполнителя, цемента и воды, в процессе достижения адсорбционного равновесия в ней и положительно влиять на процессы твердения. Данные дифференциально-термического и рентгенофазового анализа подтверждают это предположение.

Изучение структуры прессованного мелкозернистого бетона с использованием заполнителя поверхностно обработанного катионактивной добавкой АДМАХ, производилось методом рентгенографического анализа и растровой электронной микроскопии (рис. 6, 7). Было установлено, что использование модифицированного заполнителя в процессе гидратации клинкерных минералов способствует синтезу мелкокристаллических новообразований низкоосновных гидросиликатов кальция.

Исследования РФА показали, микроструктура цементного камня в возрасте 28-суточного твердения (рис. 7, а, увеличение Ч5000) образцов без добавочных представлена рыхлой матрицей, отсутствуют новообразования с выраженным габитусом кристаллов. В 28-суточном возрасте микроструктура матриц образцов с использованием модифицированного заполнителя (рис. 7, б) преимущественно представлена плотной массой и мелкозернистой фазой, при этом основной элемент микроструктур - кристаллогидрат игольчатой формы. Преобладают призматические, волокнистые и игольчатые кристаллы. Отмечается высокая однородность структуры и четкое прорастание гидросиликатов по всей матрице композитов. У цементного камня с использованием модифицированного заполнителя практически отсутствуют поры и пустоты. Гидросиликаты кальция имеют форму мелких иглообразных кристаллов, иглы разветвленные, образуют дендритообразную непрерывную высокопрочную структуру.

Рисунок 6 _ Рентгенограммы контактной зоны цементного камня с модифицированным заполнителем (1) и контактная зона цементного камня с рядовым заполнителем (2)



Рисунок 7 _ Микрофотографии контактной зоны цементного камня с заполнителем (увеличение Ч5000): а - цементный камень без добавочный;

б -цементный камень с использованием модифицированного заполнителя

Пластинки и чешуйки низкоосновного гидросиликата кальция заполняют пространство между частичками вяжущего, что способствует достижению высокой прочности твердеющей системы.

У образцов без добавочных пустот заполнены хорошо сформированными нитевидными, столбчатыми кристаллами, но такие агрегаты не соединяют стенки пор, следовательно, контакт между ними слабый, что в итоге ведет к понижению прочностных показателей.

Таким образом, использование модифицированного катионактивной добавкой АДМАХ заполнителя положительно влияет на процессы структурообразования, повышает физико-механические и эксплуатационные свойства прессованных композитов.

В главе 4 приведены результаты исследования (табл. 16) физико-механических и эксплуатационных свойств прессованных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированного АДМАХ заполнителя и применения тонкомолотого микронаполнителя из кварцевых песков.

Таким образом, предложенные эффективные составы с использованием заполнителя, обработанного катионактивной добавкой АДМАХ позволяют повысить кубиковую прочность на сжатие и призменную прочность примерно на 20%.

Величина статического и динамического модуля упругости увеличилась, но не значительно. Испытания на морозостойкость показали марку F500 и выше при испытании образцов с использованием модифицированного АДМАХ заполнителем, у образцов прессованных, но без модификаторов F200.

Таким образом, для создания бетона, наиболее стойкого при переменном замораживании и оттаивании, необходимо использовать методы создания направленных структур бетона, в частности применение поверхностно-активных веществ.

Эти добавки, используемые для обработки заполнителя, адсорбируются на зернах заполнителя и гидратных соединений. Добавка АДМАХ химически взаимодействует с гидратом окиси кальция цементного теста. В результате реакции образуется соответствующая кальциевая соль и выделяется молекулярный водород, который распределяется в виде мелких пузырьков в твердеющем цементном камне.

Использование модифицированного заполнителя, обработанного АДМАХ, снижает открытую пористость бетонов, что также приводит к уменьшению водопоглощения и повышению водостойкости бетонов. Определение фактической водонепроницаемости прессованных бетонов показало, что исследуемые составы бетонов выдерживают давление 0,8- 2,0 МПа.

Таблица 16

Физико-механические и эксплуатационные свойства прессованных бетонов

№ состава	Расход материалов, кг/м3	Добавка АДМАХ для хим. обработки заполнителя, %	Прочность бетона, МПа	Модуль упругости, Е х10-3, МПа	Водопоглощение	Морозостойкость	Истираемость
	вяжущее	заполнитель	вода		сжатие	На растяжение	изгиб	статический	динамический
					кубиковая	призм
1	535	1610	165	-	37,3	32,4	2,2	3,8	30	47	3,9	200	0,47
2	545	1640	145	0,1	56,2	48,8	4,1	5,5	33	50	2,2	500	0,35
3	435	1740	155	-	34,2	28,2	2,0	3,2	26	46	4,6	200	0,48
4	445	1780	135	0,1	46,6	40,8	3,9	4,7	31	49	3,0	400	0,37
5	485	1695	160	-	36,5	32,2	2,1	4,2	30	43	4.2	200	0,49
6	495	1710	140	0,1	51,7	44,8	4,2	4,8	34	48	2,6	500	0,36
7	585	1590	175	-	42,3	37,8	3,4	4,8	31	45	3.6	200	0,46
8	600	1630	155	0,1	61,4	54,0	4,8	6,3	36	50	1,9	500	0,33

Использование модифицированного заполнителя и снижение начального водосодержания сказалось на водонепроницаемости композита. Если у прессованных бетонов без модификаторов водонепроницаемость 0,8-1,2 МПа, то водонепроницаемость прессованных бетонов с использованием обработанного заполнителя АДМАХ составила 1,4-2,0 МПа.

Такое влияние модифицированного заполнителя на водонепроницаемость бетона обусловлено тем, что увеличивается сцепление цементного камня с заполнителем, который в свою очередь вступает в реакцию с клинкерными минералами, образуя низкоосновные гидросиликаты кальция, что приводит к снижению проницаемости бетонов. Таким образом, исследуемые прессованные мелкозернистые бетоны имеют достаточно высокую водонепроницаемость.

Анализ представленных результатов показывает то, что истираемость прессованных бетонов с применением модифицированных заполнителей значительно ниже требуемой для дорожных покрытий с интенсивным движением (до 0,5 г/см² ). Применение заполнителя, обработанного катионактивной добавкой, снизило истираемость бетона с 0,46 до 0,33 г/см² .

В главе 5 на основании проведенных теоретических и практических исследований разработаны технические условия на цементобетонные изделия, изготавливаемые по интенсивным технологиям. Показано, что существующие нормативные документы, регламентирующие требования к бетонным изделиям ГОСТ 17608-91 «Плиты бетонные тротуарные. Технические условия» и ГОСТ 6665-91 «Камни бортовые бетонные и железобетонные. Технические условия» распространяются в основном на бетоны, изготовленные по традиционным технологиям (литье) и не могут быть отнесены к цементобетонным прессованным изделиям. Предлагаемая технология прессования в отличие от стандартной позволяет осуществить контроль технологических параметров бетонной смеси стандартными способами.

Показано, что применение катионоактивных добавок вместо анионоактивных существенно повышает прочностные характеристики бетонов и решает ряд методологических вопросов по определению других физико-механических и технических показателей.

В главе приведена технико-экономическая оценка эффективности внедрения разработок, полученных в результате проведенных исследований.

Экономический эффект от применения разработанных дорожных покрытий взамен традиционных достигается благодаря использованию модифицированного заполнителя и составляет более 477 рублей на 1 м3 бетона.

Апробация результатов работы произведена при изготовлении элементов мощения в производственно-строительной фирме «Строй-Групп», специализирующейся в основном на производстве мелкоштучных сборных конструкций. Сертификационные испытания плит цементобетонных покрытий, изготовленных фирмой «Строй-Групп» прессованием на модифицированном заполнителе показали следующие результаты: класс бетона В50; класс бетона по прочности на растяжение при изгибе - В 4,0; истираемость 0,4; водопоглощение 2,4%; морозостойкость 500 циклов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны эффективные составы прессованных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированных заполнителей и тонкомолотых наполнителей из мелких кварцевых песков.

2.Предложен и подробно исследован технологический прием, заключающийся в совместном использовании многокомпонентного вяжущего и заполнителя обработанного катионактивной добавкой АДМАХ в формовочной смеси для прессованных мелкозернистых бетонов.

3.Выявлено влияние основных рецептурно-технологических факторов (зерновой состав заполнителей, вид и количество вяжущего, водосодержание формовочной смеси, давление прессования и условий твердения) на структурообразование и свойства прессованного мелкозернистого бетона повышенной прочности (В 40 и выше).

4. Определено рациональное соотношение фракций плотного заполнителя в формовочной смеси. Предложено использовать мытый отсев дробления и мытый песок в соотношении 1:1.

5.Предложено использование катионактивной добавки алкилдиметилбензиламмоний хлорид (АДМАХ) в количестве 0,1% для поверхностной обработки заполнителя в мелкозернистых прессованных бетонах, значительно повышающее физико-механические и эксплуатационные свойства прессованных бетонов.

6.Эффективность прессованных бетонов с использованием модифицированного заполнителя подтверждена ростом его прочности на растяжение при раскалывании (до 20-25 % по сравнению с контрольным), относительным повышением призменной прочности, ростом модуля упругости.

7. Испытания прессованных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированных заполнителей на морозостойкость показали значительное повышение их марочных значений (до F 500), что связано со снижением доли открытых пор, повышением их однородности по размеру и уменьшением показателя среднего размера пор в бетонах с модифицированным заполнителем.

8. Установлено существенное повышение водонепроницаемости, водостойкости и снижение истираемости мелкозернистых прессованных бетонов с использованием модифицированного заполнителя, что обеспечивает повышенные показатели долговечности дорожных изделий в покрытиях с интенсивным движением.

9. Разработаны технические условия на мелкоштучные изделия с повышенными эксплуатационными свойствами и технологический регламент на их производство, проведена опытно-промышленная апробация результатов работы и выполнены расчеты по оценке технико-экономической эффективности.

10. Экономический эффект от применения разработанных дорожных покрытий взамен традиционных достигается благодаря использованию модифицированного заполнителя и составляет 477 рублей на 1 м³ бетона при годовом выпуске изделий 2000м³ на одной установке.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

- статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых ВАК РФ изданиях:

1. Саламанова М.Ш. Формирование структуры и свойств бетонов на заполнителе из бетонного лома / С-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Саламанова, М.И. Гишлакаева // Бетон и железобетон. - 2008. - №5.- С. 25-28. (0,27 п.л. (авт.-0,09 п.л.)).

- статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

2. Саламанова М.Ш. Влияние заполнителей из бетонного лома на формирование структуры и свойств бетонов / С-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Саламанова, А.Т. Муртазаев // Наука, образование и производство: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Грозный, 2008.- С.261-264. (0,25 п.л. (авт.-0,1 п.л)).

3. Саламанова М.Ш. Повышение эффективности мелкозернистых бетонов путем использования техногенных отходов / С-А.Ю. Муртазаев, З.Х. Исмаилова, М.Ш. Саламанова, М.И. Гишлакаева // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сборник статей Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Пензенского государственного университета. - Пенза, 2008. С.225-228. (0,2 п.л. (авт.- 0,06 п.л)).

4. Саламанова М.Ш. Структурообразование и формирование прочности прессованного мелкозернистого бетона / С-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Саламанова, В.Х. Хадисов // Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в ХХI веке: материалы V Международной конференции. - М., 2010.- С.212-213. (0,22 п.л. (авт.-0,11 п.л.)).

5. Саламанова М.Ш. Мелкозернистые бетоны на основе отсевов дробления для производства элементов мощения / С-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Саламанова, В.Х. Хадисов // Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в ХХI веке: материалы V Международной конференции. - М., 2010. - С.213-215. (0,1 п.л. (авт.-0,05)).

6. Саламанова М.Ш. Использование в мелкозернистых бетонах отходов переработки горных пород / С-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Саламанова, М.С. Сайдумов, М.И. Гишлакаева // Наука и образование в Чеченской республике: состояние и перспективы: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-ти летию со дня образования КНИИ РАН. - Грозный, 2011. - С.181-184. (0,26 п.л. (авт.-0,06)).

Размещено на Allbest.ru