Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПРИРОДООХОРОННОГО ТА КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА

УДК 691.32

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВЛАСТИВОСТІ І ТЕХНОЛОГІЯ БЕТОНУ, МОДИФІКОВАНОГО

ЗАЛІЗИСТИМИ ЦЕОЛІТАМИ

05.23.05 - Будівельні матеріали і вироби

АСТАХОВА НАТАЛЯ ВАЛЕНТИНІВНА

Сімферополь - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Шишкін Олександр Олексійович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри технології будівельних виробів, матеріалів, та конструкцій

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Шейніч Леонід Олександрович, Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри технології будівельних конструкцій і виробів;

- кандидат технічних наук, доцент Шепляков Юрій Олександрович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів.

Провідна установа

ВАТ “Дніпропетровський науково-дослідний інститут будівельного виробництва”, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться ”_06_” жовтня__ 2004 року о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 52.079.01 Національної академії природоохоронного та курортного будівництва, за адресою: 95006, м. Сімферополь, вул. Павленко, 5, навчальний корпус 2, зала засідань ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної академії природоохоронного та курортного будівництва за адресою: 95006, м. Сімферополь, вул. Павленко, 5, навчальний корпус 2.

Автореферат розісланий 30.08.2004 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Рубель О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

На сучасному етапі розвитку промислове виробництво в Україні здійснюється в будівлях і спорудах, термін експлуатації яких складає десятки років. За цей час конструкції цих будівель і споруд, що піддавалися впливу навколишнього середовища, потребують ремонту для відновлення експлуатаційних властивостей.

Для виконання ремонту будівельних конструкцій будівель і споруд необхідно застосування матеріалів, що цілком відповідають умовам їхньої експлуатації та забезпечують спільну роботу під навантаженням із конструкціями, що ремонтуються.

Актуальність теми. Необхідність виконання значних обсягів ремонтних робіт із продовження термінів експлуатації промислових будівель і споруд, виконання яких частіше усього пов'язано з припиненням основного виробництва, спричиняє за собою зниження випуску продукції. Тому бетони, використовувані для ремонту будівельних конструкцій, повинні мати високу швидкість формування фізико-механічних властивостей.

Крім того, використання для виробництва бетонів портландцементу призводить не тільки до підвищення вартості бетону, але і до підвищення його деформативності, а для забезпечення залучення ремонтних елементів у роботу конструкцій, які підсилюють, бетони цих елементів повинні мати низьку деформативність, у першу чергу низьку усадку.

Це пояснюється тим, що підвищена усадка ремонтного бетону призводить до зниження міцності його контакту з матеріалом конструкції, яку підсилюють, аж до порушення цього контакту.

Підвищена ж деформативність ремонтного бетону під дією зовнішнього навантаження не дозволить перерозподілити ці зусилля між конструкцією, яку підсилюють, і бетоном, що підсилює.

Скорочення витрат портландцементу в бетонах можливо за рахунок часткової його заміни різноманітними наповнювачами. Проте відомі наповнювачі не знайшли широкого застосування в якості замінників цементу, тому що їхнє застосування, достатньо часто, призводить до уповільнення швидкості формування фізико-механічних властивостей бетону і зниженню його міцності.

Таким чином, одержання бетонів, спроможних швидко досягати необхідних фізико-механічних показників, при зниженій витраті портландцементу є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася відповідно до п. 6. тематики науково-дослідних робіт навчально-науково-виробничого комплексу “Будіндустрія” (базова організація - Криворізький технічний університет).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є одержання малоцементного бетону, що володіє високою швидкістю формування фізико-механічних властивостей, шляхом модифікації його структури активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - Ca - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатним лужним колоїдним розчином.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- дослідити вплив залізосилікатного лужного колоїдного розчину й активованого залізистими цеолітами наповнювача, що представляє собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂”, на властивості портландцементу;

- дослідити фізико-механічні властивості бетонів, модифікованих активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатним лужним колоїдним розчином;

- провести виробничу перевірку і визначити економічну ефективність отриманих бетонів.

Об'єкт досліджень - бетон, модифікований активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатним лужним колоїдним розчином.

Предмет досліджень - властивості бетону, модифікованого активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатним лужним колоїдним розчином.

Методи дослідження.

1) методи математичного моделювання - для дослідження процесів формування структури і фізико-механічних властивостей бетонів;

2) стандартні і спеціальні методи для визначення і дослідження властивостей цементного тіста, бетонної суміші і бетону.

3) статистичний аналіз - для обробки результатів експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- теоретично доведена й експериментально підтверджена можливість модифікації структури бетону за рахунок введення в його склад активованих залізистими цеолітами мінеральних комплексів, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатного лужного колоїдного розчину, що призводить до збільшення ступеня і швидкості гідратації цементу, а також підвищенню його активності;

- доведено, що модифікація структури бетону, при введенні в його склад активованих залізистими цеолітами мінеральних комплексів, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатного лужного колоїдного розчину відбувається за рахунок зміни складу продуктів гідратації портландцементу;

- уперше встановлено підвищення ступеня зрощення продуктів гідратації портландцементу з мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, що відбувається за рахунок активації їхньої поверхні утворенням на ній залізистих цеолітових, що забезпечує одержання бетонів, що володіють високою швидкістю формування фізико-механічних властивостей, при зниженому утриманні в них портландцементу;

- визначено закономірності формування фізико-механічних властивостей бетону, модифікованого активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності;

- визначено комплекс технологічних операцій і їхні параметри, що забезпечують одержання бетону, модифікованого активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, із заданими властивостями.

Практичне значення отриманих результатів:

- отримано малоцементний бетон, що володіє підвищеною швидкістю формування фізико-механічних властивостей, за рахунок введення в його склад активованих залізистими цеолітами мінеральних комплексів, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатного лужного колоїдного розчину, що розширює сировинну базу будівельних матеріалів;

- розроблено склади бетону, модифікованого активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатним лужним колоїдним розчином, що володіє підвищеною швидкістю формування фізико-механічних властивостей при зниженому утриманні портландцементу, що дозволяє знизити вартість будівельних виробів і конструкцій і скоротити витрати на ремонт будівель і споруд;

- запропоновано метод керування структуроутворенням бетону, модифікованого активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності, і залізосилікатним лужним колоїдним розчином, що враховує наявність у ньому даних комплексів.

Особистий внесок здобувача полягає в:

- теоретичному обґрунтуванні й експериментальному підтвердженні механізму модифікації структури бетону залізосилікатним лужним колоїдним розчином і активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності;

- дослідженні властивостей бетону, модифікованого залізосилікатним лужним колоїдним розчином і активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності;

- розробці складів бетону, модифікованого залізосилікатним лужним колоїдним розчином і активованими залізистими цеолітами мінеральними комплексами, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂” різноманітного ступеня дисперсності.

В опублікованих із співавторами роботах автору належать:

- Встановлені закономірності зміни властивостей цементів і бетонів при введенні залізистих цеолітів [1]

- Встановлені закономірності зміни у часі міцності бетонів, модифікованих залізистими цеолітами [2]

- Встановлені закономірності структуроутворення цементного тіста при введенні активованого наповнювача, що містить залізо [3].

- Склад новоутворень при гідратації портландцементу, який містить активований залізовмісний наповнювач [4].

- Встановлена можливість підвищення міцності бетонів введенням до їх складу залізистих цеолітів [6].

- Визначені властивості портландцементу, який містить залізисті цеоліти та активований наповнювач [7].

- Властивості паст, одержаних на основі активованого залізовмісного наповнювача [8].

- Доведено ефективність модифікації цементу активованим залізистим наповнювачем [9]).

Апробації результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідали на Науково-технічній конференції Криворізького технічного університету (Кривий Ріг, 2000 р.) і на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми” (Київ, 2001 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковані 1 монографія і 8 статей, у тому числі, 6 у спеціальних виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, основної частини (5 розділів), висновків, списку використаних джерел (158 найменувань) і додатків (4 сторінки). Загальний обсяг - 176 сторінок, з яких - 146 основного тексту, 45 рисунків на 16 сторінках і 47 таблиць на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, мету і задачі досліджень, методи досліджень, наукову новизну, а також практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача й апробація результатів дисертації.

У першому розділі зроблено аналітичний огляд літератури з проблеми одержання бетонів, що мають знижену витрату цементу, у тому числі на активованих в'яжучих речовинах.

Значний внесок у теорію бетону і бетонної суміші внесли вітчизняні вчені: Ахвердов Й.М., Баженов Ю.М., Бутт Ю.М., Дворкін Л.Й., Кривенко П.В., Невілль А.М., Сторк Ю., Чернявський В.Л. та ін. Питанням вивчення властивостей в'яжучих речовин присвячено праці Бутта Ю.М., Венюа М., Волженського О.В., Горчакова Г.І., Кривенка П.В., Пащенко А.А. та ін.

Аналізом відомих робіт встановлено, що одержання бетонів з низьким утриманням цементу можливе двома способами. Перший - збільшенням вмісту в бетоні часток наповнювачів і заповнювачів , що не може бути реалізоване в достатній мірі внаслідок того, що збільшення вмісту цих компонентів у бетоні частіше за все призводить до зниження його міцності. Для ліквідації цього недоліку необхідно застосовувати в'яжучі високої міцності або активізувати наявні в'яжучі. Цьому питанню присвячено значну кількість робіт Буднікова П.П., Бутта Ю.М., Волженського О.В., Круглицького Н.Н., Галкіна Т.Ю., Сичова М. М. та ін. Одним із перспективних методів одержання в'яжучих речовин високої міцності і довговічності є метод введення до їхнього складу цеолітів, описаний у роботах Й. Симеонова, Волкова С.Н., Кривенка П.В., Пушкарьової К.К. та інших.

Другий шлях, показаний у роботах Пащенко О.О., Шейніча Л.О., Шишкіна О.О. - це стимулювання утворення у продуктах гідратації портландцементних композицій значної кількості мінералів із високим вмістом зв'язаної води шляхом введення до складу портландцементу залізовмісних речовин.

Встановлено, що технологічні параметри готового бетону залежать від виду застосованих в'яжучого і домішок, складу бетону і виду його заповнювачів.

На основі викладеного сформульовано робочу гіпотезу досліджень: модифікація структури бетону введенням у його склад активованих залізистими цеолітами мінеральних комплексів різноманітного ступеня дисперсності, що представляють собою систему “Fe - Fe₂O₃ - SiO₂ - CaО - CO₂”, і залізосилікатного лужного колоїдного розчину призведе до зміни складу продуктів гідратації цементу, що забезпечить зниження утримання цементу в бетоні при незмінній його міцності, а також зниження його усадки і прискорення формування його фізико-механічних властивостей за рахунок виникнення структурних одиниць, спроможних до реакцій виборчого синтезу й інтенсифікації утворення і розвитку коагуляційної структури бетону.

У другому розділі наведено дані про матеріали, застосовані в дослідженнях, вибір яких обґрунтований метою та задачами досліджень, а також сформульованою робочою гіпотезою. Наведено методики проведення досліджень та обробки їхніх результатів, що включають як стандартні, так і спеціально розроблені методи. Обробка результатів експериментів заснована на математичній статистиці, що дозволяє одержувати достовірні дані і робити обґрунтовані висновки на підставі результатів досліджень.

У третьому розділі представлено результати дослідження властивостей паст з активованих залізовмісних мінеральних речовин. Результатами досліджень доведено, що активація залізовмісних мінеральних речовин силікатами натрію призводить до збільшення їхньої гідравлічної активності незалежно від методу активації. При цьому встановлено, що активація залізовмісних мінеральних речовин силікатами натрію призводить до збільшення їхньої здатності утримувати воду, про що свідчить збільшення показника водоцементного відношення тіста нормальної густоти. В умовах проведення експериментів введення в портландцемент активованих наповнювачів, одержаних на основі залізовмісних мінералів як гірських порід, так і відходів гірничо-збагачувальних комбінатів, і залізосилікатного лужного колоїдного розчину збільшує ступінь гідратації портландцементу в порівнянні з портландцементом без домішок. Як показав аналіз одержаних результатів, найбільшу швидкість гідратації портландцементу забезпечує залізосилікатний лужний колоїдний розчин, одержаний при рівному співвідношенні між рідким склом і залізовмісним наповнювачем при його активації, та активований залізовмісний наповнювач у кількості 20 % від маси портландцементу. При цьому вплив активованого наповнювача і залізосилікатного лужного колоїдного розчину на ступінь і швидкість гідратації портландцементу більший, ніж вплив силікатів натрію.

Встановлено, що пластична міцність цементного тіста у всіх досліджуваних випадках використання активованого залізовмісного наповнювача зростає зі зменшенням водоцементного відношення. Крім цього, у всьому інтервалі вмісту активованого залізовмісного наповнювача, при збільшенні водоцементного відношення понад 0,32, пластична міцність цементного тіста практично стабільна, і водоцементне відношення істотно на неї не впливає.

Введення до складу портландцементу залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до утворення таких мінералів, як трикальцієвий монокарбонатний гідроферит і томсоніт. При цьому максимальна їхня кількість утвориться при вмісті залізосилікатного лужного колоїдного розчину у кількості 0,5 % від маси цементу.

Таким чином, на відміну від гідратації бездомішкового портландцементу: продуктами гідратації цементу, що містить 0,5 % залізосилікатного лужного колоїдного розчину, є гідроалюмінат кальцію a - C₄A(F)H₁₃; кількість Ca(OН)₂ істотно збільшується; новим продуктом гідратації цементу, що містить 0,55 % залізосилікатного лужного колоїдного розчину, є фошагіт; з'являються гідросилікат кальцію C₂SH₂ і гідроалюмінат кальцію C₂AH₈, що підтверджено даними проведеного диференціально-термічного аналізу; гідрату окису кальцію Ca(OH)₂ у цьому складі більше, ніж у продуктах гідратації портландцементу без домішок; новим продуктом гідратації цементу, що містить 0,6 % залізосилікатного лужного колоїдного розчину, є фошагіт, у камені в'яжучого менший набір гідросилікатів кальцію, можлива трохи більша кількість кальцитів; кількість Ca(OH)₂ більша. При введенні в цемент залізосилікатного лужного колоїдного розчину при різноманітних його вихідних співвідношеннях спостерігається збільшення кількості Са(ОН)₂ і CSH (B), що свідчить про стимулювання процесу гідратації C₃S.

В умовах експерименту введення до складу портландцементу залізосилікатного лужного колоїдного розчину (табл.1) призводить до збільшення міцності портландцементного каменю (табл. 2) у всіх межах його застосування. При цьому, найбільшу міцність як при стиску, так і при згині мають цементні камені, що містять 0,5 % залізосилікатного лужного колоїдного розчину. Введення в цемент силікатів натрію підвищує міцність цементного каменю, проте - це збільшення в порівнянні з активованим залізовмісним наповнювачем незначне.

Таблиця 1

Шифр складів суміші при активації наповнювача

Шифр серії	Співвідношення “наповнювач : рідке скло”	Кількість наповнювача, г	Кількість рідкого скла, мл
00	0:1	-	100
10	1:1	100	100
20	1:2	100	200
30	1:3	100	300

Таблиця 2

Міцність цементного каменю

Шифр серії	Шифр складу	Вміст залізосилікатного лужного колоїдного розчину, %	Міцність цементного каменю при стиску, МПа	Міцність цементного каменю при згині, МПа
			абсолютна, МПа	відносна, %	абсолютна, МПа	відносна, %
-	К	-	45,4	100	1,46	100
10	100	0,50	79,6	175	2,30	158
те саме	101	0,55	66,2	146	1,20	82
те саме	102	0,60	64,0	141	2,10	144
20	200	0,50	76,0	167	1,40	96
те саме	201	0,55	76,0	167	1,41	97
те саме	202	0,60	64,8	143	1,88	129
30	300	0,50	74,6	164	1,41	97
те саме	301	0,55	68,0	150	1,94	133
те саме	302	0,60	68,2	150	1,88	129
00	01	0,50	52,4	115	1,52	104
те саме	02	0,55	55,6	122	1,68	115
те саме	03	0,60	53,8	119	1,61	110

бетон залізистий портландцемент

Таким чином, введення залізосилікатного лужного колоїдного розчину у портландцемент у кількості 0,5% від його маси забезпечує підвищення міцності цементного каменю за рахунок більш повного залучення у процеси гідратації трикальцієвого силікату портландцементного клінкеру й утворення томсоніту та трикальцієвого карбонатного гідрофериту.

В умовах експерименту заміна частини цементу, що містить залізосилікатний лужний колоїдний розчин активованим залізистими цеолітами залізовмісним наповнювачем призводить до зміни міцності цементного каменю. Збільшення вмісту активованого такого наповнювача до 20% від маси цементу призводить до збільшення міцності цементного каменю. Подальша заміна портландцементу активованим залізовмісним наповнювачем знижує міцність цементного каменю. При вмісті активованого залізовмісного наповнювача у кількості 55% від маси цементу міцність одержаного в'яжучого практично дорівнює міцності цементу без домішок.

Рис. 1. Відносна міцність цементного каменю залежно від кількості наповнювача (ОГ) і залізосилікатного лужного колоїдного розчину (ПР) СН - силікати натрію.

Таким чином, введення до складу цементу активованого залізовмісного наповнювача і залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до підвищення міцності цементного каменю, одержаного на основі портландцементу.

Заміна 55 % портландцементу активованим залізовмісним наповнювачем, у присутності залізосилікатного лужного колоїдного розчину, забезпечує рівність міцностей цементного каменю, що містить залізосилікатний лужний колоїдний розчин, і портландцементу без домішок (рис.1).

В умовах експерименту введення до складу портландцементу, що містить залізосилікатний лужний колоїдний розчин, активованого залізовмісного наповнювача призводить до збільшення швидкості набору міцності цементним каменем.

За цими даними, шляхом математичної обробки на ЕОМ було одержано рівняння набору міцності цементним каменем

R_t =0,008 -0,73 t + 17,4 t ² -1,6 t ³ +0,03 t ⁴ , (1)

де R_t - міцність цементного каменю у віці t, МПа;

t - “вік” цементного тіста (цементного каменю), діб.

В умовах експерименту введення до складу цементу залізосилікатного лужного колоїдного розчину та активованого залізистого наповнювача, незалежно від їхньої кількості, призводить до зменшення пластичної усадки цементного тіста (рис.2).

При цьому вміст у цементному тісті активованого залізистого наповнювача у кількості 50% і більше призводить до того, що пластичної усадки цементного тіста практично не відбувається.

Рис.2. Пластична усадка цементного тіста ОГ - активований наповнювач

В умовах експерименту введення до складу цементу активованого наповнювача призводить до зменшення усадки цементного каменю (рис.3). При вмісті активованого залізистого наповнювача у кількості 50% і більше, усадка цементного каменю практично відсутня. Таким чином, цемент із таким вмістом активованого залізистого наповнювача можна віднести до безусадкових.

В умовах експерименту введення в цемент активованого залізистого наповнювача призводить до зменшення граничної стисливості цементного каменю. Взагалі, у віці від 14 до 28 діб, при однаковому водоцементному відношенні, із збільшенням кількості активованого залізистого наповнювача до 20% від маси цементу розмір початкового модуля пружності збільшується (табл.3), а при їхньому вмісті понад 20%, розмір початкового модуля пружності цементного каменю зменшується, проте залишається вищим, ніж у портландцементного каменю без домішок.

Рис. 3 Усадка цементного каменю

Таким чином, у результаті досліджень встановлено, що активація залізовмісних мінералів силікатами натрію призводить до збільшення їхньої гідравлічної активності за рахунок утворення мінералів групи цеолітів, що сприяють зниженню коефіцієнта нормальної густоти цементного тіста і зв'язуванню гідрооксиду кальцію; одночасне введення в портландцемент активованого залізистого наповнювача і продуктів його взаємодії із силікатами натрію - залізосилікатного лужного колоїдного розчину - підвищує швидкість набору міцності цементним каменем та її кінцеве значення за рахунок стимулювання процесу гідратації C₃S. При цьому оптимальним є вміст у портландцементі залізосилікатного лужного колоїдного розчину у кількості 0,5% від його маси при заміні 20% портландцементу активованим наповнювачем.

Пластична міцність цементного тіста, що містить активований залізистий наповнювач і залізосилікатний лужний колоїдний розчин, в усьому досліджуваному діапазоні їхнього утримання зменшується зі збільшенням вмісту цього наповнювача і збільшенням водоцементного відношення.

Таблиця 3

Початковий модуль пружності цементного каменю, 10³ МПа

Вміст активованого наповнювача, %	Водоцементне відношення	Вік, діб.
		7	14	28
0	0,28	-	2,32	3,45
те саме	0,32	-	1,6	4,09
те саме	0,36	2,44	1,52	4,12
20	0,28	2,08	2,17	3,71
те саме	0,32	2,93	2,38	4,37
те саме	0,36	1,90	2,20	4,35
30	0,28	2,94	1,80	2,97
те саме	0,32	3,44	1,83	4,06
те саме	0,36	1,46	1,95	4,53
40	0,28	1,90	2,02	1,93
те саме	0,32	2,16	3,54	2,07
те саме	0,36	1,60	1,15	1,78

Проте, збільшення водоцементного відношення понад 0,32 практично не призводить до зменшення пластичної міцності цементного тіста. Встановлено математичну модель пластичної міцності цементного тіста і міцності цементного каменю, що містять активований залізовмісний наповнювач, з урахуванням часу, що дає можливість прогнозування міцнісних властивостей цементного каменю залежно від водоцементного відношення і кількості активованого залізистого наповнювача.

Введення до складу цементу активованого залізистого наповнювача і залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до зменшення деформативності як цементного тіста, так і цементного каменю, а також збільшення його міцності за рахунок збільшення наповненості системи малодеформативними частками залізистого наповнювача.

У четвертому розділі наведено результати досліджень бетонної суміші і бетонів, одержаних на основі портландцементу з домішкою залізосилікатного лужного колоїдного розчину та активованого залізистого наповнювача.

В умовах експерименту введення до складу цементу залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до підвищення рухливості дрібнозернистої бетонної суміші (розчину), а введення активованого залізистого наповнювача зменшує його рухливість. Проте при використанні як заповнювача збагачених відходів ГЗК вплив активованого залізистого наповнювача менш значний, у порівнянні з дрібним заповнювачем - річковим піском.

Таким чином, залізосилікатний лужний колоїдний розчин підвищує рухливість розчинів, а активований залозистий наповнювач - знижує її. Проте їхнє спільне введення дозволяє зберігати рухливість розчинів на рівні рухливості розчинів на цементі без домішок.

В умовах експерименту введення до складу портландцементу активованого залізистого наповнювача і залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до збільшення легкості укладення бетонної суміші. Це можна пояснити тим, що активований залозистий наповнювач знижує значення нормальної густоти цементного тіста, діючи як пластифікатор.

При використанні як дрібного заповнювача бетону класифікованих відходів ГЗК ефект введення до системи активованого залізистого наповнювача посилюється.

Опрацювання експериментальних даних дозволило одержати рівняння легкоукладання бетонної суміші:

G =4,0+ 3,5X + 0,48Y - 2,2Z,

де G - показник легкоукладання бетонної суміші;

- вміст активованого залізистого наповнювача у цементі;

X - вміст дрібного заповнювача в розчинній частині бетонної суміші;

Y - вміст крупного заповнювача в бетонній суміші;

Z - розрідження цементного тіста водою.

Аналіз одержаних результатів показав, що введення в портландцемент активованого залізистого наповнювача і залізосилікатного лужного колоїдного розчину знижує вплив крупного заповнювача і підвищує вплив дрібного заповнювача і водоцементного відношення на легкоукладання бетонної суміші.

Активація силікатами натрію дрібного заповнювача - залізовмісних мінеральних комплексів - і введення залізосилікатного лужного колоїдного розчину у цемент призводить до зниження впливу заповнювачів і підвищує вплив водоцементного відношення на легкоукладання бетонної суміші.

У процесі експерименту введення в цемент активованого залізистого наповнювача і залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до збільшення здатності утримувати воду цементним тістом. При цьому практично для всіх цементів, застосованих у дослідженнях, дотримується умова [В/Ц]_доб = 1,76[В/Ц].

Таким чином, введення до складу цементу активованого залізистого наповнювача і залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до збільшення однорідності розчину і бетону, особливо одержаних при застосуванні як дрібного заповнювача класифікованих відходів ГЗК. Це можна пояснити підвищенням здатності цементного тіста утримувати воду, що створює навколо часток заповнювача щільний шар, що згладжує нерівності на поверхні цих часток.

Введення в цемент активованого залізистого наповнювача і залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до збільшення інтенсивності втрати рухливості бетонної суміші.

Очевидно, це явище відбувається за рахунок підвищення швидкості гідратації цементу, що, у свою чергу, призводить до збільшення швидкості зменшення обєму рідкої фази в цементному тісті.

В умовах експерименту при використанні як дрібного заповнювача річкового піску введення до складу цементу залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до зниження міцності розчину. Це ж явище спостерігається і при введенні в цемент активованого залізистого наповнювача. У той же час при використанні як дрібного заповнювача класифікованих відходів ГЗК, введення до складу цементу залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до збільшення міцності розчину, а введення активованого залізистого наповнювача - до деякого зниження його міцності, яка залишається вище міцності розчину, приготовленого на бездомішковому цементі.

В умовах експерименту введення до складу цементу активованого залізистого наповнювача призводить до збільшення міцності бетону. Проте це збільшення не перевищує 10% міцності бетону, приготовленого на бездомішковому цементі, але при цьому витрати портландцементу зменшуються на 20 - 40 %. Опрацювання зазначених результатів досліджень за допомогою математичної програми “Mathcad 2000” дозволило одержати математичну модель міцності бетонів, модифікованих залізистими цеолітами:

R_б = [R_цехр(0,16-2,62Z²)+222,76 r -102,85 r²]-(0,184-0,221 r +1,11 r² )Ц+

+(0,0005-0,0019r +0.0032r²)Ц², МПа (2),

де Z- розрідження цементного тіста водою;

r - вміст дрібного заповнювача в суміші заповнювачів;

Ц - витрати цементу у бетоні.

Опрацювання одержаних даних, що стосуються деформативності бетону при навантаженні, проводилося за допомогою математичної програми Mathcad 2000. В результаті опрацювання було одержано математичну модель початкового модуля пружності бетону, модифікованого залізистими цеолітами:

Е_б=(5,369-4,567 В/Ц+0,999В/Ц²)( 4,542+ 0,426 r -1,985 r²)*

*( 3,339- 9,702 +17,053² ), 10^-3 МПа (3),

де В/Ц - водоцементне відношення;

r - вміст дрібного заповнювача в суміші заповнювачів;

- ступінь наповнення цементу активованим наповнювачем.

Таким чином, значення міцності і початкового модуля пружності бетону зменшуються зі збільшенням водоцементного відношення й вмісту дрібного заповнювача в суміші заповнювачів r.

Найбільші значення міцності і початкового модуля пружності бетону спостерігаються при 20% наповненні цементу активованим залізовмісним наповнювачем. При водоцементному відношенні більше 0,6 порушується пропорційність зміни міцності бетону при стиску і початкового модуля пружності. Отже, при виробництві бетонів варто обмежувати показник водоцементного відношення, що не повинен перевищувати 0,6.

В умовах експерименту використання активованих залізовмісних наповнювача та дрібного заповнювача, а також залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до скорочення витрати портландцементу на 20 - 40%. При цьому, чим менша міцність бетону, тим вищий ступінь скорочення витрат цементу у ньому. Дослідами визначено, що управління структуроутворенням бетону, модифікованого залізистими цеолітами, здійснюється зміною у ньому кількості цеолітів, активованого залізовмісного наповнювача, портландцементу та дрібного заповнювача у суміші заповнювачів.

У п'ятому розділі наведено результати досліджень впливу технологічних чинників на властивості бетонів, одержаних на основі портландцементу, що містить активований залізовмісний наповнювач і залізосилікатний лужний колоїдний розчин.

В умовах експерименту збільшення часу термічної обробки суміші залізовмісних мінеральних речовин і рідкого скла при активації наповнювача, що проводилася при нормальному атмосферному тиску при температурі 982С, понад 60 хв. практично не призводить до збільшення активності наповнювача (рис.4). Це свідчить про те, що за 60 хв. відбувається повна активація часток наповнювача, тобто утворення на його поверхні залізистих цеолітів, і подальша термічна обробка даної суміші не збільшує їхню кількість.

Рис. 4. Вплив на міцність цементного каменю часу активації наповнювача при нормальному атмосферному тиску і температурі 100С

В умовах експерименту зниження температури термічної обробки суміші залізовмісних мінеральних речовин і силікатів натрію нижче 100С при нормальному атмосферному тиску, призводить до необхідності збільшувати її тривалість для одержання цементу рівної активності.

В умовах експерименту при змішуванні компонентів бетонної суміші за варіантом: змішування цементу й активованого залізовмісного наповнювача з подальшим додаванням сухих заповнювачів, перемішуванням, додаванням залізосилікатного лужного колоїдного розчину та остаточним перемішуванням компонентів, забезпечується найменше водовиділення, найбільша водоутримуюча здатність, найкраще легкоукладання бетонної суміші, а також найбільша міцність і найменша деформативність бетону.

В умовах експерименту збільшення часу перемішування бетонної суміші призводить до поліпшення технологічних властивостей бетонної суміші і фізико-механічних властивостей бетону, одержаного на її основі. Проте збільшення часу перемішування компонентів бетонної суміші понад 3 хв. практично не впливає на властивості бетонної суміші і бетону.

Математичне опрацювання результатів даних досліджень дозволило визначити математичну модель залежності тривалості перемішування бетонної суміші від показника її легкоукладання:

t = 1.45G - 0.13G²,

де G - показник легкоукладання бетонної суміші.

Розроблені бетони пройшли промислову апробацію на заводі великопанельних конструкцій ВАТ “Криворіжжитлобуд” та ЗАТ “Криворіжіндустрбуд”.

Протягом 1998 - 1999 рр. цим заводом відпущено 2070 м³ бетонних сумішей на портландцементі, модифікованому залізистими цеолітами. Готування бетонних сумішей здійснювалося в бетонозмішувачах примусової дії на заводському бетонному вузлі.

Як залізовмісний наповнювач використовували відходи Новокриворізького гірничо-збагачувального комплексу, активація яких здійснювалася у спеціально виготовленій установці шляхом прогрівання суміші відходів ГЗК і рідкого скла щільністю 1250 кг/м³ у співвідношенні 1:1 за масою при температурі 982С.

У виробництві застосовувалися бетони виробничих складів, прийнятих на заводі із заміною частини портландцементу на цемент, модифікований активованим залізовмісним наповнювачем і залізосилікатним лужним колоїдним розчином .

У результаті одержано бетони, що мають міцність при стиску, яка дорівнює міцності при стиску бетонів, одержаних на бездомішковому портландцементі.

При цьому за рахунок використання модифікованого цементу скоротився час, потрібний для розпалублення конструкцій, витрати портландцементу зменшилися у середньому на 14-15%, що дозволило скоротити витрати на матеріали і знизити собівартість бетонної суміші. Загальний економічний ефект склав 31470 грн.

ВИСНОВКИ

У роботі отримані нові науково обґрунтовані результати, що у сукупності вирішують задачу одержання бетонів, що володіють високою швидкістю формування фізико-механічних властивостей при зниженій витраті цементу. Виконані дослідження дозволили зробити такі висновки:

1. Теоретично й експериментально доведена можливість одержання бетону, що володіє високою швидкістю формування фізико-механічних властивостей при зниженому утриманні цементу за рахунок його модифікації залізистими цеолітами, що призводить до скорочення термінів виготовлення бетонних і залізобетонних виробів і скорочує їхню вартість.

2. Доведено, що активація залізовмісного наповнювача, у результаті якої на його поверхні утворяться залізисті цеоліти, а також уведення залізосилікатного лужного колоїдного розчину до складу портландцементу, призводить до модифікації останнього за рахунок збільшення ступеня гідратації трикальцієвого силікату й утворення мінералів цеолітової групи, що призводить до підвищення активності цементу і швидкості формування міцності цементним каменем. При цьому оптимальне співвідношення між силікатами натрію і залізовмісним наповнювачем при його активації складає 1:1, оптимальне утримання активованого наповнювача складає 20%, а оптимальне утримання залізосилікатного лужного колоїдного розчину складає 0,5% від маси цементу.

3. Встановлено, що активація залізовмісного заповнювача, у результаті якої на його поверхні утворяться залізисті цеоліти, за рахунок збільшення міцності його зчеплення з цементним каменем призводить до підвищення міцності бетону, або зниженню витрати цементу в бетоні при зберіганні його міцності. При цьому підвищується швидкість формування фізико-механічних властивостей бетону.

4. За допомогою планування експерименту отримані математичні моделі легкоукладності бетонної суміші, активності цементу, міцності і деформативності бетону, модифікованого залізистими цеолітами. Отримані моделі дозволяють оптимізувати склад бетону.

5. Встановлено вплив технологічних факторів активації залізовмісного наповнювача і заповнювача, а також готування бетону на властивості одержуваного цементу і бетону, що полягає у прискоренні хімічних реакцій на поверхні часток наповнювача і заповнювача і забезпеченні однорідності бетону.

6. Доведено, що введення активованого наповнювача до складу портландцементу покращує легкоукладність бетонної суміші і знижує її вплив на величину тривалості перемішування компонентів бетонної суміші, що забезпечує одержання однорідного бетону.

7. Дослідне використання отриманих бетонів у промислових умовах ВАТ “Криворіжжитлобуд” і ЗАТ “Криворожіндустрбуд” підтвердило достовірність отриманих результатів і обґрунтованість висновків і рекомендацій. Загальний економічний ефект використання розроблених бетонів досягається за рахунок зниження витрати цементу і використання місцевих матеріалів у якості заповнювачів бетону, що призводить до зниження собівартості бетону і складає 31470 гривень.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО У ПРАЦЯХ

1. Шишкин А.А., Астахова Н.В. Активированные вяжущие вещества и бетоны на их основе. - Кривой Рог: Изд-во “Минерал” АГНУ, 2001. - 104 с.

2. Шишкін О.О., Астахова Н.В. Закономірності зміни міцності бетону у часі. // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація: Зб. наук. статей / Редкол.: Стороженко Л.І. (відп. ред.). - Кривий Ріг: 1998. - С. 16-18.

3. Шишкин А.А., Астахова Н.В. Структурообразование цементного теста с добавлением отходов горнообогатительных комбинатов // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Сб. научн. тр. №9, ч.1. - Дн-ск: ПГАСиА, 1999. - С. 317-323.

4. Шишкин А.А., Астахова Н.В. Анализ структуры новообразований вяжущего на активированных отходах ГОК // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Сб. научн. тр. № 13. - Дн-ск: ПГАСиА, 2000. - С. 48-52.

5. Астахова Н.В. Исследование свойств вяжущего на активированных железокарбонатных комплексах // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Сб. научн. тр. № 15. - Дн-ск: ПГАСиА, 2001. - С. 38-45.

6. Шишкін О.О., Астахова Н.В. Підвищення активності бетонів для посилення будівельних конструкцій //Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник. Вип. 54. “Реконструкція будівель і споруд. Досвід та проблеми”. - К.: НДІБ, 2001. - С. 782-791.

7. Астахова Н.В., Шишкин А.А.. Активация портландцемента для производства сталебетонных конструкций // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація. Зб. наук. статей. Вип. 4. - Кривий Ріг: КТУ, 2000. - С. 219-224.

8. Астахова Н.В., Шишкин А.А.. Свойства паст из активированных отходов ГОК // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація. Зб. наук. статей. Вип. 5. - Кривий Ріг: КТУ, 2002. - С. 244-248.

9. Шишкін О.О., Астахова Н.В. Підвищення якості цементу шляхом введення добавок на основі відходів ГЗК // Разработка рудных месторождений. Республиканский межведомственный научн.-техн. сб. Вып. 71. - Кривий Ріг: КТУ, 2000. - С. 75-79.

АНОТАЦІЯ

Астахова Н.В. Властивості і технологія бетону, модифікованого залізистими цеолітами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - “Будівельні матеріали і вироби”. - Національна академія природоохоронного і курортного будівництва, Сімферополь, 2004.

Встановлено доцільність модифікації портландцементу активованим залізовмісним наповнювачем і залізосилікатним лужним колоїдним розчином - продуктом їхньої взаємодії із силікатами натрію для одержання бетонів, які мають високу швидкість формування фізико-механічних властивостей при зниженій витраті цементу. Досліджено вплив активованих залізовмісних наповнювачів і залізосилікатного лужного колоїдного розчину - продукту їхньої взаємодії із силікатами натрію на комплекс властивостей бетонів, що твердіють, і параметри інтенсивності його твердіння. Для оцінки ефективності активованих залізовмісних наповнювачів і залізосилікатного лужного колоїдного розчину використовувалися експериментально-статистичні моделі експериментальних і відносних показників властивостей цементного тіста, розчинів і бетонів. Введення до складу портландцементу активованих залізистими цеолітами залізовмісних наповнювачів і залізосилікатного лужного колоїдного розчину призводить до підвищення пластичної міцності цементного тіста і міцності одержаного цементного каменю, а також до зниження деформативності як цементного тіста, так і цементного каменю і бетону. При цьому підвищується швидкість формування міцності та початкового модуля пружності бетону та зменшується витрата портландцементу у бетоні при високих показниках морозостійкості та водонепроникності одержаного бетону.

Ключові слова: модифікування цементу, комплексна домішка, бетон, приріст міцності.

АННОТАЦИЯ

Астахова Н.В. Свойства и технология бетона, модифицированного железистыми цеолитами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - “Строительные материалы и изделия”. - Национальная академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь, 2004.

Установлен принцип активации железосодержащих минералов силикатами натрия путем проведения сравнительного рентгенофазового анализа исходных железосодержащих минералов, в качестве которых использовали отходы ГОК и смеси “отходы ГОК - силикаты натрия” после ее термической обработки.

Исследована степень активации железосодержащих минералов силикатами натрия в зависимости от времени и температуры их термической обработки, а также давления, при котором она осуществляется.

Исследовано влияние активированных наполнителей, содержащих железо, и железосиликатного щелочного коллоидного раствора на гидратацию портландцемента, пластическую прочность цементного теста, а также на состав продуктов гидратации цемента и его активность. Установлено, что введение в портландцемент железосиликатного щелочного коллоидного раствора и активированного железосодержащего наполнителя приводит к ускорению гидратации трехкальциевого силиката портландцемента с образованием натриево-кальциевых цеолитов и четырехкальциевого гидрокарбоферрита.

Исследованы деформативные свойства цементного камня. Установлено, что введение в портландцемент железосиликатного щелочного коллоидного раствора и активированного железистыми цеолитами наполнителя приводит к снижению деформативности цементного камня.

На основе экспериментально-теоретических исследований получена математическая модель пластической прочности цементного теста и прочности цементного камня, содержащих активированный наполнитель и железосиликатный щелочной коллоидный раствор, учитывающая состав системы и ее возраст, что дает возможность прогнозирования прочностных свойств цементного камня в зависимости от водоцементного отношения и количества активированного наполнителя.

Исследовано влияние активированных наполнителей и железосиликатного щелочного коллоидного раствора на подвижность, однородность, нерасслаиваемость раствора, а также его прочность при сжатии. Установлено, что растворы на модифицированном железистыми цеолитами портландцементе обладают прочностью, не превышающей прочность растворов аналогичного состава без добавок. Доказано, что применение в качестве мелкого заполнителя железосодержащих горных пород или отходов промышленности повышает прочность раствора на модифицированном цементе, а активация этих заполнителей железистыми цеолитами приводит к значительному росту прочности раствора.

Исследованы удобоукладываемость бетонной смеси, ее однородность, нерасслаиваемость и жизнеспособность, а также прочность бетона при сжатии и его деформативность в зависимости от содержания в цементе активированных наполнителей и железосиликатного щелочного коллоидного раствора. Доказано, что введение железосиликатного щелочного коллоидного раствора и активированного наполнителя и заполнителя приводит к повышению скорости набора бетоном прочности и увеличению начального модуля упругости. При этом бетоны, модифицированные железистыми цеолитами, обладают скоростью формирования физико-механических свойств значительно превышающей скорость формирования аналогичных свойств бездобавочных бетонов. Содержание же портландцемента в бетоне, при условии получения одинаковой с бездобавочными бетонами прочности, сокращается на 20…40%.

Показано, что бетоны, модифицированные железистыми цеолитами, обладают достаточно высокими эксплуатационными свойствами, позволяющими их использовать для изготовления строительных изделий и конструкций, подвергающихся действию низких температур.

Установлен оптимальный порядок перемешивания компонентов бетонной смеси на основе цемента, содержащего активированные наполнители.

Установлено влияние удобоукладываемости бетонной смеси на величину оптимального времени перемешивания ее компонентов в зависимости от содержания активированного наполнителя.

Исследовано изменение активности цемента, содержащего активированный наполнитель, в зависимости от времени его хранения.

Ключевые слова: модификация цемента, комплексная добавка, бетон, прирост прочности.

ANNOTATION

Astahova N.V. Properties and technology of concrete, modified glandular zeolites. - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.23.05 - "Building materials and products". - Nacional academy of nature protection and resort construction, Simferopol, 2004.

The expediency of modification of Portland cement by activated ferruginous filling materials and glandular zeolites - products of their interplay with silicates of natrium for obtaining concretes is established, which one have a high speed of formation of physical-mechanical properties at the reduced contents of cement. Influencing activated ferruginous filling materials and glandular zeolites - products of their interplay with silicates of natrium on the complex of properties of hardening concretes and parameters of intensity of his concreting is researched. For a rating of efficiency of activated ferruginous filling materials and glandular zeolites the experimentally - statistical models of experimental and relative parameters of properties cement of the test, solutions and concretes were used.