Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Научно-технические предпосылки разработки геоэкологически обоснованного гидроизоляционного цементного материала с волластонитом 9
1.1 Грунты, грунтовые воды, подтопление городских территорий в Москве 9
1.2 Опыт применения гидроизоляционных цементных материалов для заглубленных сооружений 15
1.3 Патентные исследования цементных гидроизоляционных составов и способов применения с волокном из природных каменных пород 29
1.4 Выводы по главе 1. Научная гипотеза 39
ГЛАВА 2. Исследование состава и свойств пенетрирующих гидроизоляционных материалов с позиции геоэкологической оценки 41
2.1 Методики исследования 41
2.2 Применяемое оборудование 46
2.3 Используемые материалы 52
2.4 Микроструктурный, химический анализы современных пенетрирующих гидроизоляционных материалов, вещественный состав 58
ГЛАВА 3. Разработка и оптимизация состава геоэкологического гидроизоляционного цементного материала с волластонитом 78
3.1 Оптимизация состава 78
3.2 Определение физико-механических свойств образцов из оптимизированного состава 80
3.3 Экологическая оценка материала по составу и свойствам 81
3.4 Выводы по главе 3 - 3
ГЛАВА 4. Исследование структуры гидроизоляционного цементного материала с волластонитом и его экологическая оценка по жизненному циклу, технический и экономический эффект применения 90
4.1 Рентгенофазовый анализ структуры 90
4.2 Микроструктурный анализ и химический анализ цементного камня с волластонитом 94
4.3 Микроструктурный анализ контактной зоны «гидроизоляционное цементное покрытие с волластонитом- бетонное основание» 98
4.4 Технико-геоэкологическая оценка 103
4.5 Экономический эффект 105
4.6 Внедрение гидроизоляционного материала с волластонитом 105
4.7 Выводы по главе 4 106
Общие выводы 108
Заключение 109
Список литературы
- Опыт применения гидроизоляционных цементных материалов для заглубленных сооружений
- Микроструктурный, химический анализы современных пенетрирующих гидроизоляционных материалов, вещественный состав
- Определение физико-механических свойств образцов из оптимизированного состава
- Микроструктурный анализ контактной зоны «гидроизоляционное цементное покрытие с волластонитом- бетонное основание»
Опыт применения гидроизоляционных цементных материалов для заглубленных сооружений
Как известно, Москва расположена на стыке трех крупных ландшафтных областей: Мещерской низины, Клинско-Дмитровской гряды и Москворецкой равнины. На территории города сформировался слой из рыхлых техногенных образований мощностью до 10...15 м. В Москве низкая, по сравнению с большинством европейских столиц, обеспеченность жителей жизненным пространством (в границах территории города до изменения городских границ в и высокая плотность населения – около 4823 чел./км2. Город имеет неравномерную степень застроенности и озеленения [1].
По данным территориального центра ФГУП «Московский научно производственный центр геолого-экологических исследований и использования недр «Геоцентр-Москва» на территории Москвы существенно ухудшились гидрогеологические условия, что вызвало активизацию неблагоприятных геологических процессов, нарушающих экологическую устойчивость окружающей среды.
Более того, в связи с активным водозабором и водоотливом сохраняется вероятность проявления карстово-суффозионных процессов. Суммарная площадь таких участков на территории города составляет 44,2 км2 [2].
Активный водозабор, строительство заглубленных зданий и планировка рельефа вызывает изменение водного баланса водовмещающей толщи пород, происходит нарушение естественных водоносных слоев и развиваются процессы подтопления грунтовыми водами. По существующим оценкам, площадь постоянно подтопленных территорий составляет 40 % от общей площади города. Уровни грунтовых вод в некоторых местах поднялись на 5...7 метров [2, 3]. Также отмечается рост скоростей смещения и деформаций отдельных оползневых массивов. Оползневые процессы наблюдаются на склонах долины Москвы-реки, в том числе в районах Воробьевых гор, Коломенского, Хорошево-Мневники и др.
Подтопление, карстовые и оползневые процессы обусловливают деградацию растительного и животного мира, вызывают ухудшение рекреационных свойств окружающей среды и геоэкологии в целом.
В результате техногенного воздействия инженерных сооружений, интенсивного отбора качественных подземных вод, большого объема строительства сооружений ухудшается химический состав подземных вод, изменяется режим поверхностных (верховодки) и подземных вод, нарушается естественное залегание подземных водных горизонтов. Это делает их проницаемыми для загрязняющих веществ [2, 4, 5]. Страдает состояние земель, их недра, почва, растительность. Вс это снижает качество и эффективность их -использования [1]. Развитие негативных процессов на территории Москвы представлено оценкой геологических рисков и степенью опасности развития эрозии почв.
В Московском регионе горные породы обводнены в зависимости от рельефа, удаленности от естественных водотоков и водомов, начиная от поверхности земли до глубин 30 м. Грунтовые воды оказывают большое влияние на структуру, физическое состояние и податливость грунтов. Производство работ при наличии воды в котловане требует обязательного водоотведения. В соответствии с химическим составом грунтовые воды могут иметь различные виды и степени агрессивности к бетону, стали и другим металлам. Это требует при проектировании и возведении подземных сооружений и коммуникаций детального изучения подземных вод в районе строительства [3, 6].
Вода в грунте может скапливаться за счт конденсации паров, проникающих вместе с воздухом, просачивания дождевых вод и при таянии снега. Поэтому уровень грунтовых вод разный. Наиболее высокое стояние их бывает весной, наиболее низкое - зимой и летом. Вблизи открытых водомов (рек, каналов, озер и т. д.) колебание уровня грунтовых вод обычно связано с колебанием их уровня - 12 -воды. После проведения на большой территории планировочных работ, устройства дорог, тротуаров, канализационной сети и т. д. условия стока и просачивания меняются. Это может повлечь изменение режима грунтовых вод. Поэтому в больших городах, где такие работы уже проведены, колебание уровня грунтовых вод бывает обычно небольшим. Например, в Москве - около 0,5 м [2, 6].
Микроструктурный, химический анализы современных пенетрирующих гидроизоляционных материалов, вещественный состав
Для оценки ожидаемых эффектов в работе использован сравнительный метод исследований. Параллельно изготовленные контрольные и опытные образцы растворов одинаковых составов и подвижности, после твердения в течение необходимого количества суток, испытывали на изгиб, сжатие, определяли среднюю плотность и др. по стандартным методикам.
Определение подвижности. Определение подвижности кладочного раствора оценивали по глубине погружения стандартного конуса по ГОСТ.
Образцы изготавливались с учетом требований ГОСТ. Перед замесом готовились трхгнездовые формы (по 3 призмы 4x4x16 см). Определение средней плотности. Плотность бетона определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.1 [93], по формуле: V где т - масса образца, определяемая взвешиванием с погрешностью не более 0,2 г по методике ГОСТ 10180-90; V - объем образца, см3, по ГОСТ 10180-90 [94]. Определение предела прочности при изгибе. Прочность бетона при изгибе определяли на образцах-призмах размером 40x40x160 мм на итальянской установке CONTROL МСС8 (рисунок 2.2.4) с автоматическим определением изгиба при предельной нагрузке 25 кН и скорости нагружения 0,05 ± 0,01 кН/с по ГОСТ 310.4-81 [95]. Предел прочности при изгибе вычисляют как среднее арифметическое значение двух наибольших результатов испытания трех образцов.
Перед испытанием образцы хранились в шкафу Curacem (Controls, Италия) для выдержки цементного раствора в нормальных условиях. Шкаф предназначен для выдержки цементных и бетонных образцов в нормальных условиях (рисунок 2.2.5). Поддерживаемая температура: от +10 до +40С (±1С), влажность: 95...100%. Шкаф оснащен погружным нагревателем, отдельным устройством охлаждения, компрессором для распыления воды. Мощность - 3 кВт.
Полученные после испытания на изгиб шесть половинок образцов-призм подвергали испытанию на сжатие. Половинки образцов-призм помещали между двумя пластинками с площадью 25 см2. Образец и пластины центрировали на опорной плите пресса. Средняя скорость нарастания нагрузки при испытании была стандартной. Предел прочности при сжатии вычисляли как среднее арифметическое значение четырех наибольших результатов испытания из 6 образцов-половинок.
Прочность бетона на сжатие определяли на итальянской установке CONTROL MCC8 по ГОСТ 310.4-81 (рисунок 2.2.4). Определение водонепроницаемост и Оценка водонепроницаемости покрытия осуществлялась по следующим критериям: по максимальному давлению воды при испытании по «мокрому пятну» и по объему профильтрованной воды.
Испытания по «мокрому пятну» проводили в соответствии с ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» [96] на установке WE 6 MM (рисунок 2.2.11).
Для проведения испытания изготавливались серии образцов-кубов 150х150х150 мм из бетона класса по прочности B12,5 класса по водонепроницаемости W2. Каждая серия состояла из шести образцов. После формования образцы помещались в формах в климатическую камеру до достижения ими возраста 1 сут. (при t=200C, =98%). В возрасте 1 сут. образцы извлекали из форм и наносили гидроизоляционный состав в 2 слоя. Общая толщина слоев составляла 3 мм. Покрытие наносилось на опорные грани образцов, предварительно увлажненные мокрой тканью. Опорные грани выбирали таким образом, чтобы движение воды при испытании было направлено параллельно слоям укладки бетонной смеси в формы. Образцы с нанесенным покрытием вновь помещали в климатическую камеру, где они выдерживались в течение 28 сут. (при t=200C, =98%).
Перед испытанием боковые грани образцов обрабатывалась силиконовым герметиком для предотвращения просачивания через них воды. Образцы устанавливались в испытательные гнезда опорной гранью вниз и надежно закреплялись между верхним и нижним резиновыми уплотнительными кольцами. Снизу к образцам подавалась вода под давлением. Давление воды повышали ступенями по 0,2 МПа в течение 1 - 5 мин и выдерживали на каждой ступени в течение 16 ч. Испытание проводили до момента, когда на верхней торцевой поверхности образца появлялись признаки фильтрации воды в виде мокрого пятна. Водонепроницаемость каждого образца оценивали максимальным давлением воды, при котором еще не наблюдалось ее просачивание через образец. Водонепроницаемость серии образцов оценивали максимальным давлением воды, при котором на четырех из шести образцов не наблюдалось просачивание воды.
Дополнительным критерием оценки водонепроницаемости покрытия служил объем профильтрованной воды. Испытание проводилось по следующей методике, приведенной в DIN 1048, EN 12364, ISO 7031 [97-99]. Образцы устанавливались в испытательные гнезда опорной гранью вниз и надежно закреплялись между верхним и нижним резиновыми уплотнительными кольцами. Снизу к образцам подавалась вода под давлением. Давление воды повышали ступенями по 0,2 МПа в течение 1 - 5 мин и выдерживали на каждой ступени в течение 16 ч. Объем воды, поглощенный образцом за 16 ч, определялся путем фиксирования уровней воды в мерных стаканах с вычислением разницы между первоначальным уровнем воды в стакане и уровнем на каждом этапе испытания.
В качестве пластифицирующей добавки в исследовании использовали суперпластификатор С-3. Суперпластификатор С-3 является продуктом поликонденсации -нафталиновых сульфокислот с формальдегидом и содержит олигомерные цепи различной молекулярной массы. В данном исследовании для всех смесей была принята дозировка 1 % от массы цемента.
Суперпластификатор С-3 выпускается в России на химическом комбинате «Полимерсинтез» во Владимире по ТУ 2481-016-00369171-99 [102]. Представляет собой коричневый порошок, который неограниченно растворяется в воде. Его рН находится в пределах 7,0 ... 7,5.
Порт ландцемент Для исследований был использован бездобавочный портландцемент ПЦ 500– Д0 Старооскольского завода. Микроструктурный, рентгенофазовый, гранулометрический и химический анализы портландцемента выполнены на растровом электронном микроскопе-микроанализаторе FEI Quanta 200 SEM (рисунок 2.2.1). Результаты приведены на рисунках 2.3.1 - 2.3.2, в таблицах 2.3.1 -2.3.2.
Определение физико-механических свойств образцов из оптимизированного состава
Известно, что свойства строительных материалов зависят от компонентов, которые входят в состав материала и структуры [67, 83, 115, 116, 117, 118, 119].
Предварительные исследования позволили определить компоненты, необходимые для гидроизоляционного цементного материала с волластонитом. Было выяснено, что в состав смеси должны входить:
Для оптимизации состава была использована матрица математического планирования эксперимента [92, 106]. Двухфакторный эксперимент был составлен в трех уровнях с обеспеченностью получения результатов 0,95. Адекватность полученных уравнений регрессии была проверена по критериям Фишера и Стьюдента. Ошибки при аппроксимации для уравнений регрессии была от 3 до 4 %.
Для всех составов количество суперпластификатора С-3 было везде одинаковое – 1 % от массы портландцемента, тонкомолотого песка – 15 % и 0,6 % поташа от массы цемента. Подвижность приготовленной смеси также была одинаковой и составляла 14...18 см по погружению стандартного конуса.
Определялись функции цели (свойства покрытия): В/Ц; средняя плотность смеси; пределы прочности при изгибе и сжатии; прочность сцепления. Было принято уравнение регрессии вида [92]:
Полученные уравнения регрессии были проанализированы и обработаны. В результате обработки результатов оказалось, что лучшее свойства имеет состав с содержанием 100 % портландцемента, 15 % тонкомолотого песка; 10 % волластонита; 0,6 % поташа; 0,2 % ГКЖ-10; 1 % суперпластификатора С-3. Этот состав признан оптимальным.
Расход материалов определялся с помощью уравнения абсолютных объемов [66, 67, 83] и его корректировки по результатам экспериментов.
Лучшие результаты для разных расходов волластонита были получены при расходе водорастворимого кремнийорганического гидрофобизатора ГКЖ-10, равного 0,2 % от массы цемента. Определение физико-механических свойств образцов из оптимизированного состава В пункте 3.1 был оптимизирован состав гидроизоляционного материала с волластонитом и добавками. Изготовленные образцы из такого состава в возрасте суток показали максимальную прочность при изгибе, сжатии и сцеплении с подложкой из тяжлого бетона. Образцы хранились в нормальных условиях, то есть при температуре (20±2) оС, атмосферном давлении и относительной влажности (95±5) %.
Для образцов оптимизированных составов с разным расходом волластонита были определены эксплуатационные свойства. Результаты представлены в таблице 3.2.1.
Было установлено, что лучшие свойства соответствуют составу с содержанием волластонита 10 %, при расходе гидрофобизатора ГКЖ-10, равного 0,2 % от массы цемента, суперпластификатора С-3 – 1 % и поташа K2CO3 – 0,6 %.
Экологическая оценка материала по составу и свойствам Для проведения экологической оценки полученного материала по составу и свойствам была использована методика экологической оценки по жизненному циклу материалов по критериям их экологической безопасности для окружающей среды и человека [107].
Методика экологической оценки состава смеси строительного материала по его жизненному циклу состоит из следующих основных частей [107, 108]:
Особенностью экологической оценки по жизненному циклу строительных материалов сложного состава является оценка всего материала, так и его отдельных компонентов: портландцемента, наполнителя или заполнителя, воды, модифицирующих добавок [108]. Сделать это можно с помощью анализа по жизненному циклу нагрузки на окружающую среду для полученного состава смеси.
Добыча сырья Сокращение запасов м исчерпание материальных, энергетических, природных ресурсов. Нарушение ландшафта. Повреждение экосистем (загрязнение воздуха, воды, почвы, выделение опасных веществ). Избегать ненужного употребления сырья. Использовать вторичное и возобновляемое сырь. Оптимально использовать сырь.
Производство материалов состава смеси и их транспортировка (производство, получение) Отходы. Возможны вредные выбросы в воду, воздух, почву. Потребление энергии. Производство качественных, долговечных материалов полифункционального назначения. Сбережение ресурсов и уменьшение транспортных перевозок. Снижение количества этапов обработки.
Строительное производство -применение СМ Потребление энергии. Образование отходов. Вредные выбросы. Загрязнение окружающей среды. Использование качественных материалов. Отказ от использования материалов с органическими растворителями и др. вредных для человека компонентов. Соответствие долговечности отдельных материалов, узлов, сроку службы всего здания.
Периодиспользования СМ в здании или сооружении при эксплуатации Вредные выбросы. Здоровье людей, а также все виды воздействий при эксплуатации Контроль за состоянием материала. Уход за материалом. Ремонт и восстановление свойств, замена негодных материалов и изделий.
Завершение жизненного цикла. Уничтожение или размещение в новых материалах Образование большого количества отходов при сносе зданий. Загрязнение окружающей среды. Нарушение ландшафтов Ремонт. Реставрация. Отказ от свалок и сжигания. Утилизация строительных отходов. Сортировка мусора. Повторное использование отходов.
Микроструктурный анализ контактной зоны «гидроизоляционное цементное покрытие с волластонитом- бетонное основание»
Известно, что свойства строительных материалов зависят от компонентов, которые входят в состав материала и структуры [67, 83, 115, 116, 117, 118, 119].
Предварительные исследования позволили определить компоненты, необходимые для гидроизоляционного цементного материала с волластонитом. Было выяснено, что в состав смеси должны входить:
Для оптимизации состава была использована матрица математического планирования эксперимента [92, 106]. Двухфакторный эксперимент был составлен в трех уровнях с обеспеченностью получения результатов 0,95. Адекватность полученных уравнений регрессии была проверена по критериям Фишера и Стьюдента. Ошибки при аппроксимации для уравнений регрессии была от 3 до 4 %.
В качестве факторов были выбраны: Х1 – расход волластонита, который принимался от массы цемента, равный 5 %, 10 %, 15 %; Х2 – количество гидрофобизатора ГКЖ-10, равное 0; 0,2; 0,4. Для всех составов количество суперпластификатора С-3 было везде одинаковое – 1 % от массы портландцемента, тонкомолотого песка – 15 % и 0,6 % поташа от массы цемента. Подвижность приготовленной смеси также была одинаковой и составляла 14...18 см по погружению стандартного конуса.
Параметры двухфакторного эксперимента представлены в таблице 3.1.1. Матрица эксперимента представлена в таблице 3.1.2. Определялись функции цели (свойства покрытия): В/Ц; средняя плотность смеси; пределы прочности при изгибе и сжатии; прочность сцепления. Было принято уравнение регрессии вида [92]:
Полученные уравнения регрессии были проанализированы и обработаны. В результате обработки результатов оказалось, что лучшее свойства имеет состав с содержанием 100 % портландцемента, 15 % тонкомолотого песка; 10 % волластонита; 0,6 % поташа; 0,2 % ГКЖ-10; 1 % суперпластификатора С-3. Этот состав признан оптимальным.
Расход материалов определялся с помощью уравнения абсолютных объемов [66, 67, 83] и его корректировки по результатам экспериментов.
Лучшие результаты для разных расходов волластонита были получены при расходе водорастворимого кремнийорганического гидрофобизатора ГКЖ-10, равного 0,2 % от массы цемента.
Определение физико-механических свойств образцов из оптимизированного состава В пункте 3.1 был оптимизирован состав гидроизоляционного материала с волластонитом и добавками. Изготовленные образцы из такого состава в возрасте суток показали максимальную прочность при изгибе, сжатии и сцеплении с подложкой из тяжлого бетона. Образцы хранились в нормальных условиях, то есть при температуре (20±2) оС, атмосферном давлении и относительной влажности (95±5) %.
Для образцов оптимизированных составов с разным расходом волластонита были определены эксплуатационные свойства. Результаты представлены в таблице 3.2.1.
Было установлено, что лучшие свойства соответствуют составу с содержанием волластонита 10 %, при расходе гидрофобизатора ГКЖ-10, равного 0,2 % от массы цемента, суперпластификатора С-3 – 1 % и поташа K2CO3 – 0,6 %.
Для проведения экологической оценки полученного материала по составу и свойствам была использована методика экологической оценки по жизненному циклу материалов по критериям их экологической безопасности для окружающей среды и человека [107].
Методика экологической оценки состава смеси строительного материала по его жизненному циклу состоит из следующих основных частей [107, 108]:
Особенностью экологической оценки по жизненному циклу строительных материалов сложного состава является оценка всего материала, так и его отдельных компонентов: портландцемента, наполнителя или заполнителя, воды, модифицирующих добавок [108]. Сделать это можно с помощью анализа по жизненному циклу нагрузки на окружающую среду для полученного состава смеси.
Анализ жизненного цикла строительного материала позволил выявить следующие этапы [108]: Завершение жизненного цикла (простота и необходимость сортировки, разделки и т.п., утилизация, использование в новых материалах и изделиях). Схема оценки нагрузок на окружающую среду по жизненному циклу строительного материала приведена в таблице 3.3.1. Этап жизненного цикла СМ Экологические эффекты Стратегические мероприятия по снижению нагрузок на окружающую среду
Добыча сырья Сокращение запасов м исчерпание материальных, энергетических, природных ресурсов. Нарушение ландшафта. Повреждение экосистем (загрязнение воздуха, воды, почвы, выделение опасных веществ). Избегать ненужного употребления сырья. Использовать вторичное и возобновляемое сырь. Оптимально использовать сырь.
Производство материалов состава смеси и их транспортировка (производство, получение) Отходы. Возможны вредные выбросы в воду, воздух, почву. Потребление энергии. Производство качественных, долговечных материалов полифункционального назначения. Сбережение ресурсов и уменьшение транспортных перевозок. Снижение количества этапов обработки.
Строительное производство -применение СМ Потребление энергии. Образование отходов. Вредные выбросы. Загрязнение окружающей среды. Использование качественных материалов. Отказ от использования материалов с органическими растворителями и др. вредных для человека компонентов. Соответствие долговечности отдельных материалов, узлов, сроку службы всего здания.
Периодиспользования СМ в здании или сооружении при эксплуатации Вредные выбросы. Здоровье людей, а также все виды воздействий при эксплуатации Контроль за состоянием материала. Уход за материалом. Ремонт и восстановление свойств, замена негодных материалов и изделий.
Завершение жизненного цикла. Уничтожение или размещение в новых материалах Образование большого количества отходов при сносе зданий. Загрязнение окружающей среды. Нарушение ландшафтов Ремонт. Реставрация. Отказ от свалок и сжигания. Утилизация строительных отходов. Сортировка мусора. Повторное использование отходов.
Похожие диссертации на Влияние гидроизоляционного цементного материала с волластонитом на геоэкологическую среду
