Содержание к диссертации
Введение
1. Научно-технические предпосылки разработки экструдированных облегчённых материалов с полыми стеклянными микросферами . 10
1.1. Экструдированный мелкозернистый бетон . 12
1.2. Облегчённые строительные растворы . 19
1.3. Трещиностойкость облегчённых цементных материалов . 22
1.4. Выводы по главе 1. Научная гипотеза . 25
2. Методики исследований. Материалы. Оборудование 27
2.1. Методики исследований 27
2.2. Исследовательское оборудование 32
2.3. Материалы 38
2.4. Составы материалов 43
3. Облегчённый экструдированный кладочный раствор 44
3.1. Свойства облегчённого экструдированного кладочного раствора с ПСМС 44
3.2. Подбор и оптимизация составов кладочного раствора с ПСМС 52
3.3. Изучение структуры оптимизированного экструдированного облегчённого кладочного раствора с ПСМС . 55
3.4. Прочность сцепления цементного камня с ПСМС . 66
3.5. Выводы по главе 3 . 69
4. Изделия из экструдированных облегченных материалов с полыми стеклянными микросферами 72
4.1. Состав и свойства изделий из экструдированного облегчённого материала с ПСМС . 72
4.2. Деформативные свойства облегчённого материала с ПСМС . 76
4.3. Технологическая линия изготовления перемычек . 81
4.4. Выводы по главе 4 . 83
5. Опытное внедрение экструдированного облегчённого материала с ПСМС 85
5.1. Внедрение экструдированного кладочного раствора 86
5.2. Внедрение изделий из экструдированных смесей 88
Основные выводы 90
Библиографический список
- Трещиностойкость облегчённых цементных материалов
- Исследовательское оборудование
- Подбор и оптимизация составов кладочного раствора с ПСМС
- Технологическая линия изготовления перемычек
Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность использования современных строительных материалов для возведения конструкций наружных стен из керамических блоков и разнообразных кирпичей, крупноформатных блоков и панелей из ячеистого бетона заключается в необходимости разработки цементных облегчнных растворов, обладающих высокими техническими и технологическими свойствами.
Решением проблемы повышения эффективности наружных стен является применение метода экструдирования для изготовления кладочного раствора и армированных перемычек промов из цементных смесей с полыми стеклянными микросферами.
Работа выполнена в соответствии с локальным проектом № 12 НИУ МГСУ, мероприятием 5.2 (ГК 16.552.11.7025) «Проведение в ЦКП научным оборудованием поисковых научно-исследовательских работ по основным направлениям реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме: «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием ГР ЦКП МГСУ поисковых НИР в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений».
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является создание облегчнного кладочного раствора и изделий из экструдирован-ных смесей с полыми стеклянными микросферами.
Для достижения цели работы были решены следующие задачи:
- Обосновать получение облегчнного кладочного раствора и изделий из экс-
трудированных смесей с полыми стеклянными микросферами.
- Определить влияние введения в состав полых стеклянных микросфер на
технические характеристики цементной смеси.
Оптимизировать процесс экструдирования цементных смесей.
Исследовать состав, структуру и свойства облегчнного экструдированного
4 кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами и изделий, разработать технологию производства раствора и изделий.
- Провести опытное внедрение разработанных кладочного раствора и изделий из экструдированной смеси с полыми стеклянными микросферами.
Научная новизна работы
Обоснована механохимическая активация эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путем экструдирования, приводящая к снижению В/Ц отношения, удалению газовой фазы из смеси, повышению прочности контактной зоны и сцепления с микросферами и основанием.
Установлено снижение на 10...15 % количества воды затворения экс-трудированного раствора и смеси для изделий, уплотнение структуры цементной матрицы при одинаковой подвижности смеси и повышение прочно-стей от 10 до 15 % при сжатии, изгибе, сцепления с основанием.
Методами РФА, МСА и ХА установлено, что степень кристаллизации экструдированной смеси увеличивается в 1,5 раза, степень гидратации - на 25...27 %, количество низкоосновных гидросиликатов кальция возрастает на 14...31 %, содержание Ca(OH)2 уменьшается на 12...17 %.
При одинаковом расходе полых стеклянных микросфер у экструдиро-ванных и обычных смесей определено уменьшение воздушной усадки во времени на 10…20 %, паропроницаемости - на 5…22 %, общей пористости и пористости матрицы - на 5…10 %, возрастание прочности сцепления микросфер с цементной матрицей на 13…30 %.
Установлено влияние формы микросфер и толщины цементной прослойки, составляющей 11,07; 4,01 и 3,74 мкм в экструдированном растворе, с расходом микросфер 10, 30, 50 % соответственно на сохранение одинаковой подвижности смеси.
Получены математические модели прочностных свойств и средней плотности экструдированного кладочного раствора с микросферами, что позволяет проводить оптимизацию состава по требуемой плотности.
Получены зависимости от расхода микросфер у экструдированных цементных смесей по сравнению с обычными, при которых происходит повышение показателей модуля упругости на 36…39 %, морозостойкости на 30…50 %, снижение водопоглощения на 20…23 % и прогиба на 10…43 %.
Методами механики разрушения установлено, что изделия с полыми стеклянными микросферами из экструдированной смеси имеют на 30...40 % более высокие показатели трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины, чем изделия, изготовленные из обычной смеси.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработана технология получения экструдированного цементного кладочного раствора с ПСМС, включая подбор и оптимизацию составов.
Разработана технология изготовления армированных перемычек из экструдированной смеси, которая включает в себя: технологическую схему; оптимальный состав компонентов; порядок и время перемешивания, экстру-дирования, укладки и уплотнения смеси, хранение, оценку качества.
Внедрение результатов исследования
Получено положительное решение о выдаче патента по заявке № 2012144731/03 (071891) «Облегченный кладочный раствор», дата подачи заявки - 22.10.2012 г.
Разработаны технические условия – «Экструдированный облегченный кладочный раствор ТУ 57 4550-034-70436213-2012», «Брусковые перемычки из экструдированной облегчнной бетонной смеси ТУ 58 2821-035-70436213-2012», утвержденные ООО «Комбинат производственных предприятий».
Проведено опытное внедрение экструдированного кладочного раствора при производстве работ по кладке наружных несущих стен из керамического кирпича частного жилого дома в г. Наро-Фоминске. Объм кладочного раствора составил 46 м3. Экономический эффект - 129 руб. на 1 м3 кладки.
Проведено опытное внедрение армированных оконных перемычек из экструдированной бетонной смеси при строительстве жилого дома в г. Наро-Фоминске. Было изготовлено 30 перемычек. Экономический эффект составил 14,5 тысяч рублей.
6 Разработаны технические условия – «Экструдированный кладочный
раствор ТУ 574550-024-14731991-2012» и «Оконные перемычки из экструди-рованной облегчнной бетонной смеси ТУ 58 2821-035-14731991-2012», утвержденные ООО «ТрансТехСтрой».
Апробация работы
Основные положения диссертации были доложены на: 13-й, 14-й, 15-й Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых учных, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ, 2011, 2012 гг.); на симпозиуме «Проблемы современного бетона и железобетона», Минск, 09–11 ноября 2011 г., конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», (Москва, МГСУ, 16-18 октября 2013 г.), на семинарах «Лучшие публикации года в журнале «Строительные материалы» (Москва, МГСУ, 2011, 2012 гг.).
На защиту выносятся
Обоснование механохимической активации эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путем экструдирования, вследствие чего снижается В/Ц отношение, происходит удаление газовой фазы из смеси, повышаются прочность контактной зоны и прочность сцепления с микросферами и основанием.
Зависимости снижения количества воды затворения экструдированного раствора и смеси для изделий, повышения прочностных показателей за счт уплотнения структуры цементной матрицы при одинаковой подвижности.
Увеличение степени кристаллизации, степени гидратации, количества низкоосновных гидросиликатов кальция, уменьшение содержания Ca(OH)2 у экструдированных образцов по сравнению с обычными составами.
Зависимости воздушной усадки во времени, паропроницаемости, общей пористости и пористости матрицы, прочности сцепления микросфер с цементной матрицей при одинаковой подвижности от расхода полых стеклянных микросфер у экструдированных и обычных смесей.
Влияние формы микросфер и толщины цементной прослойки в экструдиро-ванном растворе от расхода микросфер на сохранение одинаковой подвижности смеси.
Математические модели прочностных свойств и средней плотности экстру-дированного кладочного раствора с микросферами для проведения оптимизации состава по требуемой плотности.
Зависимости модуля упругости, морозостойкости, водопоглощения, прогиба от расхода микросфер у экструдированных цементных смесей по сравнению с обычными.
Зависимости трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины, определнные методами механики разрушения, от расхода микросфер для образцов из экструдированной смеси по сравнению с обычными.
Результаты опытного внедрения кладочного раствора и изделий из экстру-дированной смеси с ПСМС.
Структура и объем работы
Трещиностойкость облегчённых цементных материалов
1. Анализ и обобщение научно-технических предпосылок позволил установить, что при экструдировании происходит сжатие мелкозернистой бетонной смеси, отделение излишней воды и максимальное сближение частиц цемента и песка или других мелких частиц заполнителя через тонкие водные прослойки. Силовой срез (сдвиг) бетонной смеси в момент выхода её через отверстия мундштуков экс-трудера обеспечивает удаление адсорбированных газов и вредных дисперсных примесей с поверхности цемента и других твёрдых частиц; существенное уменьшение толщины водной прослойки между ними; образование чистой шероховатой поверхности цемента, песка, других заполнителей и активных центров на поверхности твёрдых частиц. Это снижает количество воды затворения, ускоряет адгезионное взаимодействие и коагуляционное структурообразование. Экструдирова-ние позволяет использовать большую поверхностную энергию, образующуюся при механоактивации частиц с большой удельной поверхностью и их активных центров.
2. Изучение состояния вопроса в области облегчённых кладочных, штукатурных и тампонажных растворов с ультрадисперсными полыми стеклянными микросферами позволил выявить их главный недостаток – повышенное количество воды затворения. необходимое для смачивания огромной боковой поверхности микросфер, даже при применении суперпластификаторов. Это не даёт использовать потенциальные возможности эффективного облегчающего наполнителя – полых стеклянных микросфер.
3. Было проведено обобщение современной научно-технической литературы по трещиностойкости с точки зрения методов механики разрушения, вопросов повышения трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины после её старта тампонажных материалов с полыми стеклянными микросферами после пулевой перфорации. Было установлено, что пулевая перфорация тампонажного камня с ПСМС значительно повышает прочность, трещиностойкость, уплотняет стенки канала за счёт изменения и перекристаллизации структуры под действием температуры (более 500 оС), сил трения, давления пули при прохождении тампонажного камня с образованием низкоосновных высокопрочных гидросиликатов кальция и остеклованной водонепроницаемой поверхности в процессе разрушения микросфер.
4. Поэтому на основании аналитического исследования проблемы была предложена научная гипотеза. Существующие цементные смеси с полыми стеклянными микросферами имеют повышенное содержание воды, даже при использовании суперпластификаторов. Было предположено, что применение метода экс-трудирования позволит снизить количество воды затворения, существенно уплотнит цементную матрицу, повысит прочность контактной зоны и сцепления с микросферами, основанием и трещиностойкость кладочного раствора и изделий с
Для исследований свойств материала применялись образцы-призмы с размерами 4x4x16 см (для определения прочности); 10x10x40 см (для получения ПРДД) и 7x7x28 см по ГОСТ - 24544-81 (для определения усадки и ползучести). Компоненты состава отмерялись по массе с точностью до 0,1 г, перемешивались в сухом виде в течение 1 минуты, затем затворялись водой и перемешивались в течение 3 минут. Определялась подвижность раствора по величине погружения стандартного конуса (ПК, см), затем производилось экструдирование смеси через одношнековый экструдер с отвестиями и ножами в мундштуке для достижения того же погружения конуса. Величина погружения конуса регулировалась расходом воды в смеси. После твердения в течение 28 суток при нормальных условиях определялись свойства образцов.
Исследовательское оборудование
В качестве пластифицирующей добавки в исследовании использовали суперпластификатор С-3. Суперпластификатор С-3 является продуктом поликонденсации Р-нафталиновых сульфокислот с формальдегидом и содержит олиго-мерные цепи различной молекулярной массы. В данном исследовании была принята дозировка 0,75 % от массы портландцемента в пересчёте на сухое вещество. Суперпластификатор С-3 выпускается в России на химическом комбинате «По-лимерсинтез» во Владимире по ТУ [162]. Представляет собой коричневый порошок, который неограниченно растворяется в воде. Его рН находится в пределах 7,0 ... 7,5. Полые стеклянные микросферы и портландцемент
Для исследований был использован бездобавочный портландцемент ПЦ 500-Д0 Старооскольского завода и полые стеклянные микросферы. Микроструктурный, рентгенофазовый, гранулометрический и химический анализы портландцемента, микросфер и камня выполнен на растровом электронном микроскопе-микроанализаторе FEI Quanta 200 SEM. Результаты приведены на рисунках 2.3.1 -2.3.5, в таблицах 2.3.1 - 2.3.3.
Минеральный состав портландцемента ПЦ 500-Д0 ЗАО «Старооскольский цементный завод» приведен в таблице 2.3.1. Рисунок 2.3.1 – Микроструктура порошка портландцемента
В исследовании использовались полые стеклянные микросферы 3M Glass Bubbles, тип К25 (Бельгия). ПСМС - порошок, имеющий белый цвет, состоящий из тонкостенных полых шаров диаметром 5...60 мкм и толщиной стенки 1…3 мкм. Микросферы имеют истинную плотность, равную 0,25 г/см , насыпную плотность - 0,12 г/см , средним диаметром 41,62 мкм (рисунок 2.3.3), прочностью при объёмном сжатии при 10-процентном разрушении - 5,3 МПа, имеют идеальную форму сферы. Микросферы производят из натрийборосиликатного стекла. Средняя плотность стекла оболочки микросферы - 2430 кг/м , коэффициент теплопроводности 0,056 Вт/(м-С) при 20С, температура размягчения - 650С.
Интегральная кривая и гистограмма дифференциального распределения микросфер 3М Scotchlite тип К25 по диаметрам
Удельная поверхность порошка портландцемента, которая составила 3105 см2/г была определена на аппарате Блейна, Controls, Италия. Для полых стеклянных микросфер эта величина была равна 59,061 м2/г (по БЭТ).
Метод БЭТ или просто БЭТ (по англ. BET) - метод математического описания физической адсорбции, основанный на теории полимолекулярной (многослойной) адсорбции. Метод предложен С. Брунауэром, П. Эмметом и Э. Теллером в 1938 г.
Результаты измерения площади удельной поверхности методом многоточечного БЭТ на анализаторе удельной поверхности NOVA 2200e Quantachrome (рисунок 2.2.7): Определение показателя проходило в режиме вакуумной дегазации при 300 оС в течение 2,5 часов с коэффициентом корреляции прямой адсорбции - 0,994....0,998. Площадь по БЭТ для цемента равна 46,166 м2/г с коэффициентом корреляции прямой адсорбции, k=0,995. Рисунок 2.3.4 – Рентгенограмма портландцемента ЗАО «Старооскольский цементный завод»
Масса и объёмы компонентов состава экструдированных растворов находились, как принято, по уравнению абсолютных объемов [2, 83] и уточнялись в ходе эксперимента. Было принято, что истинная плотность портландцемента – 3,15 г/см3, ПСМС – 0,25 г/см3. Расход С-3 во всех составах был принят, равным 0,75 % от массы портландцемента в пересчёте на сухое вещество.
Для растворов с обычными микросферами – ПСМС и СП С-3 результаты представлены в таблице 2.4.1: Таблица 2.4.1 - Расход материалов на 1 м3 раствора и его свойства Состав раствора, мас. % Расход материалов на 1 м3, кг Vц.т., 3м V псмс, 3 м сц.м. pц.м.,кг/м Ц ПСМС В С-3 100 Ц+10 ПСМС+38 В+0,75 С-3 970 97 369 7,27 0,635 0,365 0,635 1695 100 Ц+30 ПСМС+62 В+0,75 С-3 405 121,5 251 3,04 0,438 0,562 0,438 1493 100 Ц+50 ПСМС+118 В+0,75 С-3 244 122 289 1,85 0,428 0,572 0,428 1387 В таблице 2.4.1 даются расходы материалов на 1 м3 раствора и приняты следующие обозначения: ПЦ – количество портландцемента, кг; ПСМС – количество полых стеклянных микросфер, кг; В – количество воды затворения, кг; С-3 – количество суперпластификатора С-3. кг; Vц.т. - объём цементной матрицы (теста), дм3; Vпсмс- объём полых стеклянных микросфер, дм3; с – объёмная доля цементной матрицы (теста), доли ед.; pц.м. – средняя плотность цементной матрицы (теста) между микросферами, кг/м3. Средняя плотность цементной теста между микросферами определялась после средней плотности раствора путём удаления полых стеклянных микросфер и вычисления их объёма. 3.
После введения Федерального закона РФ «О техническом регулировании…» при проектировании конструкции стены можно пользоваться отраслевыми, региональными нормативными документами, а также нормами предприятий. В этих нормах одним из главных показателей качества конструкции стены является её теплотехническая однородность. Следовательно, по величине сопротивления теплопередаче стены правильно оцениваются принимаемые решения, то есть оценка конструкции стены по СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника», соответственно, является правомерной.
В данной главе были исследованы кладочные растворы с полыми стеклянными микросферами (ПСМС). Растворы имели погружение стандартного конуса, равное 8…10 см. В качестве добавки применялся суперпластификатор С-3.
Подбор и оптимизация составов кладочного раствора с ПСМС
Задачей этого пункта четвёртой главы являлось изучение свойств облегчённых материалов и изделий с ПСМС при деформировании и разрушении в условиях равновесных испытаний. Именно такие условия работы изгибаемых несущих элементов конструкций наблюдаются в жилых, культурно-массовых и промышленных зданиях и сооружениях. Главной мыслью данных исследований было применение несущих элементов конструкций, имеющих с материалов стены схожие показатели по средней плотности.
В эксперименте использовались методы механики разрушения [116-149]. Испытания проводились на установке, изображённой на рисунке 2.2.4, в БНТУ в г. Минске, на кафедре технологии строительного производства.
Были изготовлены образцы-призмы с размерами 100x100x40 мм. Они были подвергнуты деформированию вплоть до полного разрушения при равновесных испытаниях на растяжение при трёхточечном изгибе с получением полностью равновесных диаграмм деформирования (ПРДД) в соответствии с ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. Компьютеризированная установка имела упругое кольцо из закаленной стали, которое создавало равновесные условия деформации и разрушения. Нагрузка передавалась через шток, а прогиб фиксировался датчиком. Результаты испытаний и обработки данных представлены на рисунке 4.1.1, в таблицах 4.1.2 и 4.1.3.
Состав, мас. % Прочность при изгибе, МПа Удельные энергозатраты на деформирование и разрушение , Дж/м2 Gi GL GC Материал, полученный из обычной смеси 100 ПЦ+10 ПСМС+С-3 6,9 37,1 60,0 97,1 100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 3,6 22,8 53,7 76,5 100 ПЦ+50 ПСМС+ С-3 1,85 17,1 33,2 50,3 Материал, полученный из экс трудированной смеси 100 ПЦ+10 ПСМС+С-3 9,4 48,2 68,3 116,5 100 ПЦ+30 ПСМС+ С-3 5,0 29,3 59,5 88,8 100 ПЦ+50 ПСМС+ С-3 2,54 22,1 36,3 58,4 Gi, GL, Gc – удельные энергозатраты (энергозатраты, отнесённые к площади поперечного сечения образца) на инициирование локальной трещины, сопротивление ее росту и полное разрушение образцов соответственно. Рисунок 4.2.1 - Полностью равновесные диаграммы деформирования и разрушения (ПРДД) облегчённого материала с 10 % ПСМС: 1 – из экструдированной смеси; 2 – из обычной смеси
При равновесных испытаниях, по мнению Д.В. Орешкина [77, 146 и др.], можно выделить три основных укрупнённых энергетических показателя: трещи-ностойкость материала, которая равна площади ПРДД до максимума, т.е. до старта магистральной трещины (восходящая ветвь ПРДД); сопротивление росту магистральной трещины, оцениваемая после старта трещины (ниспадающая ветвь ПРДД); полное разрушение материала определяется всей площадью диаграммы. Эти три показателя, делённые на площади поперечного сечения, образуют удельные значения, соответствующие энергии деформации и разрушения цементного материала - Gi, GL, Gc.
Таким образом, анализ данных, представленных на рисунке 4.2.1 и в таблицах 4.1.2 и 4.2.1, показывает, что трещиностойкость материала с полыми стеклянными микросферами, полученного из экструдированной смеси, имеет более высокие показатели. Таблица 4.2.2 - Удельные энергозатраты, прогиб модуль упругости материала с ПСМС Состав, мас. % Удельные энергозатраты, Дж/м2 на: Прогиб, 10 -3 м, при: Модуль упругости, МПа инициирование трещины разрушение до старта трещины при фрагментации Материал, полученный из обычной смеси
Разработанный материал обладает на 30...40 % более высокими показателями трещиностойкости, прочности при изгибе и сжатии, а статическим модулем упругости более чем в 1,5 раза выше, чем у материала из облегчённой смеси с ПСМС, не подверженной экструдированию. Более того, прогиб при максимальной нагрузке у образцов с 10 % ПСМС, изготовленных из экструдированной смеси, почти в 2 раза меньше, чем у обычного материала с ПСМС, а при 30 % и 50 % ПСМС – ниже в 4 раза.
Из экструдированной цементной смеси была изготовлена опытная партия оконных перемычек для малоэтажного строительства в городе Наро-Фоминске. Был получен технико-экономический эффект. Фотография участков микроструктуры (а, б, в, г) представлены на рисунке
Микроструктура экструдированого материала с 10% ПСМС. Quanta 200 (Швейцария) с системой микроанализа Apollo 40 (Phillips, Нидерланды) 4.3. Технологическая линия изготовления перемычек
На основании результатов исследований была разработана технологическая линия изготовления оконных перемычек. Технологическая схема изготовления перемычек из экструдированной смеси с полыми стеклянными микросферами представлена на рисунке 4.3.1.
Рисунок 4.3.1 – Технологическая схема изготовления перемычек Технологическая линия изготовления перемычек состоит из бункеров с полыми стеклянными микросферами и портландцементом, ёмкостями с суперпластификатором С-3 и водой.
Компоненты смеси (полые стеклянные микросферы - ПСМС, портландцемент, суперпластификатор С-3, вода) дозируются по массе на весовых дозаторах. Затем они поступают в бетоносмеситель. Перемешивание смеси осуществляется в течение 3 минут. Однородная смесь из бетоносмесителя попадает сверху в од-ношнековый экструдер, где с помощью шнека поступает к выходу и проходит через нож и отверстия. После этого экструдированная смесь укладывается в подготовленную форму. Форма перед этим смазывается, в неё устанавливаются арматурный каркас, поступающий из арматурного отделения, фиксаторы, закладные детали, петли.
После укладки бетонная смесь уплотняется на виброплощадке в течение 2 минут, производится отделка изделия в сырце.
Затем отформованное и уплотнённое изделие в форме перемещается в камеру нормального твердения на 28 суток. В камере поддерживается температура (20+2) оС, атмосферное давление, относительная влажность (95+5) %.
Технологическая линия изготовления перемычек
Степень кристаллизации после экструдирования увеличивается в 1,5 раза. Образуются прочные низкоосновные гидросиликаты кальция и их количество увеличивается. Степень гидратации повышается на 25...27 %. Был проведён микроструктурный анализ кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами. Результаты этих исследований представлены на рисунках 3.3.3 и 3.3.4. Таблица 3.3.2 –Химический анализ обычного кладочного раствора
У экструдированного кладочного раствора с ПСМС на фотографиях микроструктуры чётко прослеживается уплотнение структуры и увеличение площади контактов цементной матрицы и поверхности полых стеклянных микросфер.
Таким образом, установлено, что экструдирование кладочного раствора повышает плотность цементной матрицы между микросферами, площадь контактов цементной матрицы с поверхностью микросфер. Увеличиваются степени кристаллизации и гидратации цементной системы.
3.4. Прочность сцепления цементного камня с ПСМС
По мнению Г.П. Сахарова, на прочность сцепления цементного камня с поверхностью наполнителя в цементных системах, оказывает различие свойств цементной прослойки между зёрнами наполнителя. Она зависит от её толщины, которую приближённо можно определить по формуле Г.П. Сахарова [56, 59]
Средний диаметр полых стеклянных микросфер - 41,62 мкм, который приравниваем к среднекубическому размеру зёрен заполнителя. Для расхода микросфер 10 % толщина цементной прослойки, вычисленная по формуле Г.П. Сахарова с учётом данных таблицы 2.4.1, составит 11,071 мкм. Для расхода микросфер 30 % толщина цементной прослойки будет равна 4,01 мкм, а для 50 % ПСМС - 3,74 мкм. Результаты сведены в таблицу 3.4.1. Таблица 3.4.1 - Толщина цементной матрицы между микросферами
Были проведены эксперименты по определению прочности сцепления кладочного раствора на отрыв в возрасте 28 суток с полнотелым керамическим кирпичом и стеклом состава, из которого изготавливаются ПСМС. То есть была произведена имитация прочности сцепления полых стеклянных микросфер с цементной матрицей. Результаты приведены в таблице 3.4.2. Таблица 3.4.2 - Прочность сцепления кладочного раствора в возрасте 28 суток с основанием и стеклом состава ПСМС.
Так, прочность сцепления экструдированного кладочного раствора с ПСМС с полнотелым керамическим кирпичом (средней плотности 1805 кг/м3) оказалась
более, чем на 20 % выше, чем у обычного раствора. При равном расходе микросфер, но с добавкой суперпластификатора С-3, эта величина увеличилась на такие же величины, а именно 2122 %. Наибольшая величина прочности сцепления экс-трудированного кладочного раствора с ПСМС и С-3 составила 5 МПа у состава 100 ПЦ +10 ПСМС+С-3.
Определение прочности сцепления кладочного раствора на отрыв в возрасте 28 суток со стеклом, имеющий химический состав, схожий с составом стенок полых стеклянных микросфер, показал, что разница в значениях превышения составляет 1820 %.
По данным Г.П. Сахарова и Чан Минь Дыка прочность сцепления на отрыв цементного камня с гранитом, известняком, песчаником, кварцем, полевым шпатом и кварцитом в возрасте 28 суток при нормальных условиях твердения составляет 0,40,9 МПа. Через 3 месяца эта величина может достигать величины 1 МПа [6-13]. Сравнение прочности сцепления обычного цементного раствора с ПСМС со стеклом состава ПСМС (таблица 3.4.2) говорит о том, что значения прочности соответствуют приведённым ранее. Однако результаты прочности сцепления после экструдирования превышают приведённые значения более чем на 20100 % и достигают значений 1,5 и 2 МПа. Эти результаты соответствуют представлениям Н.Б. Урьева [170].
Более того, результаты данных исследований по характеру смачивания и равномерному распределению воды на поверхностях твёрдых частиц подтверждают мнение учёных МГУ [172-177]. В указанных работах О.И. Виноградова и др. авторы считают, что гидрофобные свойства зависят от газовой (воздушной) полости между жидкостью и поверхностью твёрдого тела. При экструдировании происходит достаточно полное удаление газовой фазы с поверхности частиц цемента и полых стеклянных микросфер. 3.5. Выводы по главе 3
1. Определено, что облегчённый экструдированный кладочный раствор с ПСМС и суперпластификатором, а также без С-3, пригоден для кладочных работ и имеет преимущество перед неэкструдированным раствором.
2. Установлено, что расход воды затворения при экструдировании снижается на 10…15 % с таким же ростом прочности при сжатии и изгибе. Это, наряду с введением добавки суперпластификатора С-3 в цементную систему с микросферами, который, как известно, снижает на 20 ...25 % количество воды затворения, ещё больше уплотняет структуру материала, повышает её однородность. Введение микросфер создает однородную в цементной матрице ячеистую структуру.
3. При сравнении пористости экструдированного и неэкструдированного камня с ПСМС было установлено, что пористость цементной матрицы у первого существенно ниже, чем обычного раствора с микросферами за счёт уменьшения расхода воды затворения. При этом, общая пористость системы увеличивается за счёт увеличения количества микросфер в растворе, где ПСМС в объёме материала занимают место, в котором находилась связанная вода. Была определена общая пористость кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами после экс-трудирования. Для расхода ПСМС 50 % общая пористость составила 83,3 и 85,5 % с С-3 и без него соответственно.
4. Впервые была изучена и количественно определена воздушная усадка не-экструдированного и экструдированного кладочного раствора с ПСМС и суперпластификатором С-3. Усадка определялась в возрасте образцов-призм 3, 7, 14, 21, 28, 180 и 360 суток. Воздушная усадка экструдированного кладочного раствора с ПСМС и суперпластификатором С-3 (для всех составов) находится в пределах от 0,198 до 0,412 мм/м, то есть соответствует цементно-песчаному кладочному раствору. Усадка раствора зависит от расхода микросфер, водоцементного отношения и времени. С увеличением В/Ц усадка раствора увеличивается. Усадка нарастает в начальные сроки твердения раствора (до 28 суток), затем рост ее уменьшается и постепенно затухает (в возрасте 180 суток). 5. Было определено, что паропроницаемость при равном расходе микросфер у экструдированного раствора ниже, чем у обычного раствора с микросферами. При расходе ПСМС в 10 % паропроницаемость экструдированного раствора меньше, чем у гидроизоляционных материалов. Теплопроводность же камня зависит от его средней плотности. Это напрямую связано с уплотнением цементной матрицы между водонепроницаемыми стеклянными микросферами.
