Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, теоретические предпосылки и задачи исследований 14
1.1. Гидравлические вяжущие вещества на основе соединений щелочных металлов 14
1.2. Характеристика попутных продуктов промышленности как алюмосиликатных компонентов шлакощелочных вяжущих 23
1.3. Шлакощелочные бетоны на основе стекловидных и закристаллизованных шлаков 43
Выводы и задачи исследований 52
Глава 2. Характеристика и свойства попутных продуктов промышленности северо-западного региона России для изготовления шлакощелочных вяжущих и бетонов 58
2.1. Особенности металлургических шлаков 58
2.1.1. Гранулированный доменный шлак Череповецкого металлургического комбината 58
2.1.2. Сталеплавильные шлаки 68
2.2. Попутные продукты минераловатного производства 100
2.3. Сырьевая база щелочных компонентов для изготовления шлакощелочных бетонов 104
Выводы 108
Глава 3. Влияние структурных особенностей попутных продуктов промышленности на свойства шлакощелочных вяжущих и бетонов 111
3.1. Структурно-механические и физические аспекты твердения шлакощелочных вяжущих 111
3.2. Кинетика процессов гидратации и твердения шлакощелочных вяжущих на основе доменных шлаков 116
3.3. Прогнозирование сроков схватывания шлакощелочных композиций на основе применения методов системного анализа 123
3.4. Исследование процесса схватывания и твердения шлакощелочных композиций на основе доменного шлака акустическим методом 134
3.5. Управление структурообразованием на ранней стадии гидратации шлакощелочных вяжущих на основе сталеплавильных шлаков 138
3.6. Прочностные и деформативные свойства шлакощелочных бетонов 167
Выводы 198
Глава 4. Трещиностоикость и морозостойкость шлакощелочных бетонов 201
4.1. Применение методов механики разрушения для оценки трещиностойкости цементного камня и бетона 201
4.2. Трещиностойкость шлакощелочных бетонов 217
4.3. Морозостойкость шлакощелочных бетонов 238
4.3.1. Особенности поровой структуры шлакощелочных бетонов 238
4.3.2. Морозостойкость шлакощелочных бетонов на основе доменного и сталеплавильных шлаков 247
4.4 Определение структурных характеристик шлакощелочного бетона 271
Выводы . 291
Глава 5. Свойства шлакощелочного бетона, определяющие долговечность конструкций подрельсовых оснований 296
5.1. Особенности эксплуатации в пути железобетонных подрельсовых оснований 296
5.2. Электрофизические свойства шлакощелочных вяжущих и бетонов с позиций структурной механики 301
5.2.1. Токопроводящие свойства шлакощелочных вяжущих на стадии начального структурообразования 303
5.2.2. Структурно-энергетическая модель обеспечения электрической надежности бетона применительно к транспортным конструкциям железнодорожного пути 317
5.2.3. Электрофизические свойства армированного шлакощелочного бетона при воздействии постоянного тока 330
5.3. Сопротивление шлакощелочного бетона ударным воздействиям 346
5.4. Выносливость шлакощелочного бетона при динамическом воздействии 351
5.5. Коррозионная стойкость шлакощелочного бетона для подрельсовых конструкций в органонефтяной среде балластного слоя железнодорожного пути 365
Выводы 372
Глава 6. Использование композиций на основе шлаков для защиты от радиационной и экологической опасности 377
6.1. Радиационная стойкость шлакощелочных бетонов 377
6.2. Активизация шлаков добавкой, содержащей аква-комплексы производных гидразина, для изготовления изделий транспортного назначения 403
Выводы, 415
Глава 7. Промышленное изготовление из шлакощелочного бетона и испытания транспортных конструкций, работающих на динамику 417
7.1. Изготовление преднапряженных переводных брусьев и шпал из шлакощелочного бетона на Чу-довском заводе железобетонных шпал 417
7.2. Статические испытания подрельсовых конструкций 423
7.3. Динамические испытания подрельсовых конструкций 434
7.4. Укладка и опыт эксплуатации в пути подрельсовых оснований из шлакощелочного бетона 444
7.5. Изготовление тюбингов для метрополитена 449
7.6. Технико-экономическая эффективность производства шлакощелочных вяжущих и бетонов 452
Выводы 460
Основные выводы 463
Литература 473
Приложения 513
- Характеристика попутных продуктов промышленности как алюмосиликатных компонентов шлакощелочных вяжущих
- Прогнозирование сроков схватывания шлакощелочных композиций на основе применения методов системного анализа
- Токопроводящие свойства шлакощелочных вяжущих на стадии начального структурообразования
- Динамические испытания подрельсовых конструкций
Введение к работе
Актуальность работы,
Повышение эффективности мер по охране природы способствует внедрению прогрессивных технологических процессов, исключающих или существенно уменьшающих воздействие попутных продуктов промышленности на окружающую среду. Снижение производства портландцемента в России при значительной потребности в нем и высокая его стоимость, так же вызывают необходимость использовать имеющиеся резервы для производства вяжущих. Потребности в цементе на Северо-Западе России значительны, так, только для С.-Петербурга и области они составляют около 2 млн.т в год. Дефицит цемеїгга в настоящее время составляет около S00...600 тыс. тонн в год. Одним из путей решения этой проблемы является применение шлакощелочпых (бесцементных) вяжущих и бетонов, изготовляемых на базе попутных продуктов промышленности. Они разработаны в 60е годы д.тл., проф. В.Д.Глуховскни и его школой в Киевском шженерно-строительном ннтсттуте. Расширение сырьевой базы вяжущих за счет использования попутных продуктов промышленности при одновременном решении экологических проблем, значительная техншіо-зкоиоміїческая эффективность, высокие физико-механические и эксплуатационные свойства шлакощелочных бетонов дают оснозанне относить их к одним пз наиболее прогрессивных материалов современного строительства. Отличительная особенность этих вяжущих - возможность получения иа их основе бетонов класса до В110.
Известно, что одним из основных потребителей высокомарочных цементов в стране является транспортное строительство, однако, объем выпуска таких цементов значительно ниже потребности в них. Большая доля высокомарочного цемента идет на изготовление переводных брусьев под стрелочные переводы, железнодорожных шпал, пролетных строений искусственных сооружений и других элементов, работающих в сложных эксплуатационных условиях. Оші должны обладать высокой выносливостью при воздействии поездной динамической нагрузки, упруго перерабатывать и передавать ее на балластный слой, быть долговечными в условиях многократного замораживания и оттаивания, воздействия специфической агрессивной среды, обеспечивать изоляцию рельсовых нитей на участках с автоблокировкой. При этом переводные брусья в стрелочных переводах работают в более сложных условиях, чем шпалы на перегоне, в следствие этого они имеют в 1.5...2 раза меньший срок службы.
Помимо высокопрочного бетона транспортное строительство испытывает потребность в долговечных бетонах средних и низких марок для изготовления фундаментов и плит для пассажирских платформ, столбов ограждения железной дороги на участках высокоскоростного движения, постоянных снеговых заборов на заносимых участках, элементов путевых и служебных зданий, локомотивных и вагонных депо,
складских помещений и контейнеров для хранения опасных грузов, в том числе радиационных.
Таким образом, необходимость, с одной стороны, практического использования и вовлечения в сферу производства попутных продуктов промышленности для покрытия дефицита цемента и решения экологических проблем и, с другой стороны, технический прогресс в строительстве, связанный с производством высокопрочных бетонов, делают проблему широкого применения шпакощелочных вяжущих актуальной.
Целью работы является:
научное и практическое обоснование возможности применения высокопрочных шпакощелочных бетонов для изготовления транспортных колструкций, работающих в сложных эксплуатационных условиях, в том числе на динамику;
разработка способов направленного регулирования процессами структурообразования и свойствами шлакощелочных вяжущих и бетонов на основе сталеплавильных шлаков для их массового использования в производстве;
изучение специальных свойств шлакощелочных вяжущих к бетонов для их применения в качестве защиты от радиационной и экологической опасности.
Для достижения поставленной цели необходимо было решіггь следующие задачи:
-
Исследовать свойства и обосновать возможность применения высокопрочных шлакощелочных бетонов для изготовления подредьсо-вых транспортных конструкций, работающих в сложных эксплуатационных условиях, ь том числе под динамическим воздействием. Для этого изучить выносливость шлакощелочных бетонов, ударостойкость, электрофизические свойства, трещиностойкость, морозо- и морозосо-лесгойкость, коррозионную стойкость в органонефтяной среде, характерной для балластного слоя железнодорожного пупі. Установить взаимосвязь структуры высокопрочного шлакощслочного бетонз с особенностями разрушения при различных видах воздействия.
-
Изготовить в производственных условиях и испытать на статическую и динамическую нагрузки болыдеразмерлые подрельсовые транспортные конструкции, изучить изменения этих характеристик во времени. Уложить в путь и изучить эксплуатгднонпые характеристики подрельсовых конструкций, изготовленных на основе шлакощелочных вяжущих, для объективного решения о их применении в конструкциях, требующих повышенной надежности и безопасности для пассажире- и грузоперевозок в течение длительного времени.
-
С целью расширения сырьевой базы шлакощелочных вяжущих и бетонов за счет вовлечения в сферу производства ранее не использованного сырья, создать банк данных.о наличии в Северо-Западном ре-
гиопе Россия и свойствах попутных продуктов промышленности пригодных для их изготовления.
-
Разработать способы направленного регулирования процессами структурообразопания и свойствами шлакощелочных вяжущих и бетонов на основе наименее используемых для их изготовления сталеплавильных шлаков для повышения их физико-механических свойств и долговечности.
-
Оценить влияние структурных особенностей попутных продуктов промышленности Северо-Западного региона России на свойства шлакощелочных вяжущих и бетонов, включая специальные.
Научная новизна работы,
-
Научно обоснована возможность и целесообразность использования высокопрочных шлакощелочных бетонов для изготовления транспортных конструкций, работающих в сложных эксплуатационных условиях, в том числе на динамику.
-
Впервые получены данные об особенностях изменения структуры шлахощелочного камня на основе доменного и сталеплавильных шлаков за период от четырех часов до пяти лет. Показано, что шлако-щелочной бетон на мнкроуровие обладает гибкой системой демпфирования, включающей наряду с ннзкоосиовными гидроснликатами кальции, условно замкнутые поры и дискретную, стабильную во времени систему микротрещин, что оказывает влияние па его механические и эксплуатационные свойства.
-
Доказаны высокие эксплуатационные качества шлакощелочных композиций, обеспечивающие падежную защиту от у-излучешш. Предложен оптимальный с точки зрения защитных свойств состав бетона с введением природного углеродсодержащего компонента, служащего демпфирующим включением, тормозящим появление и развитие радиационных дефектов, обладающий при максимальной поглощенной дозе Д=3,7х1(У7 Гр эффектом радиационного упрочнения. Установлено, что энергетическое воздействие у-излучения и постоянного электрического тока спосоостствует формированию структуры шлакощелочного бетона с уселичерпым содержанием прочных и стабильных плагиоклазов. Определена пороговая доза облучения для защитных композиций с введением в качестве наполнителя и заполнителя природного цеолита.
-
Представлен комплекс экспериментальных данных, позволяющий целенаправленно воздействовать на раннюю и последующие стадии гидратации шлакощелочных вяжущих на основе закристаллизованных сталеплавильных шлаков. Установлена и подтверждена ранее неизвестная корреляция между сроками схватывания композиций на основе ряда сталеплавильных шлакоа со скоростью и кинетикой ппо-
. выделения при их взаимодействии со щелочными компонентами. Предложен способ управления дефектностью струхтуры таких композиций введением добавки регулятора газовыдепення, нгшяіпщеґі т
окислительно-восстановительные процессы, удлиняющей сроки схватывания, изменяющей характер условно замкнутой пористости, повышающей до 3* раз прочность и до 2,5 раз морозостойкость бетона.
-
Впервые предложен способ утилизации многотоннажного продукта нейтрализации ракетного топлива "навозкна" введением его в качестве добавки в шлаковые композиции, при этом установлена его активизирующая роль на процесс гидратации, образование в продуктах гидратации серпентиноподобных фаз типа хризотила. Показано, что добавка способствует повышению в 1,7...1,85 раза прочности, на две марки морозостойкости и снижению более, чем в 2 раза водопо-глоіцеїпія бетона.
-
Установлена общность механизма действия на шлаковые композиции энергии у-облучешш, постоянного электрического тока и введения добавки "навозила", заключающегося в увеличении количества вторичных активных центров на поверхности новообразований.
Практическая значимость работы.
-
Основные положения диссертации позволяют организовать массовое применение в Северо-Западном регионе России попутных продуктов металлургической промышленности и минераловатного производства для изготовления широкой номенклатуры конструкций и изделий транспортного назначения, включая высокопрочные, работающие в сложных эксплуатационных условиях, в т ч числе на динамику, что решает важную народно-хозяйственную проблему.
-
Применение подобных попутных продуктов промышленности расширяет сырьевую базу транспортного строительства, снижает его себестоимость, повышает эксплуатационные характеристики и долговечность изделий и конструкций, решает экологические проблемы региона.
-
Реализация положений диссертационной работы позволяет ежегодно изготовлять в регионе на бесцементной основе около 10 млн. м3 бетона, включая 65...70% высокопрочного.
-
По результатам работы разработаны технические условия на изготовление транспортных конструкций - предварительно напряженных брусьев для стрелочных переводов БС-84, предварительно напряженных шпал для железных дорог колен 1520 мм и 8 технологических регламентов на изготовление отдельных видов изделий.
-
Результаты работы внедрены в промышленное производство путем изготовления впервые в стране на Чудовском заводе зхелезобе-тонных шпал подрельсовых конструкций (переводных брусьев под стрелочные переводы и железнодорожных шпал), успешная семилетняя эксплуатация которых в пути на магистрали С.-Петербург-Москва подтвердила результаты лабораторных исследований и испытаний опытных конструкции,
-
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по спецмальносгям "Строи-
тедьстБО железных, дорог, путь и путевое хозяйство", "Мосты и тоннели", "Промышленное и гражданское строительство". Автор защищает:
теоретически обоснованную, экспериментально и эксплуатационно доказанную возможность применения высокопрочного шлако-щелочного бетона для изготовления транспортных конструкций, работающих в сложных условиях, о том числе из динамику;
способы направленного регулирования свойств шлакощелочных вяжущих її бетонов на основе сталеплавильных шлаков;
результаты экспериментальных исследований физико-механических, эксплуатационных, специальных свойств и долговечности шлакощелочных бетоноп на основе попутных продуктов промышленности Северо-Западного региона России;
- производственный опыт изготовления, испытания и многолет
ней эксплуатации большеразмерных подрельсовых конструкций на
главно?.! пути магистрали С.-Петербург-Москва.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы обсуждены на: Всесоюзном совещании "Пути использования вторичных ресурсов для производства строительных материалов и изделий" (г.Чимкент, 1986 г.), научно-техническом совете "Использование окалины и шлака в условиях П.О."Ижорскин завод" (г.С.-Петербург, 1987 г.), научно-технической конференции "Использование резервов экономии топливно-энергетических и сырьевых ресурсов а повышении качества строительных материалов" (г.С.-Петербург, 1988 г.), научно-технической конференции, посвященной 180-летшо со дня основания ЛИИЖТа (г. С.-Петербург, 1989 г.), научно-техническом совете "Исследование и разработка оптимальных составов шлакощелочных бетонов и технологии изготовления изделий на их основе" (г.С.-Петербург, 1989 г.), 3-й Всесоюзной научно-практической конференции "Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции" (г.Киев, 1989 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Ресурсосберегающие технологии и экологически чистые производства" (г. Рига, 1990 г.), научно-технической конференции "Прогрессивные технологии строительства транспортных сооружений" (г.С.-Петербург, 1990 г.), научно-техническом семинаре "Проблемы использования побочных продуктов промышленности в производстве строительных материалов и конструкций транспортных сооружений" (г.С.-Петербург, 1990 г.), XXXVI научно-технической конференции по вопросам путевого хозяйства (г.С.-Петербург, 1990 г.), межреспубликанском семинаре "Новые строительные композиты из природных и техногенных продуктов" (г.Рига, 1991 г.), научно-технической конференции "Прогрессивные технологии в транспортном строительстве) (г.С.-Петербург, 1991 г.), круглом столе "Использование вторичных источников сырья" (г.С.-Петербург, 1991 г.), научном семинаре "Организация производства строительных материалов и изделий
из промышленных отходов предприятий и теплоэлектростанций" (г.С.-Петербург, 1992 г.), IV и Vli ежегодных научно-технических конференциях "Прогрессивные конструкции и технологии в транспортном строительстве" (г. С.-Петербург, 1992, 1995 гг.), научно-технической конференции "Прогрессивные строительные материалы и изделия на основе использования природного и техногенного сырья" (г. С.Петербург, 1992 г.), международной научно-практической конференции "Проблемы железнодорожного транспорта решают ученые" (г. С.Петербург, 1994 г.), Ш международной конференции "Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте" (г.С.-Петербург, 1995 г.), научно-технической конференции "Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлнв па окружающую среду" (г. С.-Петербург, 1996 г.).
Публикации.
Результаты исследований опубликованы в 56 работах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация работа состоит из сведения, семи глав, основных выводов и 11 приложений. Она изложена на 295 страницах машинописного текста, содерхсит 109 страниц рисунков, 68 страниц таблиц. Список литературы включает 402 наименования.
Автор выражает глубокую благодарность академику РААСН, д.т.н. проф. Павлу Григорьевичу Комохову за научное консультирование и постоянное внимание к выполненной работе.
Характеристика попутных продуктов промышленности как алюмосиликатных компонентов шлакощелочных вяжущих
Основу металлургических шлаков составляют оксиды СаО, Si02, MgO, A1203 и FeO, т.е. те же оксиды, что и для портландцементого клинкера, но соотношения между ними иные. Наряду с этим в шлаках могут присутствовать также оксиды Мп, Ва, Сг, Р. Кроме FeO шлаки могут содержать и высшие оксиды железа Fe203 и Fe304. Сера в шлаках находится в виде сульфидов или сульфатов, в отдельных случаях шлаки содержат оксиды Т1, В, Vn и некоторых других соединений [49].
Оксиды, входящие в шлак, разделяют на три группы: кислотные (Si02, P2O5, S03, SO4), образующие с основными оксидами соответственно силикаты, фосфаты и сульфаты; основные (CaO, MgO. FeO), образующие с кислотными оксидами соответствующие соли; ам-фотерные (А1г0з). которые в зависимости от содержания других компонентов ведут себя и как кислотные, и как основные.
По современным взглядам на строение жидких шлаков их относят к так называемым сиботаксическим структурам, сердцевина которых отличается высокой упорядоченностью и по структуре близка к твердому телу, в то время как слои жидкости, находящиеся в промежутках между сиботаксисами, лишены упорядоченности. В настоящее время главенствует ионная теория строения жидких шлаков, по которой в узлах решеток шлакообразующих оксидов и их соединений находятся электрически заряженные атомы, т.е. ионы. Однако связь между атомами не является чисто ионной, а ионно-ковалент-ной. Наличие ковалентной связи позволяет подразделить катионы шлака на две группы. К первой принадлежат катионы железа, магния, натрия. Связь их с анионами кислорода имеет преимущественно ионный характер. Ко второй группе относятся катионы кремния, фосфора, алюминия, бора и др. Доля ионной связи в соединениях этих катионов с анионами кислорода значительно меньше. Их относят к сеткообразующим [49].
Важнейшими структурными характеристиками силикатов, оказывающими влияние на их свойства, являются степень связности крем-некислородного каркаса, координационное состояние катионов, характер пространственного расположения и способ связи координационных полиэдров. Степень связности кремнекислородного каркаса зависит от концентрации в системе кислорода, вносимого, в частности, катионами щелочных и щелочноземельных металлов. Как из-вестно, в чистом Si02 отношение 0/Si=2 и решетка представлена бесконечной трехмерной сеткой. В металлургических шлаках величина O/Si обычно более 2, так как в их состав входят и другие оксиды. По мере увеличения концентрации кислорода за счет введения в расплав МеО происходит дробление кремнекислородного каркаса от плоских сеток из тетраэдров, бесконечно распространяющихся в двух измерениях от (Si20 2" , до ортосиликатного аниона Si044". в котором 0/Si=4 [491. Таким образом, расплавленные шлаки являются полианионами, т.к. в них существует набор комплексных анионов различного состава, при этом структуру расплава можно определить равновесием трех атомов кислорода: одно-, двухсвязного и свободного .(ZCT2i(fiQ% )
Шлаки разделяют по видам производства на шлаки первичных металлургических процессов - доменные и ферросплавные и шлаки вторичных процессов - сталеплавильные и ваграночные. В свою очередь сталеплавильные шлаки подразделяют на мартеновские, электросталеплавильные и конвертерные.
Ежегодно в странах СНГ образуется около 52 млн.т доменных шлаков, из которых примерно 71.8% шлаков текущего выхода перерабатывается, в том числе на гранулированный шлак - 51.7%, щебень
А для строительства - 16.9%, шлаковую пемзу - 3% [50]. Состав и свойства доменного шлака зависят от химического и минералогического состава пустой породы железных руд. золы кокса, содержания серы в шихте, характера процесса восстановления и теплового состояния печи, а также от марки выплавляемого чугуна [51]. В процессе плавки, вступая в химическое взаимодействие с примесями, образуется шлак, представляющий собой силикатный или алюмосили-катный расплав. Удельный выход доменного шлака отдельных комби-натов колеблется от 0.44 до 1 т на 1 т чугуна [49, 51, 52, 533 541. При производстве чугунов определенного вида и постоянстве сырья для данного завода химический состав шлаков остается сравнительно стабильным, однако в разных регионах страны он имеет существенное различие.
В табл.1.1 приведены усредненные химические составы домен- ных шлаков по регионам стран СНГ [49].
Шлаки - это материалы с потенциальными вяжущими свойствами, причем их гидратационная активность в известной степени зависит от оптимального соотношения стекловидной и кристаллической фаз. Таким образом, важным фактором, определяющим свойства шлака, является его структура, зависящая как от химического состава шлака, так и режима его охлаждения. При охлаждении шлак может сохранять аморфное состояние или полностью или частично преобразовываться в кристаллическое. Это говорит о том, что из шлаков одного и того же состава могут получаться материалы различной структуры, а значит, и свойств. При быстром остывании на воздухе или при водной грануляции шлаки полностью приобретают стекловидную или преимущественно стекловидную структуру, при медленном : остывании - формируется микро- и среднезернистая кристаллическая структура. Доменные шлаки содержат в основном стекловидную фазу. роль которой особенно важна на ранней стадии гидратации.
Известны две основные теории строения стекла: беспорядочной непрерывной сетки и кристаллитная. По первой теории компоненты в составе стекла могут быть разделены на два класса: стеклообразователи и модификаторы. Оксиды Si02, А1203. MgO и другие образуют связанные с кислородными ионами катионы и создают беспорядочную сетку тетраэдров. Такие модификаторы, как Na20, K20 и СаО являются источниками образования ионов, расположенных в полостях структурной сетки [55]. Кристаллитная теория структуры стекла представляет области более упорядоченных катионов. Эти структуры химически более стойки.
Существует мнение, что стекло активно потому, что запас внутренней энергии в нем больше, чем в закристаллизованном веществе того же состава. Между тем установлено, что шлаки, содержащие низкоосновные алюминаты кальция, более активны в закристаллизованном виде, чем полностью остеклованные. С другой стороны, такие шлаковые минералы как волластонит и окерманит. в кристаллическом виде не обладают гидравлической активностью, но в стеклообразном состоянии способны твердеть даже без применения активизирующих добавок. Из этого вытекает, что гидравлическая активность шлаков зависит от физико-химических особенностей как стекловидной, так и кристаллических фаз [49]. В доменных шлаках кристаллическая часть представлена более чем двадцатью минералами, среди которых присутствуют мелилит, представляющий твердый раствор окерманита 2CaO-MgO-2S102 и геленита 2CaO-Al203-Si02, a также двухкальциевый силикат 2CaO-SiOg. В кислых шлаках наряду с % мелилитом содержатся волластонит fiCaO Si02 и анортит CaO-Al203-2Si02. Однако и в основных доменных шлаках возможно присутствие минералогических образований THnaoLCaO-S102 или CaO-Al203-2Si02 и, наоборот, в кислых шлаках обнаруживают минералы с большим содержанием СаО, например 2СаОSi02 и 2CaO-Al203-Si02. Алюминаты встречаются редко, только в сильно основных шлаках при низком силикатном модуле, и обнаруживаются главным образом в виде алюминатов кальция. Шпинель Мй0-А1203 встречается только в шлаках с повышенным содержанием MgO и глинозема Доменные шлаки особенно основные содержат также ceDу в виде сульфидов главным образом CaS MnS FeS реже MgS [53]
Еще в 40е годы было показано, что присутствие в шлаковом стекле от 5 до 50% кристаллических фаз типа мелилита, двухкаль-циевого силиката и сульфида кальция способствует улучшению гидравлических свойств шлака [56]. Другие авторы ограничивали предельное содержание кристаллической фазы двадцатью процентами [57, 58, 59, 60].
Прогнозирование сроков схватывания шлакощелочных композиций на основе применения методов системного анализа
Скорость процессов схватывания и твердения бетона на ранней стадии оказывает значительное влияние на его структуру, а следовательно, и на свойства. Шлакощелочные вяжущие на различных видах гранулированных шлаков при одном и том же щелочном компоненте имеют большой диапазон изменения сроков схватывания. Определяющее значение при этом приобретает полный химический состав шлака, в частности, содержание Р205, MnO, Na20, K20 [137] и степень его остеклованности, хотя влияние последней неоднозначно, при этом вяжущие с использованием кислых шлаков обладают значительно более длинными сроками схватывания. Это подтверждают и данные, полученные при изучении сроков схватывания композиций на основе кислых попутных продуктов минераловатного производства (рис. 3.5).
Сроки схватывания существенно влияют на технологию изготовления тех или иных изделий. В ряде случаев, при использовании немедленной распалубки, как это принято, например, по существующей технологии изготовления тюбингов для метрополитена, необходимо иметь достаточно короткие сроки схватывания, обеспечивающие немедленный съем изделий после их изготовления; для других изделий - большеразмерных брусьев под стрелочные переводы, шпал-требуется определенный резерв времени для качественной укладки и уплотнения жесткой бетонной смеси. В связи с этим первостепенное значение приобретает проблема прогнозирования сроков схватывания, что особенно актуально для щлакощелочных композиций, если в качестве щелочного компонента используются растворимые силикаты натрия. В таких композициях сроки схватывания могут резко сокращаться с повышением модуля основности шлака в ряду кислый шлак -основной шлак. Удлинение сроков схватывания за счет введения добавок различной природы при использовании шлаков с МQM при про изводстве бетона не всегда эффективно. Вместе с тем шлакощелочные бетоны с использованием в качестве затворителя растворимых силикатов натрия обладают высокой, до НО МПа и выше прочностью, что вызывает повышенный интерес к ним как материалам для изготовления несущих конструкций.
Как было показано, экспресс-оценку конца схватывания композиций на основе доменных шлаков можно осуществлять по появлению первого максимума на кривой тепловыделения. Методы системного анализа позволяют эффективно и комплексно оценивать влияние наиболее важных параметров на это свойство.
Прогнозирование сроков схватывания шлакощелочных композиций производилось применительно к материалам и технологиям выпуска несущих транспортных конструкций в Северо-Западном регионе России1 [138]. В состав шлакощелочного вяжущего входили доменный шлак Череповецкого МК и растворимый силикат натрия с силикатным модулем Мс=1.0...2.62. Был проведен системный анализ имеющихся многочисленных результатов экспериментов, ставящий целью: выделение значимых параметров задачи - элементов системы; построение зависимостей между параметрами, связывающими элементы в единую систему; построение математических моделей, дающих возможность анализа, прогнозирования и управления элементами системы.
Системный анализ проводился тремя методами: корреляционным, регрессионным и оптимизационным. Параметры задачи, разделенные на входные (управляющие) и выходные (управляемые) представлены в таблицах 3.4 и 3.5. Все параметры проверены на нормальное распределение и достоверность.
Треугольная матрица коэффициентов парной корреляции представлена в таблице 3.6. Коэффициенты рассчитаны по формуле [139, 140]. Анализ корреляционной матрицы, позволяющий оценить качественную связь между параметрами системы, показал, что наиболее сильная положительная (прямая) корреляционная связь существует между сроками схватывания (Ти, Тк) и временем вылеживания шлакаримого стекла (х2) приводит к укорочению сроков начала (Тн) и конца схватывания (Тк). Между этими параметрами существует обратная (отрицательная) связь. Увеличение плотности растворимого стекла (х3) в указанных пределах приводит к удлинению начала и конца схватывания.
Отметим, что изменение величины удельной поверхности шлака в пределах (320...360 м2/кг), соответствующих реально применяемой тонкости помола в условиях производства, практически не влияет на начало и конец схватывания, в связи с этим параметр х4 не включался в дальнейший анализ.
Нелинейные регрессионные зависимости (модели) выходных параметров от входных строились в виде степенного полинома 1139, 1401.
Точность построения моделей составила 94.16% дисперсий отклика для Тн и 98.5% дисперсий отклика для Тк. По степени вклада в выходной параметр Тк входные параметры располагаются в следующей последовательности: хь х2, х3. т.е. на первом месте по значимости стоит время вылеживания шлака после помола, далее следует величина силикатного модуля растворимого стекла и его плотность. Наиболее значимыми входными параметрами для зависимости Тк являются Тн и Хг. затем следуют Xi и х3, т.е. помимо естественной связи между началом и концом схватывания ведущее место занимает величина силикатного модуля растворимого стекла.
Практическое применение оптимизационной модели состоит в том, что имея набор фактических значений входных параметров можно достоверно прогнозировать значения выходных параметров Тн и
Примеры практического применения оптимизационной модели приведены в таблицах 3.7...3.9 и рисунке 3.6 применительно к конкретным условиям производства Чудовского завода ЖБШ и завода ЖБКиД (г. С.-Петербург).
Таким образом, прогнозирование сроков схватывания шлакоблочных композиций на основе применения методов системного анализа позволяет выделить главные параметры для технологии шлакоще-лочного бетона - время вылеживания шлака после помола и величину силикатного модуля растворимого стекла. Применение системного анализа дает возможность оперативно управлять процессом производства и стоимостью изготовления конкретных конструкций, выбирать необходимые характеристики исходных материалов, учитывая их взаимное влияние друг на друга, при этом все полученные варианты решений будут оптимальными.
Токопроводящие свойства шлакощелочных вяжущих на стадии начального структурообразования
Как уже отмечалось, в общем случае фазовый состав продуктов твердения шлакощелочных вяжущих представлен преимущественно то-берморитоподобными низкоосновными гидросиликатами кальция, гидрогранатами переменного состава, кремниевой кислотой, щелочными гидроалюмосиликатами типа цеолитов и слюд, а также щелочно-щелочноземельными силикатами и алюмосиликатными соединениями.
Данных об удельном электрическом сопротивлении клинкерных минералов, продуктов гидратации портландцемента и шлакощелочных вяжущих явно недостаточно, чтобы судить об этом показателе в полной мере, однако даже некоторые из них позволяют сделать вывод о достаточно высоком его значении для шлакощелочных вяжущих с учетом морфологии и состава фаз новообразований [258, 259] (табл. 5.1).
Видно, что у минералов существует определенная связь между электрическим сопротивлением и составом. Обращает на себя внимание тот факт, что минимальное удельное электросопротивление имеют высокоосновные гидросиликаты кальция, которые отсутствуют в продуктах гидратации шлакощелочных вяжущих, а максимальное в 7.5...745 раз большее - низкоосновные гидросиликаты, причем для последних оно может колебаться в пределах трех математических порядков. Причины этого явления лежат в различии получаемых модификаций низкоосновных гидросиликатов по морфологии и влажност-ному состоянию. Это подтверждают данные об изменении основности гидросиликатов кальция в зависимости от длительности автоклавной обработки и влияние этого фактора на величину электрического сопротивления. Злектронномикроскопические исследования показали, что наибольшей степенью кристалличности обладают гидросиликаты, получаемые при длительности автоклавирования, равной 16-20 ч, соответствующие отношению CaO/SlOp, равному 1. Они же обладают наибольшим злектросопротилением и прочностью (рис.5.1, 5.2) [260]. Адекватность этих свойств отражает кристаллическая фазаксонотлита. Закристаллизованность геля цементного камня шлакоще-лочного вяжущего подтверждают и наши исследования [133].
Высокое удельное-электросопротивление присуще полевому шпату, слюдам. Однако, так же как невозможно точно предсказать количественное соотношение в цементном камне различных по составу гидратных новообразований, соотношение кристаллической и гелевой фаз. сложно точно прогнозировать удельное сопротивление цементного камня по составу и свойствам гидратных новообразований.
Особая роль в электросопротивлении твердеющих систем принадлежит жидкой фазе на поверхности новообразований, в зоне контакта, а также в поровом пространстве. Жидкая фаза цементного камня представляет собой электролит, в котором электрический ток переносится ионами. Непосредственное определение электропроводности поровой жидкости весьма сложно, хотя и предпринимались попытки оценить ее. Для теста на основе портландцемента она находится в пределах от 0.3 до 1.5 Ом-м [258, 261]. при этом существует четкая корреляция электросопротивления с концентрацией Na20 и К20 и отсутствует подобная зависимость от концентрации извести (рис.5.3) [261]. Однако, следует иметь в виду, что удельное сопротивление жидкой фазы цементного теста и затвердевшего камня не может полностью соответствовать этим значениям.
Считается, что электропроводность жидкой фазы гидратирован-ных цементов убывает в ряду К - Са 2. Для иона Г характерна большая величина разупорядочивающего эффекта, влияние иона Na+ на структуру воды при комнатной температуре - незначительно или близко к разупорядочивающему [258]. Растворимое стекло является диэлектриком и обладает высокими электрическими характеристиками, проявляя с одной стороны свойства электролита, с другой -раствора полимера [262, 263].
Влага в порах и капиллярах располагается у поверхности твердой фазы и ее свойства связаны в первую очередь взаимодействием с поверхностью твердой фазы параметрами адсорбции и двойного электрического слоя (ДЭС). При этом часть электрических зарядов поверхности становится принадлежностью жидкой среды, формируя ДЭС, а часть молекул жидкости - принадлежностью твердого тела, формируя граничные слои связанной воды. При взаимодействии жидкой фазы с поверхностью твердой фазы ее молекулы подвергаются воздействию сил различной природы, которые, ограничивая движение молекул воды, увеличивают их потенциальную энергию в пленочном состоянии, т.е. изменяют энергетическое состояние твердеющей системы вяжущего. Присутствие, растворенных в воде веществ также влияет на ее энергетическое состояние, так как их молекулы и ионы взаимодействуют с молекулами воды и тоже ограничивают их движение. Это влияние тем сильнее, чем выше их концентрация в единице объема воды. Ионы, присутствующие в воде, вызывают возмущение в системе водородных связей и изменение радиальной функции распределения молекул воды вокруг ионов. В настоящее время с помощью численного эксперимента получены такие функции для ионов Li+, Na+, K\ Mg+\ Са++, Г и др. Появилась возможность разделить вклад катионов и анионов в изменении структуры воды. Вид функции радиального распределения атомов кислорода и водорода молекулы воды вокруг ионов натрия, калия и кальция показывает, что наряду с первой гидратной оболочкой, соответствующей первому пику, присутствует и второй пик, который отождествляют со второй гидратной оболочкой (рис.5.4) [2633.
Формирование ДЭС не завершается мгновенно, процессы идут постоянно, сопровождаясь перестройкой элементов, приводящей к изменению не только качественной, но и количественной картины его структуры. В отсутствии внешних полей ДЭС является равновесным, при действии полей, например, электрических или температурных, он поляризуется. Неравновесное состояние ДЭС является более распространенным, чем равновесное, что связывают с постулированием И.В.Пригожина о неравновесном состоянии всей нашей природы, в которой равновесные явления и процессы составляют лишь немногие частные случаи. Сильное электрическое поле сказывается на изменении свойств граничных слоев жидкости, так,плотность воды в них колеблется по мнению разных авторов в пределах 1.05...1.4 г/см3 [124. 263, 264] и она ведет себя как псевдотвердое тело. Диэлектрические свойства воды резко отличаются от свойств воды в объеме: изменение толщины слоя от 0.19 до 0.5 мкм приводит к увеличению ее диэлектрической проницаемости в 3.2 раза [124]. Установлено, что для силикатной керамики подвижность противоионов в ДЭС почти в сто раз ниже, чем подвижность этих же ионов в свободном растворе.
Разработанные способы изучения ДЭС позволяют предопределять его параметры на основе анализа электрокинетического потенциала ( -потенциала). По мнению многих авторов он отражает ту часть ДЭС, которая лежит за пределами границы скольжения. Электрокинетический потенциал искусственного камня на портландцементе имеет отрицательный знак. Для цементного камня разной структуры и состава электрокинетический потенциал по абсолютной величине может изменяться в широком интервале значений с тенденцией к уменьшению во времени [258]. Как свидетельствуют данные, электрокинетический потенциал для шлакощелочного теста имеет более низкие значения в сравнении с портландцементным, соответствующие значения для которого выше (-30...-70) [265, 266]. Это, по-видимому, можно объяснить особой, структурой поровой жидкости, определяющей положение плоскости скольжения, перемещение которой вглубь раствора должно способствовать снижению электрокинетического потенциала. Подобным образом объясняют, например, уменьшение потенциала под влиянием ПАВ и полимеров [266]. Уменьшение электрокинетического потенциала связывают со снижением радиуса пор, но при этом радиус пор должен превышать толщину двойного электрического слоя [267]. Известны данные о неодинаковости электрокинетических свойств минеральных добавок в зависимости от их состава и концентрации электролита (табл.5.2) [268].
Следует учитывать, что на величину электрокинетического потенциала шлакощелочных композиций в значительной степени влияет вид и плотность щелочного компонента, а также модуль основности шлака (табл.5.3) [265]. Снижение t-потенциала в твердеющих системах закономерно приводит к снижению скорости электроосмотического переноса. Этот фактор ннобходимо учитывать при тепловлажностной обработке, например, при назначении режимов электропрогрева, которые будут иметь существенное различие в зависимости от примененного вида вяжущего, т.к. явление электроосмоса наиболее ярко проявляется на ранней стадии структурообразования.
Динамические испытания подрельсовых конструкций
Известно, что динамическая прочность бетона ниже статической, что объясняется образованием и прогрессирующим развитием трещин. Имеющиеся экспериментальные данные по значениям предела выносливости различных видов бетона заметно расходятся между со Ф бой, это относится к выносливости высокопрочных и мелкозернистых бетонов, бетонов с добавками суперпластификаторов, полимербето нов, бетонов на пористых заполнителях. Данные по испытанию на выносливость большеразмерных конструкций из шлакощелочного бетона отсутствуют.
Под действием многократно приложенной динамической нагрузки в шпале, опирающейся подошвой на балласт, возникают положительные изгибающие моменты в подрельсовых частях и отрицательный момент в средней части, приводящие к возникновению в структуре бетона усталостных трещин. Развитие и морфология трещин в бетоне, определяемая числом циклов и интенсивностью нагружения. будет зависеть от структуры материала, его деформативных характеристик, прочности контактной зоны и др.
Для обоснования методики испытания шпал на динамику был произведен анализ работ, посвященных изучению выносливости преднапряженных железобетонных конструкций при многократно повторном характере нагружения, который показал следующее [389, 398, 399, 400].
1. Многократно повторное нагружение, не вызывающее в конструкциях образования трещин, не оказывает влияния на статическую прочность и не способствует усталостному разрушению арматуры.
2. Несущая способность железобетонных элементов, работающих на изгиб, в зависимости от процента армирования определяется либо прочностью бетона на сжатие, либо прочностью арматуры на растяжение.
3. Динамическая нагрузка уменьшает жесткость преднапряженных конструкций и вызывает изменение начального напряженного состояния.
4. Нарушение сцепления бетона с арматурой начинается, как правило, с появления трещин в центральной части конструкции, которые по мере увеличения числа циклов прорастают к концам элементов конструкций.
Как известно, подрельсовые основания относится к конструкциям 1-ой категории трещиностойкости, в которых не допускается образования трещин при расчетных нагрузках. Однако в ГОСТе этот вид испытаний отсутствует. Испытание шпал только на трещиностойкость при статической нагрузке не является достаточным для достоверной оценки их работоспособности. Только испытания шпал на динамическую нагрузку дают возможность проводить сравнения различных материалов и конструктивных решений. К сожалению, данные подобных испытаний очень малочисленны.
Шпалы испытывали:.; на выносливости в возрасте 1 и 6 месяцев Л (среднее сечение) и 1 месяца и 3 лет (в подрельсовом) на пульсаторе ЦДМ-200 со скоростью приложения нагрузки 324 цикла в минуту. Характеристика цикла составляла р=0.2. Изгибающий момент в испытываемом сечении складывался из момента от вертикальной нагрузки, равномерно распределенной по длине прокладки и противоположного по знаку момента, обусловленного местными напряжениями в Л зоне действия нагрузки. Расчеты моментов производились согласно работы [258].
Динамические испытания шпал предусматривали определение их выносливости после 50 млн циклов нагружения. Значения разрушающего момента при этом числе циклов принимается за "условный предел выносливости" [255]. По рекомендациям ЦНИИ МПС направление графика выносливости определяется испытаниями шпал при числе циклов нагружения до 2 млн с последующей экстраполяцией до 50 млн циклов. Шпалы испытывали пульсирующей нагрузкой, составляющей некоторую часть от нагрузки, вызывающей образование трещин при статических испытаниях, и от разрушающей нагрузки.
При испытании шпал в подрельсовом сечении длина пролета составляла 0.8 м (испытывались полушпалы), в среднем сечении -0.55 м. На рис.7.9 показано расположение конструкции на пульсаторе ЦДМ-200 при испытании среднего сечения. Момент образования трещин.; определялся визуально с помощью лупы и по показанию датчиков, которые наклеивались на растянутую зону шпалы. Во время экспериментов фиксировались длина и ширина раскрытия трещин.
Разрушение шпал во всех случаях начиналось с появления трещин косой ориентации к направлению главных растягивающих напряжений, которые по мере возрастания максимального изгибающего момента и времени пульсации увеличивались по длине и ширине раскрытия. Проскальзывания арматуры не отмечено. В дальнейшем полное разрушение шпал наступало из-за сколов бетона до обнажения арматуры в местах первоначального образования трещин и последующего обрыва арматуры (рис.7.10).
В табл.7.8 и на рис.7.11, 7.12 приведены результаты испытания шпал на выносливость. Анализ результатов показывает, что появление трещин при динамическом нагружении у конструкций из шлакощелочного бетона наступает при более высоких значениях моментов, превышающих аналогичные значения для бетона на портландцементе на 16...67%, обращает на себя внимание тот факт, что наибольшее превышение отмечено после трех лет хранения шпал в натурных условиях. Относительные пределы выносливости в подрельсовом сечении по образованию трещин в возрасте 1-2 месяцев, отличаются 16%, после 3х лет т - 116 раза
