Введение к работе
Актуальность работы. Бетон и железобетон по своим техническим и экономическим показателям являются одними из наиболее приоритетных материалов строительства, поэтому по-прежнему важной задачей современности является повышение их качества. На данном этапе развития строительства проблемы повышения качества, долговечности, экономичности бетона и железобетона успешно решаются путем химизации этой отрасли. Одним из наиболее перспективных и эффективных направлений химизации в современном строительстве является широкое использование различных органических и неорганических соединений в качестве специальных добавок к бетону. Эти добавки с полным основанием именуются модификаторами бетонной смеси и затвердевшего бетона.Интересным, но малоизученным направлением в области модификаторов для получения высококачественных бетонов является применение золь-гель технологий. Еще в 1980-е гг. профессор М.М. Сычев проявил интерес к золь-гелямкак прогрессивному методу, связанному с получением композиционных материалов с улучшенными свойствами. Трудно представить физическую картину влияния микродобавок, полученных золь-гель методом,на процессы твердения цемента, однако полученные при их использовании результаты повышения основных строительно-технических свойств цементного камня и бетонов (морозостойкость, прочность, снижение усадочных деформаций, водонепроницаемость) подтверждают высокую эффективность применения данных видов модификаторов. К настоящему времени появилось значительное количество добавок на основе золя кремниевой кислоты, золя гидроксида железа, гидроксида алюминия,позволяющих получить высокопрочные бетоны за счет интенсификации процесса гидратации цемента. Большой вклад в изучение данного направления внеслитакие ученые, такие как П.Г.Комохов, Л.Б. Сватовская, Н.П. Лукутцова идр.
Золь-гель технология обладает преимуществами по сравнению с традиционными методами получения материалов, так как позволяет обеспечивать высокую чистоту исходных материалов и гомогенность получаемого продукта, регулировать микроструктуру материалов на начальной стадии процесса, изменять реологические свойства дисперсной системы в широких пределах. Уникальные свойства золей позволяют создавать слои на гидратирующих частицах цемента посредством моделирования мицеллы или макромолекулы золя структурированной коллоидной частицы, которая так или иначе будет влиять на гидратационные процессы. Технологическим преимуществом является возможность введения добавки в цементную систему вместе с водой затворения, золь равномерно распределяется в дисперсионной среде, а значит и в бетонной смеси. Проблемой в применении золей является низкая устойчивость при хранении, что устраняется введением стабилизаторов, зачастую приводящих к дополнительному замедлению процессов гидратации. Решением данной проблемы может служить введение дополнительного компонента – ускорителя твердения. До сих пор в качестве золей использовались однокомпонентные дисперсии либо силикатного, либо железистого состава. В данной работе впервые предлагается способ получения многокомпонентного золя и модифицирование мелкозернистого бетона с помощью многокомпонентного золя, в составе которого одновременно содержатся три вида золя: золь кремниевой кислоты, золь гидроксида железа, золь гидроксида алюминия, а так же известный ускоритель твердения цемента кальций хлористый.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка составов мелкозернистого бетона, модифицированного новой добавкой,полученной с помощью золь-гель метода, именуемой далее комплексным коллоидным модификатором (ККМ).
Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
– предложить технологию синтеза комплексных коллоидных модификаторов как добавок для цементных композиций и бетонов на их основе;
изучить возможность получения коллоидного модификатора на основе стекловидного перлита Мухор-Талинского месторождения;
– изучить свойства комплексного коллоидного модификатора, закономерности его влияния на технологические и эксплуатационные свойства цементных композиций и бетонов на их основе;
методом математического планирования подобрать оптимальные составы мелкозернистых бетонов с содержанием комплексного коллоидного модификатора;
исследовать основные физико-механические свойства мелкозернистого бетона с содержанием комплексного коллоидного модификатора.
Научная новизна работы:
предложен принцип повышения качества мелкозернистого бетона за счет его модификации комплексным коллоидным модификатором, получаемым путем химической поликонденсации на основе портландцемента по золь-гель методу;
установлен механизм структурообразования цементного камня с применением комплексного коллоидного модификатора;
предложен новый путь технологически упрощенного синтеза модифицирующей добавки в виде многокомпонентного золя кремниевой кислоты, гидроксидов железа и алюминия и известного ускорителя твердения – кальция хлористого, используемого в ультранизких дозировках;
экспериментально подтверждена эффективность применения добавки в виде комплексного коллоидного модификатора для получения изделий из мелкозернистого бетона с повышенными характеристиками прочности в 1,5-2 раза, морозостойкости в 2-2,5 раза, водопоглощения в 1,5-2 раза.
Практическая значимость работы.
Разработанный комплексный коллоидный модификатор позволяет при оптимальном его содержании повысить прочность бетона до 2,5 раз; снизить усадку и водопоглощение в 1,5-2 раза; повысить марку по морозостойкости в 2-2,5 раза; снизить расход цемента на 25-30% без потери прочности; снизить энергоемкость производства бетонов на 15-20%; ускорить введение конструкций в эксплуатацию; добавка может использоваться при низких расходах цемента.
Предложены оптимальные составы мелкозернистых бетонов с использованием комплексного коллоидного модификатора, позволяющие получать изделия с пределом прочности при сжатии до 70-80 МПа и морозостойкостью более 300 циклов.
Получены математические модели зависимости прочности, плотности мелкозернистого бетона через 7 и 28 сут твердения от расходов цемента и от содержания комплексного коллоидного модификатора.
Автор выносит на защиту:
способы повышения эффективности модифицированного мелкозернистого бетона с использованием комплексного коллоидного модификатора;
основные принципы получения комплексного коллоидного модификатора;
оценку свойств и эффективность комплексного коллоидного модификатора в цементных композициях с последующим применением их для модифицирования мелкозернистого бетона;
зависимость свойств мелкозернистого бетона от процентного содержания вводимого комплексного коллоидного модификатора при различных расходах цемента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:
II Международная научно-практическая конференция «Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра» (Пенза, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2011);
IV Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы в строительстве» (Новосибирск, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, 2011);
Международная научно-практическая конференция «Строительный комплекс России: наука, образование, практика» (Улан-Удэ, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 2012);
Научная конференция преподавателей, научных работников и аспирантов, посвященная 90-летию образования Республики Бурятия (Улан-Удэ, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 2013);
XII Международная научная конференция «Экобетон» (Монголия, Улан-Батор, 2013);
Международная научная конференция «Эффективные строительные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова, 2013).
Публикации.Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы,опубликованы в 8научных статьях, в том числе 4 статьи в журналах по реестру ВАК Российской Федерации. По результатам исследований получен 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 125
страницахмашинописного текста, включающего 25 таблиц, 20рисунков и фотографий, список литературы, состоящий из более 100 наименований, приложения.
Работа выполнена на кафедре «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления под руководством канд.техн. наук, доц.Е.В. Гончиковой. Автор благодаритканд.хим.наук, доц. кафедры Н.В.Архинчееву, канд.техн.наук, доц. кафедры З.М.Гончикова за ценные замечания и помощь при выполнении диссертации, а также всех коллег по кафедре ПСМИ за доброжелательность и постоянное внимание.
