Введение к работе
Актуальность работы. Качество бетона в большей степени зависит от используемых материалов, свойства которых должны удовлетворять соответствующим государственным стандартам и техническим условиям, обеспечивать заданный класс прочности, морозостойкости и другие физико- механические характеристики бетона.
В тоже время среди общих геологических запасов песка в России достаточно большое количество месторождений мелких песков.
Использование мелкого песка приводит к уменьшению подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси вследствие большой удельной поверхности мелких зерен. Мелкие пески ухудшают структуру бетона и снижают его долговечность. В связи с этим для получения бетонной смеси заданной подвижности и бетона заданного класса требуется повышенный расход цемента. Степень перерасхода цемента изменяется в достаточно широких пределах и может достигать 30-40%. Увеличение расхода цемента неизбежно приводит к росту цен на бетонные и железобетонные изделия и конструкции.
Структурообразующую способность мелких песков предлагается повышать методами: механической активизации, заключающейся в промывке песка с последующей обработкой в дезинтеграторах и на бегунах, виброперемешивании компонентов, поличастотном виброуплотнении бетонных смесей и виброштамповании, дополнительном помоле цемента и др.; химической активации путем добавления каталитических веществ, увеличивающих активность цемента; термические, электрические и гидроэлектрические способы активации бетонных смесей на мелких песках.
Однако указанные технологические приемы являются достаточно энергоемкими и зачастую дополнительные затраты на энергоносители превышают по стоимости перерасход цемента.
Наиболее перспективным научным направлением является модификация цементной матрицы путем разбавления цемента дисперсными минеральными порошками. Работа выполнена в направлении повышения экономической деятельности ОАО «РЖД» по разделу «Ресурсосберегающие материалы и технологии».
Целью диссертационной работы является научное обоснование возможности наполнения цемента тонкодисперсными добавками для получения качественных бетонов на мелких песках с нормативным расходом цемента.
Для решения поставленной цели выполнен комплекс следующих научных исследований:
анализ состава и прочностных показателей бетонов на мелком песке, выпускаемых на заводах Ростовской области;
исследован характер воздействия на цементный камень минеральных наполнителей различной природы и дисперсности;
изучены свойства цементного камня, наполненного минеральными тонкодисперсными порошками;
разработана и исследована добавка-наполнитель цемента фулеренного характера;
изучены свойства бетонов на мелких песках и наполненных цементах;
разработаны рекомендации по изготовлению бетонов на мелких песках без увеличения расхода цемента.
Научная новизна работы
Математическим анализом моделей двух- и трехкомпонентных дисперсных структур установлено, что при изготовлении бетонных смесей на мелких песках, имеющих большую удельную поверхность, при нормативном расходе цемента эта поверхность остается незаполненной на 15-25%, что приводит к образованию «сухих» контактов между частицами песка и снижению прочности бетона.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность изготовления бетона заданной прочности на мелком песке и с нормативным расходом цемента путем использования тонкодисперсных добавок, увеличивающих объем вяжущего. Установлено, что добавки из тонкодисперсных минеральных частиц кварцевого песка, силикатного кирпича, золы и сажи (в количестве 20% от массы вяжущего) способствуют формированию более плотной мелкопористой структуры цементного камня и бетона, увеличению прочности, водонепроницаемости и морозостойкости.
Предложена добавка фулеренного действия, состоящая из тонкодисперсного кварцевого песка и сажи, которая наиболее эффективно влияет на физико-механические свойства цементного камня и бетона.
Теоретически обоснован механизм действия этой добавки, обусловленный совокупностью физико-химических процессов:
диссоциация воды на протоны Н+ и гидроксилы ОН-;
взаимодействие фулеренов сажи С60 с протонами Н+ с образованием гидрированных фулеренов С60Н60 или протонирование с образованием катионов С60Н60+ ;
углубление реакций гидратации за счет повышения концентрации гидроксилов ОН- в жидкой фазе;
взаимодействие катионов С60Н60+ с отрицательными активными центрами;
осаждение фулеренов С60 на поверхности SiO2 с образованием микрокристаллических алмазных пленок.
На защиту выносятся:
модельно-математическое обоснование количественного наполнения цемента с тонкодисперсной добавкой для получения равноповерхностного соотношения между вяжущим и мелким песком, имеющим большую удельную поверхность;
теоретическое обоснование выбора для модифицированного вяжущего тонкодисперсных минеральных добавок различного химико-минералогического состава по механизму их влияния на структуру и свойства цементного камня;
результаты исследования физико-механических свойств цементного камня и бетона, изготовленных на комплексном вяжущем из цемента и тонкодисперсной минеральной добавки;
состав добавки уплотнителя фулеренного действия из тонкодисперсного песка и сажи с теоретическим обоснованием физико-химических процессов ее воздействия на структуру и прочность цементного камня;
рекомендации по изготовлению бетонов заданной прочности на мелких песках с нормативным расходом цемента при условии его наполнения тонкодисперсными минеральными добавками.
Практическое значение диссертационной работы заключается: в получении бетона заданной прочности на мелких песках (Мкр 1,0-1,2) при нормативном расходе цемента, наполненном минеральными тонкодисперсными добавками; улучшении физико-механических свойств бетона бинарной добавкой фулеренного действия; в рекомендациях по изготовлению бетонов на мелких песках без увеличения расхода цемента.
Достоверность результатов, основных положений и выводов обоснована использованием общепринятых математических и статистических методов, выполнением экспериментов с применением комплекса физико-механических нормативных и научных методик. Выводы диссертации не противоречат, а только дополняют общие теоретические положения строительного материаловедения. Научно-практические рекомендации подтверждены результатами лабораторных и опытно-промышленных испытаний.
Апробация работы
Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на Второй международной отраслевой научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов-на-Дону, 2000 г.) , Международной научно-практической конференции «Строительство-2001» (Ростов-на-Дону, 2001 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Транспорт 2004, 2005» (Ростов-на-Дону, 2004, 2005 гг.), XV Академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ.
Структура и объем работы