Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ результатов исследований научных школ в области применения техногенных отходов в производстве строительных материалов. Цель и задачи исследований 11
Глава 2. Материалы, образцы и методы исследований 31
2.1 Механические свойства щебня их горных пород Южного федерального округа 31
2.2 Гранулометрический состав отсевов 34
2.3 Форма зерен щебеночной фракции отсевов 41
2.4 Вяжущее, добавки и образцы 43
2.5 Методы исследований 46
Глава 3. Исследование водоудерживающей способности отсевов щебня и цементно-пылевых паст 49
3.1 Водоудерживающая способность отсевов и факторы её определяющие..5О
3.2 Снижение водоудерживающей способности отсевов гидрофобизацией и олеофобизацией поверхности их частиц 59
3.3 Выводы по главе 3 68
Глава 4. Свойства цементной матрицы, включающей пылевидную фракцию отсевов 69
4.1 Водотвердое отношение в равноподвижных смесях «цемент + пылевидная фракция отсева + вода» 71
4.2 Снижение водотвердого отношения в смесях «пылевидная фракция отсева-вода» пластифицирующими добавками 76
4.3 Прочность цементного камня, содержащего пылевидную фракцию отсевов 80
4.4 Повышение прочности цементного камня, содержащего пылевидную фракцию отсевов, химическими добавками 88
4.5 Выводы по главе 4 95
Глава 5. Мелкозернистый бетон на основе отсевов щебня 97
5.1 Зависимость прочности мелкозернистого бетона от вида основополагающей горной породы заполнителя 99
5.2 Механоактивация мелкозернистых бетонных смесей с целью повышения прочности бетона 107
5.3 Повышение прочности мелкозернистого бетона пластифицирующими добавками 114
5.4 Физико-механические свойства мелкозернистого бетона 121
5.4.1 Структура мелкозернистого бетона на основе отсевов щебня 123
5.4.2 Истираемость мелкозернистого бетона 125
5.4.3 Морозостойкость мелкозернистых бетонов 125
5.4.4 Сцепление мелкозернистого бетона с арматурной сталью 126
5.4.5 Морозосолестойкость мелкозернистого бетона 127
5.5 Выводы по главе 5 129
Глава 6. Опытное внедрение результатов исследований 131
6.1 Рекомендации по изготовлению мелкозернистых бетонов на основе отсевов щебня 131
6.1.1 Общие положения 131
6.1.2 Составы бетонных смесей 132
6.1.3 Приготовление бетонной смеси 132
6.1.4 Уплотнение бетонной смеси 134
6.2 Опытное внедрение результатов диссертационной работы 134
Общие выводы 137
Литература
- Механические свойства щебня их горных пород Южного федерального округа
- Снижение водоудерживающей способности отсевов гидрофобизацией и олеофобизацией поверхности их частиц
- Водотвердое отношение в равноподвижных смесях «цемент + пылевидная фракция отсева + вода»
- Зависимость прочности мелкозернистого бетона от вида основополагающей горной породы заполнителя
Введение к работе
В условиях сложившихся экономических отношений рынок строительных материалов нуждается в конкурентноспособной продукции относительно низкой стоимости. Такая продукция может быть получена на основе техногенного сырья различных отраслей промышленности.
Научные школы Ю.М.Баженова, П.П. Будникова, В.Т.Ерофеева, П.Г.Комохова, Л.Б.Сватовской, Т.М.Петровой, В.И. Соломатова и других российских ученых выполнили обширные исследования в области использования промышленных отходов в производстве строительных материалов.
Созданы методики прогнозирования прочностных характеристик бетонов, изготавливаемых на основе техногенного сырья [1;2]. Изучены процессы структурообразования в системах «матричный материал -заполнитель» [3].
Исследуются процессы кристаллизации при введении в цемент
тонкодисперсных техногенных продуктов [4]. Разработаны
технологические процессы изготовления строительных материалов на основе побочных продуктов различных производств. Однако эта проблема в полной мере далеко не решена.
Госстрой России и РНТО строителей 3 декабря 2003 года провели заседание круглого стола «Переработка отсевов дробления и перспективные отрасли применения материалов из отсевов». Повестка дня и представительство на заседании показали высокую актуальность вопроса.
Было отмечено, что по приближенным оценкам общий объем отсевов дробления, образующихся ежегодно на предприятиях по производству щебня, составляет в настоящее время 28-35 млн. м [5]. При этом на отсев изверженных пород приходится 12-15 млн. м3, а
карбонатных пород - 16-20 млн. м . ВНИПИИСтромсырье приводит несколько иные цифры. С учетом того, что в России ежегодно перерабатывается около 140 млн. т. скальных пород, а выход фракции 0-5 мм составляет 15%, то количество отсева дробления составляет около 21 млн.т. [6]
Отсев щебеночных заводов частично находит применение в качестве оснований при устройстве автомобильных дорог и изготовлении асфальтобетонных смесей. В сухих строительных смесях используется отсев из кварцевых пород фракций: 0-0,63 мм; 0,16-0,63мм; 0,135-0,63мм; 0,63-1,25мм. Отсев изверженных, осадочных и метаморфических пород находит применения при выпуске тонкой и грубой керамики, а также огнеупорных материалов. Перспективным является использование отсева фракции 0,16-0,35 мм в ячеистых бетонах [5]. Применение отсевов щебня в производстве бетонов по мнению ряда авторов [5;6] сдерживается следующими причинами: пластинчатая и игловатая форма зерен; высокое содержание пылевидных частиц (18-25%).
На отдельных предприятиях с помощью специализированных комплексов производится классификация отсевов по фракциям. Однако эта технология является весьма энергоемкой. В настоящее время перед научными школами ставится задача комплексного изучения отсевов дробления различных пород с целью широкого их применения в строительстве.
Анализ сырьевой базы для производства щебня должен быть основан на изучении геологического строения, литолого-фациального состава и физико-механических свойств горных пород.
Месторождения Южного Федерального округа (ЮФО) по степени освоенности можно разделить на три группы:
- разрабатываемые карьеры с действующими щебеночными заводами;
- предварительно-изученные, но не освоенные месторождения;
перспективные для производства щебня, но практически не изученные массивы горных пород.
По генезису, который в значительной степени определяет качество щебня, месторождения горных пород ЮФО подразделяются следующим образом:
месторождения осадочного алювиального делювиального происхождения, представленные валунно-галечными отложениями (Бесланское, Кизил-Юртовское, Пятигорское и др.)
месторождения песчаников и известняков осадочного истункоморского происхождения (Сулинское, Шахтинское, Богураевское, Замчаловское и др.);
месторождения магматических пород (Эльджуртинское, Даховский гранитный массив, Актюбинское месторождение гранита, дайки и силы андезитовых порфиритов Семикаракорского района Ростовской области).
Весьма перспективным для производства щебня являются Актюбинское и Эльджуртинское месторождения гранитов и Тарасовское месторождения кварцитов, расположенные соответственно в Кабардино-Балкарии, Карачаево-Черкессии и Ростовской области.
Эльджуртинские граниты и гранит-аплиты слагают крупный массив, выходы которого на поверхность наблюдаются по обеим сторонам р.Баксан. Породы сильно окварцованы, имеют непостоянный минералогический состав, впрочем не влияющий на технологические свойства слагающих этот массив пород. Химический состав пород в %: SiC>2 - 72,37; ТІО2- 0,27; А103-14,75; Na20 - 3.78; К20 - 3,85; СаО - 1,64; FeO - 1,41, а также MnO, Fe203, MgO, составляющие доли процента.
Технологические свойства: временное сопротивление сжатию 196 МПа, после 25 кратного замораживания - 174 МПа, потеря прочности при истирании 0,33г/см , объемная масса 2,589 г/см , плотность 2,636г/см , пористость 1,81%.
Породы слабо трещиноватые, сеть вертикальных и горизонтальных или слабо наклонных трещин разбивает породу на крупные блоки.
Запасы Эльджуртинского месторождения гранитов составляют 4019 млн. м3.
Ак-Тюбинское месторождение гранитов расположено в Карачаево-Черкессии в 130 км. от ст. Джегута. Массив сложен мелкозернистым гранитом светло-серого цвета с мелкими рассеянными темноцветными минералами: пироксеном, биотитом, роговой обманкой и др.
Физико-механические свойства: плотность 2,67 г/см , объемная масса 2,6 г/см3, пористость 0,5-1,05%, предел прочности при сжатии 118 МПа.
Тарасовское месторождение кварцитов расположено на севере Ростовской области на границе Миллеровского и Тарасовского районов, вблизи трассы железной дороги Адлер - Москва. Месторождение занимает площадь около 630км2. Кварциты этого месторождения светло-серого, зеленовато светло-серого цвета, массивные, мелкозернистые с неясно выраженной косой слоистостью. Физико-механические свойства кварцитов: предел прочности при сжатии 137-149 МПа, плотность 2,63 г/см3. В кровле толщи кварцитов залегают среднезернистые кварцитовидные песчаники.
Месторождение андезитовых порфиритов Семикаракорского района расположено в 6 км. от станции Константиновской и 5 км. от реки Дон. Площадь распространения залежей изверженных пород в форме силлов и даек около 12км . Физико-механические свойства порфиритов: плотность 2,70г/см , объемная масса 2,0 - 2,46 г/см , водопоглощение 0,2 - 0,6%, предел прочности при сжатии 240 МПа.
Даховский гранитный массив расположен в 5 - 10 км от ж. д. ст. Хаджох в Республике Адыгея. Граниты Даховского массива серые, розовато-серые, крупнозернистые, массивные. Ожидаемые физико-механические свойства: плотность 2,75 г/см , объемная масса 2,65 г/см , водопоглощение 0,1 - 0,3%, предел прочности при сжатии 100 - 250МПа.
Освоение указанных месторождений позволит значительно расширить сырьевую базу производства качественного щебня для строительных работ в Южном Федеральном округе.
На всех обследованных заводах по производству щебня скопилось достаточно большое количество отсевов, которые лишь частично востребованы строителями автомобильных дорог.
Согласно [6] для решения задачи использования отсевов в производстве бетона необходимо решить ряд вопросов: определить состав и форму зерен, изучить песчаную фракцию, оптимизировать составы, разработать технологию и др.
В диссертационной работе поставлена задача научно обосновать возможность применения при изготовлении мелкозернистых бетонов отсевов щебня без их предварительного обогащения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
1. Установлено, что водоудерживающая способность пылевидной и
песчаной фракций отсевов дробления различных пород определяется
теплотой адсорбции воды на поверхности дисперсных частиц, которая
возрастает с увеличением содержания оксида кремния в горной породе.
Водоудерживающая способность зерен щебня, содержащихся в отсеве,
определяется их водопоглощением.
Предложена зависимость для расчета водотвердого отношения цементно-пылевых паст и мелкозернистых бетонных смесей на основе отсевов с учетом химического состава горной породы.
2. Показано, что комплексная добавка, состоящая из С-3 и глицерина,
на 75% повышает прочность цементно-пылевидного камня, содержащего
пыль отсевов дробления пород с высоким содержанием оксида кремния.
Механизм действия добавки обусловлен повышением растворимости оксида кремния в адсорбционносвязанной воде и повышением растворимости гидроксида кальция в присутствии глицерина, приводящих к
образованию низкоосновных гидросиликатов кальция, упрочняющих цементно-пылевидный камень.
3. Механоактивация мелкозернистых бетонных смесей на основе
отсевов дробления, заключающаяся в раздельном перемешивании
компонентов и поличастотном виброуплотнении, позволяет получить бетон с
достаточно высокими прочностью (25-30 МПа), плотностью,
морозостойкостью (F75 - F100), устойчивостью к истирающим нагрузкам и
воздействию антигололедного компонента.
4. Установлено, что водоредуцирующий эффект суперпластификатора
С-3 зависит от водоудерживающей способности отсевов дробления,
возрастая при её уменьшении.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Выявлена связь между водоудерживающей способностью отсевов дробления горных пород и подвижностью мелкозернистых бетонных смесей, приготовленных на их основе.
Предложена зависимость для расчета водотвердого отношения в мелкозернистых бетонных смесях, учитывающая вид горной породы и её водоудерживающую способность.
Разработана комплексная добавка на основе суперпластификатора С-3 и глицерина, позволяющая получить мелкозернистые бетоны прочностью 25-30 МПа из отсевов, содержащих пылевидную фракцию.
4. Разработаны технологические основы механоактивации
мелкозернистых бетонных смесей из отсевов дробления, включающие
раздельное перемешивание компонентов и поличастотное виброуплотнение.
Мелкозернистые бетоны, изготовленные по указанной технологии, имеют
прочность 25-30 МПа, морозостойкость F75 - F100, сцепление с арматурой
1,24 МПа, достаточно высокую коррозионную стойкость.
5. Разработаны рекомендации по изготовлению мелкозернистых
бетонов из отсевов дробления различных пород.
Опытное внедрение показало эффективность результатов диссертационной работы.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
результаты физико-механических испытаний отсевов дробления пород из месторождений Южного Федерального округа;
теоретические и экспериментальные результаты исследования влияния сорбционной способности дисперсных частиц на водопотребность мелкозернистых бетонных смесей;
обоснование механизма действия компклесной добавки «С-3+глицерин» в мелкозернистых бетонных смесях на основе отсевов дробления;
- влияние методов механоактивации (раздельное перемешивание и
поличастотное виброуплотнение) на физико-механические свойства бетона;
- рекомендации по практической реализации основных результатов работы.
Механические свойства щебня их горных пород Южного федерального округа
Для подбора состава мелкозернистого бетона необходимо прежде всего изучить фракционный состав отсевов, представляющих собой песчанощебеночную смесь и пылевидную часть.
В технологическом процессе производства щебня горная порода претерпевает многократное механическое воздействие - буро-взрывные работы в карьере, первичное дробление и, как минимум, одно вторичное дробление. В результате этих воздействий увеличивается микротрещиноватость зерен щебня и происходит накопление в них внутренних напряжений. Величина напряжений и микротрещиноватости в значительной мере зависит от состава горной породы, структуры (например слоистое строение песчаников), склонности к выветриванию (физическое и химическое выветривание песчаников на иклезистом и известковом цементе, выветривание гранитов).
Указанные процессы могут наблюдаться и в щебеночной фракции отсевов, образующихся в процессе производства щебня, что необходимо учесть при их использовании в мелкозернистых бетонных смесях.
В связи с этим определены механические свойства щебня из горных пород Южного федерального округа. Были обследованы 24 карьера и завода по производству щебня, расположенных в районах месторождений горных пород ЮФО. На указанных заводах отобраны пробы щебня, которые испытывали в лаборатории согласно ГОСТ 8267-93 и ГОСТ 8269.0-97. Результаты испытаний приведены в таблице 2.1.
Анализ полученных результатов показал, что щебень из одних и тех же горных пород имеет достаточно большой разброс значений прочности. Так, например, щебень из гранитов месторождения Мирное имеет марку по дробимости 600, а щебень из гранитов Подстепнянского месторождения -1400. Аналогичные явления наблюдаются и для других горных пород (см. табл.2.1).
При использовании отсевов для мелкозернистых бетонов целесообразно определять прочность их щебеночной фракции.
Гранулометрический состав отсевов.
На 24 заводах Южного Федерального округа и прилегающей территории Украины были отобраны и подвержены испытаниям пробы скопившихся отсевов. Прежде всего определялся гранулометрический состав и содержание пылевидных и глинистых частиц.
Испытания проводились согласно ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний» и ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний»
Перед испытаниями в каждой пробе отсева было определено соотношение между щебеночной и песчаной фракциями (табл.2.2). Зерна щебня размером свыше 10мм отсеивались, поскольку их количество не превышает 3% от массы в каждой пробе. Результаты рассева показали, что чем выше прочность щебня (марка по дробимости) тем больше содержание в отсеве щебеночной фракции (рис. 2.1).
Результаты определения гранулометрического состава (определялся после отделения отмучиваемых частиц) песчаной фракции отсевов, приведенные в табл. 2.3 и на рис. 2.2, показали следующее. Содержание отделяемых отмучиванием пылевидных и глинистых частиц в отсевах составляет от 4,1% до 8,9%.
Количество частиц размером менее 0,14 мм, не отделяемых отмучиванием, составляет от 7,1 % до 19,4 % от массы песчаной фракции отсевов. Эти частицы представляют собой мелкодисперсный песок соответствующей горной породы. При этом количество мелкозернистого песка возрастает с уменьшением прочности исходной породы, т.е. чем выше прочность горной породы, тем меньше мелкодисперсного песка в отсеве.
При сравнении графика зернового состава песчаной фракции отсевов со стандартным графиком зернового песка установлено следующее. Содержание зерен песка размером 0,16 - 0,315 мм, 1,25 - 2,5 мм и 2,5 - 5,0 мм практически не отличается от требований стандарта. Не полностью соответствует стандарту содержание в песчаной фракции отсевов зерен размером 0,315 - 0,63 мм и 0,63 - 1,25 мм. Это несоответствие будет способствовать увеличению пустотности песчаной фракции отсевов. Чем ниже прочность исходной горной породы, тем меньше в песчаной фракции зерен размером 0,315 - 0,63 мм и 0,63 -1,25 мм, т.е. тем больше несоответствие стандарту. Однако в этих же отсевах возрастает содержание мелкозернистого песка ( 0,16 мм).
Снижение водоудерживающей способности отсевов гидрофобизацией и олеофобизацией поверхности их частиц
Согласно положениям [95] энергия адсорбции монотонно убывает при удалении от поверхности адсорбента. При этом, чем выше энергия адсорбции (теплота адсорбции), тем выше плотность и количество адсорбента на поверхности адсорбата.
Указанные положения являются теоретической основой для объяснения более высокой водоудерживающей способности песчаной фракции гранита и кварцита (0,012-0,014 г/г), содержащих 70-90% SiC 2 по сравнению с песчаной фракцией известняка (0,07 г/г), состоящего в основном из СаСОз (см. табл. 2.3.)
В таблице 2.3 приведена водоудерживающая способность дисперсных песчаных структур из различных горных пород. При анализе данных таблицы с учетом приведенных выше положений термодинамики установлено, что с повышением содержания SiC водоудерживающая способность дисперсных структур увеличивается (рис. 3.1).
Таким образом, вследствие развитой поверхности и высокой энергетической активности отсевы щебеночных заводов обладают большой водопотребностью (водоудерживающей способностью), что необходимо учесть при подборе составов мелкозернистых бетонных смесей, изготавливаемых на их основе.
Согласно теоретическим положениям для повышения прочности бетона необходимо прежде всего снизить водопотребность бетонной смеси, в т.ч. ее заполнителей.
Из данных таблицы 2.3 очевидно, что водоудерживающая способность пылевидной фракции щебеночных отсевов выше по сравнению с песчаной фракцией. Однако если учесть, что пылевидная фракция составляет 6-19% от массы отсева фракции 0-5мм, то основное количество воды будет связываться песчаной фракцией.
Из данных таблицы 3.1 очевидно, что в пылевидной фракции объем удерживаемой воды соизмерим с объемом пустот. Следовательно, вода в пылевидной фракции является пленочной, удерживаемой силами адсорбции. В I песчаной фракции объем связанной воды значительно меньше объема пустот (табл. 3.1). Следовательно вода в песчаной фракции удерживается в основном в капиллярных манжетах, как показано на рис. 3.2. Рис. 3.2 Схема контакта частиц дисперсной системы. г - радиус кривизны капиллярного мениска; а - зона контакта воды с аномальными свойствами (адсорбированная вода); в - зона, покрытая капиллярным манжетом
Согласно теоретическим положениям водоудерживающая способность дисперсных структур в значительной мере зависит (без учета характеристик самой дисперсной структуры) от краевого угла смачивания воды на поверхности твердых частиц (гидрофобность или гидрофильность), поверхностного натяжения, капиллярных эффектов и сил расклинивающего давления.
В данной работе сделана попытка уменьшить водосодержание как пылевидной, так и песчаной фракций щебеночных отсевов, путем изменения свойств поверхности дисперсных частиц
Гидрофобизация поверхности дисперсных структур.
В настоящее время разработано большое количество гидрофобизаторов для повышения водонепроницаемости бетона и других пористых материалов. Однако многие из них создают на поверхности твердых частиц устойчивые слои, не разрушающиеся при механических воздействиях. По аналогии с гидрофобным портландцементом, разрушаемую гидрофобную пленку образуют мылонафт, асидол, карбоновые кислоты и их соли (мыла).
В данной работе принято решение в качестве гидрофобизатора изучить натриевую соль стеариновой кислоты (стеарат натрия) по следующим соображениям. Мыла щелочных металлов растворимы в воде. Однако их растворимость в воде резко уменьшается с увеличением молекулярной массы в гомологическом ряду карбоновых кислот [103]. Стеарат натрия уже практически не растворим в воде. Применение водонерастворимых гидрофобизаторов обусловлено получением в дальнейшем достоверных результатов.
Стеарат натрия для приготовления гидрофобизирующих составов был получен путем смешивания и нагревания стеариновой кислоты и водного раствора карбоната натрия. C17H35COOH+Na2C03 - Ci7H35COONa+NaHC03 (3.3) Получаемый в результате реакции стеарат натрия выпадает в осадок и отделяется фильтрованием. Для получения гидрофобизирующего состава был приготовлен раствор стеарата натрия в этиловом спирте 10%-ной концентрации. В качестве дисперсной среды приняты песчаная и пылевидная фракции отсева кварцевого щебня.
Опыты проводились следующим образом. Навески песчаной и пылевидной фракции отсева кварцевого щебня засыпали в 10%-ный спиртовый раствор стеарата натрия и выдерживали в течении 48 с периодическим перемешиванием. Затем навески отфильтровывали и высушивали при 25 С до постоянной массы.
Высушенные дисперсные системы в определенном объеме интенсивно перемешивались с водой, а затем отстаивались. Перемешанные с водой дисперсные порошки с некоторым допущением можно считать суспензиями.
При наблюдении за оседанием суспензий было установлено следующее. Частицы песчаной фракции оседали быстро. После их осаждения объемных изменений твердой фазы не наблюдалось (по сравнению с первоначальным объемом). Частицы пылевидной фракции оседали значительно медленнее. После их полного осаждения наблюдается некоторое изменение объема твердой фазы, который на 27-30% превышает исходный объем пылевидной фракции (в сухом состоянии).
Наблюдаемое изменение объема можно объяснить следующим. В водных суспензиях с гидрофобными твердыми частицами из-за неполной насыщенности межмолекулярных сил некоторый слой воды около гидрофобных частиц находится в термодинамически менее выгодном состоянии и по своей структуре и свойствам отличается от жидкости в объеме [43] (рис.3.3-а).
Водотвердое отношение в равноподвижных смесях «цемент + пылевидная фракция отсева + вода»
Прежде всего была сделана попытка определить возможность подбора равноподвижных смесей «цемент + пылевидная фракция отсева + вода» с учетом найденной ранее водоудерживающей способности пылевидной фракции отсевов.
Предварительно была определена нормальная густота цемента, значение которого составило 27,5.
После этого к навеске цемента для определения нормальной густоты (400г.) добавляли пылевидную фракцию отсевов различных пород и проводили испытания. Количество пылевидной фракции составляло 20, 40, 60, 80 и 100 г. Для получения смесей подбирали нормальную густоту, соответствующую по показаниям прибора Вика ИВ-2, с последующим определением В/П (водопыльное отношение). За исходное В/П (теоретическое и первоначальное в опытах) принимали водоудерживающую способность пылевидной фракции отсевов.
Полученные результаты (табл.4.1) показали следующее.
При добавлении к цементу 5-10% от его массы пылевидной фракции отсева нормальная густота смеси практически не изменяется ( по сравнению с чистым цементом) и составляет 27,5%.
При увеличении содержания пылевидной фракции (более 10% от массы цемента) водопотребность смеси изменяется, т.е изменяется нормальная густота.
Количества пленочной воды в отсеве не достаточно для обеспечения его заданной подвижности (т.е нормальной густоты при смешивании с цементом).
В то же время водопотребность пылевидной фракции отсева соответствует значениям водоудерживающей способности, а количество
Данные о водопотребности цементно-пылевой смеси согласуются с результатами, приведенными в работе [112] при определении нормальной густоты смеси цемента и тонкомолотой горелой породы.
Разность между водопотребностыо и водоудерживающей способностью (превышение) можно объяснить следующим.
При ценртрифугировании обводненных дисперсных структур в них остается вода, связанная адсорбционными и капиллярными силами. При этом объем удерживаемой воды может быть меньше объема порового пространства. Такие системы называют трехфазными [113] и они обладают повышенной жесткостью. Для перевода трехфазной системы в двухфазную, у которой объем воды равен (или больше) объема пор, необходимо увеличить содержание воды. Двухфазные системы являются подвижными. Указанные теоретические положения подтверждаются следующими экспериментальными данными.
Если сравнить количество воды, необходимое для заполнения пустотности пылевидной фракции отсевов, с количеством воды, которое необходимо добавить к удерживаемой после центрифугирования для придания подвижности (см. табл. 4.2), то, как следует из таблицы 4.3, эти величины практически одинаковы.
В диссертационной работе изучено действие добавок-водопонизителей на обеспечение подвижности цеметно-пылевого теста при сниженном количестве воды затворения.
В качестве пластифицирующих добавок для исследований были выбраны: - Гидрофобнопластифицирующие - спиртовый раствор стеарата натрия; эмульсия ГКЖ-94. Диспергирующие добавки (гидрофилизаторы) суперпластификаторы С-3, Sikament и Линамикс Р73-1. Предварительная оценка диспергирующего действия выбранных добавок производилась по величине осадка суспензий при отстаивании. Изучались суспензии в следующих составов: - Вода - цемент - суперпластификатор; - Вода — цемент - пылевидная фракция отсевов - суперпластификатор.
Количество пластифицирующей добавки в каждом опыте было принято 1% от массы твердого вещества, а количество пылевидной фракции отсевов в соответствующих суспензиях - 25% от массы цемента. Полученные результаты приведены в таблице 4.4.
Анализ результатов показал следующее. Наиболее плотная упаковка частиц наблюдается при отстаивании суспензий, содержащих суперпластификаторы Sikament, С-3 и Линамикс Р73-1. Гидрофобно пластифицирующие добавки в меньшей степени повышают упаковку частиц. Следовательно, наибольший диспергирующий эффект обеспечивают добавки-гидрофилизаторы. Оценка пластифицирующего действия добавок производилась путем определения водопотребности цемента и его смесей с пылевидными фракциями отсевов. Эффективность добавок определялась их водоредуцирующим действием. Опыты проводились на приборе Вика ИВ-2 и мини-вискозиметре Суттарда. Индекс водоредуцирования вычислялся по формуле: ВР= (вЛ -т% 4-2 где: (B/L )н - водопотребность непластифицированного теста; (В/Т)п- водопотребность пластифицированного теста.
Дозировка добавок, как и в предыдущих опытах, составила 1% от массы твердого вещества. Количество цемента в каждой опытной смеси составило 400 гр., а количество пылевидной фракции - 100 гр. Исходное водотвердое отношение принимали по таблице 4.1. Результаты проведенных опытов (таблица 4.5) показали следующее. Гидрофобно-пластифицирующие добавки уменьшают водотвердое отношение в среднем на 15% (13-18%).
Глицерин уменьшает содержание воды в равноподвижном тесте на 10-13%. Добавки суперпластификаторы обладают высоким водоредуцирующим действием и снижают водопотребность смеси на 50%. В работе М.П. Воларовича [114] показано, что в цементных пастах (портландцемент М500 + вода) при содержании воды 0,08г/г (количество воды в граммах на 1 гр цемента) она находится на поверхности дисперсных частиц цемента в виде мономолекулярносорбированного слоя. При водосодержании 0,12 г/г (В/Ц = 0,12)в пасте вся вода находится в адсорбированном полимолекулярном слое. При содержании воды более 0,12 г/г в системе имеется капиллярная влага.
Зависимость прочности мелкозернистого бетона от вида основополагающей горной породы заполнителя
В работе сделана попытка повысить прочность мелкозернистого бетона на основе отсевов щебня методами механоактивации мелкозернистых бетонных смесей.
Ранее было указано, что одной из причин низкой прочности мелкозернистого бетона на основе отсевов щебня является большое содержание в наполнителе пылевидной (отмучиваемой и неотмучиваемой) фракций.
Осажденная на частицах песка и щебня пылевидная фракция оказывает отрицательное влияние на процессы, происходящие в контактной зоне цемент-наполнитель.
В качестве механоактивационного процесса предложен метод двухстадийного перемешивания компонентов, заключающийся в следующем. В малогабаритный бетоносмеситель ПСМ-25 в начале загружали дозированное количество отсевов щебня и 2/3 необходимого по расчету количества воды затворения. Перемешивание воды и отсева производили в течение 60 с. После этого в бетоносмеситель добавляли требуемое согласно дозировке количество цемента и оставшуюся 1/3 воды и перемешивали еще 60 с.
Из полученных смесей изготавливали образцы - кубы с ребром 7 см, которые в возрасте 28 суток испытывали на сжатие.
Соотношение Ц : О (цемент : отсев) было принято 1:2; 1:2,5; 1:3 и 1:3,5. Водоцементное и водотвердое отношение согласно таблице 5.3.
Полученные результаты опытов показали следующее (табл.5.4).
Раздельное перемешивание компонентов (механоактивация) приводит к увеличению прочности мелкозернистого бетона на 8 - 24 %. Прирост прочности зависит от содержания пылевидной фракции в отсеве и практически не зависит от вида горной породы, из которой образован отсев. Это подтверждается следующими полученными данными (см. табл. 5.4).
Бетоны, полученные из мелкозернистых смесей при соотношении компонентов Ц : О равным 1:2,5, повысили прочность при указанном способе механоактивации следующим образом: на основе песчаников (содержание пылевидной фракции в отсеве 20%) - на-17%; на основе диоритов (содержание пылевидной фракции в отсеве 10%) - на-10%.
В пределах изменения Ц : О от 1:2 до 1:3,5 (то есть с увеличением общего количества пылевидной фракции в мелкозернистой бетонной смеси) приращение прочности бетона увеличивается для всех исходных горных пород. Так, например для отсева из сиенита с увеличением Ц : О от 1:2 до 1:3,5 приращение прочности изменяется от 10% до 19%, то есть чем больше пылевидной фракции в бетонной смеси, тем выше эффект механоактивации.
Полученные результаты показали, что при раздельном перемешивании компонентов (механоактивации) при Ц : О = 1:2,5 может быть получена прочность бетона 18-20МПа.
Механизм действия принятого способа механоактивации может быть объяснен следующим.
При перемешивании отсева и воды мелкодисперсные пылевидные частицы переходят в водную фазу, образуя взвеси. Известно, что такие вещества, как S1O2, при образовании суспензий в воде образуют агрегативно устойчивые системы.
В таких системах мелкодисперсные частицы весьма медленно осаждаются на твердых поверхностях, в нашем случае на поверхности зерен песка и щебня. При добавлении в систему цемента и ее перемешивании частицы цемента также находятся во взвешенном состоянии в воде. Поскольку пылевидные частицы не образуют агрегатных комплексов, очевидно происходит их распределение между частицами цемента. Таким образом, на поверхность зерен песка и щебня осаждаются частицы цемента и распределенные между ними частицы пыли.
Следовательно, пылевидные частицы включаются в цементную матрицу и не образуют прослоек между цементным камнем и зернами песка и щебня, которые и приводят к снижению прочности бетона.
Одним из научных направлений в области механоактивации бетонных смесей является разработка и применение специальных вибрационных технологий.
В работе поставлена задача изучить возможность повышения прочности мелкозернистого бетона на основе отсевов щебня методом механоактивации, заключающегося в применении поливибрационного уплотнения бетонных смесей [127].
Для этого согласно принципиальной схеме, представленной на рисунке 5.3 [127], была изготовлена поличастотная виброустановка. В качестве основы взята лабораторная виброплощадка (1), на которой был смонтирован вибровозбудитель (2). В отличие от схемы [127] создания давления на бетонную смесь не предусматривалось.
Из мелкозернистых бетонных смесей, приготовленных методом двухстадийного перемешивания, изготавливались образцы - кубы с ребром 7 см. с уплотнением на поличастотной виброустановке. При этом лабораторная виброплощадка со своим вибровозбудителем создавала частоту колебаний 2900 кол/мин (48 Гц), а амплитуду А=0,5 мм. Дополнительный вибровозбудитель с пластинкой, установленной без прижима на поверхность бетонной смеси, создавал более высокую частоту колебаний - 8000кол/мин. (133 Гц) с амплитудой 0,35 мм. Время уплотнения в каждом опыте составляло 45 с.
Изготовленные образцы после 28 суток твердения испытывались на прочность при сжатии. Полученные результаты показали (табл. 5.5), что прочность мелкозернистого бетона, изготовленного при поличастотном виброуплотнении смеси, возрастает на 20-35%.
Наименьшее увеличение прочности при поличастотном виброуплотнении наблюдается в мелкозернистом бетоне на основе отсева песчаника. При увеличении содержания отсева приращение прочности бетона также снижается.
