Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
1 УСКОРЕННОЕ ТВЕРДЕНИЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ 1 3
1.1 Суп чествую іцие способы ускореиия твердения портландцементных
бетонов 13
1.1.1 Активационное воздействие на бетонную смесь 13
Тепловая обработка изделий из бетона 13
Тепловая обработка предварительно разогретых бетонных сме
сей 14
Тепловая обработка бетона с химическими добавками
,' а 16
1 идро.мехапическая активация
Высоковольтная импульсная активация
17
Термомеханическая активация
1.1.2 Специальные виды цементов 18
1.2 Изменение степени, скорости гидратационных процессов и струк-
турообразования портландцементных систем с помощью химических
добавок 20
(.2.1 Механизм гидратации и структура цементного камня 20
Особенности формирования микроструктуры цементного камня. Изоструктурность образующихся гидратных фаз 23
Гидратация портландцемента в присутствии электролитов 25
Влияние активных минеральных добавок на структурообразо-вание и свойства цементного камня и бетона ^0
Конденсированный микрокремнезем как высокоактивная минеральная добавка. Влияние на структурообразование портландцементного камня и свойства бетона 31
Некоторые особенности индукционного периода цементных систем, модифицированных добавками 36
Особенности гидратации алюминатов кальция. Причины и механизм замедления 38
L2.8 Влияние органических замедлителей на гидратацию портланд-
цемента. Причины и механизм замедления 40
1.2.9 Структурообразование и свойства цементных композиций, мо
дифицированных комплексными добавками 42
1.3 Еезгипсовыс портландцсмснты с регулируемыми сроками схваты
вания и темпами набора прочности 48
1.3,1 Портландцементные композиции для зимнего безобогревного
бетонирования 50
1.4 Факторы, влияющие на разрушение цементного камня и бетона,
содержащего химические к минеральные добавки 54
Выводы к главе 1 57
Цель и задачи исследования 59
Рабочая гипотеза 59
2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ
МАТЕРИАЛОВ v 61
2.1 Методы исследования 61
* 2 Л. 1 Стандартные методы испытания 61
2Л.2 Реологические исследования 62
2 1.3 Рентгенофазовый анализ 62
21.4 Анализ методом дифференциальной сканирующей калоримет
рии-DSC 63
2.1.5 Метод дифференциальной термогравиметрии - DSC-DTG .... 63
2Л.6 Метод определения изменения линейных размеров цементных
составов с повышенным содержанием SO^ и S1O2 63
ф 2.2 Характеристика сырьевых материалов 65
Портландцементный клинкер и портландцемент 65
Песок и щебень 68
2.23 Конденсированный микрокремнезем 69
Цеолитовый туф 69
Сыннырит 70
Многокомпонентная добавка НД 71
2.2.7 Добавки - электролиты и пластифицирую ще - замедляющие
вещества 71
3 ИЗОСТРУКТУРНОСТЬ, КАК ГЛАВНЫЙ ПРИНЦИП НАПРАВЛЕННОГО ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛАХ ВЫСОКОГО
КАЧЕСТВА 72
ЗЛ Основные принципы направленного фазообразования в быстрот-
всрдеющих портландцементных материалах 72
3.2 Особенности развития прочности и фазообразования непластифи-
цированного портландцементного камня с добавками - электролитами 73
3.2Л Изменение прочности и фазового состава непластифицировап-
ного портландцементного камня в присутствии добавок, шдролизую-
щихся с повышением щелочности жидкой фазы 77
3.3 Особенности развития прочности и фазообразования в портланд-
цементном камне с комплексными модификаторами, содержащими элек
тролит и суперпластифи пирующий или иластифициру юще-
замедляющий компонент 89
З.ЗЛ Особенности развития прочности и фазообразования в порт-
ландцементном камне с комплексной добавкой "С-3 + электролит" 90
Комплексная добавка суперпластификатора С-3 и СаСІ-2 ^
Колпыексная добавка суперпластификатора С-3 и M?/?Oj у^
Комплексная добавка суперпластификатора С-3 и Na2SO^
Изменение прочности и фазового состава цементного камня в присутствии комплексной добавки "ЛСТ + электролит" 102
Изменение прочности и фазового состава цементного камня с комплексной добавкой компонента КБ и электролита ЮЗ
3.4 Особенности развития прочности и фазообразования цементного
камня с комплексными добавками на основе высокоактивных пуццолан 11 I
3.4Л Изменения прочности и фазового состава суперпластифициро-
ванного цементного камня в присутствии добавки микрокремнезема и
электролита 111
3.4.2 Изменения прочности и фазового состава суперпластифициро-ванного цементного камня в присутствии добавки цеолитового туфа и
электролита 116
Особенности развития прочности и фазообразованис в быстротвср-деюдщх безгипсовых портландцементпых композициях 118
Комплексные модификаторы для быстротвердеющих систем на основе обычного портландцемента 137
Комплексные модификаторы на основе микрокремнезема для быстротвердеющих портландцементных материалов. Изменение прочности и фазового состава модифицированных портландцементных систем 137
Комплексные модификаторы на основе цеолитового туфа для быстротвердеющих портландцементных материалов. Изменение фазового состава модифицированных портландцементных систем 147
3.7 Исследования собственных деформаций растворного камня с ком
плексными модифицирующими добавками 156
Особенности образования уттрипгита и таумасита в затвердевшем модифицированном портландцементном камне 156
Влияние комплексных добавок - модификаторов на деформа-
тивность цементных составов 158
Выводы к главе 3 166
4 АНАЛИЗ СВОЙСТВ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
И БЕТОНОВ С ДОБАВКАМИ КОМПЛЕКСНЫХ МОДИФИКАТОРОВ 168
4,Шрочностные характеристики быстротвердеющих бетонов с ком
плексными добавками 168
4Л,1 Анализ влияния загрязняющих примесей заполнителя на проч
ность быстротвердеющих модифицированных бетонов 179
4.2 Исследование реологических характеристик цементных систем,
модифицированных комплексными добавками 187
4.2.1 Особенности реологии быстротвердеющих цементных паст ... 187
Пластическая прочность 1{ементных паст с комплексными добав
ками 191
Предельное напряжение сдвига и динамическая вязкость цементных
паст с комплексными добавками У4
4.2.2 Анализ влияние компонентов комплексных добавок и загряз-
ляющих примесей заполнителя на потерю подвижности бетонных сме
сей 199
Анализ долговечности быстр отвердею щих модифицированных бетонов 204
Исследование режимов ТВО для быстротвердеющих модифицированных бетонов 208
Выводы к главе 4 212
5 ИСПЫТАНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК
В УСЛОВИЯХ ПРОИЗВОДСТВА И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ИСПОЛЬЗОВАНИЮ 214
5 Л Технологические схемы приготовления и введения в бетонные
смеси комплексных модифицирующих добавок 214
Результаты производственных испытаний 216
Разработка технологической документации на применение комплексной добавки - модификатора 220
Выводы к главе 5 221
ОБЩИН ВЫВОДЫ 222
ЛИТЕРАТУРА 225
ПРИЛОЖЕНИЯ 237
Приложение А 238
Приложение Б 246
Приложение В 264
Приложение Г 269
Приложение Д 319
Приложение Е 332
Приложение Ж 348
Введение к работе
Актуальность работы- Повышенные требования по морозостойкости, стойкости к различным агрессивным средам, водонепроницаемости предъявляются к бетонам и железобетонным изделиям, предназначенным для промышленного, гражданского, транспортного и гидротехнического строительства. Кроме тої о, при постоянном росте цен на энергоносители и необходимости ведения бетонных работ в условиях низких температур, возникает реальная потребность в быстротвердеющих непроиариваемых бетонах. Повышение эксплуатационных свойств бетонов в последние годы достигается в основном за счет снижения водоцементного (В/Ц) отношения смесей на основе портландцемента путем суперпластифицирования, либо применением новых видов высокоэффективных вяжущих, бетоны на которых так же, как правило, имеют низкие водоцементные отношения (безгипсовые, шлакощелочные и другие).
Нашедшие широкое применение в практике строительства ускорители твердения бетона являются эффективными для не пластифицированных смесей - с высокими В/Ц отношениями. Такие добавки, как правило, способствуют интенсивному синтезу эттрингитоподобных AFt - фаз на ранних этапах твердения цемента. Однако, основные принципы ускорения твердения, применяемые в непластифицированных портландцементных материалах, могут быть не эффективными в более плотных суперпластифицированных системах.
Вследствие указанных причин является актуальным разработка принципов получения быстротвердеющих суперпластифицированных бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Цель диссертационной работы - разработка принципов получения непро-париваемых быстротвердеющих высокопрочных и долговечных суперпластифицированных портландцементных бетонов на основе рядовых материалов.
Задачи исследования:
1. Разработка принципа получения быстротвердеющих суперпластифицированных портландцементных бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Определение эффективности добавок - ускорителей твердения в рамках предложенного принципа.
Проведение сравнительных исследовании свойств бетонных смесей и свойств бетонов исходя из предложенных представлений,
Проведение заводского опробования технологии и разработать нормативно-техническую документацию для внедрения.
Научная новизна:
Предложен принцип получения быетрогнердеющих су пер пластифицированных бетонов с высокими эксплуатационными характерне гиками, основанный на обеспечении изоструктурности продуктов гидратации основных фаз твердеющего портландцемента, что особенно важно в плотном камне с низким В/Ц.
Установлено, что е необходимый эффект достигается преимущественной стабилизацией пластинчатых ЛГтп-фаз на ранних этапах гидратации портландцемента, изоструктурных иортландиту и C-S-H фазам, взамен игольчатых A Ft новообразований. В рамках предложенного принципа найдено объяснение эффекта наибольшего ускорения твердения супергтлаетифицированного бетона в присутствии сульфата натрия, стабилизирующего натрийсодержащий гидро-сульфоалгоминат кальция, сходный с моногидросульфоалюминатом кальция AFm-фаз, а не хлорида кальция или других подобных добавок, являющихся классическими ускорителями твердения для не пластифицированных бетонов.
Установлено? что наибольшая ранняя стабилизация AFm-фаз в лорт-ландцементыом камне обеспечивается совместным использованием комплекса добавок- включающего наряду с суперпластификатором высокоактивные пуццоланы, щелочные ускорители, а также органические замедлители, способные образовывать устойчивые комплексы со щелочными или щелочноземельными металлическими ионами.
Показано, что подобная стабилизация указанных фаз в портландцемент-ном камне с добавкой модификатора на основе суп ер пластификатора, высокоактивной пуццоланы, щелочного ускорителя и органического замедлителя, не приводит к синтезу таумасита или вторичного эттрингита в количествах, вызывающих опасность деструктивных явлений.
10 5. Показано, что в супер пластифицированном бетоне с преимущественной стабилизацией AFm-фаз в портландцементом камне доля загрязняющих примесей в заполнителе может существенно увеличиваться по сравнению с требованиями ГОСТ 8736 без значительного снижения характеристик материала.
Практическая значимость работы:
L Применение разработанных комплексных модифицирующих добавок, включающих наряду с суперпластификатором в качестве щелочного ускорители - сульфат натрия, із качестве пуццолановых материалов - микрокремнезем или цеолитоьые туфы, а в качестве органического замедлителя - полигидро-ксикарбоновые кислоты или их соли (компонент КБ), обеспечивает получение быстротвердеющих бетонов с высокой прочностью в раннем и зрелом возрасте без тспловлажностной обработки: 60-100 % от проектной прочности через 1 сутки и до 150-200 % от проектной прочности через 28 суток твердения в нормальных условиях.
Предложенный комплекс добавок обеспечивает сохранность удобоукла-дыпаемосги бетонных смесей в технологически необходимые сроки реального производства: остаточная осадка конуса через 60 минут после приготовления бетонной смеси составляет 90-70 % от первоначальной,
Предложены технологически работоспособные составы безгипсовых портландцементов, относящихся к вяжущим, в которых реализуется принцип изоструктурности за счет стабилизации AFra - фаз в безгипсовых портландце-ментных системах. Обосновано применение, взамен комплекса «ЛСТ - R2CO3» комплексных добавок на основе стабилизируще-замедляющего компонента КБ, усиливающего эффект направленного формирования июструктурных фаз. В качестве альтернативных ускорителей твердения в безгипсовых портландце-ментах предложено использовать отходы производства (НД), либо природные минеральные вещества (сыннырит), которые улучшают «живучесть» бетонных смесей, удешевляют продукцию,
Получаемые жщифициропанные бетоны обладают высокими показателями по морозостойкости (до 300 - 500 циклов), водонепроницаемости (11-16 атм.) и коррозионной стойкости (уровень сульфагосюйких цементов), и не требуют дополнительных мероприятий по улучшению указанных характеристик.
1 E
5. При наличии комплексной модифицирующей добавки r составе бетонной смеси, в ней в качестве мелкого и крупного заполнителя можно использовать материалы с повышенным содержанием загрязняющих примесей - илистых, глинистых и пылеватых частиц (до 14 % от обшей массы заполнителей), без ухудшения свойств бетонной смеси и бетона.
Достоверность полученных результатов подтверждена физико-химическими методами исследования: методом дифференциальной сканирующей калориметрии совместно с методом дифференциальной терма гравиметрии, анализом микроструктуры цементного камня с использованием растрового электронного микроскопа JOL JSM, и рентгенофазовьтм анализом, а также проведенными реологическими исследованиями, оценкой изменения линейных размеров затвердевших образцов и стандартными испытаниями, соответствующими ГОСТам и другим нормативным документам.
Разработанные составы комплексных модифицирующих добавок для быст-ротвердсющих высокопрочных и долговечных бетонов на рядовых материалах прошли опытно-промышленные испытания с положительным эффектом на ЗАО "КЖБИ-г", а также малых предприятиях ООО "Поиск" и ООО 'ТОСТ" (г. Барнаул).
Апробация работы- Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции ^Современные строительные материалы", г, Новосибирск, 2000г,; на VI международном семинаре Азиате ко - Тихоокеанской академии материалов (АТАМ) ''Строительные и отделочные материалы, стандарты XXI века", г. Новосибирск, 2001 г.; на международных научно-технических конференциях в НГАСАУ, г, Новосибирск, 2002г, 2003г.; на международной конференции "Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автодорог и сооружений", г. Барнаул, 2003 г.э а также на ежегодных научно-тсхгчичсских конференциях студентов, аспирантов и прфсссорско-преподавательского состава Алті ТУ, г. Барнаул 1998-2003гг.
Публикации* Основные положения работы опубликованы в 10 печатных трудах, в том числе: одна - в ж. «Ползуновский вестник», пять - в трудах Меж-
ду парод пых научно-нракт. конфм одна - в Международном сборнике науч. трудов, две - в трудах Международного совещания по химии и технологии цемента, одна - в сборнике Международного семинара AT AM- Всего по теме диссертации опубликовано 20 работ. Подана заявка на патент № 2002119043/03(019956) от 02.07,02г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и 5 глав, содержит 153 рисунка, 44 таблицы, 7 приложений, список литературы из 146 названий.
На защиту выносятся:
Принцип получения быстротвердеющих суперпластифицированных бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками-
Результаты исследований по определению эффективности добавок - ускорителей твердения в непластифицированных и суперпласіифицированньтх портландцемент ных еистемах-
Результаты исследований физико-химических и структурно-технических характеристик быстротвердеющих суперпластифицированкых цементного камня и бетонов с различными модифицирующими добавками.
Составы быстрствердсющих бетонов на основе безгипсовых и портландце-ментных композиций.
Результаты исследовании собственных деформаций быстротвердеющего цементного камня с добавками,
Результаты заводских испытаний быстротвердеющих портландцементных бетонов и нрмативно-техническую документацию для организации производства.
