Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния и перспективы повышения эффективности цементных растворов для промышленных монолитных полов 12
1.1 Анализ современного состояния цементных полов производственных помещений 12
1.2 Способы повышения эффективности цементно-песчаных растворов для устройства монолитных полов 19
1. 3 Перспективы применения микроармирующих и наноуглеродных добавок в цементных растворах
1.3.1 Применение армирующих волокон при устройстве цементных полов 23
1.3.2 Упрочнение цементного камня наноуглеродными добавками 27
1.3.3 Совместное введение микроармирующих волокон и углеродных нанодобавок в цементные смеси 29
1.4 Выводы по главе 31
2 Характеристики используемых материалов и методов исследований 33
2.1 Характеристики используемых материалов 33
2.2 Методы исследований
2.2.1 Исследование свойств цементно-песчаного раствора 37
2.2.2 Математическое планирование и статистическая обработка результатов эксперимента 41
2.2.3 Физико-химические методы исследования 45
2.3 Выводы по главе 47
3 Исследование свойств и структурных особенностей цеметно-песчаного раствора с МБМ для монолитных полов 48
3.1 Исследование свойств цементно-песчаного раствора с МБМ для
устройства монолитных полов 48
3.1.1 Прочностные характеристики раствора 48
3.1.2 Истираемость раствора 54
3.1.3 Деформации усадки раствора
3.2 Структурные особенности цементно-песчаного раствора с МБМ 61
3.3 Рекомендуемые составы цементно-песчаного раствора 68
3.4 Выводы по главе 69
4 Технология приготовления цементно-песчаного раствора с модифицированными базальтовымимикроволокнами 71
4.1 Исследование технологических схем приготовления растворной смеси с МБМ 71
4.2 Исследование технологических приемов разделения МБМ 76
4.3 Исследование технологических режимов приготовления растворной смеси в смесителях различных типов 83
4.4 Выводы по главе 96
5 Внедрение результатов исследования и его технико-экономическое обоснование 98
5.1 Опыт внедрения полученных результатов исследований 98
5.2 Технико-экономическая эффективность 101
5.3 Выводы по главе 105
Заключение 106
Список использованных источников
- 3 Перспективы применения микроармирующих и наноуглеродных добавок в цементных растворах
- Математическое планирование и статистическая обработка результатов эксперимента
- Истираемость раствора
- Исследование технологических режимов приготовления растворной смеси в смесителях различных типов
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время при устройстве монолитных полов в
зданиях и сооружениях промышленного и гражданского назначения широко
применяются растворы на основе портландцемента. Их распространенность
обусловлена доступностью цемента, изученностью и простотой технологии
приготовления растворных смесей на его основе, их высокой адгезией к
различным по природе основаниям. Однако, несмотря на вышеперечисленные
достоинства, конструкции монолитных полов, изготовленных на основе
цементных растворов, имеют ряд недостатков: невысокие прочностные
свойства на растяжение при изгибе, недостаточная износоустойчивость,
образование трещин и отслоение поверхностного слоя пола. Повысить
эксплуатационные характеристики цементных монолитных полов возможно
применением дисперсного армирования цементно-песчаной матрицы раствора
модифицированными микроволокнами. Введение модифицированных
армирующих волокон позволит сформировать плотную структуру композита на микро- и наномасштабных уровнях. Однако отсутствие разработанной технологии приготовления растворной смеси с применением волокон указанного типа сдерживает их интенсивное внедрение в строительную практику.
Поэтому, для решения вопросов повышения физико-механических
характеристик монолитных полов и увеличения продолжительности их
эксплуатации актуальным и перспективным направлением исследований в
строительном производстве является совершенствование технологии
устройства монолитных полов на основе цементно-песчаных растворов с применением модифицированных армирующих микроволокон.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология
строительного производства» Оренбургского государственного университета в соответствии с темой госбюджетной работы «Оптимизация строительного производства в современных условиях» № 01201278283 (2012-2016 годы), в
4
соответствии с программой «Научные исследования высшей школы по
приоритетным направлениям науки и техники», подпрограммой «Архитектура
и строительство», в рамках реализации гранта по программе «УМНИК-2015»
при поддержке Фонда содействия инновациям при Правительстве
Оренбургской области (2015-2016 годы).
Цель исследования. Разработка состава цементно-песчаного раствора, дисперсно-армированного модифицированной базальтовой микрофиброй (МБМ), и технологии его приготовления, транспортирования и укладки, обеспечивающих повышение конструкционных свойств монолитных полов.
В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие научные задачи исследования:
-
Выполнить анализ конструктивных и технологических особенностей устройства монолитных полов, применения фибрового армирования при их устройстве, и обосновать гипотезу о необходимости разработки технологии устройства монолитных полов с применением цементно-песчаных растворов, армированных МБМ.
-
Исследовать свойства и структурные особенности дисперсно-армированного цементно-песчаного раствора для устройства монолитных полов в зависимости от состава компонентов растворной смеси и количества армирующих микроволокон.
-
Определить технологически эффективный способ дезинтеграции МБМ в цементно-песчаной матрице и оценить его влияние на физико-механические свойства раствора.
-
Исследовать зависимость технологических параметров оборудования от состава растворной смеси на этапах приготовления, транспортирования и укладки растворной смеси.
-
Разработать технологический регламент на устройство монолитных полов на основе цементно-песчаных растворов, дисперсно - армированных МБМ.
6. Провести апробацию разработанных составов и технологии на
производстве, оценить технико-экономическую целесообразность и
эффективность предлагаемых решений.
Научная новизна работы:
-
Теоретически и экспериментально обоснована эффективность использования МБМ в качестве дисперсного армирования цементно-песчаного раствора, предназначенного для устройства полов.
-
Выявлены зависимости прочности, истираемости, деформации усадки дисперсно-армированного цементно-песчаного раствора от состава смеси и количественного содержания армирующих микроволокон.
-
Установлено, что в присутствии углеродного наномодификатора на поверхности модифицированных базальтовых микроволокон в цементном растворе увеличивается степень гидратации цемента, количественное содержание портландита, формируются игольчатые новообразования низко-и высокоосновных гидросиликатов кальция типа C-S-H (I, II), что способствует уменьшению явления образования усадочных трещин при твердении цементных растворов и их негативного влияния в дальнейшем на эксплуатационные характеристики монолитного пола.
-
Разработана оптимальная технология приготовления дисперсно-армированной растворной смеси, позволяющая обеспечить однородность и равномерность распределения армирующего микроволокна в смеси и повысить физико-механические характеристики цементного раствора для монолитных полов, а также их однородность (заявка на изобретение № 2016100623 от 11.01.2016 г.).
-
Установлено влияние состава растворной смеси, дисперсно-армированной МБМ, на значение ее подвижности, а также определены оптимальные составы растворных смесей для перекачивания и скорость их транспортирования по трубопроводному транспорту к месту укладки.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- разработан состав цементно-песчаного раствора, дисперсно-армирован-
6 ного МБМ, получен раствор, обладающий высокой прочностью при изгибе (до 20,8 МПа);
определены технологические параметры приготовления дисперсно-армированного цементного раствора, обеспечивающие равномерное распределение микроволокна в цементно-песчаной матрице;
разработан технологический регламент на устройство монолитных полов на основе цементных растворов, дисперсно-армированных МБМ:
в производственных условиях проведена апробация разработанных составов и технологии устройства монолитных цементных полов, дисперсно-армированных МБМ, позволяюшая снизить трудоемкость устройства 100 м2 пола на 19 %, затраты на устройство 100 м2 монолитного пола - на 20 % при одновременном повышении прочностных характеристик, экономия себестоимости материалов 100 м2 монолитного пола составляет 9144 руб. в год.
Методология и методы исследования. Теоретической и
методологической основой диссертационной работы являются разработки
отечественных и зарубежных ученых в области дисперсного армирования
бетонов и растворов, а также нанотехнологий в строительном
материаловедении.
При проведении исследований использовались стандартные методики определения физико-механических свойств раствора, физико-химические методы определения фазового состава образцов, методы планирования эксперимента, методы регрессионного анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности 05.23.05 «Строительные материалы и изделия», а именно п. 6 «Создание теоретических основ получения строительных композитов гидратационного твердения и композиционных вяжущих веществ и бетонов».
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных исследований физико-механических
свойств и структурных особенностей цементно-песчаных растворов, дисперс-
7 но-армированных МБМ, для устройства монолитных полов;
- технологические особенности распределения МБМ в растворной смеси;
- результаты исследований технологических параметров приготовления
дисперсно-армированного цементно-песчаного раствора в циклических
смесителях;
- параметры транспортирования и укладки дисперсно-армированной
растворной смеси;
- результаты опытно-промышленных испытаний составов и технологии
устройства монолитных цементных полов, дисперсно-армированных
модифицированной базальтовой микрофиброй;
- технико-экономическое обоснование разработанных составов и
технологии устройства монолитных цементных полов.
Внедрение результатов:
Разработанные составы применялись при приготовлении опытной промышленной растворной смеси на ЗАО Завод «ЖБИ «Степной» г. Оренбург.
Разработанный состав раствора применен в 2013 году при устройстве монолитного покрытия пола здания гаража Октябрьского РЭС ОАО «Оренбургэнерго» в пос. Октябрьский г. Оренбурга (1170 м2). В 2015 году разработанные состав и технология применялись при устройстве цементной стяжки в жилом доме по ул. Геофизиков Ленинского района г. Оренбурга.
Результаты исследований реализованы в учебном процессе при подготовке инженеров по направлению «Строительство».
Апробация результатов
Основные положения и результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях регионального, всероссийского и международного уровня: ежегодная научно-техническая конференция «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (г. Оренбург, 2012-2016 гг.); Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы интеграции науки и образования в регионе» (г. Бузулук, 2013); 70-я юбилейная Всероссийская
8 научно-техническая конференция «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (г. Самара, 2013); МНПК «Строительство» (г. Ростов-на-Дону, 2015 г.).
Достоверность результатов исследований обеспечена обоснованным комплексом стандартных методик, достаточным объемом проведенных экспериментов, выполненных на поверенном и аттестованном оборудовании, применением современных методов математического планирования и обработки результатов эксперимента, опытно-промышленными испытаниями и результатами практического внедрения.
Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 9 научных работах, из них 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК. Подана заявка на изобретение № 2016100623 от 11.01.2016 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 156 наименований, содержит 53 рисунка и 36 таблиц.
3 Перспективы применения микроармирующих и наноуглеродных добавок в цементных растворах
В настоящее время значительно увеличиваются объемы строительства многофункциональных промышленных зданий и сооружений, что связано с необходимостью развития производства конкурентоспособной и малоэнергоемкой продукции в России [1]. Увеличение механических и эксплуатационных нагрузок, действующих на полы производственных помещений, создает необходимость проектирования и устройства полов с применением новых эффективных строительных материалов и технологий [2, 3]. Полы промышленных зданий представляют собой многослойную конструкцию, в которой верхний слой пола (покрытие) воспринимает эксплуатационные воздействия, быстро изнашивается и перестает обеспечивать требуемую эксплуатационную надежность всей конструкции пола [4-6]. Поэтому к покрытию предъявляются повышенные требования по прочности и истираемости.
Согласно СП 29.13330.2011 тип покрытия пола производственных помещений назначается в зависимости от условий эксплуатации, а именно от вида и интенсивности механических, жидкостных и тепловых воздействий, а также с учетом специальных требований к полам [7]. Известно около 40 видов покрытий полов производственных помещений, из них наиболее часто монолитные покрытия устраиваются на основе цементных бетонных и растворных смесей [8-11].
Широкое распространение цементных монолитных полов в помещениях промышленных зданий обусловлено рядом преимуществ [12-15]: - цементное монолитное покрытие характеризуется достаточно высокой прочностью на сжатие, в результате чего применяется в производственных помещениях с различной интенсивностью механических воздействий на пол: от слабой до весьма значительной. Покрытия промышленных полов устраиваются толщиной от 25 до 50 мм из бетонов классов по прочности на сжатие В22,5 - В40, а растворные - толщиной от 20 до 30 мм с прочностью 20- 30 МПа; - возможность устройства покрытия в цехах с повышенной влажностью с воздействием на пол следующих агрессивных сред: минеральных масел и эмульсий, органических растворителей, веществ животного происхождения и растворов щелочей концентрацией до 8 %; - соответствует некоторым специальным требованиям, предъявляемым к промышленным полам, а именно: в сухом состоянии покрытие не накапливает на поверхности заряды статического электричества и является безыскровым при ударных воздействиях; - технологии монолитных цементных полов достаточно хорошо изучены, доступны в ресурсном обеспечении, а процессы хорошо управляемы.
Несмотря на вышеперечисленные достоинства, монолитное цементное покрытие пола характеризуется следующими недостатками [16-18]: - цементные бетоны и растворы обладают недостаточной сопротивляемостью к растягивающим и изгибающим усилиям, что при высоких эксплуатационных нагрузках в промышленных зданиях обуславливает появление ряда дефектов; - цементные покрытия не стойки к агрессивному воздействию кислот, поэтому применение их в соответствующих химических производствах не допускается; - цементные покрытия обладают способностью к пылению, поэтому применение их в производственных помещениях класса беспыльности 1000 100 000 не допускается; - цементно-бетонное покрытие практически не очищается от пылевидных загрязнений и трудно очищается от жидкостных; - цементные смеси имеют невысокую скорость набора прочности.
При эксплуатации бетонных цементных монолитных полов в помещениях промышленных зданий наблюдается повышение нагрузок [6]. Увеличение нагрузок, действующих на пол, связано с развитием промышленных технологий и появлением новых типов технологического оборудования в цехах. Усовершенствованные виды промышленного оборудования характеризуются повышенной скоростью перемещения, большим удельным давлением и повышенными динамическими, вибрационными и абразивными воздействиями на пол [1].
Авторами работ [19-20] были установлены наиболее распространенные дефекты промышленных полов, которые влияют на дальнейшую эксплуатацию промышленных объектов, и предложена их классификация. К наиболее характерным дефектам покрытий промышленных полов относятся: шелушение и выкрашивание поверхностного слоя бетона, объемные дефекты (выбоины, раковины и т.п.), трещины, отслоение поверхностного слоя пола, сколы углов и краев, повышенное пылеотделение и коробление. В работе Казлитина С.А. [20] предложена технологическая классификация дефектов цементных полов, согласно которой все дефекты характеризуются по следующим признакам: - в зависимости от происхождения факторов, оказывающих влияние на возникновение дефектов - внутренние и внешние дефекты; - в зависимости от влияния на целостность и прочность конструкции -разупрочняющие и неразупрочняющие дефекты; - по распространенности в теле бетонной конструкции - единичные, множественные, поверхностные и сквозные дефекты; - по пространственному расположению дефекты - горизонтальные, наклонные и вертикальные, обращенные вверх или вниз.
Математическое планирование и статистическая обработка результатов эксперимента
По результатам анализа требований, предъявляемых к материалам для устройства цементно-песчаных монолитных покрытий полов промышленных зданий, для приготовления растворов следует применять портландцемент марки не ниже М 400 [128, 129].
В качестве вяжущего для проведения исследований применялся портландцемент ПЦ ЦЕМ I 42,5Н производства г. Новотроицк, «Южно-уральская Горно-перерабатывающая Компания». Выбор портландцемента обоснован отсутствием в его составе добавок, которые могут отрицательно повлиять на свойства растворных смесей. Кроме того, объем выпуска данной марки цемента довольно большой в общем объеме выпускаемой продукции в России.
Химический состав цемента приведен в таблице 2.1. Физико-механические характеристики цемента определены в соответствии с ГОСТ 310.1 – ГОСТ 310.3-76, ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 310.6-85 и представлены в таблице 2.2.
Портландцемент ПЦ ЦЕМ I 42,5Н производства г. Новотроицк, «Южноуральская Горно-перерабатывающая Компания» соответствует требованиям ГОСТ 31108-2016 и ГОСТ 30515-2013. Таблица 2.2. Физико-механические характеристики цемента Наименование параметра Единица измерения Значение параметра Тонкость помола (проход через сито 008) % 91,8 Нормальная густота цементного теста % 25 Начало схватывания ч-мин 1-00 Конец схватывания ч-мин 3-30 Предел прочности при изгибе в возрасте 3 суток МПа 4,3 в возрасте 28 суток МПа 6,2 Предел прочности при сжатии в возрасте 3 суток МПа 25,2 в возрасте 28 суток МПа 51,3 Водоотделение % 17,2 В качестве заполнителя применялся песок для строительных работ Архиповского месторождения Оренбургской области.
По ГОСТ 8735-88 определялись следующие характеристики песка: гранулометрический состав, модуль крупности, содержание пылеватых и глинистых частиц, содержание глины в комках, истинная и насыпная плотность, межзерновая пустотность.
Содержание в песке частиц размерами св. 10 мм (Гр10 ) и от 5 до 10 мм (Гр5) составляет 0,39 и 0,33 % соответственно. Гранулометрический состав и характеристики песка представлены в таблицах 2.3 и 2.4 соответственно.
Гранулометрический состав песка Наименование остатка Остатки на ситах, % 0,16 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 частный, аi 4,0 17,5 38,9 36,0 2,3 1,3 полный, Аi 4,0 21,5 60,4 96,4 98,7 Согласно требованиям ГОСТ 8736-2014 песок относится к группе крупных песков (Мк = 2,81) и не превышает допустимых значений содержания зерен крупностью свыше 5 мм и менее 0,16 мм, указанных для песков II класса. Полный остаток на сите № 0.63 (60,4 %) соответствует допустимым ограничениям, указанных для группы крупных песков.
По гранулометрическому составу и содержанию пылеватых и глинистых частиц песок относится ко II классу. Таблица 2.4. Характеристики песка Архиповского месторождения Характеристика Единица измерения Значение Содержание пылевидных и глинистых частиц % 2,9 Содержание глины в комках % 0,41 Истинная плотность кг/м" 2500 Насыпная плотность кг/м" 1480 Межзерновая пустотность % 40,8 В качестве микроармирующих волокон использовались модифицированные базальтовые микроволокна производства ООО «НТЦ Прикладных нанотехнологий» (ТУ 5761-014-13800624-2004). Основные характеристики МБМ представлены в таблице 2.5. На поверхность базальтовых микроволокон методом распыления суспензии нанесены полиэдральные многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и средним размером частиц 60-200 нм (ТУ 2166-001-13800624-2003). Характеристики углеродного наномодификатора представлены в таблице 2.6.
Описанные углеродные наноструктуры фуллероидного типа образуются как побочный продукт при получении фуллеренов и нанотрубок термическим распылением графитового анода в плазме дугового разряда в атмосфере инертного газа [114]. Таблица 2.5. Основные характеристики МБМ
Для оценки целесообразности и эффективности дисперсного армирования растворов МБМ проводились сравнительные исследования свойств цементных растворов, дисперсно-армированных базальтовой фиброй без применения модификации. С этой целью применяли базальтовую фибру BF 13-12р производства ООО «НОВЭРА» (г. Челябинск), которая представляет собой рубленый ровинг из непрерывного базальтового волокна. Средний диаметр волокон составляет от 13 до 17 мкм, длина фибры – 12 мм.
Плотность, подвижность, водоудержи-вающая способность, расславиае-мость растворной смеси ГОСТ 5802-86«Растворыстроительные.Методыиспытаний» - - Растворная смесь готовилась в лабораторных смесителях механического принудительного действия. Для определения предела прочности при изгибе цементного раствора изготавливали образцы-балочки размером 40х40х160 мм, предела прочности при сжатии - образцы-кубы размером 70,7х70,7х70,7 мм. После изготовления образцы хранились в формах (24±1) ч. в ванне с гидравлическим затвором, обеспечивающей относительную влажность воздуха не менее 90 %. По истечении указанного времени хранения образцы осторожно расформовывались и укладывались в ванну с питьевой водой в горизонтальном положении так, чтобы они не соприкасались друг с другом.
По истечению срока хранения образцы вынимали из воды и не позднее чем через 30 мин. подвергали испытанию. Предел прочности при изгибе вычислялся как среднее арифметическое значение двух наибольших результатов испытания трех образцов в серии. Предел прочности при сжатии вычислялся как среднее арифметическое значение результатов испытания трех образцов.
Однородность прочностных характеристик раствора оценивали величиной внутризамесного коэффициента вариации прочности, %: Vвн.з.= вн з-100%, (2.1) где Sвн.з - среднее квадратическое отклонение результатов испытаний от среднеарифметического; ХЛ Г«-У\ (2.2) вн.з=Vвн з С2-3) где Y - среднее арифметическое значение результатов испытаний: Yu=(Ylq+Y2q+... + Yj/n = YJYuq/n, (2.4) где п - количество единичных значений в партии. Количество серий образцов принималось равным 6. Для растворов, приготавливаемых в цикличных смесителях, внутризамесный коэффициент вариации прочности вн.з. должен быть не более 10 % [130].
Истираемость раствора
К покрытиям промышленных полов предъявляются повышенные требования по истираемости, так как такие полы подвергаются высоким механическим нагрузкам, что приводит к образованию пыли. Истираемость цементно-песчаного раствора с МБМ была определена в ходе проведения трехфакторного эксперимента, описанного в п. 3.1.1. По результатам испытания образцов цементно-песчаного раствора на истираемость (таблица 3.4, приложение 1) получена регрессионная зависимость истираемости цементно-песчаного раствора (3.10) и построены графические зависимости влияния рассматриваемых факторов на ее значение (рисунки 3.12-3.13). И = 0,59 – 0,06Х12 + 0,12Х32 – 0,1Х1 – 0,09Х2 + 0,02Х1Х2 (3.10)
Как видно из рисунка 3.12, значения истираемости цементно-песчаного раствора варьируются от 0,852 г/см2 до 0,386 г/см2 и существенно зависят от содержания в растворной смеси МБМ и суперпластификатора. При увеличении содержания модифицированных базальтовых микроволокон в смеси и добавки суперпластификатора величина истираемости снижается. Наименьшее значение истираемости, равное 0,386 г/см2, достигается в растворах с содержанием МБМ и добавки суперпластификатора в количестве 1 % и крупности песка до 1,25 мм. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что при совместном влиянии указанных факторов формируется плотная структура цементного камня. На рисунке 3.13 представлена динамика снижения истираемости цементно-песчаного раствора при повышении его прочности на сжатие.
Динамика снижения истираемости цементно-песчаного раствора при увеличении его прочности на сжатие в возрасте 28 суток: 1 – составы без МБМ; 2 – составы с 0,5 % МБМ; 3 – составы с 1 % МБМ Как видно из рисунка 3.13, величина истираемости образцов обратна пропорциональна значению прочности, что объясняется влиянием МБМ на уплотнение структуры цементно-песчаного раствора. В равнопрочных образцах определяющую роль в снижении истираемости играет количественное содержание модифицированных микроволокон в их составе, что также косвенно характеризует повышение плотности структуры при твердении цементного камня.
Согласно ГОСТ 13015-2012 в изделиях для конструкций, работающих в условиях повышенной интенсивности движения истираемость раствора должна соответствовать марке по истираемости G1 и быть не более 0,7 г/см2. Кроме этого согласно требованиям СП 29.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП 2.03.13-88 «Полы»), истираемость «малопылящих» покрытий полов должна составлять не более 0,4 г/см2. Таким образом, анализ полученных результатов позволяет утверждать, что при введении модифицированных базальтовых микроволокон оптимальной дозировки в цементно-песчаный раствор обеспечивается получение износоустойчивого материала, пригодного для устройства покрытий полов производственных помещений.
Как известно, растворы на основе портландцемента обладают значительной усадкой при твердении, что приводит к образованию усадочных трещин. При твердении монолитных конструкций, в частности монолитных покрытий полов, особенно важно снизить деформации усадки цементного композита, так как образование сквозных или поверхностных трещин в конструкции приводит к значительному ухудшению эксплуатационных характеристик покрытия пола и, как следствие, снижает его долговечность [134-136].
На усадку цементного камня влияют разнообразные факторы, среди которых можно выделить: состав раствора и характеристики его компонентов (количество и вид цемента, водовяжущее отношение и т.д.), влажность окружающей среды, а также форма и размеры конструкционного элемента [137].
Известно, что деформации усадки бетонов и растворов, имеющих в своем составе армирующие волокна, значительно меньше аналогичного показателя неармированных образцов [75, 138]. Согласно проведенным исследованиям введение стальной фибры позволяет снизить деформацию усадки дисперсно армированного бетона в 2 раза [137], а введение базальтовых волокон – на 41 % [100]. Снижение усадочных деформаций цементных бетонов и растворов способствует увеличению трещиностойкости монолитных покрытий, изготовленных на их основе. Значительный интерес представляет предотвращение развития трещин посредством модификации матрицы бетонов и растворов углеродными нанотрубками (УНТ). По имеющимся данным [106, 107] УНТ выполняют роль наноразмерного армирования, которое способствует получению более плотного цементного композита, а рост усадочных трещин тормозится армирующим эффектом УНТ.
Исходя из вышеизложенного, можно предположить, что при введении в цементно-песчаный раствор базальтовых микроволокон, модифицированных углеродными фуллероидными наночастицами, обеспечивается получение цементо-песчаного раствора с улучшенными деформативными характеристиками. Поэтому далее было рассмотрено влияние МБМ, введенных в растворную смесь, на развитие и значение усадочных деформаций цементно-песчаного раствора.
Изучение характера развития деформаций усадки цементно-песчаного раствора с МБМ проводили, варьируя содержание МБМ в пределах 0-1 % от массы цемента. Методика измерения деформаций изложена в п. 2.2.1. Последний отсчет деформаций усадки проводился в возрасте 98 суток твердения раствора, так как к указанному времени три последовательных измерения показывали приращение деформаций, не превышающее погрешность прибора. Кинетика развития деформаций усадки цементно-песчаного раствора представлена на рисунке 3.14.
Исследование технологических режимов приготовления растворной смеси в смесителях различных типов
Из полученных результатов исследований (п. 4.1) следует, что для разделения базальтовых микроволокон и равномерного их распределения в растворной смеси требуется применение специальных технологических приемов.
Поэтому на следующем этапе исследования для еще большего повышения эффективности разделения МБМ и равномерного их распределения в растворной смеси применялись специальные технологии: разделение волокон ультразвуком и разделение механическим способом путем создания высоких градиентов скоростей компонентов в суспензии воды с микроволокнами.
Разделение модифицированных базальтовых микроволокон проводилось с помощью ультразвукового диспергатора УЗД2-0,1/22 производства ООО «Ультразвуковые ванны и диспергаторы» г. Санкт-Петербург с выходной мощностью 100 Вт и рабочей частотой 22 кГц. Лабораторная установка для ультразвукового разделения волокон состоит из ультразвукового генератора УЗГ13-0,1/22 и ультразвуковой стержневой пьезокерамической колебательной системы ПП1-0,063/22. Ультразвуковой генератор преобразует электрическую энергию в энергию ультразвуковой частоты. Колебательная система преобразует энергию ультразвука в механическую, излучающий волновод, в свою очередь, передает ее в жидкость, вызывая в ней кавитационный процесс. Разделение волокон механическим способом выполнялось с использованием высокоскоростного роторного дезинтегратора погружного типа IKA T 65 D ULTRAURRAX производства ООО «ФАРМКОНТРАКТ» г. Истра. При разделении микроволокон дезинтегратором указанного типа материалы проходят через рабочую головку диспергирующего элемента. Лезвия ротора вращаются на высокой скорости (более 2000 об./мин.), в результате чего микроволокна поднимаются со дна емкости и засасываются в центр рабочей головки диспергирующего элемента, после чего в зазоре между концами лезвий ротора и стенкой статора волокна разделяются. Затем материал проходит дополнительное разделение через отверстия в статоре и направляется с большой скоростью к стенкам емкости. Одновременно необработанный материал со дна емкости беспрерывно засасывается в головку. Таким образом, обеспечивается постоянный цикл смешивания.
Указанными способами предварительно проводилось разделение МБМ в воде затворения с суперпластификатором «Штайнберг GROS-63MC», после чего полученная дисперсия в требуемом количестве вводилась в частично затворенную водой растворную смесь.
Механический 1000 10 100 Содержание МБМ в суспензии, обрабатываемой механическим способом высокоскоростным дезинтегратором, увеличено в сравнении с количеством микроволокон в суспензии, обрабатываемой ультразвуком. Это связано с тем, что эффективность кавитационного процесса при ультразвуковой обработке жидкости напрямую зависит от вязкости системы, поэтому ультразвуковая обработка эффективна в системах с малым объемным содержанием твердых веществ [141].
При проведении исследований во всех составах растворов цементно-песчаное и водоцементное отношение принято постоянным, а содержание МБМ в растворной смеси увеличивалось с шагом 0,2 % от массы цемента (таблица 4.4).
Исходные материалы (вода затворения, суперпластификатор, МБМ) помещались в емкость, после чего проводилось разделение микроволокон рассматриваемыми способами, в ходе которого велось наблюдение за наличием в обрабатываемой жидкости скоплений микроволокон. Для этого в интервале 5 минут отбиралась проба материала, и на просвет через предметное стекло оценивалось наличие нераспавшихся пучков волокон. Обработка жидкости прекращалась в тот момент, когда визуально отсутствовали скопления микроволокон. Полученные данные наблюдений регистрировались в журнале.
Далее полученная дисперсия в требуемом количестве вводилась в частично затворенную водой растворную смесь, и перемешивание растворной смеси продолжалось традиционным способом в лабораторном смесителе принудительного действия. Из приготовленной растворной смеси формовались 3 серии образцов призматического сечения размером 4040160 мм. Оценка эффективности разделения волокон и равномерности их распределения в растворной смеси осуществлялась по достигнутым значениям предела прочности при изгибе растворных образцов в возрасте 28 суток твердения (рисунок 4.2).
Общее время разделения микроволокон ультразвуком составило 30 минут. По истечении указанного времени визуально не наблюдалось скоплений МБМ. Однако суспензия после обработки ультразвуком нагревалась, что требовало дополнительных трудозатрат для охлаждения жидкости перед введением ее в растворную смесь.
Время разделения микроволокон механическим способом составило 10 минут при скорости вращения ротора 10 000 об/мин. Анализируя результаты испытаний цементных образцов на прочность при изгибе (рисунок 4.2), можно сделать вывод о том, что механическое разделение базальтовых микроволокон под воздействием высоких скоростей является наиболее эффективным. Максимальное увеличение прочности составило 64,1 % в составах с содержанием микроволокон 1 % от массы цемента по сравнению с прочностью контрольных образцов без содержания модифицированных микроволокон. Максимальный прирост прочности образцов, приготовленных с введением МБМ, разделенных ультразвуком, составил 34,9 % в сравнении с прочностью контрольных образцов.
Кроме того, время, затраченное на разделение модифицированных микроволокон в жидкой среде ротором высокоскоростного дезинтегратора, в 3 раза меньше времени, затраченного при разделении МБМ ультразвуком. Поэтому в дальнейших исследованиях разделение МБМ ультразвуком не рассматривалось.
От эффективности разделения микроволокон зависит равномерность их распределения в растворной смеси, и, как следствие, прочностные характеристики затвердевшего цементно-песчаного раствора. Увеличение прочностных показателей цементного раствора, приготовленного с предварительным разделением МБМ механическим методом, свидетельствует о более равномерном их распределении в растворной смеси и, соответственно, однородной структуре раствора. Однако указанных данных недостаточно для прогнозирования эффективности разделения модифицированных микроволокон в жидкой среде, так как на эффективность разделения оказывают влияние множество факторов: скорость вращения ротора, вязкость системы, время обработки, количество и вид смешиваемых компонентов и т.д.
Для решения задачи прогнозирования эффективности разделения МБМ высокоскоростным роторным дезинтегратором и определения оптимального режима его работы был проведен трехфакторный эксперимент, в ходе которого дисперсия с различной концентрацией МБМ обрабатывалась разное количество времени с варьируемой скоростью вращения ротора. Исходя из вышеизложенного, наиболее значимыми факторами, влияющими на эффективность разделения волокон, приняты: Х1 - концентрация МБМ в обрабатываемой дисперсии: 5; 10; 15 %; Х2 - время обработки, tдисп. : 5; 10; 15 мин.; Х3 – скорость вращения ротора, об./мин.: 2000; 6000; 10000 об./мин. Откликом эксперимента послужил предел прочности при изгибе растворных образцов: Y – предел прочности цементно-песчаного раствора при изгибе, МПа. При проведении исследований использовался состав растворной смеси № 6 (таблица 4.4) с максимальным приростом прочностных характеристик по отношению к другим составам. Для выполнения каждой точки плана формовали три серии образцов призматического сечения размером 4040160 мм. По полученным результатам эксперимента (таблица 4.5) составлено уравнение регрессии (4.1) и построен график зависимости отклика от значений варьируемых факторов (рисунок 4.3).