Введение к работе
Актуальность работы. Мировая практика производства бетона и железобетона показала, что развитие технологии направлено на создание высококачественных, высоко и особовысокопрочных бетонов. При этом значительную экономию материальных и энергетических ресурсов может обеспечить синтез цементирующих веществ на основе реакционно-активных наполнителей и цемента.
Известно, что для снижения опасности хрупкого разрушения конструкций из бетонов и повышения трещиностойкости эффективно их дисперсное армирование фиброй. Различный материал фибры по своему помогает реализовать потенциал бетона в конкретной конструкции, обеспечивая не только высокий класс по прочности В80-В100, но и вязкий характер разрушения.
Строительная практика показывает, что для реализации потенциала цементных бетонов требуется комплекс реологически- и реакционно-активных порошковых и фибронаполнителей.
Анализ научных работ по технологии цементных бетонов показывает эффективность применения в технологии реакционно-активных порошков из кремнеземистых горных пород и природных фиброматериалов совместно формирующих оптимальную по прочности матрицу в структуре бетона без применения более дорогих и менее технологичных видов фибр.
Разработка технологии высокопластичных и литых самоуплотняющихся смесей для получения цементных бетонов с использованием суперпластификаторов полимерного состава последнего поколения является актуальной научно-практической задачей.
На основе этого положения была сформулирована научная гипотеза работы, заключающаяся в том, что комплекс реакционно-активных порошковых и фибронаполнителей на основе горных пород в технологии цементных бетонов позволяет получить эффективные бетоны нового поколения.
Синтез цементирующих веществ с их высокоплотной структурой на основе комплекса реакционно-активных наполнителей, основанный на применении местных природных минеральных ресурсов, дает максимальный технико-экономический эффект при организации строительного производства. Природным фиброматериалом являются волокна хризотила, с диаметром нанометрического масштабного уровня. Строительная практика доказала высокую долговечность (более 50 лет) асбошиферных изделий, которые широко распространенны во многих регионах страны.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка технологии, составов, исследование структуры и свойств цементных бетонов на основе комплекса реакционно-активных наполнителей с использованием местных природных минеральных ресурсов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
изучить физико-химические процессы структурообразования цементных бетонов на основе комплекса наполнителей реакционно-активного диатомита, хризотила, супер- и гиперпластификаторов;
выявить микроструктуру дисперсно-армированной матрицы, ее взаимосвязь со структурой бетона;
исследовать влияние состава цементных бетонов с реакционно-активным диатомитом, хризотилом, супер- и гиперпластификаторами на его основные физико-механические свойства;
получить математические модели зависимости физико-механических свойств от состава и технологических факторов;
разработать технологию приготовления цементных бетонов и установить влияние рецептуры на текучесть, плотность, прочностные и другие физико-технические свойства;
определить технико-экономическую эффективность производства и применения разработанных цементных бетонов с использованием комплекса наполнителей.
Научная новизна работы
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения цементных бетонов на основе комплекса реологически- и реакционно-активных наполнителей с применением местных природных минеральных ресурсов порошковых наполнителей -диатомита, минеральной природной фибры из хризотила - и современных эффективных пластификаторов.
Установлены закономерности формирования структуры цементных бетонов с комплексным реакционно-активным дисперсным порошковым и фибронаполнителем и получены математические модели зависимости физико-механических свойств от состава и технологических факторов.
Получены экспериментальные зависимости влияния компонентов бетона на основные реологические и физико-механические свойства.
Получены экспериментальные зависимости влияния супер-и гиперпластификаторов последнего поколения на поликарбоксилатной основе серии Melflux 2641, 5581 производства «BASF» (Германия) и гиперпластификаторы «Хидетал ГП-у9», «Хидетал ГП-|39» российского производства на реологические и физико-механические свойства.
Выявлены закономерности изменения прочностных показателей, модуля упругости, усадочных деформаций, плотности бетона от его состава и содержания компонентов.
Установлено, что реакционно-активный порошковый наполнитель диатомит в количестве 8-10 % от массы цемента как наполнитель бетона совместно с фиброй на основе хризотила в количестве 0,5-1,5 % от массы цемента с добавкой гиперпластификатора «Хидетал ГП-у9» в количестве 0,5-1,0 % от массы цемента максимально эффективны для получения цементных бетонов с классом по прочности В30-В40 и обеспечивают вязкий характер разрушения материала.
- Установлена эффективность производства и применения разрабо
танных цементных бетонов на основе местных минеральных реакционно-
активных порошков и фибронаполнителей нанометрического размера.
Практическая значимость работы. Впервые предложена технология получения наноразмерной минеральной добавки из природных нанораз-мерных материалов и микроразмерных - хризотила и диатомита. Разработаны составы и технология изготовления цементных бетонов с классом по прочности В30-В40 на основе комплекса реакционно-активных наполнителей с применением местных природных минеральных ресурсов порошкового наполнителя - диатомита и минеральной природной фибры из хризотила и эффективных супер- и гиперпластификаторов последнего поколения на поликарбоксилатной основе.
Применение местных наполнителей позволило значительно расширить сырьевую базу, улучшить технико-экономические показатели цементных конструкционных бетонов, создать конкурентоспособную технологию, понизить стоимость комплексной добавки в 2-3 раза по сравнению с известными добавками аналогичного назначения на основе волластонита, микро- и нанокремнезема.
Разработанные составы прошли производственную апробацию в ООО «Бетонный завод «Терновский» и в 000 «Строительные материалы» в г. Пензе и используются в Пензенской области при изготовлении дорожных изделий, монолитных элементов в жилищном строительстве, ремонтных составов для строительных конструкций при оптимизации способа замены конструкций покрытия блока цехов, улучшения конструктивных проектных решений, восстановления работоспособности каркасов зданий при их ремонте.
На основании результатов проведенных экспериментальных исследований получены составы, позволяющие оптимизировать процесс проектирования состава цементных бетонов.
Определены рациональные области применения и технико-экономическая эффективность производства разработанных цементных бетонов. Показано, что стоимость разработанных материалов значительно ниже стоимости существующих аналогичных по назначению изделий.
Достоверность результатов обеспечена использованием стандартных методов испытаний, методов математического планирования эксперимента, статистической оценкой результатов, подтверждена сходимостью многих экспериментальных данных и результатами производственных и лабораторных испытаний согласно свидетельствам ФБУ "Пензенский ЦСМ" об аккредитации испытательной лаборатории Пензенского государственного университета архитектуры и строительства № 14-13 от 28 марта 2013 г. и № 73-06 от 26 декабря 2006 г.
На защиту выносятся:
разработанные составы цементных бетонов с классом по прочности В30-В40;
разработанная технология получения цементных бетонов на основе комплекса реакционно-активных минеральных наполнителей диатомита и
фибры из хризотила с использованием современных эффективных пластифицирующих добавок;
зависимости прочностных свойств, усадочных деформаций, плотности, цементных бетонов от вида и содержания наполнителей, дисперсности компонентов, расхода и вида супер- и гиперпластификаторов;
зависимости водопотребности, удобоукладываемости бетонных смесей от состава, дисперсности компонентов, расхода супер- и гиперпластификаторов и воды.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с разработанной по заданию Правительства Пензенской области стратегией развития строительного комплекса Пензенской области на 2006-2010 годы и до 2015 года и Постановлением Правительства Пензенской области от 18 ноября 2008 г. № 772-пП «О развитии инвестиционного потенциала Пензенской области (на 2009-2013 годы)».
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: VI Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (ПГУАС, 2007); VIII Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2008); IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, (Пенза, 2009); Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза: РИО ПГСХА, 2010) и др.
Проект, разработанный в рамках диссертационных исследований "Разработка добавок на основе модифицированных природных наноразмерных материалов для технологии бетонов нового поколения", участвовал в 6-м Региональном смотре-конкурсе инновационных проектов по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса-2012» («УМНИК-2012»)» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере при Правительстве Пензенской области (22.11.2012 - 23.11.2012). Проект «Разработка добавок на основе модифицированных природных материалов для технологии бетонов нового поколения» был представлен на Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» по программе "УМНИК" 28 мая 2013 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей в журналах по перечню ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, приложений и списка использованной литературы, включающего 145 источников, изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 26 таблиц.