Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Бетоны на смешанных вяжущих, их состав, структура и свойства. современное состояние вопроса и обоснование основных направлений исследований 14
1.1. Смешанные вяжущие, состав и свойства 14
1.2. Активные минеральные добавки как компонент смешанных вяжущих... 19
1.3. Особенности твердения и свойств вяжущих в присутствии пуццолановых добавок 20
1.4. Природные цеолиты как добавки в смешанные вяжущие 26
1.5. Основные факторы, определяющие эффективность использования золы в составе смешанных вяжущих, бетонных смесях и бетонах 37
1.5.1 .Особенности формирования структуры цементного камня с золой ТЭС. 40
1.5.2.Факторы, определяющие гидравлическую активность золы в бетоне 44
1.5.3.Особенности применения зол гидроудаления в вяжущих и бетонах 46
1.6..Выводы из обзора литературы и основные направления работы 48
ГЛАВА 2. Основные свойства алюмосиликатных добавок как сырья для получения смешанных вяжущих и активных минеральных добавок в цементные бетоны 52
2.1.Структура и свойства ЦСП 52
2.1.2.Влияние минерального состава ЦСП на пуццолановую активность 64
2.2. Химический и фазовый состав зол ТЭС 73
2.3. Выводы 86
ГЛАВА 3. Исследование свойств смешанного вяжущего, его модификация и оптимизация состава 89
3.1. Постановка задач исследования 89
3.2. Влияние состава смешанного вяжущего и условий твердения на его физико-механические свойства 90
3.2.1. Влияние состава смешанного вяжущего на нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста 93
3.3. Влияние основных технологических факторов на физико-механические свойства смешанного вяжущего 99
3.4.Повышение эффективности смешанного вяжущего за счет использования химических добавок 109
3.5. Роль гипса в формировании структуры и свойств смешанного вяжущего121
3.5.1. Особенности формирования прочности смешанного вяжущего с повышенными дозировками гипса и активной минеральной добавки 125
3.6 .Оптимизация состава и основные свойства быстротвердеющего смешанного вяжущего для получения бетонов с высокими темпами твердения 137
3.6.1. Исследование влияния добавки цеолитсодержащей породы на свойства композиционного смешанного вяжущего и камня на его основе 143
3.6.2. Влияние цеолитсодержащей породы на прочность и водостойкость гипсоцементно-пуццоланового вяжущего 148
3.6.3.Влияние условий тепловой обработки и состава ГЦПВ на его основные свойства 152
3.7.Выводы 165
ГЛАВА 4. Эффективность использования смешанных вяжущих в тяжелых бетонах 167
4.1. Постановка задач исследования 167
4.2. Оптимизация составов тяжелого бетона на смешанном вяжущем методом математического планирования эксперимента 168
4.2.1. Роль водоцементного отношения и температуры пропаривания в формировании прочности бетона на смешанном вяжущем 168
4.2.2. Влияние расхода смешанного вяжущего и температуры пропаривания на прочность бетона, изготовленного из подвижных смесей 176
4.2.3. Влияние пластифицирующих добавок на физико-механические свойства бетонных смесей и бетонов на смешанных вяжущих 184
4.3. Основные физико-механические свойства тяжелого бетона на смешанном вяжущем и кинетика его твердения 206
4.4. Дифференцирование эффектов, вызванных активными минеральными добавками в смешанных вяжущих и анализ их влияния на свойства бетона..216
4.5.Выводы 221
ГЛАВА 5. Физико-химические процессы при гидратации смешанных вяжущих и структурообразовании цементного камня 224
5.1. Постановка задач и обоснование методов исследования 224
5.2. Особенности процессов гидратации смешанного вяжущего и формирования фазового состава продуктов гидратации в нормальных условиях 228
5.2.1.Кинетика гидратации смешанного вяжущего и механизм возникновения новообразований на поверхности зерен АМД при твердении в нормальных условиях 253
5.3. Процессы гидратации смешанного вяжущего и формирования фазового состава продуктов гидратации при пропаривании 273
5.4. Структурообразование цементного камня на основе активированных смешанных вяжущих 284
5.4.1. Реологические свойства суспензий смешанного вяжущего 286
5.4.2. Кинетика структурообразования цементного теста 292
5.5. Физическая структура цементного камня 296
5.6.Структура бетона длительного твердения 309
5.7. Выводы 313
ГЛАВА 6. Долговечность бетонов на смешанных вяжущих 318
6.1. Роль структуры цементного композита в его сопротивляемости физическим и химическим агрессивным воздействиям 318
6.2.Морозостойкость тяжелого бетона на смешанных вяжущих 322
6.3. Влияние кинетического изменения физического состояния воды в цементном композите на трещиностойкость, процессы усадки и набухания 329
6.4. Влияние состава смешанного вяжущего на коррозионную стойкость цементных композиций 340
6.4.1. Особенности щелочной коррозии и высолообразования в бетонах на смешанных вяжущих 344
6.5. Защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре как функция структуры матрицы цементного композита 362
6.6. Истираемость бетона на смешанном вяжущем 376
6.7. Выводы 377
ГЛАВА 7. Технико-экономическая эффективность и перспективы использования смешанных вяжущих в производстве бетонных и железобетонных конструкций 381
7.1. Технико-экономическая эффективность применения смешанного вяжущего для сборных железобетонных конструкций 383
7.2. Условия и результаты производственной проверки 387
7.3. Разработка нормативной и технологической документации на производство смешанного вяжущего и изделий на его основе 390
7.4. Описание технологического процесса производства смешанного вяжущего 394
7.5. Выводы 398
8. Общие выводы 399
9. Список использованных источников 404
10. Приложения 431
- Основные факторы, определяющие эффективность использования золы в составе смешанных вяжущих, бетонных смесях и бетонах
- Влияние основных технологических факторов на физико-механические свойства смешанного вяжущего
- Основные физико-механические свойства тяжелого бетона на смешанном вяжущем и кинетика его твердения
- Процессы гидратации смешанного вяжущего и формирования фазового состава продуктов гидратации при пропаривании
Введение к работе
Одной из важнейших задач современной строительной отрасли является разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий, предусматривающих широкое применение промышленных отходов и местных природных материалов, позволяющих рационально использовать сырьевые и топливно-энергетические ресурсы.
Портландцемент и его разновидности, будучи конечным продуктом цементной промышленности, в то же время являются основными исходными компонентами в производстве бетона и железобетона, во многом определяющие технико-экономические и эксплуатационные свойства изделий. Из наиболее перспективных способов повышения качества цемента без существенного изменения технологии его производства, является введение в его состав различных добавок, активно влияющих в процессе гидратации цемента на формирование структуры и свойства цементного камня. В качестве таких добавок экономически целесообразно использовать многотоннажные отходы ТЭС и природные материалы местного значения.
Несмотря на огромный размах научных исследований в нашей стране и за рубежом по использованию минеральных добавок к цементам, практический их ввод в портландцементы составляет 20-25% от массы клинкера. Номенклатура используемых добавок весьма ограничена. Поэтому расширение ассортимента добавок, изыскание возможностей вовлечения в оборот ранее неиспользуемых видов минерального сырья представляет большой практический интерес.
Промышленность сборного железобетона является той отраслью строительства, где в больших масштабах и с высокой эффективностью могут использоваться природные и техногенные алюмосиликаты (туфы, ЦСП, глиниты, глиежи, золы ТЭС и шлаки металлургических заводов). Ресурсы этих продуктов в настоящее время значительно превышают объемы их использования. Поэтому
использование в этой отрасли алюмосиликатов является одним из самых простых, доступных и дешевых путей повышения эффективности сборного железобетона. Огромное значение использование зол ТЭС приобретает также и в плане оздоровления окружающей среды, так как затраты на утилизацию отходов, рекультивацию земель и содержание отвалов составляют около 10% от стоимости производимой продукции.
Особое место среди известных добавок к цементам занимают природные цеолитсодержащие породы (ЦСП), отличающиеся весьма широким спектром химико-минералогического состава и, соответственно, различными свойствами. Исследования открытых в 60-х годах крупных залежей цеолитизированных пепловых туфов в США, Японии, Корее, Венгрии, Болгарии, на Кубе и других странах показали, что они по целому ряду свойств не уступают, а по некоторым даже превосходят синтетические, при стоимости в десятки и сотни раз меньшей [1]. Использование смешанных вяжущих для производства некоторых видов, в том числе низкомарочных бетонов, как известно, позволяет получить существенную экономию цементного клинкера.
В связи с открытием в конце 90-х годов крупных месторождений цеолитсодержащих пород в Республике Татарстан, Ульяновской, Пензенской, Смоленской и Орловской областях возникла необходимость проведения систематических исследований для установления их влияния на основные строительно-технологические и эксплуатационные свойства смешанных вяжущих и бетонов на их основе применительно к условиям строительной индустрии.
Целью диссертационной работы явилось: - установление общих закономерностей изменения структуры, свойств и долговечности смешанных вяжущих с активными минеральными добавками на примере зол гидроудаления и ЦСП и бетонов на их основе;
-разработка эффективных составов смешанных вяжущих на основе минеральных вяжущих, алюмосиликатов техногенного и природного происхождения, изучение
особенности их взаимодействия с продуктами гидратации минерального вяжущего;
-разработка технологии получения смешанного вяжущего и нормативно-технологической документации для массового изготовления бетонных изделий и железобетонных конструкций;
Решение этой проблемы позволит вовлечь в народно-хозяйственный оборот крупнотоннажные техногенные отходы-золы гидроудаления ТЭЦ и местные природные материалы- ЦСП, за счет использования которых расширяется сырьевая база строительства, улучается экологическая обстановка, снижается стоимость строительства.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи, которые позволили:
- установить основные характеристики, свойства, природу и механизм пуццолановой активности золы гидроудаления и ЦСП в зависимости от минерального и химического состава и способов активации;
-изучить основные строительно-технологические свойства смешанного вяжущего и бетонов;
оптимизировать составы смешанных вяжущих в зависимости от состава и
назначения бетонов;
изучить особенности гидратации и твердения смешанного вяжущего и
формирования микро- и макроструктуры бетонов на его основе;
определить основные технологические параметры технологии получения
смешанного вяжущего, изделий и конструкций на их основе;
оценить технико-экономическую эффективность разработанных составов
смешанных вяжущих и бетонов на их основе.
Автор защищает: -общие закономерности изменения структуры, свойств и долговечности смешанных вяжущих и бетонов на их основе с активными минеральными добавками на примере зол гидроудаления и ЦСП;
- представления о природе и механизме пуццолановой активности техногенных и природных алюмосиликатов- зол гидроудаления от сжигания каменного угля Кузнецкого месторождения и высококремнеземистых цеолитсодержащих пород с малым содержанием цеолитового минерала;
зависимость структурно- механических свойств цементных композиций от химического и минерального состава алюмосиликатных добавок техногенного и природного происхождения;
результаты комплексного исследования влияния природных и техногенных алюмосиликатов (цеолитсодержащие породы и золы ТЭЦ) на основные строительно- технические свойства смешанного вяжущего и бетонов;
- результаты опытно- промышленной проверки разработанных составов смешанного вяжущего и бетона на его основе.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Получены новые данные о формировании структуры, свойств и долговечности
бетонов на активированных смешанных вяжущих, содержащих золу
гидроудаления и ЦСП. Выявлена зависимость структурно- механических свойств
цементных композиций от состава и концентрации алюмосиликатных добавок,
их гидравлической активности, дисперсности, минерального и химического
состава, вида и количества модифицирующих добавок.
2. Впервые показана целесообразность использования в производстве
смешанных вяжущих и бетонов на их основе зол гидроудаления и высоко
кремнеземистых цеолитсодержащих пород с малым содержанием цеолитового
минерала и повышенным содержанием гипса в составе вяжущего.
3. Сформулированы новые представления о природе и механизме пуццолановой
активности алюмосиликатов природного и техногенного происхождения и их
роли в процессах гидратации и структурообразования минерального вяжущего.
4. На основе комплекса физико-химических исследований и в рамках
современных представлений о композиционных материалах, оптимизированы
структура, свойства и составы вяжущих и бетонов на их основе на уровне
изобретений.
Работа выполнена в рамках государственной научно-технической программы "Архитектура и строительство" по теме "Научные основы и технологии применения цеолитсодержащих пород в производстве строительных изделий на минеральных и полимерных вяжущих" (N ГР 01960007029, 1994-1997гг) и по программе "Изучение недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы Республики Татарстан" по теме "Разработка составов и исследования различных вяжущих и материалов с добавками местных ЦСП" ( N ГР 70-95-22, 1993г.).
Апробация работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 56 статьях, защищено 7 авторскими свидетельствами (патентами) на изобретения. Основные результаты работы доложены на 14 международных, всесоюзных (всероссийских), республиканских научно-технических конференциях и семинарах. Под руководством автора подготовлена и защищена кандидатская диссертация по специальности 05.23.05.
Опытно-промышленная апробация разработанных технических решений произведена на заводах крупнопанельного домостроения (КПД-1, КПД-2, КПД-3), ЖБИ-3 г. Казани и г. Набережных Челнов. Результаты исследований и промышленного внедрения отмечены дипломом и премией Минюгстроя СССР (Москва, июль 1989г).
Общий экономический эффект от внедрения разработок составил 823379 рублей в ценах 1990г.
Представленные в диссертации результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной НТК "Современные проблемы строительного
материаловедения, г.Самара, СамГАСА (1995г.); на II Международной НТК "Вопросы планировки и застройки городов", г.Пенза, ПенГАСИ (1995, 1998, 2003гг); на Международной конференции "Современные проблемы строительного материаловедения", г.Казань, КазГАСА (1996г.); на Международной НТК "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций", г.Белгород, БелГТАСМ (1995,2003гг); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава Казанской государственной архитектурно-строительной академии, Казань (1985- 2004 гг).
Практическая ценность работы состоит в том, что использование смешанного вяжущего в производстве строительных изделий и конструкций позволяет снизить расход клинкерной части цемента на 15-30%, а в иных случаях- и до 50%. Полученные в работе результаты позволяют организовать массовое производство смешанного вяжущего в условиях заводов железобетонных изделий и конструкций.
Реализация работы. По результатам выполненных исследований сформулированы практические рекомендации по изготовлению и использованию смешанного вяжущего в заводских условиях для изготовления ограждающих и несущих железобетонных конструкций.
Разработан комплекс нормативно-технологических документов, обеспечивающих возможность массового применения смешанных вяжущих для изделий и конструкций для жилищного домостроения. Разработаны и утверждены технические условия на смешанное вяжущее с применением ЦСП Татарско-Шатра-шанского месторождения- ТУ 5731-003-02069662-96, технические условия на активную минеральную добавку для портландцемента и смешанных вяжущих ( в том числе и на основе ГЦПВ)- ТУ 5743-002-02069662-96, технические условия на быстротвердеющее смешанное вяжущее -ТУ5744-001-02069622-98 и технологические регламенты для изготовления и применения АМД, смешанных вяжущих различного назначения с использованием золы гидроудаления и ЦСП.
Сформулированы практические рекомендации по изготовлению и использованию смешанного вяжущего в заводских условиях для изготовления ограждающих и несущих железобетонных конструкций.
Объем и структура работы. Диссертация включает введение, семь глав, общие выводы, список литературы из 319 наименований и приложения. Диссертация изложена на 403 страницах машинописного текста, содержит 103 таблицы, 130 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций Казанской государственной архитектурно-строительной академии, а также научному консультанту, д.т.н., проф., академику РААСН, заслуженному деятелю науки Российской Федерации Ю. А. Соколовой за поддержку и помощь в подготовке данной работы.
Основные факторы, определяющие эффективность использования золы в составе смешанных вяжущих, бетонных смесях и бетонах
Основные факторы, определяющие эффективность зол ТЭС в составе смешанных вяжущих, бетонных смесях и бетонах Анализ отечественной [159-165] и зарубежной литературы [166-168] свидетельствует, что тяжелые бетоны с добавкой золы ТЭЦ могут применяться практически во всех отраслях строительства, если к конструкциям не предъявляются особо жесткие требования. Эффективность использования зол ТЭЦ в технологии бетонов обусловлена, прежде всего, свойствами самой золы. Зола состоит из частиц различной формы и состава. Эти частицы могут иметь сферическую или неправильную форму, быть плотными или пористыми, содержать в своем составе различное количество несгоревшего угля. Несгоревший уголь присутствует в золе в виде остроугольных частиц. По фазовому составу золы ТЭЦ представляют собой, главным образом, алюможелезистое силикатное стекло. В составе зол имеется небольшое количество кристаллов кварца и муллита, которые не обладают вяжущими свойствами [160]. Отличительной особенностью золы является то, что большинство зольных частиц имеют шарообразную форму, в то время как в других тонкомолотых добавках пуццоланового типа этого не наблюдается [160,169]. Это, очевидно, является главной причиной улучшения удобоукладываемости бетонной смеси с добавкой золы. Истинная плотность большинства зол находится в пределах 2,1-2,6 г/см и зависит от содержания БегОз и дисперсности. Дисперсность зол является, по мнению большинства исследователей [170], важным фактором, определяющим эффективность их применения в бетонах, оказывает влияние на ее гидравлическую активность [171-173], удобоукладываемость, водопотребность бетонной смеси [169,170,174], а также на ряд других специфических свойств бетона. Введение золы ТЭС в бетонные или растворные смеси оказывает положительное влияние на их реологические свойства. Наличие в золе частиц стекловидных по структуре и шарообразных по форме, существенно снижает трение в бетонной смеси и способствует ее пластификации. Существует мнение, что пластифицирующий эффект при введении золы в бетонную смесь обусловлен адсорбцией мельчайших частиц золы на зернах цемента [163,164]. Определенную роль играет и улучшение зернового состава вяжущего за счет введения золы, а также меньшая толщина пленок воды на зернах золы, чем на зернах цемента. В работе [175] показано, что бетонные смеси с добавками зол обладают меньшей водопотребностью, чем аналогичные смеси на портландцементе или шлакопортландцементе. Автор связывает это с повышенным выходом цементно- зольного теста по объему ввиду меньшей плотности золы по сравнению с цементом, а также шарнирным эффектом сферических частиц золы. Пластифицирующий эффект золы ряд авторов связывает с ее дисперсностью. При этом существуют противоположные данные. Ряд ученых считают, что с увеличением дисперсности золы водопотребность бетонной смеси снижается, и объясняют это обстоятельство увеличением количества шарообразных частиц с гладкой поверхностью в единице объема смеси [165]. С другой стороны, приводятся данные, где отмечается, что водопотребность бетонной смеси возрастает с увеличением дисперсности золы. По мнению автора, это связано с тем, что частицы золы высокой дисперсности способны к коагуляции [177]. Отмечается облегчение перемешивания бетонной смеси с добавкой золы, что, вероятно, связано со сферической формой частиц золы. При введении золы ТЭС наблюдается снижение средней плотности бетона, т.к. истинная и насыпная плотности золы меньше, чем цемента [179,180].
Бетонные смеси на вяжущих, содержащих добавки зол, обладают лучшей связностью, поэтому они широко используются для получения высокоподвижных и литых смесей, в том числе и для конструкций кассетного формования. При кассетном способе производства панелей получить плотную и однородную структуру бетона значительно сложнее, чем при горизонтальном формовании. Это объясняются спецификой кассетной технологии, связанной с особенностями укладки и уплотнения подвижной смеси в узких полостях отсеков. При этом в смеси, особенно в период вибрационного воздействия, возникают седимен-тационные процессы, вызывающие расслоение, что, в свою очередь, влияет не только на прочностные показатели, но и на однородность бетона по вертикальному сечению изделия. Уменьшение расслоения достигается изменением расхода цемента, подвижности бетонной смеси, увеличением доли мелкого заполнителя, продолжительности и интенсивности вибрации, а также введением тонкомолотых добавок, увеличивающих вязкость смеси. Отечественный опыт показывает, что изделия, полученные из бетонных смесей с добавками зол, отличаются меньшей поверхностной пористостью [170-181]. Считается, что в изделиях кассетного формования применение зол дает максимальный технико-экономический эффект [181]. Введение в состав тяжелого бетона для изделий кассетного формования золы ТЭС в количествах 15-60% от массы цемента взамен части песка, приводит к повышению прочности бетона на 10-20%, снижению его средней плотности на 100-150 кг/мЗ . Одновременно снижается в 1,5-2,0 раза объем вовлеченного воздуха и поверхностная пористость. При получении бетона заданной отпускной прочности возможно снижение расхода цемента на 10-20% с 1 м3 бетона. По расчетам, приведенным в работе [182], снижение себестоимости изготовления 1 м3 изделий кассетного формования при использовании золы совместно с добавкой СДБ составляет около 3,0 руб. (в ценах 1989 г) за счет снижения расхода цемента, песка, снижения затрат на доводку изделий и увеличения срока службы форм и вибраторов.
Влияние основных технологических факторов на физико-механические свойства смешанного вяжущего
В данном разделе приводятся результаты влияния способа помола вяжущего и степени его дисперсности и некоторых добавок на его водопотребность и активность при пропаривании. Исследования выполнены в соответствии с методиками ГОСТ 310.
Дисперсность смешанного вяжущего играет важную роль в формировании кристаллизационного сростка и гидратации клинкерного вяжущего.
А.В. Волженский отмечает [27], что, когда портландцементный порошок подвергается повторному домолу вместе с песком, происходит изменение гранулометрического состава цемента. В свою очередь, как известно, качество цемента зависит от тонкости помола и гранулометрического состава. Портланд-цементы марок 400-500 состоят преимущественно из частичек размером от 0 до 100 мкм, при этом содержание фракций более 30 мкм составляет до 35-40% по массе, а размером более 90 мкм- до 10%. В то же время, общая суммарная поверхность частиц размером более 40 мкм не превышает 10% общей поверхности портландцемента. Увеличение тонкости помола цемента приводит не только к повышению его удельной поверхности, но и изменяет его гранулометрию. Поэтому вполне закономерным является изучение зависимости прочности смешанного вяжущего не только от тонкости его помола, но и от количественного содержания отдельных, в том числе наиболее представительных фракций (рис 3.4, 3.5.).
Поскольку смешанное вяжущее получено путем совместного домола портландцемента с минеральной добавкой, в этом случае имеет место обогащение клинкерной части более мелкой фракцией (5-10 мкм) за счет измельчения более крупных (60 мкм) фракций цемента. Одновременно происходит более однородное распределение мелких зерен добавки между зернами цемента, препятствующее их флокулированию. Кроме того, при помоле за счет механического воздействия происходит частичное разрушение кристаллической решетки твердых тел с высвобождением на поверхности свободных валентностей, а также аморфизация зерен опало-кристобалитной составляющей породы и стеклофазы золы, что придает им еще большую активность при взаимодействии с гидрокси-дом кальция. В исследовании использовался портландцемент Ульяновского завода марки 400. Содержание активных минеральных добавок варьировали от 30% до 50% от массы портландцемента. Помол вяжущего осуществляли на дисковом истирателе ИДА-175-43 и в шаровой мельнице до удельной поверхности 300м2/кг, 500 м /кг, 700 м / кг и 900 м /кг. Начиная с величины удельной поверхности вяжущего 500 см /кг, наблюдается усиленная агрегация частиц, что, вероятно, связано с электростатической природой твердой поверхности частиц. С увеличением удельной поверхности вяжущего растет и его водопотребность (рис. 3.6.). Математические модели изменения водопотребности смешанного вяжущего в зависимости от его дисперсности при содержании в вяжущем от 10 до 20% АМД выражаются полиномом третьей степени при очень высокой величине достоверности аппроксимации (R =0,98) типа:
Активность вяжущего при пропаривании зависит не только от температуры твердения, но и от величины удельной поверхности. Влияние дисперсности на его физико-механические свойства приведено на рис. 3.7. Как видно из данных рис.3.7, увеличение дисперсности вяжущего приводит к росту его прочности. При этом, как это следует из анализа математических моделей формирования прочности, роль дисперсности вяжущего проявляется более существенно, чем дозировка АМД. Увеличение активности вяжущего с ростом его дисперсности обусловлено оптимальной организацией частиц и повышением их поверхностной активности. В процессе совместного помола портландцемента и активной минеральной добавки, особенно ЦСП, в результате их различной твердости обеспечивается более высокая дисперсность частиц добавки, чем портландцемента. Одновременно повышается активность поверхности как частиц цемента, так и АМД. В результате электростатического взаимодействия частиц наблюдается оптимальная организация их в пространстве, при которой каждое зерно цемента окружено со всех сторон значительно меньшими по размеру зернами алюмосиликатного компонента.
Математические модели формирования прочности вяжущего при пропаривании, в зависимости от его дисперсности при содержании АМД от 10 до 20%, выражаются логарифмической функцией типа:
Изучение влияния дисперсности золы на свойства смешанного вяжущего производилось на образцах цементно-песчаного раствора по ГОСТ 310-81. Исходная сухая зола рассеивалась на фракции с размерами частиц 0-20 мкм, 20-40 мкм и 40-60 мкм. Каждая фракция вводилась в состав растворной смеси в количестве 25% от массы портландцемента. Водоцементное отношение во всей серии опытов было постоянным и составляло 0,43. Отформованные образцы до испытания находились в камере с относительной влажностью 100% при температуре 20С. Результаты испытания образцов приведены в табл. 3.5. Как видно из данных, приведенных в табл. 3.5, наименьшее снижение прочности раствора при естественном твердении во все сроки твердения наблюдается при использовании фракции золы 0-20 мкм.
Основные физико-механические свойства тяжелого бетона на смешанном вяжущем и кинетика его твердения
Полученное вяжущее было использовано для тяжелого бетона марок 200-250 с осадкой конуса от 5 до 10 см. Из бетонной смеси каждого состава формовалось 9 образцов-кубов с ребром 10 см, из них 6 образцов пропаривались по режиму 4+3+7+3 часа при 90С, остальные подвергались естественному твердению в течение 28 суток. Составы бетона и результаты испытания приведены в табл.4.17.
Как видно из данных табл.4.17, с увеличением расхода смешанного вяжущего, прочность бетона сразу после пропаривания возрастает. Прочность бетона как сразу после пропаривания, так и на 27сутки последующего твердения выше, чем бетона на обычном портландцементе. Прочность бетона естественного твердения ниже прочности бетона, подвергнутого тепловлажностной обработке. В табл.4.18 приведены расчетные дозировки вяжущего для бетонов М200 и М250, изготовленных из смесей с осадкой конуса 5-6см. Для сравнения в табл.4.18 приведены так же данные по количеству портландцемента М 400 по СНИП 82-02-95. Полученные данные подтверждают высокую эффективность смешанного вяжущего при пропаривании. При этом расчетная экономия цемента для получения бетона марок 200-250 может составить 160-180кг/м3,т.е. 50%. Усадочные деформации бетона, содержащего 300 кг смешанного вяжущего, в котором доля минеральной добавки составляла 35%, при В/Ц=0,55 составили через 180 суток 0,34 мм/м (бетон с золой) и 0,36 мм/м (бетон с ЦСП), а в возрасте 360 суток, соответственно, 0,42 и 0.43 мм/м. Деформации набухания пропаренного бетона того же состава при насыщении водой в течение 27 суток составили 0,18 мм/м (бетон с золой) и 0.20 мм/м (бетон с ЦСП). Коэффициент размягчения бетона после 28 суточного выдерживания в воде находится в пределах 0,95-0,97. При испытании бетона после попеременного увлажнения и высушивания при температуре 100-105С, прочность составов с золой возрастает с 15 МПа через 50 циклов до 35 МПа. В составах с ЦСП прирост прочности наблюдается с 17 МПа через 50 циклов до 30 МПа через 100 циклов. Повышение прочности бетона на смешанных вяжущих при попеременном увлажнении и высушивании обусловлена дальнейшим протеканием процессов гидратации вяжущего при повышенных температурах с отложением продуктов гидратации в порах и капиллярах. Снижение прочности наблюдается лишь после 150 циклов попеременного увлажнения и высушивания.
Морозостойкость бетона плотной структуры зависит от вида смешанного вяжущего, его расхода на 1м3, от величины В/Ц и наличия химических добавок. При оптимальных дозировках в составе смешанного вяжущего активных минеральных добавок, морозостойкость бетона составляет не менее 100 циклов. При введении в составы бетона пластифицирующих добавок, морозостойкость увеличивается до 150 циклов, а в сочетании с гидрофобными добавками- и до 200 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Теплопроводность тяжелого и легкого бетонов на данных видах вяжущего зависит от его плотности, которая, в свою очередь, зависит от массовой доли АМД в составе вяжущего и его удельного расхода в бетоне (табл. 4.19.) Как видно из данных табл.4.19, теплопроводность бетона снижается с увеличением содержания АМД в вяжущем и уменьшением его расхода. Пониженная теплопроводность бетонов на смешанном вяжущем обусловлена замкнутой пористости в частицах АМД, которая заполнена воздухом. Для бетонов конструкционного назначения важное значение имеет прочность на осевое растяжение и растяжение при изгибе.
Для экспериментальной проверки по определению прочности на растяжение применялись составы бетона марки 200, предназначенные для изготовления панелей перекрытий для домов серии 111-90. Состав бетона, характеристики бетонной смеси и бетона приведены в табл.4.20. В качестве вяжущего использовался портландцемент марки 400 с минеральными добавками ПІД Д20 и быстротвердеющий цемент марки 400 Н-Ульяновского цементного завода. Содержание золы в составе смешанного вяжущего составляло 20,30,40% по массе. Пропаривание образцов-призм 10x10x40см производилось в лабораторной пропарочной камере по режиму :2+3+6+4 часа при температуре изотермической выдержки 90С. Нагружение образцов производилось двумя равными сосредоточенными силами по ГОСТ 10180-78. Переводной коэффициент к прочности базового состава принят равным 1,05. Переходной коэффициент от сопротивления бетона растяжению при изгибе к одноосному растяжению принят равным 0,58. Переводной коэффициент к прочности образцов базового размера 15x15x15 см принят равным 1,05. Результаты испытаний- в табл. 4.21.
Сравнивая полученные результаты по прочности бетона на смешанном вяжущем на осевое растяжение с нормативными требованиями, изложенными в СНиП 2.03.01-84, следует отметить, что экспериментальные данные превышают нормативные значения на 19-60%. При этом наибольшее превышение нормативных требований имеют бетоны, содержащие в составе вяжущего 30-45% золы.
Структура бетона так же оказывает влияние на теплопроводность. Бетон на смешанном вяжущем отличается пониженной средней плотностью по сравнению с бетоном на портландцементе, что так же влияет на теплопроводность. Кроме того, как это будет показано в Главе 5, немалую роль оказывает и структура контактной зоны гидратных новообразований вокруг частиц АМД, которая представлена новообразованиями пониженной основности и высокой степени дисперсности, а следовательно, и повышенной гелевой пористостью.
Процессы гидратации смешанного вяжущего и формирования фазового состава продуктов гидратации при пропаривании
В табл.5.4 приведены результаты определения кинетики гидратации вяжущего на основе ЦСП, а в табл.5.5- золы гидроудаления. Смешанное вяжущее содержало 30% золы.
Из данных табл.5.4 и 5.5, с учетом результатов ДТА и рентгенофазового анализов, следует, что применение активных алюмосиликатных минеральных добавок в составе смешанного вяжущего приводит к повышению степени его гидратации за счет более глубокой гидратации клинкера и связывания Са (ОН)2 в гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Скорость процессов образования и кристаллизации гидросиликатов и гидроалюминатов при гидратации смешанного вяжущего в нормальных условиях зависит от многих факторов, таких как минеральный и химический состав, дисперсность минеральной добавки, форма и активность поверхности ее частиц.
Дериватографические исследования показали, что зола активно поглощает выделяющийся при гидратации клинкера гидроксид кальция уже в ранние сроки твердения. На рис.5.26 (а) приведены дериватограммы продуктов гидратации портландцемента, а на рис. 5.26 (б) - смешанного вяжущего, содержащего различные количества АМД добавки при твердении цементного камня в нормальных условиях. На кривых ДТА цементного камня любого возраста твердения - от 3 сут до 360 сут - видны достаточно глубокие эндотермические эффекты при температурах 507 - 520С, которые вызваны удалением связанной гидроксидом кальция воды. На кривых ТГ потеря воды гидроксидом зафиксирована крутым изломом (спадом) линии при 460 - 465С. Увеличение глубины эндотермических эффектов на кривых ДТА при дальнейшем твердении вплоть до 270 сут. свидетельствует об углублении процессов гидратации клинкерных зерен и накопления в цементном камне гидроксида кальция.
Эндоэффекты при 765 - 790С, обусловленные разложением карбоната кальция, со временем также увеличиваются. Известно, что карбонизация гидроксида кальция при гидратации и твердении цемента начинается довольно рано. Процессы образования свободного гидроксида кальция и его связывание в карбонат протекают одновременно. По возрастанию глубины эндоэффектов при 510 - 520С можно судить о том, что скорость образования гидроксида кальция в твердеющем цементном камне в процессе длительного твердения (270 суток) превышает скорость процессов его карбонизации. После 270 сут., когда гидратация оставшихся зерен клинкера значительно замедляется, процессы карбонизации начинают превалировать над процессами образования Са(ОН). Накопившийся в цементном камне гидроксид кальция расходуется, в основном, на образование карбоната кальция. На дифференциальных термограммах это проявляется уменьшением глубины эндоэффекта при 505-520С.
Содержание свободной извести в цементном камне в присутствии золы гидроудаления, по результатам ДТА, приведенным на рис. 5.8 и 5.26, значительно меньше, чем в чисто цементном камне во все сроки нормального твердения, начиная с 3-х суточного возраста. Аналогичная картина наблюдается и при анализе дифрактограмм продуктов гидратации портландцемента и смешанного вяжущего. Интенсивность дифракционных максимумов с d/n = 0.490; 0.311; 0,263; 0.1927; 0.179 нм, характеризующих гидроксид кальция, в продуктах гидратации смешанного вяжущего значительно ниже, чем в продуктах гидратации портландцемента во все сроки нормального твердения (рис. 5.27, 5.28). Полученные экспериментальные результаты дают основание считать, что взаимодействие зольных частиц с гидроксидом кальция при твердении в нормальных условиях начинается в ранние сроки. Достоверность этого вывода проверена с помощью инфракрасной спектроскопии.
Результаты исследований методами инфракрасной спектроскопии продуктов гидратации как отдельных клинкерных минералов, так и цементов в целом приведены в ряде работ [270-274]. Несмотря на объективную сложность, анализ спектрограмм цементного камня позволяет довольно четко фиксировать наличие гидроксида кальция по появлению узкой полосы поглощенияс частотой колебаний около 3630 - 3640 см " [227, 233,270], которую относят за счет валентных колебаний ОН-групп в составе Са (ОНЬ. На рис. 5.29 и 5.30 приведены ИК-спектрограммы продуктов гидратации портландцемента и смешанного вяжущего, содержащего золу гидроудаления ТЭЦ нормального твердения в возрасте от 3-х до 360 сут. На спектрограмме портландцементного камня (рис. 5.29) видна достаточно четкая полоса поглощения при волновом числе 3647 см"1, которая принадлежит гидроксиду кальция. Эта полоса поглощения, возникая в раннем возрасте, сохраняется на спектрограммах и при длительном твердении
