Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований : 9
1.1. Формирование структуры и свойств мелкозернистого цементного бетона 9
1.1.1. Влияние влаги на свойства цементного камня и механизм его образования 9
1.1.2. Формирование контактной зоны на границе двух фаз — кремнезема и цементного вяжущего 11
1.2. Современное состояние технологии изготовления цементного мелкозернистого бетона с наполнителями 13
1.3. Прочностные свойства и долговечность мелкозернистых бетонов 17
1.4. Сборные покрытия из железобетонных плит автомобильных дорог 25
1.5. Покрытие автомобильных дорог из мелкозернистых (песчаных) асфальтобетонов 36
1.6. Теплоизоляционно-конструктивные мелкозернистые бетоны на органоминеральных вяжущих в строительстве автомобильныхдорог и промышленно-гражданских сооружений 43
1.7. Характеристики основных сырьевых строительных материалов, используемых в работе 47
1.7.1. Вода и ее роль в гидратационном прог\ессе цементного вяжущего 48
1.7.2. Мелкозернистый кварцевый песок.- 49
1.7.3. Цементное вяжущее — портландцемент 51
1.7.4. Битумное вяжущее 52
1.7.5. Органическое вяжущее — полистирол 53
1.8. Выводы 55
2. Теоретические основы формирования прочности мелкозернистого бетона для плит дорожного покрытия 58
2.1. Положения физико-химической механики и их применение в технологии мелкозернистого бетона 58
2.1.1. Композиционный материал на цементном вяжущем 59
2.1.2. Композиционный материал на битумном вяжущем
2.1.3.Композиционный материал с использованием полимерного вяжущего 71
2.2.Влияние кварцевого тонкодисперсного наполнителя в структурообразовании мелкозернистого бетона 77
2.3. Выводы 91
3. Разработка оптимального состава мелкозернистого бетона для плит колейного покрытия автомобильных дорог 93
3.1. Методика проведения исследований и характеристика сырьевых ингредиентов мелкозернистого бетона 93
3.2. Влияние наполнителей на особенности физико-химических процессов при формовании и получении мелкозернистого бетона... 96
3.3. Расчет удельного давления прессования бетонной смеси в системе виброплощадка -бетонная смесь — пригруз 106
3.4. Исследование уплотняющего1 действия разночастотной вибрационной установки на прочностные свойства мелкозернистого бетона 114
3.5. Влияние минерало-гранулометрического состава заполнителей
на формирование структуры высокопрочного мелкозернистого бетона 131
3.6. Влияние кварцевого микронаполнителя на активность 134
портландцемента, выдержанного во влажных условиях
3.7. Влияние кварцевого наполнителя на формирование поровой структуры вибрационного мелкозернистого бетона 139
3.8. Определение состава мелкозернистого бетона при разночастотной вибрации с использованием метода математического планирования экспериментов 142
3.9. Выводы 154
4. Физико-механические и технические свойства высокопрочного мелкозернистого бетона 156
4.1. Физико-механические свойства высокопрочного мелкозернистого бетона 156
4.2. Влияние влажности высокопрочного мелкозернистого бетона на его прочность 158
4.3. Истираемость и водопроницаемость высокопрочного мелкозернистого бетона 160
4.4. Влияние многократного увлажнения на прочность мелкозернистого бетона 165
4:5. Морозостойкость мелкозернистого бетона 167
4.6. Деформативные особенности высокопрочного мелкозернистого бетона. 171
4.6.7. При кратковременном действии нагрузки 171
4.6.2. Деформации усадки и факторы, определяющие ее 176
4.6.3. Деформация ползучести 180
4.7. Температуростойкость высокопрочного мелкозернистого бетона 185
4.7.1. Обоснование прочности бетона при воздействии повышенных и высоких температур 185
4.7.2. Влияние прочности высокопрочного мелкозернистого бетона на его температуростойкость 189
4.8. Мелкозернистый бетон на отходах камнедробления 192
4.9. Легкий высоконаполненный мелкозернистый бетон 196
4.10.Мелкозернистый бетон на органических вяжущих, наполненный минеральными микрочастицами 200
4.11.Выводы 205
5. Покрытие автомобильных дорог из сборных плит высокопрочного мелкозернистого бетона 209
5.1. Назначение параметров поперечного профиля колейной автомобильной дороги из сборных плит 209
5.7.7 Расчет морозозащитных и дренирующих слоев основания колейного покрытия лесовозной дороги 214
5.2. Обоснование размеров плит лесовозных автомобильных дорог 216
5.2.1. Напрялсенное состояние плиты и её осадка в грунтовом основании в зависимости от приложения нагрузки 216
5.2.2. Влияние толщины плиты на осадку грунтового основания 232
5.2.3. Влияние размеров и прочностных свойств плит колейного покрытия на их напряженно-деформированное состояние 235
5.2.4. Напрясисенно-деформированное состояние плит из мелкозернистых бетонов разных модулей упругости отнагрузок автотягача, приложенных в углу плиты 243
5.3. Выводы 248
6. Обоснование экономической эффективности внедрения высокопрочного мелкозернистого бетона в строительное производство 251
6.1. Экономическая оценка использования дисперсного кварцевого наполнителя в технологии мелкозернистого бетона 251
6.2. Сравнительный анализ экономических показателей обычного и высокопрочного мелкозернистого бетонов 254
6.3. Технология изготовления фундаментных блоков из мелкозернистого бетона с наполнителем 260
6.4. Технология изготовления мелкозернистого бетона с наполнителем для получения длинноразмерных бордюрных камней в строительстве уличных дорог 261
6.5. Комплексные химические добавки из отходов Йошкар-Олинского витаминного и Волжского гидролизного заводов в производстве цементного бетона из портландцемента с ускоренным твердением цементного камня 263
6.6. Технология изготовления бордюрных камней и железо-бетонных плит из мелкозернистого бетона с наполнителем 264
6.7. Выводы 266
Общие выводы 268
Библиографический список
- Современное состояние технологии изготовления цементного мелкозернистого бетона с наполнителями
- Композиционный материал на битумном вяжущем
- Исследование уплотняющего1 действия разночастотной вибрационной установки на прочностные свойства мелкозернистого бетона
- Влияние прочности высокопрочного мелкозернистого бетона на его температуростойкость
Введение к работе
Актуальность работы. Многие регионы России не обеспечены высокопрочными горными породами, щебень из которых служил бы заполнителем для тяжелых цементных бетонов. Республика Марий Эл в частности, располагает только малопрочным известняковым камнем и мелкозернистым кварцевым песком, при использовании которых получают низкопрочный цементный бетон. Транспортирование высокопрочного щебня с Урала, Северного Кавказа или Карелии приводит к значительным транспортным расходам, влияющим на стоимость изделий из тяжелого цементного бетона на крупном заполнителе. Поэтому проблема получения пригодных для строительства дорожных покрытий из материалов на основе мелкозернистого кварцевого песка приобретает важное значение и не теряет своей актуальности в настоящее время.
Разработка технологии долговечного композиционного строительного материала - высоконаполненного высокопрочного мелкозернистого бетона для изготовления строительных изделий, дорожных плит покрытий как дорог общего пользования, так и лесовозных дорог с колейным покрытием - является одним из важных направлений исследований в области дорожного строительства и промышленно-гражданских сооружений.
Обеспечение длительного эксплуатационного режима жестких покрытий из железобетонных плит автодорог связано с исследованием зависимостей основных характеристик их напряженного деформированного состояния от действия расчетных колесных нагрузок движущегося автопоезда, что является актуальным и своевременным при использовании нового материала из высокопрочного мелкозернистого бетона.
Одним из эффективных технологических приемов в формировании высокопрочной структуры составов мелкозернистых бетонов является режим вибровоздействия при уплотнении жесткой цементно-песчаной смеси, что трудно осуществлять без химических добавок. Поэтому разработка комбинированных режимов вибрации, в которых одновременно осуществляются различные по величине амплитуд и частот колебательные процессы для достижения плотной упаковки мелкозернистого заполнителя и цементного геля с наполнителем в структуре мелкозернистого бетона является актуальным. Эксплуатация такого бетона из-за его высокой морозостойкости и долговечности возможна в сложных климатических условиях Севера и Севера-Запада России в соответствии со слоем износа и сохранением геометрии и структурной прочности земляного полотна автомобильной дороги.
Наполнение цементной матрицы микрочастицами из кварцевого песка и дисперсными частицами отходов химической, металлургической и строительной индустрии является наиболее эффективным методом модифицирования составов бетона, способствующим снижению расхода цементного вяжущего при управлении процессом формирования общей структуры мелкозернистого бетона. Одновременно решаются проблемы экологической безопасности.
Целью работы является разработка научных основ формирования структуры, состава и свойств высокопрочных мелкозернистых бетонов высокого наполнения с изучением их физических, физико-механических и физико-
технических свойств для получения долговечных покрытий автомобильных дорог.
Задачи:
определение закономерностей влияния тонкодисперсного наполнителя на формирование структуры мелкозернистых бетонов на цементных и органических вяжущих рациональных составов;
изучение физических, физико-механических и технических характеристик высоконаполненного мелкозернистого бетона повышенной прочности и долговечности;
исследование возможности использования полистирольного наполнителя в бетонных конструкциях дорожного покрытия автомобильных дорог с определением основных физических и физико-механических характеристик бетона рационального состава;
разработка режима виброуплотнения цементно-песчаной смеси для достижения высокой структурной прочности высоконаполненного мелкозернистого бетона;
разработка состава мелкозернистого песчаного асфальтобетона с повышенным содержанием тонкодисперсного наполнителя и исследование его основных физико-механических характеристик;
определение усилий в сборных напряженно-деформированных дорожных плитах из высоконаполненного мелкозернистого бетона от подвижных расчетных нагрузок;
- определение экономической эффективности использования высокопрочного
мелкозернистого бетона в производстве сборных железобетонных плит покры
тия автомобильных дорог.
Методы исследования. Для разработки технологии мелкозернистого бетона использовались нормативные документы, методы математической статистики, математического планирования экспериментов. Для изучения макро и микро структуры бетона применялись методы оптической микроскопии, дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы. Использован прикладной программный пакет "OL PLATE" "Расчет железобетонных фундаментных плит на грунтовом основании".
Научная новизна работы.
Определены принципы формирования высокопрочной структуры мелкозернистого бетона с использованием кварцевых микрочастиц в качестве наполнителей матрицы в органических и минеральных вяжущих в период управления структурообразованием мелкозернистых бетонов для сборных покрытий автомобильных дорог между физико-химическими и технологическими процессами.
Определены закономерности влияния тонкодисперсного наполнителя на формирование структуры мелкозернистых бетонов на цементных и органических вяжущих.
Исследовано влияние фракционного состава наполнителя на свойства высокопрочного мелкозернистого бетона. Найдено, что наилучшие прочностные характеристики показьшает бетон с использованием наполнителя удельной поверхности 450... 500 м 2/кг. Получено максимальное объемное наполнение цементной матрицы дисперсными кварцевыми частицами для уплотненного четырехфракционного кварцевого песка в пределах размеров зерен от 0,63 до 0,14 мм, которое подтвер-
ждено математическим расчетом объема пустот. С помощью физико-химических методов анализа определены фазовые составы цементного камня в зоне контакта «цементный камень - заполнитель».
Для активации твердения цементного теста и повышения прочностных свойств бетона предложено вводить в бетонную смесь химические добавки из местных отходов Йошкар-Олинского витаминного и Волжского гидролизного заводов. Введение данных химических добавок в высоконаполненный мелкозернистый бетон повышает его прочностные показатели до 67%..
Для снижения плотности до 1100 кг/м3 и повышения прочности наполненного мелкозернистого легкого бетона предложено ведение в состав наполненного мелкозернистого легкого бетона вторичного сублимативного полистирола.
Дано технико-экономическое обоснование рациональных параметров железобетонных плит колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог из вы-соконаполненного мелкозернистого бетона при установленных осевых нагрузках и коэффициентах динамичности и перегрузки колес подвижного состава лесовозного автопоезда.
С помощью системы автоматизированного режима по программе «OL PLATE» определены основные параметры напряженно-деформированного состояния железобетонных плит различных конструкций колейного покрытия (отпор грунта, моменты, осадки и размещение арматурных стержней в сечении плиты) при одновременном воздействии как одиночных, так и всех колес многоосевого автотранспортного средства.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Принципы формирования высокопрочной структуры, состава и свойств мелкозернистого бетона с использованием кварцевых микрочастиц в качестве наполнителей матрицы в цементных и органических вяжущих рациональных составов в период управления структурообразованием мелкозернистых бетонов для сборных покрытий автомобильных дорог между физико-химическими и технологическими процессами.
-
Составы мелкозернистого бетона с использованием полистирольного наполнителя в бетонных конструкциях дорожного покрытия автомобильных дорог с определением основных физических и физико-механических характеристик бетона рационального состава.
-
Режимы виброуплотнения цементно-песчаной смеси для достижения высокой структурной прочности высоконаполненного мелкозернистого бетона. Экспериментальная модель вибрационной установки по разночастотному виброуплотнению цементно-песчаной смеси для организаций в бетоне высокой структурной плотности и прочности.
-
Составы мелкозернистого песчаного асфальтобетона с повышенным содержанием тонкодисперсного наполнителя и исследование его основных физико-механических характеристик;
-
Модель усилий в сборных напряженно-деформированных дорожных плитах из высоконаполненного мелкозернистого бетона от подвижных расчетных нагрузок с использованием программы "OL PLATE".
-
Обоснование экономической целесообразности использования железобетонных плит из высокопрочного мелкозернистого бетона.
Достоверность выполненных исследований. Научные положения, выводы, рекомендации обоснованы теоретическими решениями и строгостью соблюдения методов расчетов и испытаний объектов исследований в соответствии с нормативными документами. Достоверность полученных результатов по определению деформаций и расчетных усилий в элементах плит согласуется с теоретическими принципами линейной зависимости напряжений и деформаций грунтовых оснований.
Практическая значимость.
Предложены составы новых высокопрочных мелкозернистых бетонов из низкосортного сырья с высоким наполнением цементной матрицы дисперсными кварцевыми микрочастицами.
Разработаны составы мелкозернистого бетона с использованием полисти-рольного наполнителя в бетонных конструкциях дорожного покрытия автомобильных дорог.
Предложены составы высокопрочного бетона с использованием химических добавок - отходов Йошкар-Олинского витаминного и Волжского гидролизного заводов.
Разработаны составы мелкозернистого песчаного асфальтобетона с повышенным содержанием тонкодисперсного наполнителя и исследованы их основные физико-механические характеристики.
Предложены режимы виброуплотнения цементно-песчаной смеси для достижения высокой структурной прочности высоконаполненного мелкозернистого бетона. Разработана модель вибрационной установки по разночастотному виброуплотнению цементно-песчаной смеси для организаций в бетоне высокой структурной плотности и прочности.
Предложено определение наиболее напряженно-деформированного состояния плиты колейного покрытия с использованием программы "OL PLATE". При определении учитываются - толщина плиты, ее армирование, тип соединения со смежной плитой, изгибающий момент от нагрузки, действующей на базе транспортного средства, реактивное давление грунта основания под плитами. Даны рекомендации по рациональным размерам плит в зависимости от назначения дорожного полотна, условий его эксплуатации и особенностей грунта.
На составы высоконаполненных мелкозернистых бетонов, вибрационную установку получены авторские свидетельства и патенты на изобретение РФ.
Апробация работы. Результаты работ были внедрены в г. Йошкар-Олы (Республика Марий Эл) на ОАО "Стройматериалы", АО "Стройконструкция", ОАО КПД (Комбинат крупнопанельного домостроения), на заводе ОАО "Железобетон". В ТУП "Марийскавтодор" проведено строительство опытного участка площадью 155,4 м2из асфальтобетона с добавкой отходов производства полистирола, на Йошкар-Олинском КПД выполнены плиты покрытий, уложенные на автомобильной дороге д. Одебеляк - с. Куженер - Параньга.
Методика расчета по «Определению деформации оснований железобетонных плит дорог общего пользования и колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог» внедрена в «Федеральном управлении автомобильных дорог Волго-Вятского региона Министерства транспорта РФ», «Департаменте дорожного хозяйства Республики Марий Эл», ЗАО «Проектном институте Агропроект».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 65 научных работ, в том числе 10 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 11 авторских свидетельств, 6 патентов, 1 учебное пособие, 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка литературы из 333 наименований и приложений. Основной текст изложен на 305 страницах и включает 87 рисунков, 68 таблиц.
Современное состояние технологии изготовления цементного мелкозернистого бетона с наполнителями
Введение дисперсных минеральных наполнителей в цементное вяжущее бетонных смесей является признанным фактом, повышающим экономичность цементных композиций по расходу цемента, стоимости и улучшающим его строительные и технологические свойства. Действуют стандарты по добавкам в цементы: ГОСТ 24640-91 "Добавки для цементов. Классификация", ГОСТ 10178-85 "Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия".
В работе [23] наполнители классифицируются по следующим критериям: экономии, водопотребности, гидравлической активности, дисперсности, энергозатратам и другим показателям.
Так, минеральная добавка молотого кварцевого песка, используемая авторами [6, 24] в количестве 30 % в цементном тесте была опробована только для экономии цемента.
К числу активных минеральных добавок следует отнести "пуццоланы". Согласно ГОСТ 22266-94 содержание их в цементе допускается осадочного происхождения - 20:..30 %, вулканического происхождения - 25...40 %.
В работе [7] показано, что базальтовая добавка удельной поверхности от 115 до 1120 м2/кг при её оптимальном содержании до 40% по массе вяжущего способствует повышению прочностных свойств бетона в 1,5...1,7 раза. Однако следует указать, что это сырье не является широко распространенным материалом.
Значительный, объем исследовательских работ посвящен использованию наполненного цемента дисперсным кварцевым песком в. мелкозернистых песчаных бетонах [6, 23, 35, 37, 38, 59, 54 и др.]. Авторы работ указывают на положительное влияние дисперсной кварцевой добавки на увеличение прочности и других основных физико-механических характеристик мелкозернистого песчаного бетона и его долговечность во времени [53] независимо от механического перемешивания цемента и молотого песка [46, 49, 50] или совместного их помола [7, 26, 35, 39, 40, 41, 46, 48, 55, 57]. Механизм гидратационного твердения описан в работах [8, 27], а физико-механические свойства бетонов - в [28...30].
В указанных выше работах исследования по влиянию добавки дисперсного наполнителя проводились на уровне 20...40 % концентрации в цементной матрице мелкозернистого бетона.
Так, авторы [8, 46] отмечают, что наполнение цементных композитов до 30...37 % дало положительные результаты по классу прочности, которые составили В30...В35. Наполнение только цементной подложки (матрицы) композита [8] различными по удельной поверхности 8уд=580, 950, 1330 м2/кг кварцевыми добавками повысили их прочность,до В44, В55, В61, или в 1,4; 1,7; 1,96 раза по отношению к контрольной прочности ВЗ1 мелкозернистого бетона.
Увеличение концентрации добавки до 50 % не дало положительных результатов. Прочность цементных пост резко снизилась, и они составили соответственно В34, В41, В49, или уменьшились в-1,29; 1,34; 1,24 раза по отношению к контрольной прочности В30 мелкозернистого бетона на песке модуля крупности 2,0:..2,5, наполненного 50% тонкодисперсными наполнителями.
В работе А.П. Бобрышева [246] был определен максимум наполнения композита, равный 0,6 от расхода цементного вяжущего.
При более высоком содержании наполнителя 0,6 результаты в области кривой-разупрочнения требуют корректировки за счет большего объема порообразования.
В работах [26, 274] была использована составная тонкодисперсная добавка из кремнезема 28% с S=1000 м7кг и золы уноса 28% с 8уд=300 м /кг с пластифицирующей добавкой С-3 для получения пластической смеси мелкозернистого цементного бетона, которая может активно формировать микроструктуру в контактных межфазньгх пленочных слоях, плотную систему новообразований и плотную макроструктуру в межзерновом пространстве. Однако такой бетон имеет ряд недостатков, которые могут сказаться на его долговечности. Этот бетон в конечном его формировании имеет при высоком расходе цементного вяжущего 500 кг/м3 меру ползучести, которая в 4 раза превышает подобную характеристику мелкозернистого бетона ив 1,66 раза меньше коэффициента конструктивного качества (ККК=(МПа, кг/м )/(Цем. кг/м )=80/500=0,16) высокопрочного мелкозернистого бетона (ККК=81/306=0,265).
Сегодня многими учеными активно проводятся исследования возможности получения особопрочных бетонов путем введения в цементную композицию активных кремнесодержащих наполнителей, являющихся отходами производства от получения при высокой температуре кремнесодержащих сплавов или ферромарганца очень высокой дисперсности. Порошкообразные кремнеземы находят большое применение за рубежом (США, Канада, Великобритания, Нидерланды, Швейцария) [8].
Полученный продукт в виде кремнеземистой пыли (S = 1420... 2230 м2/кг) или порошкообразный оксид кремния, введенные в небольшом количестве (10...25 % расхода портландцемента) в цементные растворы, способствовали получению прочности до 83... 113 МПа (В64....В88). Однако водопотребность бе 16 тонной смеси при содержании кремнезема до 30 % снижает физико-химические свойства. Поэтому для сохранения постоянными В/Ц требуется обязательное использование суперпластификатов.
К числу тонкодисперсных, компонентов для экономии высокопрочных портландцементов следует отнести керамическую пыль - отход производства керамзитового гравия. Добавка повышает водоудерживающую способность, снижает расслаиваемость, а в контакте с кварцевым зерном положительно влияет на физико-механические и физико-технические свойства бетона [8].
Школа В.И. Соломатова с позиций физико-химии предлагает использовать грубодисперсные наполнители от 120 до 240 м2/кг, экономя энергоресурсы для получения конечного продукта [57]. Другие же - высокую степень дисперсности наполнителя — 1000 м2/кг, которая может повлиять на рост прочности вяжущего до 100 МПа [26] и более (табл 1.1).
Композиционный материал на битумном вяжущем
Выполненная работа на основании экспериментального и теоретического исследования показала-, что слоистое строение способствует снижению теплопроводности композиционного материала по сравнению с теми» же показателя-ми из газобетона расчетной плотности 400.. .500 кг/м .
К эффективным тепло-звукоизоляционным материалам- следует отнести вспученный пористый материал — перлит, который выступает в качестве песка -а фракций 0,63...2,5 мм плотностью ПО.. 120 кг/м . Изготовленные из него виб-ропрессованием мелкозернистые блоки плотностью 500...700 кг/м и прочностью при сжатии 1...3,5 МПа имеют теплопроводность 0,11...0,14 Вт/(м-К), а плотностью 250...400 кг/м3 и прочностью 0,3...0,8 МПа - теплопроводность 0,07...0,01 Вт/(м-К). Эти материалы применимы в качестве теплоизоляционных материалов в ограждающих стеновых конструкциях жилых и промышленных зданий [165].
Необходимо отметить значительный объем проведенных научных исследований в области производства теплоизоляционных ячеистых бетонных в зависимости от термообработки и содержания в их структуре мелких (0,3 мм) воздушных пор. Для получения качественной ячеистой структуры бетона и повышения ее прочности используют различные технологические способы и приемы: пенофлотационный смеситель с изменяющимся давлением подачи смеси до и после приема пенобетона [166], многоконусный струйный пеногене-ратор, диспергирующий пузырьки пены низкой плотности (до 100 г/л) и более продолжительной по времени стойкости (от 70 до 52 мин) против стандартной (45 мин) [167].
Совершенствование технологии пенобетона с использованием микрокремнезема оказывает влияние на улучшение всех свойств пенобетона плотностью 300...700 кг/м , который при неавтоклавном его твердении, обладает аналогичными свойствами автоклавного газобетона средней плотности 500.. .700 кг/м3. Качество структуры ячеистого бетона К вычисляют по формуле: K=R„/p, (1.6) где Іісж - прочность при сжатии, МПа; р - объемная масса (плотность), Т/м или в кг/м3. В настоящее время ячеистые бетоны-и изделия на их основе получают, используя низкодисперсные наполнители из кварцевого песка удельной поверхности 300 м2/кг. В:Ф. Завадским [168] выяснено, что наиболее эффективными дисперсными наполнителями следует считать наполнители из отходов альбитофировых горных пород плотностью-2,4 г/см . Газобетон из этого напол-нителя имеет КсЖ=23 МПа, плотность 0,58 т/м при коэффициенте конструктивного качества 6,81, против 5,25 для газобетона на кварцевом песке (ККК=5,25).
Одним из научных направлений по созданию композиционного материала ячеистой структуры на основе цементного вяжущего и ячеек из вспученного полистирола размером 5... 10 мм следует считать исследование бетона вариа-тропной структуры — материала различной плотности по сечению полистирол-бетона.
В работах [166... 169] описывались подобные вариатропные структурные модели с различными физико-механическими свойствами для применения в качестве конструктивно-теплоизоляционных (типа ячеистых) материалов.
В опубликованной статье [168] приводятся данные прочностных свойств вариатропной структуры (переменная плотность ДцР) в рабочем сечении изделия при коэффициенте вариатропности Квр=0,4 (упрощенные формулы: Квр=(Дпл-ДсрУДср; где Дср=(Дпл+Дл)/2) (Дср - средняя плотность, Дпл - плотная, Д,- легкая) и пенобетона соответственно: прочность при сжатии 3,7 и 2,5 МПа и коэффициент теплопроводности АН), 121 и 0,091 Вт/(м-С).
В технологической схеме получения вариатропной ячеистой структуры автор работы [168] показывает, что при постоянной средней плотности Дср в сравнении с однорядным ячеистым бетоном Дпл прочность при сжатии повышается на 20...25 %, при изгибе - на 25...30 %, снижаются»теплопроводность на 20...25 %, деформация усадки - на 10... 15 %. Формирование такой структу 46 ры является эффективным направлением повышения качества материала с экономической и научной точки зрения.
Медленное твердение неавтоклавного пенобетона и низкую конечную прочность возможно избежать, не используя активизирующих воздействий-(домол цемента, обработка цементной пасты в турбулентных аппаратах, разогрев пенобе-тонной массы, применение ускорителей твердения, микроармирования тонких пленок перегородок ячеистой структуры), методом направленного четырехцикли-ческого вибрационного воздействия с интервалом 50 мин в момент времени кинетики структурообразования цементного камня в межпоровых перегородках [169]. Этот метод позволил повысить прочность пенобетона на 70... 140 %, или от 7,7 МПадо 12,5 МПа, а плотность только на 5... 10%, или от 1170 кг/м3 до 1310кг/м3.
Такая плотность, как у теплоизоляционного материала, не обеспечила бы необходимой теплоизоляции в современных условиях.
Плиты из полистирола, применяемые для теплоизоляции ограждающих конструкций жилых зданий, обладают необходимыми теплофизическими свойствами, но имеют низкую прочность (0,1 МПа) и характеризуются горючестью.
Для снижения этих недостатков автор работы [170] предложил включить в состав полистиролбетона фторангидратное вяжущее в виде порошка (8уд=280 м /кг), содержащее в своем составе более 92 % безводного сульфата кальция CaS04. Шарообразные вспененные полистирол ьные гранулы размером 2... 5 мм имеют плотность 15 KT/MJ. В качестве добавки были введены армирующие базальтовые волокна диаметром 4,5 мкм и длиной 10... 12 мм, смола древесная омыленная в количестве 0,3 5 как воздухововлекающая добавка для вспучивания ангидритовой матрицы и улучшения сцепления вяжущей матрицы со вспученным полистироль-ным зерном. Предложения автора работы [170] с несколькими технологическими этапами приготовления смеси могут отразиться на себестоимости материала.
Исследование уплотняющего1 действия разночастотной вибрационной установки на прочностные свойства мелкозернистого бетона
Повышение адгезионной активности кремнеземистых кислых минеральных материалов (гранит, сиенит, кварцевые пески и т.д.) с битумным вяжущим в покрытиях автомобильных дорог из асфальтобетона является одной из задач по .совершенствованию эксплуатационной долговечности подобных покрытий в условиях переменного механического воздействия колес транспортного средства и изменения температур в течение года.
Асфальтобетонное покрытие - это активно работающий элемент дорожной одежды, который не только воспринимает внешние механические и атмосферные нагрузки и регулирует соответствие подвода этой внешней энергии с реологическими свойствами технологически принятого асфальтового материала, но и защищает от атмосферных осадков дорожное основание. Поэтому дорожное покрытие должно быть достаточно плотным, чтобы сохранить свои основные физико-механические свойства при различных внешних и внутренних изменениях. Это значит, что структурная плотность асфальтобетона, определяемая энергетическими связями на поверхности раздела его твердых и жидких компонентов; должна быть устойчивой. Эти связи, по П.А. Ребиндеру, классифицируются по типу: коагуляционные (пластичные при повышенной, атмосферной температуре), конденсационные (жесткие смеси), кристаллизационные или конденсационно-кристаллизационные (при низких отрицательных температурах) [38].
Вид структуры асфальтобетона предопределяется структурой минерального остова, структурой битума, особенностями взаимодействия минеральных материалов с битумом, плотностью асфальтобетона и особенностями, капил-лярно-поровой структуры [167]. Под структурой минерального остова понимаются размер, форма, характер поверхности и относительное расположение минеральных частиц, а под структурой битума — распределение в асфальтобетоне строения пленок на поверхности минеральных зерен. Структура асфальтобетона состоит из микроструктуры асфальтовяжущего вещества (би-тум+минеральный порошок) и из макроструктуры (песок+щебень) [180... 182].
В ряде работ [183, 184] показано, что модифицирование поверхности частиц минеральных элементов асфальтобетона является эффективным способом повышения его качества и оно становится традиционным при взаимодействии кислых минеральных материалов (например, кварцевый песок) с битумом.
Для кварцевого мелкозернистого песка характерно наличие отрицательных электрических зарядов на поверхности частиц. Оно обусловлено присутствием свободных ненасыщенных связей на поверхности кристаллической решетки в виде ионов кислорода О"2. Кварцевые пески относят, к материалам, содержащим высокий отрицательный потенциал. Битум, содержащий в своем составе отрицательные функциональные группы (СООЕГ и ОН"), также на своей поверхности имеет отрицательный потенциал. В связи с этим энергетические связи двух систем несовместимы.
Особенностью кварцевых песков является наличие на. их зернах различных оболочек из грунта: железистой водной или безводной (2Fe203 3H20, Fe203, Fe304), глинистой (А1203 4Si02 4Н20) и смешанной. Характер оболочек зависит от генезиса и среды, в которых образуется и залегает песок. Денудационное образование коллоидных пленок из оксидов имеют все без исключения естественные категории песков [9]. Показано [185], что-глинистые примеси в песках могут находиться в различных качественных состояниях: в виде отдельных сыпучих частиц и агрегатов, в виде прочных оболочек, покрывающих песчинки. Различают следующие виды оболочек: пористые небольшой толщины, прочно схватившиеся с поверхностью кварцевого зерна, пропитываемые насквозь битумом; толстые и плотные, сдерживающие пропитку битума, и поэтому сцепление битума происходит с глинистой оболочкой, а не с поверхностью кварцевого зерна, которая может быть сдвинута при динамических воздействиях колеса движущегося автопоезда при увлажнении покрытия автодорог.
Чистый кварцевый песок химически инертен по отношению к битуму, который вступает в прямой контакт не с поверхностью зерен кварцевого песка, а с покрывающей их коллоидной пленкой. Если в ней содержатся соединения железа, алюминия и других металлов, то они способствуют сцеплению кварцевого зерна с битумом [186]. Этого может не произойти, если чистые поверхности кристаллического кварца покрываются пленкой, содержащей кремниевую кислоту (H2Si03) [177]. Коллоидные пленки могут иметь сложный химический состав [185, 188], и поэтому свойства асфальтобетона зависят не от химико-минералогического состава песка, а от химического состава пленок, покрывающих кварцевые зерна песка. Адсорбция битума на поверхности чистых зерен кварцевых песков носит физический характер [187, 188] и вызывается слабыми ван-дер-ваальсовыми силами притяжения, пленка из которых может быть легко смещена влагой. Поэтому необходимо активировать связующие поверхности материалов противоположными по знаку электрозарядами, чтобы контактная их пленка оставалась прочной во влажных условиях.
Влияние прочности высокопрочного мелкозернистого бетона на его температуростойкость
Прочность мелкозернистого бетона на основе различных по химическому составу наполнителей из карбоната и керамзитовой пыли определяется взаимодействием жидкой фазы цементного камня и образованием в контактной зоне кристаллогидратов различной формы, так как свойства этой зоны контакта отличаются от свойств объемного цементного камня и твердой частички наполнителя. Количественный состав новообразований этой зоны во многом предопределяется активностью наполнителя и продолжительностью по времени физико-химических процессов, влияющих на прочностные свойства мелкозернистого бетона.
На поверхности кварцевого зерна в состав новообразований входят кристаллы сложных гидрогранатов кальция, низкоосновные (преимущественно) и высокоосновные гидросиликаты кальция волокнистого и игольчатого строения размером 0,2-0,5 мкм, гидроксид кальция — Са(ОН)2 крупнотаблеточной формы размером 1 мкм, эттрингит удлиненно-призматической или игольчатой формы размером 2,0...2,5 мкм - C3ACS3H31, впоследствии переходящие в моносульфатные кристаллические формы кальция меньших размеров - C3ACSH12. Со временем интенсивность этих новообразований растет, они объединяются в более крупные формы мелкокристаллического строения, которые вызывают появление межкристаллических пор - разрывов, происходящих по слабым местам новообразований [228].
На частичках керамзитового наполнителя, представляющих собой пластинки чешуйчатого вида с пористой поверхностью и имеющих некоторую активность в жидкой фазе цементного камня, образуются низкоосновные — CSH(I) гидросиликаты, но в меньшем объеме, чем на поверхности зерен кварцевого наполнителя. Появление в составе новообразований гидроалюминатных и гидроферритных силикатов кальция моносульфатной формы повышает прочность контактной зоны цементного камня за счет более высокой прочности сцепления новообразований с пористой структурой глинистых частичек в силу увеличения плотности при замене иона А1 крупным ионом Fe . Однако прочность твердого тела кристаллогидратов новообразований ниже, чем на кварцевой подложке, так как на глинистых минералах образуются вторичные карбонаты кальция и кварца.
На известняковых мелкозернистых частичках микронаполнителя образуются в контактных зонах ориентированные пластинки Са(ОН)2 размером 0,8... 1,5 мкм, которые в возрасте 28 суток дополняются вторичными карбонатами кальция - СаСОзбНгО: в нижней части контакта мелкозернистыми, а в верхней — игольчатыми и пластинчатыми ориентированными образованиями Са(ОН)2. В состав контактной зоны может входить и гидрокарбоалюминат кальция - С3А СаС03Нп [228, 229].
Для образования новых форм кристаллогидратов на поверхности минерального заполнителя существуют активные дальнодействующие центры — уступы спаенности, являющиеся дефектами в структуре карбонатного материала.
За счет их происходит ориентированный рост кристаллов карбонатных соединений - СаС03; Са(ОН)2; СаС03 6Н20 (неустойчивых) и гидрогранатов -C3ASxH .2x, гидросиликатов кальция преимущественно - CSH(I) и (более устойчивых) гидрокарбоалюминатов кальция.
Прочность сцепления новообразований в зоне контакта, как и у частичек керамзитовой пыли, выше, чем у поверхности кварцевого зерна, за счет пористой структуры поверхности. Однако прочность на сжатие цементного камня в зоне контакта толщиной слоя 5-15 мкм на кварцевой подложке будет выше, чем на известняковой, если судить по их микротвердости - 936 МПа и 540 МПа соответственно при условии нормального твердения и 1210 МПа и 635 МПа при тепловлажной обработке. И чем дальше от непосредственной зоны контакта, тем значительнее снижается микротвердость новообразований - от 820 МПа до 720 МПа микротвердости объемной структуры цементного камня [19].
Так же было установлено, что для повышения адгезионного сцепления цементного камня с поверхностью заполнителя сцепление должно обладать высокой поверхностной энергией, плотным и мелкокристаллическим строением, большим количеством активных центров, способных к химическому взаимодействию (кварцевое зерно) или эпитаксиальному срастанию Са(ОН)2 цементного камня с поверхностью известняка или кальцита через ионные группы СОз " и ОН" в дефектных точках [228].
Следовательно, введение дисперсных кварцевых частиц в цементную матрицу мелкозернистого бетона при уплотнении его смеси пригрузом при удельном давлении 0,0036 МПа дало возможность повысить прочностные свойства бетонов. Рациональным наполнением матрицы следует считать 0,8...09 части от расхода портландцементного вяжущего. Это подтверждено физико-химическими методами исследования — ДТА цементного камня бетона. Величины прессующего воздействия на смесь и режимы колебательных процессов рассмотрены в следующем разделе.
