Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ б
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 15
1.2. Применение минеральных модификаторов к вяжущим веществам для бетона 15
1.2.1. Использование активны* минеральных модификаторов для бетона IS
1.2.1.1. Проблемы использования минеральных модификаторов дія бетоіія 21
1.2.2. Использование доменных гранулированных шлаков для бетона 31
-
Перспективы использования химических модификаторов в бетоне 38
-
Цели и задачи исследований 45
2.МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 47
2.1. Материалы, применяемые в работе 47
-
Вяжущие вещества, 47
-
За полш гтелн дія тяжелого бетона. 48
-
Минеральные модификаторы к вяжущим веществам дія бетона, 48
-
Химические модификаторы дія бетона, 49
2.2. Методика проведения исследовании 50
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ
МОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ БЕТОНА 57
3.1 Исследование оптимальных параметров использования различных вид or минеральных
модификаторов 73
-
Исследование оптимхльноіі дисперсности тонкомолотых доменных гранулированных шлаков 74
-
Прочность многокомпонентного цемента и зависимости от содержания шлака в его составе 7Я
-
Исследование оптимальной дисперсности тонкомолотого шлака в зависимости от его содержания в составе многокомпонентного цемента 84
-
Исследование оптимальной дисперсности шлака Липецкого металлургического комбината _ 84
-
Исследование оптимальной дисперсности использования тонкомолотого шлака Череповецкого металлургического комбината в составе многокомпонентного цемсігга 93
-
Исследование оптимальной дисперсности использования тонкомолотого шлака I Го вогульского металлургического комбината 9S
3.1.4 Исследование оптимальной дисперсности использования золТЭС в качестве добавки к вяжущим
вешествлм для бетона 117
-
Исследование оптимальной дисперсности использования толы ТОС 22 в составе многокомпонентного цемента 212
-
Исследование оптимальной дисперсности использования талы Каширской "ГЭС в состяес многокомпонентного цемсігга 127
3.1.4.3 Исследование оптимальной дисперсности использования золы Курской ТЭС в составе
многокомпонентного цемента 127
3.1.5 Исследование оптимального содержания минеральных модификаторов в составе
многокомпонентных цементов 13Х
-
Исследованііе оптимального содержания золы Каширской ТЭС и ТЭС 22 г. Москвы 13S
-
Исследование оптимального содержания золы К)рской ТЭС в составе цементов ПЦ 400 Белгородского и ПЦ 500,400 Старсоскольского заводов 148
-
Исследование оптимального содержания золы Курской ТЭС вбетонс с учетом межзерновой ггустотиосш цемента 154
Выводы по главе 3 157
4 ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНО-РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИНЕРАЛЬНЫХ И
ХИМИЧЕСКИХ МОДИФИКАТОРОВ 159
-
Реологические характеристик» цементного тестя с минеральными модификаторами^ 159
-
Исследование нормальної! густоты и срокои схватывания многокомпонентных цементов с минеральными добавками различной дисперсности 159
-
Исследование нормальной густоты и сроков схватывания цементов ПЦ5(Х) Белгородского и Воскресенского заводов с тонкомолотым шлаком Новотульского металлургического комбината 159
-
Исследование нормальной густоты и сроков ехглтипалия нсмсігт ПІ [400 Белгородского запет с тонкомолотыми шлаками Липецкого н Череповецкого металлургических комбинатов 163
-
Исследование нормальной густоты к сроков схватывания цементов ПЦ500 Белгородского к Воскресенского заводов с золами Каширской ТЭС иТЭС Jv?22 г. Москвы 167
-
Исследование нормальной густоты и сроков схватывания цементов ІЩ4Г.Ю Белгородского и ПЦ500 и ПЦ400 Старооскольского заводов с золой К}рской ТЭС 171
-
Пластическая прочность многокомпонентных цементов с тонкомолотым шлаком 174
-
Реологические характеристики цементного теста с минеральными н химическими .модификаторами 178
-
Исследование нормальной густоты и сроков схватывания цементного теста с СП С-3 и тонкомолотым шлаком 179
-
Исследование нормальної! густоты и сроков схватывания цементного теста с суиерпллстнфнктторами и золами ТЭС 185
4.5 Исследование структурных характеристик многокомпонентных систем с использованием
минеральных н химических модификаторов JSS
-
Взшморзсггрсдслсннс частиц клинкера и тонкомолотих минеральных модификаторов в многокомпонентном цементе 189
-
Объем цементного теста с минеральными модификаторами различной дисперсности 197
4.5.3 Исследование поровой структуры цементного камня с минеральными модификаторами 19Х
4.5.3.1 Параметры поровой структуры цементного камня с тонкомолотими шлаками, золой ТЭС _ 199
4.5.3.2 Исследование норовой структуры ucxrcimioro камня с тонкомолотим доменным
гранулированным шлаком и суперпластификатором С-3 200
-
Исследование структуры цементного камня с минеральными модификаторами (исследования в РЭМ) 206
-
Днффсрсншіхіьно-тсрмичсскніі и рсіптсно<]»азовин анализы цементного камня с минеральными и химическими модификаторами, 212
-
Дифференциально-термический и рсіпгснофазовьш анализы цементного камня с тонкомолотым шлаком и СП С-3 212
-
Дифференциально-термический и рентгснофазовын анализы цементного камня с активными минеральными модификаторами 218
4.5.6 Исследование активности минеральных модификаторов 220
Выводы по главе 4 221
5. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И БЕТОНА С
МИНЕРАЛЬНЫМИ II ХИМИЧЕСКИМИ МОДИФИКАТОРАМИ 223
5.1 Химические добавки в бетонах и растворах на основе многокомпонентных цементов^ 223
5.1.1 Исследование оптимального содержания суперпластнфнкаторов а бетонах ил основе
многокомпонентных цементов с упорядоченным гранулометрическим составом и тонкомолотими
шлаками 224
5.1.1.1 Исследование оптимального содержания СП С-3 п бетоне на основе многокомпонентного
исмсігта с тонкомолотым шлаком 224
5.2 Реологические свойства бетонных смесей с минеральными и химическими
модификаторами 225
5.2.1 Реологические свойства бетонных смесей с тонкомолотым шлаком и СП С-3 225
5.3 Прочность раствора с минеральными и химическими модификаторами 229
5.3.1 Прочность раствора с тонкомолотым шлаком и СП С-3 229
-
Влияние расхода цемента на прочность бетона с тонкомолотым шлаком 230
-
Влияние тонкомолотого шлака на прочность бетона, изготавливаемого по различным технологическим схемам 232
-
Влияние режимов тепловлажностной обработки на прочность бетона с минеральными п химическими модификаторами 237
5.6.1 Влияние продолжительности предварительного выдерживания бетона с минеральными и
химическими модификаторами на синтез его прочности 237
-
Влияние продолжитсльиссти прсдваріггсльного выдерживания бетона с тонкомолотым шлаком перед ТВО і іа спінет сто прочности 237
-
Влияние продолжительности прсдвзріггсльного выдерживания бетона с тонкомолотым шлаком и СП С-3 перст ТВО на синтст его прочности 238
5.6.2 Влияние продолжительности изотермического прогрева ТВО на прочность бетона с минеральными
» химическими модификаторами 239
5.6.2.1 Влияние продолжительности изотермического прогрева ТВО на прочность бетона с золой ТЭС
239
-
Влияние гфодолжитсльности изотермического прогрева ТВО на прочность бетона с тонкомолотым шлаком 240
-
Влияние продо.тжнтсльностіі изотермического прогрева ТВО на прочность бетона с тонкомолотим шлаком » СП С-3 24!
5.7 Деформативпые гвойства бетонов с минеральными и химическими модификаторами 244
-
Деформативпые свойства бетона с золоіі ТЭС 244
-
Дсформптнвныс свойства бетонов с тонком олотым шлаком и СП С-3 245
5.7.2.1 Влияние тонкомолотого шлака к СП С-3 на дефор мати иные свойства бетона 246
5.8 Морозостойкость бетона с минеральными и химическими модификаторами 249
-
Морозостой кость бетона с золой ТЭС и cj перпллстнфн кагором СП С-3 249
-
Морозостойкость бетона с тонкомолотым шлаком и СП С-3 250
Выводы по главе 5 252
б ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВЛННП II
ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 255
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 258
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Введение к работе
В планах экономического и социального развития Российской Федерации, предусмотрено ускорить создание и внедрение прогрессивных технологий в строительном производстве, улучшить структуру применяемых строительных материалов, обеспечить значительное снижение их материало- и энергоемкости за счет широкого вовлечения в сферу производства материалов попутной добычи, вторичного сырья и отходов других отраслей промышленности.
Бетон и железобетон, — основные строительные материалы. Главным компонентом, во многом определяющим свойства бетона, является вяжущее, в качестве которого широко применяется портландцемент.
Увеличить объем изготовляемого бетона можно путем уменьшения расхода цемента, что и реализуется на практике за счет применения различных цементосберегагащих технологий. Они предполагают использование химических (суперпластификатор) и минеральных добавок, интенсивных методов приготовления бетонных смесей.
Среди многочисленных отходов и побочных продуктов наибольший интерес представляет использование (доменные гранулированные шлаки, золы ТЭС) обладающих сравнительно высокой гидравлической активностью.
В отвалах ТЭС находится без малого 1,5 миллиарда тонн золошлаков. Кроме того, ежегодно электростанции производят до 30 миллионов тонн отходов, из которых используется лишь 3 миллиона (10 процентов). А в строительстве и промышленности строительных материалов - всего 3-5 процентов. В 2000 году по сравнению с 1995 годом применение золошлаковых отходов в качестве добавки в бетоны в России сократилось в 50 раз.
В прежние годы в стране вопросами утилизации золошлаковых материалов занимались свыше 400 научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций. Было разработано около 300 различных технологий переработки золошлакоотходов по 23 направлениям, соответствующим мировому уровню. Например, технология, разрешающая
7 вводить 100-200 кг активной золы на кубометр бетона, дает возможность экономить до 100 килограммов цемента.
Впрочем, продукты на основе золошлаков могут стать и источником инвестиций па техническое перевооружение ТЭС и покрытия экологических платежей на содержание золоотвалов. На площадях или вблизи ТЭС можно и нужно производить многопередельные сухие продукты на основе золошлаков (бесклинкерные и малоклинкерные вяжущие, шлаковый песок, щебень, сухие строительные смеси и т.д.) с использованием технологий перемешивания, дробления, помола и расфасовки.
В результате доля транспортных расходов по доставке много пер сдельного золошлакового продукта на месте его потребления должна снизиться в 20 - 40 раз по сравнению с долей транспортных затрат в цене ЗШО франко - ТЭС. Рентабельность предлагаемых технологий производства многопередельных продуктов из золошлаков на ТЭС значительно превысит рентабельность производства самой электроэнергии. Многопередельные продукты на основе зол по своей конкурентоспособности позволяют ориентироваться на рынки всей России, стран СНГ и дальнего зарубежья, а не быть привязанными только к потребителю в радиусе максимум 100 километров.
Расфасованные многопередельные продукты на основе золошлаков могут быть подвержены длительному хранению в складских помещениях на ТЭС без снижения своих потребительских свойств.
Перечень сухих золошлакопродуктов высокой потребительской стоимости для производства из отходов на многопередельных модульных заводах, устанавливаемых на площадках или вблизи ТЭС, представлен:
1-й продукт - сухие золоклинкерные вяжущие на основе кислых, ультракислых и высокоосновных зол ТЭС;
2-й продукт - сухие бесклинкерпые вяжущие на основе высокоосновных зол КАТЭКа;
3-й продукт - мелкодисперсный песок на основе рассева золы из фор камер;
4-й продукт - мелко-, средне- и крупнозернистый песок на основе дробленого шлака;
5-й продукт - многофракционный щебень на основе дробленого шлака;
6-й продукт - сухие строительные смеси для растворов различного назначения (кладочные, штукатурные, шпаклевочные, клеевые, гидрофобные, наливные и т.д.) на основе 1 - 4 продуктов;
7-й продукт - сухие бетонные смеси различного назначения на основе 1 -5 продуктов;
8-й продукт - удобрения для сельского хозяйства;
9-й продукт - раскислители кислых почв, особенно Нечерноземья, на основе высоко-кальциевых зол углей КАТЭКа; ЇО-й продукт - под покрытия автомобильных дорог из монолитного бетона подстилающие сухие подсыпки из вы со ко кальциевых зол КАТЭКа, обладающих мощной гидратационной теплоемкостью с t = 80 - 90С, высокоэффективных при строительстве дорог в условиях относительно низких положительных температур;
11-й продукт - на принципах 10-го продукта изготовление одноразовых нагревателей различного назначения для бытовых, производственных и нужд МЧС, использующих мощную гидратационную энергию при затворении водой;
12-й продукт - зольная микросфера многоцелевого использования;
13-й продукт - усредненная по физико-химическим характеристикам за счет смешивания сухая зола для добавки в бетоны, растворы, для производства шлакопортландцемента на цементных заводах.
Объемы производства много пер сдельных продуктов на основе золошлаков ТЭС позволят в 2005 году довести производство цемента в России до 40 миллионов тонн. От замены хотя бы на 10 процентов цемента смешанного малоклинкерного вяжущего на смешанное бесклинкерное вяжущее можно получить ежегодную прибыль до двух миллиардов рублей, ежегодно
9 экономить 500 тысяч тонн жидкого топлива. В Германии добавки зол ТЭС при производстве цемента обеспечивают 35 - 37 процентов клинкерной его части.
Короче, ежегодная прибыль от производства и использования многопередельных золошлакопродуктов в строительстве может составить в 2005 - 2007 годах около 12 миллиардов рублей /1/.
Проблема экономного потребления материальных и энергетических ресурсов в строительной индустрии, а также интенсификации производства бетона и сборного железобетона при сохранении или улучшении их проектных свойств в изделиях и конструкциях на современном этапе может быть связана с использованием минеральных модификаторов индивидуально и в комплексе с химическими добавками.
Анализ проблемы использования минеральных добавок к вяжущим веществам для бетона показывает, что этот класс добавок, являющихся в основном вторичным сырьем (доменные гранулированные шлаки, золы и золошлаковые смеси ТЭС и др.), позволяет получать многокомпонентные системы с определенными эксплуатационными характеристиками, а также способствует созданию безотходных технологий и улучшению экологического состояния окружающей среды. Следует отметить, что многокомпонентные цементы обычно характеризуются пониженной прочностью, а это положение сдерживает использование минеральных модификаторов в производстве бетона и сборного железобетона, т.к. требует удлинения режимов ТВО, повышенных расходов цемента и т.д.
Кроме того, сдерживающим фактором является также отсутствие расчетно-экспериментального метода подбора состава бетона с минерально-химическими модификаторами и нестабильность их свойств. Поэтому разработка оптимального дисперсного состава бетона и методики подбора его состава, в т.ч. с химическими добавками, обеспечивающими массовое применение многокомпонентных цементных систем является актуальной.
10 Цель диссертационной работы:
Целью исследования является, разработка оптимальной технологии использования минеральных модификаторов к вяжущим веществам для бетона с целью повышения качества и снижения себестоимости, а также интенсификации производства бетона и сборного железобетона за счет оптимизации дисперсного состава многокомпонентных цементов при индивидуальном и комплексном использовании минеральных и химических модификаторов (суперпластификаторов) с оптимальными параметрами.
Сократить расходы многокомпонентных цементов в бетоне представляется целесообразным за счет изыскания путей повышения их собственной активности, а также за счет комплексного использования таких видов цементов с химическими добавками. Однако целенаправленных исследований по влиянию химических добавок на свойства многокомпонентных цементов (основная продукция цементной промышленности) и бетонов на их основе практически не проводилось.
В диссертационной работе на основе обобщения научного и практического опыта использования минеральных добавок к вяжущим веществам теоретическими и экспериментальными исследованиями определено новое научное направление, а также разработаны физико-химические и методологические основы и получены базовые зависимости по оптимизации гранулометрического состава многокомпонентных цементов для бетона с целью экономного их потребления в строительной индустрии. Показано, что при использовании минеральных модификаторов в составе многокомпонентных цементов с оптимальной дисперсностью, имеющей функциональную связь с дисперсностью клинкерного компонента и только в оптимальном количестве, зависящем от собственной физико-химической активности добавки и дисперсности клинкерного компонента, прочность таких композиционных систем может находиться на уровне прочности бездобавочного цемента.
Оптимальная дисперсность использования минеральных добавок к вяжущим веществам для бетона должна превышать дисперсность клинкерного компонента в цементе в 1,15... 2,1 раза.
Рассмотрены вопросы с позиций физико-химической механики высококонцентрированных дисперсных систем в агрегируемости и распределения частиц клинкера и добавки в многокомпонентных цементных системах, а также вопросы управления структурообразованием и синтезом свойств многокомпонентных цементных систем и бетонов на их основе, в т. ч. с химическими добавками (суперпластификаторами).
В зависимости от физико-химической активности минеральных добавок, введено понятие пороговой дисперсности клинкерного компонента для многокомпонентных цементов, при котором не происходит снижение их прочности относительно бездобавочных портландцементе в и разработана количественная оценка такой дисперсности клинкерного компонента.
В процессе научно-исследовательских работ выявлены специфические особенности использования минеральных модификаторов к вяжущим веществам для бетона; определено оптимальное содержание суперпластификаторов в многокомпонентных системах с оптимизированным гранулометрическим составом тонкомолотыми доменными гранулированными шлаками; исследованы технологические особенности использования многокомпонентных цементов с тонкомолотыми доменными гранулированными шлаками в бетонах, изготавливаемых из бетонных смесей различной удобоукладываемости и разработана гипотеза о проявлении "эффекта упорядочения структуры", характерного для дисперсных силикатных частиц аморфной и нестабильной кристаллической структуры, при твердении многокомпонентных цементов с тонкомолотым шлаком, позволившая рекомендовать использование шлакопортлапдце ментов (изготавливаемых в настоящее время цементной промышленностью) в умеренно-подвижных и жестких смесях и особенно с химическими добавками с целью получения максимального технико-экономического эффекта в строительной индустрии; разработаны составы высокопрочных бетонов ПЦ700...ПЦ800 с низким содержанием клинкерного компонента (220...330 мкт/м3) па основе комплексного использования тонкомолотых шлаков с суперпластификаторами; исследованы и разработаны оптимальные режимы ТВО тяжелых бетонов на основе многокомпонентных цементов с оптимизированным гранулометрическим составом, в т.ч. с химической добавкой; исследована возможность использования закономерностей оптимизации гранулометрического состава многокомпонентных микрогетсрогенных систем для грубодисперсных (на примере с золами и золошлаковыми смесями ТЭС) с целью повышения физико-механических свойств и экономного потребления цемента при их производстве; исследована и разработана рациональная технология приготовления бетонной смеси, в т.ч. с химической добавкой, заключающаяся в изменении схемы введения компонентов в бетоносмеситель и режима их перемешивания, позволяющая получить экономию цемента в бетоне в количестве 5.... 10%.
Внедрение рекомендаций по результатам исследований в зависимости от использовании разработанных технологических приемов позволяет экономить от 10 до 70 % цемента.
Установлена возможность редуцирования водосодержания бетонной смеси на 5 — 7 % при комплексном использовании минерально - химических модификаторов относительно составов бетона только с химическими модификаторами. Разработана базовая таблица для определения водосодержания и методика для проектирования состава тяжелого бетона с минерально — химическими модификаторами.
Кроме того, разработка математической модели технологии производства бетонной смеси с минеральными и химическими модификаторами.
Фактический экономический эффект от реализации научных положений, разработанных в диссертации, составляет около 700 - 800 млн. руб., а ожидаемый - более 2 млр. руб. в год.
13 Научная новизна диссертационной работе, заключается в следующем: разработаны физико-химические и методологические положения, а таюке получены базовые зависимости по оптимизации дисперсного состава бетона, обеспечивающие повышение эффективности использования минеральных модификаторов в цементных системах с целью повышения их качества и снижения себестоимости за счет эквивалентной замены цемента в количестве 20...80%; разработаны принципы и способы управления структурно-реологическими и строительно-техническими свойствами многокомпонентных цементных систем с оптимизированным дисперсным составом, в т.ч. с химическими модификаторами; установлены закономерности, определяющие оптимальные параметры использования тонкодисперсного доменного гранулированного шлака в бетоне в зависимости от технологии производства изделий и конструкций; разработаны расчетно-экспериментальная методика подбора состава тяжелого бетона с минерально-химическими модификаторами.
Практическое значение работы;
Внедрение рекомендаций по результатам исследований в зависимости от использования разработанных технологических приемов позволяет экономить от 10 до 70% цемента, в большинстве случаев сокращает водопотребность бетонной смеси на 5-7%, с одновременным сокращением продолжительности и температуры изотермического прогрева ТВО бетона при сохранении или улучшении его проектных свойств в изделиях и конструкциях.
Установлена возможность редуцирования водосодержания бетонной смеси на 5-7% при комплексном использовании минерально-химических модификаторов относительно составов бетона только с химическими модификаторами. Из опытных данных и данных из рекомендаций разработана базовая таблица для определения водосодержания и методика для проектирования состава тяжелого бетона с минерально-химическими модификаторами.
14 Апробация работы:
Результаты исследований доложены на научно-технической конференции студентов и аспирантов «МИКХиС - 2000» (г. Москва, 2000 г.); на «Юбилейной научно-технической конференции» (г. Москва, 30 мая 2001 г.) и на конференции творческой молодежи «Новые идеи развития бетона и железобетонных конструкций» (г, Москва, 2002 г.).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Объем и структура работы:
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников (194 наименований), содержит страниц машинописного текста, 81 рисунка, 52 таблицы. Работа выполнялась в 1999 — 2003 гг.
Автор выражает искреннюю признательность д.т.н. проф. Кальгииу Л.Л. за научное руководство и постоянное внимание к выполняемой работе, а так же: д.т.н. проф. Величко Е.Г., к.тл. доц. Баєву В.В., д.т.н. проф. Степановой В.Ф., а также за внимание и полезные советы зав. каф., д.т.н. проф. Комару А.Г.
