Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современный бетон - многокомпонентная система, модифицированная высокофункциональными добавками 13
1.1. Использования добавок для получения долговечных цементных композиций - ключ к решению технологических задач строительного материаловедения 13
1.2. Комплексные добавки, придающие бетону специальные свойства 20
1.3. Модифицированные бетона на основе отходов производства -современные направления развития и использования 34
1.4. Определение эффективности модифицирующих комплксных добавок для бетонных композиций, методология оценки 46
1.5. Выводы 50
Глава 2. Материалы и методы исследования 52
2.1. Применяемые материалы и их свойства 52
2.2. Выбор объекта для проведения исследований 62
2.3. Способы изготовления и испытания образцов бетона, модифицированных комплексными добавками 68
2.4. Определение пластифицирующих и гидрофобизирующих свойств добавок 74
2.5. Статистическая обработка результатов испытаний 76
2.6. Математические методы планирования эксперимента 78
2.7. Выводы 82
Глава 3. Теоретические предпосылки формирования структуры бетона, модифицированного добавкой органической фракции нефтеотходов 84
3.1 Механизм действия поверхностно активных добавок в бетоне 84
3.2 Процессы структурообразования цементного камня, модифицированного добавкой ОФН 93
3.3. Выводы 96
Глава 4. Исследование комплексного действия добавки ОФН, оптимизация состава модифицированного бетона 98
4.1. Механизм гидрофобно-пластифицирующего действия добавки ОФН 98
4.2. Математическое моделирование состава модифицированного бетона 107
Глава 5. Технико-экономическое обоснование использования продуктов нефтехимического синтеза в качестве комплексной добавки бетонов и практическая реализация результатов работы 117
5.1. Технико-экономическое обоснование использования продуктов нефтехимического синтеза в качестве комплексной добавки бетонов 117
5.2. Практическая реализация результатов работы 122
Основные выводы 125
Список используемой литературы 127
- Использования добавок для получения долговечных цементных композиций - ключ к решению технологических задач строительного материаловедения
- Применяемые материалы и их свойства
- Механизм действия поверхностно активных добавок в бетоне
- Практическая реализация результатов работы
Введение к работе
Актуальность работы. Один из путей увеличения долговечности строительных конструкций – повышение эксплуатационных свойств цементных бетонов. Данная задача может быть решена за счет разработки и оптимизации цементных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами. Поэтому наибольший интерес, с позиций увеличения долговечности конструкционных материалов, представляют эффективные бетоны нового поколения, модифицированные добавками, использование которых позволит получать материалы различного назначения с заданным комплексом свойств.
Применение техногенных отходов в производстве строительных материалов и изделий значительно расширяет сырьевую базу строительной отрасли, и существенно повышает эффективность капиталовложений. Развитие строительной индустрии предусматривает значительное расширение производства бетонных смесей с использованием новых эффективных добавок на основе техногенных отходов, в частности нефтехимического производства. Ввод органических добавок техногенной природы, даже в незначительном количестве, изменяет свойства готовых строительных материалов. В зависимости от процентного содержания добавки и целей модификации, возможно существенно изменять те или иные эксплуатационные характеристики полимерцементных композиций.
При строительстве различных сооружений и гидротехнических объектов одной из главных задач является обеспечение долговечной и надежной гидроизоляции. Как правило, для строительства такого рода зданий используется водонепроницаемый бетон. В процессе эксплуатации различные виды обмазочной или оклеечной гидроизоляции легко повреждаются, нарушается их герметичность. Срок службы таких материалов существенно отличается от срока службы конструкций из бетона. Для этих целей в основном используются дорогостоящие импортные материалы, но сегодня больших финансовых затрат можно избежать. Именно поэтому актуальным становится производство бетона с водоотталкивающими и коррозионностойкими свойствами. Такой бетон сам способен сопротивляться проникновению агрессивной среды и воды, в том числе и под большим давлением, что достигается введением многофункциональных комплексных добавок на основе химических веществ.
Диссертационная работа посвящена разработке составов эффективных бетонов, повышенного качества, путем его модификации многофункциональной комплексной добавкой органической фракции нефтеотходов (ОФН), придающей бетону специальные свойства. Эффективность воздействия добавки ОФН на бетонную смесь или бетон оценивали по величине максимального технического эффекта, достигаемого введением данной добавки в различном процентном соотношении. Разработанные новые модифицированные составы бетонных композиций с использованием органических отходов нефтепереработки, сочетают в себе водостойкие, химически стойкие свойства, повышенные физико-механические характеристики, увеличивая их долговечность, по сравнению с традиционными составами бетонов. Но констатирование факта повышения эксплуатационных характеристик бетона за счет его модификации не в полной мере решает поставленные задачи. Закономерности изменения эксплуатационных характеристик бетона при введении комплексной органической добавки ОФН связаны с особенностями процессов структурообразования модифицированных бетонных композиций. Для создания оптимальных составов композиций необходимо проведение исследований физико-химических процессов, происходящих в соответствующих модифицированных системах и зонах контакта компонентов при гидратации вяжущих веществ, с целью управления этими процессами, определения влияния количества добавки ОФН на микро- и макроструктуру, а также изменения физико-механических характеристик. Для придания бетону специальных свойств, оценивали многофункциональность комплексного модификатора ОФН, обеспечивающего стабильность и устойчивость состава и структуры разработанного бетона, при совокупном воздействии различных факторов, в том числе и агрессивных.
Степень разработанности проблемы.
Вопросам разработки составов и расширением областей использования высокоэффективных строительных композитов как многокомпонентных, многоуровневых систем, отличающихся функциональной и структурной организацией, с заданными технологическими свойствами, посвящены исследования, проводимые многими учеными в различных странах. Данная тематика достаточно широко нашла отражение в работах Соломатова В.И., Ратинова В.П., Ерофеева В.Т., Баженова Ю.М., Акчурина Т.К., Корнеева А.Д., Иващенко Ю.Г., Калашникова В.И., Чернышова Е.М., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Рахимова Р.З., Латыпова В.М., Федосова С.В., Рахимбаева Ш.М., Гаркави М.С., Пичугина А.П., Пухаренко Ю.В., Орешкина Д.В., Белова В.В., Грызлова В.С., Акулова М.В., Ярцева В.П. и др.
Появление высокотехнологичных бетонов нового поколения подразумевает использование для их изготовления вяжущих низкой водопотребности, дисперсно-наполненных и тонкомолотых, быстротвердеющих и особобыстротвердеющих вяжущих, суперпластификаторов, воздухововлекающих и поризующих добавок, армирующих волокон, высокодисперсных порошков. Более высокий уровень характеристик и возможностей бетонов нового поколения является следствием модифицирования их структуры, в сравнении с видами бетонов прежних поколений. Среди факторов, влияющих на эффективность модификации, выделим действие химических добавок в соответствии с их назначением, совместимость их с компонентами бетонной системы (вяжущее, заполнители, наполнители) и другими добавками для достижения максимального технического эффекта. Номенклатура рекомендуемых химических добавок в основном импортного производства насчитывает несколько сотен наименований. Следует выделить особое место среди них высокоэффективным комплексным добавкам, проявляющим одновременно пластифицирующий, воздухововлекающий, гидрофобизирующий эффекты. Не являясь дефицитными, импортные высокоэффективные комплексные добавки достаточно дороги в масштабах массового производства бетона, остающегося на сегодняшний день основным строительным материалом, требующим постоянного улучшения технологических и эксплуатационных свойств. Идея использования в качестве многофункциональной комплексной добавки продуктов и отходов нефтехимического синтеза, для придания материалам и изделиям специальных свойств, не нова, но остается актуальной в связи с тем, что максимальный технический эффект от ввода добавки проявляется в каждом конкретном случае индивидуально, за счет ее сложного многокомпонентного состава.
Возможность использования в качестве многофункциональной комплексной добавки органической фракции нефтеотходов (ОФН) при производстве эффективного бетона нового поколения, позволяет не только снизить стоимость бетонной композиции, но и улучшить физико-химические и технологические свойства бетона, за счет придания изделиям специальных свойств.
Все вышесказанное подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Цель работы заключается в разработке составов бетонов повышенного качества, модифицированных техногенными отходами органической фракции нефтепереработки, являющейся многофункциональной комплексной добавкой, придающей бетону специальные свойства.
Задачи исследований:
– дать оценку продуктам нефтепереработки в виде органической фракции нефтеотходов (ОФН) как возможного модификатора эффективных бетонов комплексного действия;
– установить закономерности изменения физико-механических свойств бетонов, модифицированных комплексной добавкой ОФН, и степень влияния модификации ОФН на реологические и структурно-механические характеристики бетона;
– выявить особенности структурообразования модифицированного бетона и механизма комплексного гидрофобизирующего и пластифицирующего действия органической фракции нефтеотходов в составах бетонных композиций;
– определить оптимальное содержание ОФН в бетонной композиции путем получения адекватной математической модели для прогнозирования эксплуатационных характеристик эффективного бетона;
– оценить многофункциональность комплексной модифицирующей добавки ОФН и ее влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства предлагаемых бетонов;
– дать технико-экономическую оценку эффективности использования многофункциональной комплексной добавки ОФН в составах бетонов, опытно-промышленной апробации результатов исследований.
Научная новизна:
– теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения эффективных бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками путем модифицирования бетонных композиций органической фракцией нефтеотходов, обладающей гидрофобно-пластифицирующим действием;
– выявлены особенности формирования структуры бетона, модифицированного комплексной добавкой ОФН, основанные на процессах адгезии и смачивания однородных поверхностей, а также особенности механизма действия добавки ОФН, изменяющей растворимость цементного вяжущего, но не вступающего с ней в химическое взаимодействие;
– установлено, что сочетание гидрофобизирующего и пластифицирующего действия ОФН в составах бетонных композиций способствует увеличению долговечности бетона, за счет уменьшения водопоглощения, водопроницаемости бетона, повышения его морозостойкости, что обусловлено гомогенизацией бетонной системы и изменением структуры цементного камня;
– результаты экспериментальных исследований и построенная регрессионная модель подтверждает зависимость эксплуатационных характеристик эффективных бетонов от количества вводимой комплексной добавки ОФН;
– расширены представления о способах повышения качества бетонных композиций путем их модификации многофункциональными комплексными добавками, являющимися продуктами нефтехимического синтеза техногенной природы.
Практическая значимость работы. Выявлена и предложена новая многофункциональная комплексная добавка на основе продуктов и материалов нефтепереработки. Обоснована возможность эффективного использования органической фракции нефтеотходов (ОФН) в качестве гидрофобно-пластифицирующей добавки в бетоны. Разработаны оптимальные составы эффективного бетона, модифицированного гидрофобно-пластифицирующей добавкой органической фракции нефтеотходов, обладающие улучшенными эксплуатационными и технологическими показателями: водопоглощением, морозостойкостью и стойкостью к агрессивным средам, что способствует увеличению долговечности бетона. Гомогенизация бетонной системы за счет ее модификации сложной многокомпонентной системой ОФН и управление процессами структурообразования цементного камня на макро - и микроуровнях позволило оптимизировать свойства эффективного бетона, его однородность, удобоукладываемость, повысить прочность, при снижении расхода цемента. Использование продуктов и материалов нефтепереработки предприятий г. Волгограда позволило расширить номенклатуру высокоэффективных комплексных добавок, сырьевую базу строительных материалов, снизить себестоимость изделий, внести определенный вклад в решение экологической проблемы утилизации отходов.
Объект исследований. Эффективные бетоны нового поколения, модифицированные многофункциональной комплексной добавкой на основе продуктов и материалов нефтепереработки.
Предмет исследований. Процессы структурообразования бетонной системы, модифицированной комплексной гидрофобно-пластифицирующей добавкой органической фракцией нефтеотходов и оценка влияние модификатора на физико-механические характеристики бетонной композиции.
Положения, выносимые на защиту:
– принципы повышения эффективности бетона за счет его модификации химическими комплексными добавками в соответствии с их назначением для достижения максимального технического эффекта;
– теоретические представления о механизме поведения модифицирующей добавки на основе органической фракции нефтеотходов и проявления ею комплексных гидрофобно-пластифицирующих свойств;
– результаты экспериментальных исследований влияния модифицирующей добавки ОФН на структурно- технологические и эксплуатационные свойства бетонной системы;
– новые составы и эксплуатационные характеристики эффективных бетонов, модифицированных многофункциональной комплексной добавкой органической фракции нефтеотходов, и их опытно-промышленная апробация.
Достоверность исследований и выводов по диссертационной работе обеспечена обоснованным методическим комплексом, который предусматривает использование стандартных средств измерений и методов исследований; современные математические методы обработки экспериментальных данных в среде MathCAD обеспечивают не противоречие и совпадение опытных испытаний и их положительных практических результатов с результатами расчетов и выводов известных положений.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития Волгоградской области» (Волгоград, 2009 г.); Международной конференции посвященной 80-летию строительного образования и 40-летию архитектурного образования Волгоградской обл. (Волгоград, 2010 г.); VI-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2011 г.); IV-й Всероссийской научно-технической конференции с междунар. участием «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование» (Михайловка, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (Волгоград, 2011 г.); III-IV-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012г., 2013 г.); 1-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе» (Саратов, 2013 г.).
Личный вклад автора. Вклад автора состоит в обоснованном выборе направления исследования; расширении ассортимента добавок многофункционального действия на основе материалов и продуктов нефтехимической отрасли из разряда местных; разработке составов эффективных бетонов с улучшенными характеристиками путем их модификации добавкой органической фракции нефтеотходов; в анализе и обобщении полученных результатов исследований, изложенных в диссертационной работе; внедрении результатов диссертационной работы в виде выпуска опытно-промышленной партии материала.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, в т. ч. 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и изложена на 139 страницах машинописного текста, включает 14 таблиц и 22 рисунка, списка использованных источников из 141 наименования.
Использования добавок для получения долговечных цементных композиций - ключ к решению технологических задач строительного материаловедения
Разработка составов высококачественных бетонов базируется на научном подходе к вопросу использования совокупности композиционных вяжущих, специальных полифункциональных химических модификаторов, активных минеральных добавок и заполнителей, регламентированного химико-минералогического и гранулометрического состава, а так же технологических приемов, обеспечивающих формирование бездефектной структуры на микроуровне (фазовый состав и структура продуктов гидратации, прочность и плотность контактной зоны), на макроуровне (дифференциальная и интегральная пористость, дефекты структуры, обусловленные влажностными деформациями), исходя из показателей физико-механических свойств и долговечности применительно к конкретным условиям изготовления и эксплуатации изделий и конструкций.
Современный бетон - очень сложный композиционный материал с высокой функциональностью каждого из компонентов бетонной смеси и самого бетона. Эффекты функциональности хорошо совместимых компонентов проявляются на стадиях приготовления, транспортирования, укладки, твердения и службы. Они доказаны с позиций фундаментальных наук, в том числе коллоидной и физической химии, химии высокомолекулярных соединений и др.
В значительной степени трансформируется и функциональность всех компонентов. Цемент включает в свой состав до 60 % и более минеральной составляющей помимо клинкера. В широких пределах регулируются скорость нарастания прочности, тепловыделение, структура, линейные и объемные изменения, возможности сопротивления внутренним и внешним негативным воздействиям. Снижается содержание и роль крупного заполнителя в качестве каркаса бетона. Уменьшается адекватно значимость контактной зоны. Приближается к минимально возможному гидратационному показателю В/Ц 0,2 - 0,22. Реологическая функция воды во многом исчерпывается. Прочность бетона на сжатие в 200 - 250 МПа оказывается вполне достижимой. Возросшая функциональность компонентов и бетонной смеси открывает новые возможности в строительных технологиях [1, 8, 10, 20, 24, 32, 35, 72].
Революционный характер развития бетоноведения связан с концепцией высокофункциональных бетонов (ВФБ) - [high performance concrete (НРС)] [2, 3, 15, 31, 34, 38, 87]. Один из создателей концепции высокофункциональных бетонов (П.К. Айчин) констатирует ее отличие от концепции высокопрочных бетонов (ВПБ) - [high strength concrete (HSC)]. Развитие ВФБ видится П.К. Айчину и его последователям [3] в достижении максимально возможных показателей технологичности, прочности, плотности и долговечности.
Достигается это за счет высокой функциональности компонентов, бетонной смеси и самого бетона. В этом понятии удачно «пересекаются» основные направления бетоноведения, связанные с технологичностью, прочностью и долговечностью, а значит и эффективностью бетона.
Согласно [2, 3, 34, 38, 87], ВФБ - это инженерный (технический) материал, в котором одно или более его специфических свойств улучшены путем обоснованного отбора компонентов, проектирования состава и ухода за твердеющим бетоном. Другое, относительно новое определение: ВФБ - это материал, соответствующий не обычным стандартам, а самым высоким из установленных стандартов, которые не ограничиваются, к примеру, только высокой прочностью, так как не все высокопрочные бетоны являются высокофункциональными. К ВФБ сегодня относят многие известные разработки научных школ, например, НИИЖБ под руководством В. Батракова и С. Каприелова [4, 11-20, 26]. В них, независимо от зарубежных работ, использованы функциональные свойства компонентов, бетонных смесей и бетонов. К этому же периоду относятся концепции чрезвычайно высоких возможностей бетона и железобетона в технологиях: реакционно-порошкового бетона (РПБ) -[reactive powder concrete (RPC)]; бездефектного бетона (БДБ) - [macrodefect free concrete (MDC)].
Их объединяют в категорию ультравысокофункциональных бетонов (UHPC) с высокими свойствами - прочность на сжатие 200 МПа и на изгиб 50 МПа. Определение «высокофункциональный бетон» собирательно объединяет все перечисленные выше. В технологиях различных «элегантных» железобетонных конструкций во Франции, США и других странах.
Наибольшее и всеобщее распространение среди БНП получили самоуплотняющиеся бетоны (СУБ) - [self-compacting concrete (SCC)]. Именно в СУБ воплотились признаки самой высокой функциональности. Решена рационально главная технологическая задача - минимизации материальных, энергетических и трудовых ресурсов при достижении заданных свойств бетона.
Один из видных европейских исследователей бетона Дж. Вальравен [5-10], прогнозирует концепцию бетона с заданной функцией (БЗФ) - [defined performance concrete (DPC)] - бетона с определенными функциями.
Добавки являются высокофункциональным компонентом современных бетонов. Химические реакции гидратации цемента и коррозии бетона, коллоидно-химические поверхностные явления на границах раздела фаз дисперсных систем: адсорбция, смачивание, седиментация, контракция, адгезия, тепло- и массоперенос - типичные самопроизвольные процессы [6-8, 63, 102].
Самопроизвольными (spontaneous), в соответствии с законами термодинамики, называют процессы, которые протекают без подвода энергии извне за счет уменьшения избыточной энергии сильноразвитой поверхности. Приложение внешних воздействий, в том числе химических, меняет их скорость и полноту. Согласование скоростей самопроизвольных и планируемых (индуцированных) процессов с помощью регулирующих воздействий, в т. ч. добавок - фундаментальная задача материаловедения, вообще, и бетоноведения, в частности.
Влияние добавок на протекание самопроизвольных реакций и процессов предопределяет эффективность рецептурно-технологических решений. Водоредуцирование, пластификация, связность, воздухововлечение, ускорение и замедление схватывания и твердения - неполный перечень эффектов влияния добавок.
В нормативных документах, в том числе в интегрированных европейских нормах (EN 206, EN 934 и др.), принято классифицировать добавки по признакам назначения и технологическим эффектам. Деление добавок на химические, минеральные и комплексные несколько условно. Номенклатура последних системно возрастает.
В отечественных стандартах технологические эффекты от введения добавок делятся на основные и дополнительные. Общепринятым является понятие «полифункциональная» добавка, заменяющая, термин «комплексная». Пластифицирующие добавки, помимо основных водоредуцирующих и реологических функций, вследствие адсорбционных электростатических или стерических механизмов действия проявляют функции регуляторов схватывания, твердения и даже микроструктуры цементного камня.
Пластификаторы повышают функциональность дисперсных минеральных компонентов, особенно в БНП. В работах М. Шмидт [1,3, 7-10] приводится информация о характере микропористой структуры в некоторых разновидностях БНП. Четко зафиксировано резкое снижение, вплоть до исчезновения, капиллярной пористости, ответственной за плотность, проницаемость, стойкость, а значит и долговечность бетона. Все это -результат высокой функциональности добавок в бетон.
Объединение добавок в комплексы с учетом их функциональности [8, 124, 108] должно производиться с учетом следующих принципов:
- аддитивного - не превышающего при образовании смесей суммарного вклада каждого реагента, взятого в той же концентрации, что и в смеси, сохраняя при этом характер индивидуального влияния;
- синергетического - намного превышающего суммарный или аналогичный вклад каждого реагента, что и в смеси;
- суперпозиционного - одного из возможных, при котором происходит наложение влияния реагентов;
- антагонистического - достигаемого при использовании смесей, уменьшающих существенно вклад каждого реагента или вызывающего негативные явления.
Применяемые материалы и их свойства
Эффективные бетоны нового поколения - это модифицированные добавками различной природы бетоны. Получение высококачественных бетонов базируется на научно обоснованном использовании совокупности композиционных вяжущих, специальных полифункциональных химических модификаторов, активных минеральных добавок и заполнителей регламентированного химико-минералогического и гранулометрического состава. Технологические приемы изготовления обеспечивают формирование бездефектной структуры на всех уровнях - от фазового состава и структуры продуктов гидратации, прочности и плотности контактной зоны, до дефектов структуры, обусловленных влажностными деформациями, с учетом показателей физико-механических свойств и долговечности изделий и конструкций в конкретных условиях изготовления и эксплуатации.
При разработке составов модифицированного бетона использовался цемент производства ОАО «Себряковцемент» марки ПЦ 500 ДО, ПЦ 500 Д20 ввиду доступности приобретения и удовлетворительных физико-механических свойств и химико-минералогического состава.
Характер конструкции и рекомендации нормативных документов являются определяющими при выборе разновидности цемента . выбрав вид вяжущего обосновывали его марку,при этом исходили из минимального расхода вяжущего как наиболее дорогостоящего компонента бетона и из требуемой прочности бетона в конструкциях. Причем учитывали тот факт, что избыток связующего влияет на величину усадочных деформаций увеличивая ее, и как следствие снижает трещиностойкость бетона.
Исходили из соотношения: марка по прочности цемента не превышала на 10 ... 40 % марку бетона, а при низких марках бетона (100 ... 300) превышение марки цемента составляет 100 ... 200 %. Приведенные соотношения можно считать ориентировочными, так как условия определения марок цемента и бетона по стандартным методам анализа различны, например, при подготовке соответствующих бетонных и цементных смесей и при неодинаковых структурах испытываемых материалов. Исходя из этого, зачастую, фактическая прочность бетона получается на одну - две марки выше марки используемого цемента. Для исключения случайности, при выборе цемента и в расчетах, исходили не из марки цемента, а брали в расчет реальную активность при оптимальной структуре, т. е. при испытании образцов, изготовленных при технологических параметрах и режимах, характерных для принятого или предполагаемого производства бетона и изготовления бетонных изделий, исходили из прочности цементного камня оптимальной структуры. При разработке проектного состава модифицированного бетона общепринятым методом , можно с большой долей точности обосновать и принять выбор расчетной активности цемента с учетом реальной технологии, реальных заполнителей и возможных добавок.
Максимальное насыщение бетона прочным армирующим элементом, который образует сплошной жесткий каркас , при этом и благгодаря этому прочность бетона может увеличится на 15 - 20 %, что способствует получению бетона высокой плотности и прочности. В диссертационном исследовании использовались в качестве заполнителей природный песок с крупностью зерен до 0,63 мм, получаемый при разработке песчаного месторождения без использования специального обогатительного оборудования ООО «Волгоградский карьерный союз» (рО-1454 кг/мЗ) и щебень гранитный 3-10 мм ОАО «Карьероуправление Венцы-Заря» Краснодарского края (рО - 1460 кг/мЗ).Снижение значения В/Ц до возможно малых значений приводит к увеличению прочности и плотности цементного камня, эти значения В/Ц находятся в пределах 0,3 - 0,4, при этом необходимо верхняя граниза расхода цемента предела цемента должна составлять 9600 650 кг/мЗ, что дает возможность получения бетонных композитов с высокой плотностью микро- и макроструктуры [99, 120].
Особенности технологи бетона предусматривает получения бетонов с прочностными характеристиками, равными марке использованного цемента, а в некоторых случаях и превышающей эту марку. Это эффект может быть достигнут не только при испольозовании материалов, которые полность соответствуют самым высоким предъявляемым к ним требованиям, но и созданием оптимальной наиболее плотной структуры бетона. При этом с максимальным эффектом целесообразно в полной мере реализовать свойства всех ингредиентов в жестких и умеренно жестких бетонны композициях.
Использование кварцевого песка фракционированного состава (не менее 3-х фракций), предварительно обогащенного, межзерновая пустотность должна быть минимальной в пределах 37 - 38 %, постоянно стремиться кее снижению насколько максимально это возможно. За счет оптимального зернового состава кварцевого пека и щебня и минимизации К до 1,2, возможно снижение связующей составляющей в бетоне, поэтому растет насыщение бетонной композиции крупным заполнителем (до 0,85 - 0,9 %); наряду с этим одновременно снижается содержание кварцевого песка в смеси заполнителей, используя предварительно обогащенный кварцевый песок крупной фракции; использовать только клинкерные цементы с более высокими марками с нормальной густотой цементного теста не более 25 25,5 %; применять пластифицирующие и гидрофобизирующие поверхностно-активные добавки, в тех случаях, когда это допустимо.
К гидрофобизирующим добавкам относятся все кремнийорганические жидкости: ГКЖ-9, ГКЖ-10, ГФ 113-63, ГФ 136-41, АМСР, этилсиликаты, мылонафт, олеиновая кислота и ее соли и др. В. В. Ратинов и Т. И. Розенберг [32], как на одну из особенностей рассматриваемых добавок указывают на гидрофобизацию ими воздушных полостей в бетоне. При оптимальном воздухововлечении (до 3 - 4%), и появлении достаточно большого количества воздушных пузырьков, проницаемость бетона снижается, а морозостойкость возрастает, что можно объяснить образованием системы условно замкнутых воздушных полостей, а сопутствующий воздухововлечению пластифицирующий эффект проявляется сильнее в бетонных смесях, чем в цементном тесте. Использование добавок гидрофобизирующего действия способствует повышению значений физико-химических и механических свойств бетонных композиций и существенно повышает его долговечность. Последнее является результатом затруднения обмена между составляющими бетона и агрессивными для него веществами, находящимися в окружающей среде. При тепловлажностной обработке (пропаривании) бетон с добавками гидрофобизирующих поверхностно-активных веществ (например, мылонафта и абиетата натрия) приобретает более высокую прочность, чем бетон с теми же подвижностью и расходом цемента без добавок.
Ряд гидрофобизующих добавок обладает способностью к пенообразованию, поэтому они относятся также и к группе воздухововлекающих или пластифицирующе-воздухововлекающих добавок. Например, мылонафт и олеат натрия, омыленная канифоль существенно понижают поверхностное натяжение на границе водный раствор-воздух, поэтому при введении их в бетонные смеси, оказывают на них пластифицирующее действие. Это позволяет снизить В/Ц при сохранении удобоукладываемости, равной удобоукладываемости бетонной смеси на обычном цементе, в пределах от 5-8% (в жирных смесях) до 15-20% (в тощих смесях). Вследствие этого повышается прочность бетона или представляется возможным значительно уменьшить расход цемента. Пластифицирующий эффект несколько изменяется в зависимости от состава и содержания минералов цемента, а именно: он несколько выше у малоалюминатного и, наоборот, ниже у высокоалюминатного цемента.
Механизм пластифицирующего действия модификаторов в бетонных композициях при их совместном использовании с гидрофобными добавками, склонными к пенообразованию, является следствием устойчивого вовлечения в бетонную смесь самых мелких пузырьков воздух в большом количестве, делающих ее более подвижной и легкой, кроме того молекулы этих добавок обладают адсорбционно-смазочным эффектом.
Содержащиеся в молекулах полярные группы - карбоксильная группа мыла или соответствующие ей кислоты - химически связываются с поверхностью частиц цемента, образуя на этой поверхности нерастворимое кальциевое мыло. Углеводные остатки молекулы мыла направлены при этом в окружающую среду, покрывая поверхность частицы своеобразной щетинкой или ворсом, препятствующим смачиванию ее водой.
Добавки этой группы имеют высокую подвижность смеси за счет мельчайших пузырьков вовлеченного воздуха.
Активные функциональные группы, входящие в состав кремнийорганических жидкостей, ползволяют проявить в модифицированном бетоне улучший комплекс свойств, главные из которых, их стойкость, особенно в экстремальных климатических условиях Севера.
Механизм действия поверхностно активных добавок в бетоне
Добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) к цементным композициям выбираются преимущественно эмпирически методом проб и ошибок, при использовании некоторых теоретических представлений. Ряд фундаментальных научных исследований в области поверхностно-активных веществ [1-10, 21, 22, 66, 70, 73, 90, 103] используют для прогнозирования влияния новой добавки на свойства бетона, но соответствующих теоретических данных и специальных исследований не хватает. Что объясняется тем, что технические ПАВ по своему химическому составу в огромном количестве случаев не являются индивидуальноособенными и в своем химическом составе содержатдо нескольких десятков ингредиентов, а групповой их химический состав очень трудно поддается определению или совсем не представляется возможным его определить. Но несмотря на это, рассматривая поведение ПАВ в бетоне с точки зрения адсорбционных процессов и механизма их воздействия с поверхностью частиц цемента и армирующих элементов, поведение ПАВ являет собой достаточно сложную гетерогенную систему. Наряду с этим необходимо учитывать, что бетоны и растворы бывают различных видов и при их изготовлении используются цементы различных марок и заполнители самой разной природы. Все вышеперечисленное сильно влияет на выбор новых добавок ПАВ, с точки зрения существующих на сегодняшний день теоретических подходов в этом вопросе применительно к строительству.
Номенклатура технических поверхностно-активных веществ насчитывает несколько тысяч, а также препаратов, содержащих ПАВ в различных соотношениях и в композициях с маслами, смолами, органическими растворителями, солями-электролитами и другими компонентами. На современном этапе развитии существующих методологий и процессов химического синтеза и в связи с нарастающими темпами усовершенствования существующих технологий химической и нефтехимической промышленности в России теоретически предела к расширению ассортимента технических ПАВ не существует. Синтез ПАВ можно считать источником бесчисленного многообразия композиций.
Новые ПАВ могут быть использованы в качестве добавок к цементам и бетонам после проверки влияния этих веществ на общие и специальные свойства бетонов.
В литературных источниках дана классификация добавок, описаны методы контроля их качества [59]. Каждый вид и состав новых химических добавок, особенно если добавка многокомпонентна, необходимо всесторонне исследовать ее состав и структуру, специальные свойства модифицированных этими добавками бетонных композиций и растворов , так как литературные сведения достаточно скудны по теоретическим разработкам и основным закономерностям и механизмам действия этих добавок в составах бетонов , а также их влияния на физико-механические показатели бетонных композиций.
Общеизвестные модифицирующие добавки по агрегатному состоянию представляют собой жидкости, и их используют при помоле цемента непосредственно, вводя в мельницу или добавляя некоторые из них в бетонные и растворные смеси.
Влияние определенной добавки ПАВ на свойства бетонов и растворов практически не зависит от момента ввода ее либо в цемент, при его приготовлении, или при приготовлении непосредственно бетона с водой затворения, что установлено научными исследованиями и производственным опытом (при прочих равных условиях). Влияние действия добавки органической фракции нефтеотходов (ОФН), вводимой с водой затворения, на цементные системы изучалось на растворах, а затем уже на бетонах в промышленных условиях. Такой путь экспериментирования целесообразен, так как добавка ОФН важна для строительных растворов сама по себе, но и по причине изменения ряда свойств растворной составляющей под влиянием ПАВ, которые аналогичным образом сказываются и на самом бетоне.
Результаты испытаний модифицированных образцов показали (рис.3.1-3.4), что прочность при сжатии и прочность при изгибе образцов увеличивается в среднем на 30-35 % при введении модифицирующей добавки ОФН от 0,1 до 0,5% от массы цементного вяжущего.
Плотность модифицированного бетона возросла на 10 %, водопоглощение уменьшилось в 2 раза. Закономерности изменения физико механических свойств образцов бетона модифицированного ОФН связаны с особенностями процессов структурообразования в модифицированных цементных композициях. Добавка ОФН - многокомпонентная дисперсная система. Содержащиеся в ней смолисто-асфальтеновые соединения (4,34 %) способствует снижению области молекулярного состояния, обусловливая различную концентрацию надмолекулярных структур в системе ОФН.
Структура цементного камня становится более плотной и однородной.
Новообразования в цементном камне способствуют повышению прочностных характеристик бетона.
Структура образцов модифицированного ОФН бетона исследовалась методами оптической микроскопии.
Внутренняя структура бездобавочных образцов (рис. 3.5 - 3.6) гетерофазная, типичная для дисперсно-упрочненного композита, неоднородная, наблюдаются включения заполнителей изометричной формы. Развито макропоровое пространство композиции. Макропоры замкнутые, имеют правильные окружные формы с ровными краями. Формированию плотной и однородной структуры модифицированного бетона (рис.3.7-3.8) способствует уменьшение количества и размеров макропор (радиус пор менее 10 мкм, рис.3.7), а также их более равномерном распределении в массе цементного камня. Количество макропор в цементных системах с добавкой ОФН в 4,5 раза меньше, чем в бездобавочных образцах.
На рис.3.5-3.6 представлен контрольный образец композиции без добавки.
Практическая реализация результатов работы
При практической апробации добавки ОФН она должна обеспечить изготавливаемым бетонным композициям полвышенные технические и технологические показатели качества, которые соответствут требованиям заказчика, нормам проектной и документации на заявленные виды изделий и конструкций.
В условиях лаборатории предприятия ООО «УК ГенСтрой» проводились испытания модифицировпанных составов бетона, которые были изготовлены на исходных материалах предприятия, соотношениях компонентов состава бетонов используемых в конкретной технологии изготовления изделий и конструкций. При этом соблюдены были требования к правилам подготовки исходных материалов и их соотношений при дозировании; при смешивании компонентов бетонных композиций использовался способ применяемый на данном производстве, с учетом особенностей добавки ОФН и способа ее приготовления; для оценки критерия эффективности модификатора ОФН по ГОСТ 24211 исследовалось влияние ОФН на физико-механические показатели качества бетонных композиций, которые и определяли последовательность выполнения испытаний образцов.
Следующий этап оценки эффективности модификатора ОФН проводился непосредственно при производстве строительных и ремотных работ на объектах 000 «УК ГенСтрой», при этом соблюдались следующие требования:
- дозирование всех ингредиентов бетонной композиции производилось в соответствии с требованиями ГОСТ 7473; осуществлялась корректировка модифицированного ОФН состава бетона, с учетом оптимального дозирования модификатора ОФН;
- по результатам исследуемых показателей качества бетонных композиций оценевали эффективность модификатора ОФН.
Состав бетона с гидрофобно-пластифициругащей добавкой ОФН , а также ее оптимальную рекомендуемую дозировку при необходимости уточняли и корректировали при изменении качественных показателей поступающих на предприятие исходных компонентов бетонной смеси, партии модификатора, режимов технологического процесса изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций.
Метод математического планирования эксперимента использовался с целью получения количественных зависимостей и экономии проводимой опытной оценки комплексного эффекта от применения гидрофобно-пластифицирующей добавки ОФН.
Дозирование модификатора ОФН устанавливали по результатам математического планированного эксперимента, были получены необходимые зависимости свойств бетонной композиции от количества вводимой добавки ОФН, параметров состава, расхода материалов, в частности снижения расхода цемента и других технологических факторов, которые могут повлиять на эффективность действия модификатора ОФН. Полученные зависимости могут быть использованы в дальнейшей работе предприятий для корректировки оптимального дозирования добавки ОФН и оценки эффективности ее использования.
Опытно-промышленная партия бетона была изготовлена с использованием модифицирующей добавки на основе органической фракции нефтеотходов (ОФН) комплексного действия: пластифицирующего и гидрофобизирующего.
Добавка введена в состав бетона в количестве 0,3 % от массы цемента. Опытно-промышленная партия модифицированного бетона использована ООО «УК ГенСтрой» при производстве строительных работ на объектах: жилой дом № 2 по ул. Селенгинская 16 при заливке стен 21 этажа, при устройстве бетонных полов складского комплекса по ул. Слесарная 103 (г. Волгоград). Технологические и эксплуатационные характеристики модифицированного добавкой ОФН бетона позволяют рекомендовать добавку ОФН для модификации бетона при производстве как строительных, так и ремонтных работ на объектах промышленных предприятий, жилых строений, коттеджей, фундаментов котельной и т.д.
Экономический эффект от внедрения разработанного модифицированного ОФН состава бетона достигается за счет использования техногенных отходов нефтепереработки в качестве комплексной добавки, улучшении эксплуатационных характеристик бетона, экономии цемента.
