Содержание к диссертации
Введение
Глава 1.Состояние вопроса, цели и задачи исследования 11
1.1. Применение карбонатного сырья в технологии бетона 11
1.2. Преимущества и недостатки карбонатных пород как минерального компонента бетона и способы формирования оптимальных структур и свойств мелкозернистого карбонатного бетона 20
1.3. Влияние технологических факторов на реологические и технологические свойства бетонных смесей и эксплуатационные и физико-механические свойства мелкозернистого карбонатного бетона .26
1.4. Заключение, рабочая гипотеза, обоснование направлений исследования, цели и задачи исследования 28
Глава 2. Применяемые материалы и методы исследования 30
2.1. Применяемые материалы 30
2.1.1. Портландцемент 30
2.1.2. Известняк .30
2.1.3. Пластифицирующая добавка 33
2.2. Методы исследований 33
2.2.1. Стандартные методики исследования свойств материалов .33
2.2.2. Гранулометрический анализ наполнителя 36
2.2.3. Микроструктурный и химический анализ .36
2.2.4. Термогравиметрический анализ 36
2.2.5. Методика измерения деформаций и
экспериментальные установки .37
2.2.6. Методика оценки трещиностойкости 38
Глава 3. Регулирование и оптимизация композиционного состава мелкозернистого карбонатного бетона .41
3.1. Влияние способа изготовления, дозировки суперапластификатора СП-1, распределения микрофракций известнякового наполнителя и степени дисперсности компонентов связующего МЗКБ на реологические свойства смеси 41
3.2. Типы структур зернистых систем МЗКБ и соответствующие им схемы и эффекты взаимодействия 51
3.3. Способы создания плотных структур МЗКБ с повышенной трещино стойкостью 57
3.4. Влияние технологии изготовления и пропорций компонентов на структуру, трещиностойкость и механические свойства связующего МЗКБ .69
3.5. Влияние соотношения цемента и наполнителя в смеси и количества суперпластификатора СП-1 на структуру, трещиностойкость и механические свойства МЗКБ 77
3.6. Количественные закономерности соотношения количества гранул и контактов между ними для МЗКБ 80
3.7. Выводы по главе 3 .95
Глава 4. Исследование трещиностойкости и деформативных и прочностных свойств мелкозернистого карбонатного бетона 97
4.1. Определение теоретических значений деформативных и прочностных характеристик мелкозернистого карбонатного бетона 97
4.2. Экспериментальное исследование значений коэффициента трещино стойкости и деформативных и прочностных характеристик мелкозернистого карбонатного бетона в возрасте 28 и 42 суток 104
4.3. Экспериментальное исследование деформационных и прочностных характеристик мелкозернистого карбонатного бетона в возрасте 100 суток 117
4.5. Выводы по главе 4 .128
Глава 5. Практическое использование результатов работы .130
5.1. Промышленная проверка результатов исследований 130
5.2. Особенности технологии приготовления бетонной смеси с использованием отходов дробления известняка 133
5.3. Оценка экономического эффекта и рекомендации по применению мелкозернистых карбонатных бетонов .136
Общие выводы 138
Список литературы 141
Приложения .158
A. Акт о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс 158
Б. Акт производственной проверки составов мелкозернистого карбонатного бетона с оптимальным гранулометрическим составов минеральной частиц в условиях ООО «Элтра» .159
B. Протокол производственной проверки составов мелкозернистого карбонатного бетона с оптимальным гранулометрическим составов минеральной частиц в условиях ООО «Элтра» .160
- Преимущества и недостатки карбонатных пород как минерального компонента бетона и способы формирования оптимальных структур и свойств мелкозернистого карбонатного бетона
- Способы создания плотных структур МЗКБ с повышенной трещино стойкостью
- Экспериментальное исследование значений коэффициента трещино стойкости и деформативных и прочностных характеристик мелкозернистого карбонатного бетона в возрасте 28 и 42 суток
- Особенности технологии приготовления бетонной смеси с использованием отходов дробления известняка
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время все большее применение находят мелкозернистые карбонатные бетоны (МЗКБ), получаемые на основе отходов дробления карбонатных пород при производстве щебня, ввиду их повышенных экономических и экологических показателей. Они широко используются в малоэтажном, монолитном и других видах строительства. Однако МЗКБ характеризуются повышенным расходом цемента. Решение проблемы заключается в использовании отсевов дробления известняка, подвергнутых помолу, и суперпластификатора СП-1, совместное синергическое действие которых способствует снижению расхода цемента при сохранении технологических и эксплуатационных свойств МЗКБ. Разработка составов и технологии производства таких бетонов корреспондирует с федеральной программой Социально-экономического развития Тверской области на период до 2020 года. Указанные выше обстоятельства определяют актуальность данной работы.
Степень разработанности темы.
Проблеме разработки составов бетонов с карбонатными заполнителями и наполнителями посвящены работы многих исследователей. Разработаны составы композитов на основе цементов низкой водопотребности с высокими физико-механическими характеристиками, включающие карбонатный тонкодисперсный наполнитель. Было показано, что добавление его в смесь выполняет как структурно-реологическую функцию, так и матрично-наполняющую. Выявлены достоинства таких композитов: высокая технологичность, связанная с наличием в составе суперпластификатора и функционального наполнителя, не-расслаиваемость, повышенные сроки хранения и ускоренное твердение. Изучались вопросы повышения эксплуатационных свойств цементных бетонов. Было указано, что эксплуатационная надежность – это комплексное понятие, включающее сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.
Научная гипотеза.
Совместное использование тонкодисперсного известнякового наполнителя и суперпластификатора аккумулирует воду, интенсифицируя процесс гидратации, способствуя формированию более однородной и прочной структуры контактного слоя между заполнителем и связующим МЗКБ, способной сопротивляться образованию и развитию трещин, что ведет к повышению трещино-стойкости и снижению деформаций ползучести МЗКБ и повышает его эффективность.
Цели и задачи работы.
Целью диссертационной работы является разработка эффективного МЗКБ на основе отходов дробления карбонатных пород.
В соответствии с данной целью необходимо решить следующие задачи:
обосновать возможность использования продукта отсева дробления известняка, подвергнутого механической активации, в качестве замены части цемента, с целью повышения эффективности МЗКБ при сохранении или повышении его эксплуатационных свойств;
установить зависимости технологических, физико-механических
свойств, а также трещиностойкости МЗКБ от количества и удельной поверхности тонкомолотой известняковой добавки и суперпластификатора СП-1 и их оптимальных пропорций;
определить влияние совместного и раздельного способов помола и введения тонкодисперсной известняковой добавки и суперпластификатора СП-1 на основные свойства МЗКБ, определяющие его эффективность;
разработать методику определения коэффициента трещиностойкости в удобной для практического применения форме;
определить комплекс физико-механических характеристик на опытных образцах МЗКБ, с оценкой его деформативных свойств и трещиностойкости для подтверждения эффективности использования отсевов дробления известняка, при сохранении эксплуатационных свойств МЗКБ;
осуществить опытно-промышленную апробацию результатов исследования.
Научная новизна.
Обоснована возможность повышения эффективности МЗКБ, за счет использования отсева дробления карбонатных пород, подвергнутых механической активации с целью получения тонкодисперсного известнякового наполнителя. При введении в бетонную смесь совместно с суперпластификатором СП-1 наполнитель способствует уплотнению цементного камня и упрочнению контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, аккумулирует часть воды затворения, увеличивая степень гидратации цемента и способствуя образованию гидрокарбоалюминатов кальция.
Предложены составы МЗКБ на основе добавки с использованием карбонатного микронаполнителя до 50% от массы связующего и суперпластификатора СП-1 порядка 0,75% массы цемента, с повышенными эффективностью и эксплуатационными свойствами.
Получены математические модели зависимостей коэффициента трещино-стойкости, предела прочности на сжатие и мгновенных деформаций от соотношения наполнителя к цементу, расхода суперпластификатора СП-1 в процентах от массы цемента и тонкого наполнителя в процентах. Данные модели позволяют оптимизировать расходы наполнителя и суперпластификатора по технологическим и эксплуатационным свойствам, повысить трещиностойкость и снизить уровень деформаций. Это подтверждает эффективность использования отсевов дробления карбонатных пород.
Для оценки способности МЗКБ сопротивляться трещинообразованию, предложен новый коэффициент, получаемый через соотношение квадратов напряжения начала трещинообразования и предела прочности на сжатие.
Теоретическая и практическая значимость.
Обоснована возможность и предложен способ повышения эффективности МЗКБ использованием добавки-модификатора структуры бетона на основе карбонатного микронаполнителя и суперпластификатора СП-1, которая, за счет
синергетического эффекта, обеспечивает улучшение физико-механических и эксплуатационно-технологических свойств МЗКБ.
Предложен эффективный МЗКБ с улучшенными эксплуатационными свойствами на основе отходов дробления известняка, включающий тонкодисперсный известняковый наполнитель в количестве от 10 до 50 % и суперпластификатор СП-1 в количестве 0,75% от массы цемента. Значения коэффициента трещиностойкости Кт повышаются в среднем на 30-50%, а уровень деформаций ползучести снижается на 30-60%.
Обоснована возможность снижения себестоимости производства МЗКБ на 15-30% за счет использования отходов дробления карбонатных пород.
Предложена формула для расчета коэффициента трещиностойкости через соотношение квадратов напряжений начала трещинообразования и предела прочности на сжатие.
Методология и методы диссертационной работы.
Методология исследований базировалась на использовании методов электронной микроскопии, рентгенофазового и термографического анализов, рент-генофотоэлекронной спектроскопии (XPS) и теории вероятности и математической статистики.
Положения, выносимые на защиту.
Обоснование возможности и способа повышения эффективности МЗКБ с добавкой-модификатором на основе карбонатного микронаполнителя и суперпластификатора СП-1.
Составы МЗКБ на основе добавки с использованием карбонатного микронаполнителя и суперпластификатора СП-1 с повышенными эффективностью и эксплуатационными свойствами.
Методика определения коэффициента трещиностойкости для обоснования повышения эксплуатационных свойств и эффективности МЗКБ.
Модели, связывающие коэффициент трещиностойкости, предел прочности на сжатие и мгновенные деформации с соотношениями компонентов МЗКБ.
Результаты исследования деформаций кратковременной и длительной ползучести МЗКБ.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Высокая степень достоверности обеспечивается за счет применения статистических методов обработки данных, стандартных методов испытаний и аттестационного лабораторного оборудования.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на VI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (г. Пенза, 2010); Международной интернет-конференции «Creating Ideas and Building the Future», (г. Саратов 2010); Межрегиональной научно-технической конференция посвященной 90-летию основания ТГТУ «Интеграция науки и образования-производству, экономике», (Тверь 2012); 14-й Международной научно-технической конференции: «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», (г. Тула,2013); 7-й Международной научно-технической конференции «Механика разрушения бетона, ж/б и др. стр. м-лов» РААСН, ВГАСУ, (Воронеж, 2013) , 15-я Международная научно-техническая конференция: «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», г. Тула, 2015, на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава ТвГТУ (Тверь, 2009 - 2017), на международной научно-технической конференции «Высокопрочные цементные бетоны: технология, конструкции, экономика», в конкурсе молодых ученых КГАСУ (Казань, 2016).
Внедрение результатов. Внедрение результатов научной работы происходило на предприятии ООО «Элтра», где сотрудниками Тверского государственного технического университета выполнена производственная проверка составов товарного бетона на основе смеси заполнителей оптимального гранулометрического состава и минеральной карбонатной добавки.
Личный вклад автора в решение исследуемой проблемы состоит в разработке программы экспериментального исследования, получении и обработке результатов исследования, их обобщении и использовании на практике.
Публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 15 печатных работах, в том числе из перечня ВАК – 5, патент на изобретение – 1.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Содержит 163 страницы машинописного текста, включая 82 рисунка, 28 таблиц, 52 формулы и 3 приложения. Список использованных источников включает 140 наименований.
Преимущества и недостатки карбонатных пород как минерального компонента бетона и способы формирования оптимальных структур и свойств мелкозернистого карбонатного бетона
Преимущества карбонатных пород вытекают из поведения карбонатного компонента в структуре бетона и влияния его на прочностные и эксплуатационно-реологические и технологические характеристики бетонов. Известно [45], что влияние известнякового микронаполнителя на свойства композиционного вяжущего обусловлено:
1. кристаллохимической природой и дисперсностью. При среднеобъемном размере зерен порядка 10 мкм и менее (типичном для известняковой муки), оптимальная концентрация наполнителя снижается до 40 масс.%;
2. воздействием на процесс гидратационного твердения цемента;
3. микроармированием образующегося искусственного карбонатного композита;
4. препятствием распространению в композите микротрещин при действии внешних напряжений и внутренней усадки (контракции);
5. перераспределением механических напряжений между частицами известнякового микронаполнителя и кристаллизующегося цементного камня;
6. лучшим распределением частиц-гранул в объеме композита через оптимизацию гранулометрического состава;
7. активизацией гидратации;
8. созданием зародышей – активных центров (зон) кристаллизации, ускоряющих гидратацию силикатов клинкера, особенно алита и алюмината. С минимумом содержания трехкальциевого алюмината процент прореагировавшего известнякового компонента при гидратации клинкера в возрасте 120 суток составляет не более 20%, оставшаяся часть функционирует как инертный микронаполнитель [45];
9. улучшенным формированием микроструктуры композита;
10. снижением гидратационных энергозатрат – выравнивания гидратации;
11. экономией активных тонкодисперсных энергетически высокозатратных минеральных вяжущих;
12. более низкими значениями деформаций ползучести и сглаживании негативной роли контракционной усадки в процессе образования микротрещин.
К преимуществам карбонатных пород можно также отнести их меньшую стоимость по сравнению с другими компонентами бетона, как крупнозернистых фракций заполнителя, так и тонкодисперсных наполнителей, их доступность в качестве местного сырья для производства бетонов с улучшенными свойствами, лучшую обрабатываемость и меньшую плотность по сравнению с другими известными компонентами бетонов. По отношению к свойствам карбонатного композита, известняк может выступать двояко: как инертный материал, заменяющий более плотные и соответственно тяжелые структурные элементы из других минералов, а как тонкодисперсный минеральный наполнитель он, на уровне вяжущего, может вести себя химически активно, по отношению к цементному камню.
Так как карбонатные наполнители бетонов обладают повышенной химической активностью по отношению к цементному камню, повышается адгезия наполнителя к цементному камню и уплотнение внутрипорового пространства цементного камня [46,47]. Встает задача определения оптимальной гранулометрической составляющей и степени дисперсности карбонатного порошка. Использование карбонатных наполнителей в составе мелкозернистого бетона приводит к улучшению его физико-механических свойств. Использование для приготовления неавтоклавного бетона микрокальцита в сочетании с кварцевым песком или полностью отсевов от дробления мрамора или стеклянной крошки позволяет повысить марочную прочность неавтоклавного бетона при одновременном снижении расхода портландцемента на приготовление бетона [48]. Тонкомолотые минеральные известняковые добавки, повышают прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, химическую стойкость бетона. Карбонатные породы имеют по сравнению с традиционными заполнителями бетонов меньшую механическую прочность, тем не менее, обладают существенным преимуществом, выражающимся в их аналогичном наноразмерным модификаторам действии [49,50,51,52]. О преимуществах карбонатных пород в качестве заполнителей и активных модификаторов свойств бетонов говорится в статье И.В. Жер-новского [49]. В статье указывается, что определяющим фактором при выборе одного из двух подходов модификации ультрадисперсными карбонатными порошками, где первый представляет собой инкапсуляцию ультра- и нанодисперсной составляющей извне, а второй, - генерацию ультра – и нанодисперсных состояний в результате сингенетических процессов формирования финальной структуры композита, является не минерально-геохимическая специализация той или иной магматической формации, а тектоническая и метаморфогенная обстановка при формировании конкретных геологических структур, в максимуме с активной тектонической историей. Но минерально-геохимическая специализация является исходным базисом для описания природы процессов твердения бетона. В отличие от цементного вяжущего, бетоны на карбонатной основе проявляют заметное улучшение реологии в дальней перспективе - устранение факторов гелевызываемого механизма ползучести бетона [53,54,55].
Из главных недостатков карбонатных бетонов выделяются сравнительно невысокие прочность, износостойкость, кислотоупорность и некая зависимость от химизма среды использования композита.
Для получения мелкозернистого карбонатного бетона с повышенной тре-щиностойкостью и прочностью необходимо создать особо плотную, монолитную структуру [56,57,58]. Этого можно достигнуть при выполнении ряда условий, вытекающих из физических основ структурообразования бетона [58]:
– применение минимального количества высокопрочных цементов и неизвестняковых наполнителей;
– рациональной гранулометрией и образования микропластических зон;
– предельно низким в/ц соотношением;
– высоким уровнем заполнения внутренних пор в монолите;
– особо тщательным перемешиванием и уплотнением бетонной смеси;
– созданием наиболее благоприятных условий твердения бетона (уход).
Роль модифицирующих добавок и методы их введения описаны в работах [59,60,61]. Процессы структурирования и различные теории твердения бетона приведены в работах [62,63,64,65,66].
В частности, Дворкин Л.И. в статье [62] отмечает оптимальную по составу структуру бетона на основе «закона створа» по показателям свойств структуры и отношений параметров к их эталонам. Но нет учета степени концентрации минеральных составляющих и их влияния на перераспределение поверхностного потенциала. В [69] освещаются вопросы производства бетонов, армированных стальным волокном.
В статье [67] приводится структура сплошных тел, механизм и продукты твердения (тоберморит и др.), рассматриваются явления и меры преодоления ближней и дальней коагуляции, флотации, эпитаксиального срастания гидросиликатов и гидроалюминатов с кремнеземистым компонентом благодаря кристалло-химическому сродству. Показано, что ультрадисперсный карбонатный компонент вносит свои особенности в механизм коагуляции. В статье П.М. Бондарева [70] рассматриваются теории разрушения Кулона-Мора и Гриффитса-Орована и плоская гипотетическая модель с плотной упаковкой составляющих частиц заполнителей различной сингонии, с конусовидной картиной передачи нагрузки внутрь композита. Показано, что это явление не зависит от геоморфной природы агрегатных составляющих композит (например, для известнякового и гранитного заполнителя конусы подобны). Это указывает на возможность формования плотных структур за счет оптимизации упаковки и рациональной гранулометрии. В статье [71] речь идет о методике оптимизации гранулометрического состава композиций. В частности рассматривается формула Функа-Дингера, отвечающая через расчет параметров прохода частиц через сита разных размеров оптимальным процентным содержаниям разных фракций в карбонатном бетоне. Показано [71], что плотность упаковки зависит от модальности распределения зерен определенных диаметров.
Формула Функа/Дингера выглядит так: Gпр= 100 (Хn–Dnmin)/(Dnmax–Dnmin), где X – размер сита, Dmax и Dmin – наибольшая и наименьшая крупность зерна в смеси. В статье [72] автор анализирует принцип Кеннеди: плотно упакованную решетку, заполнители произвольной формы, раздвинутые и склеенные цементным тестом, на основе координатного числа CN, оптимально равного 12, характеризующего наиболее плотную упаковку (гексагональную).
В статье [73] рассматриваются три модели структуры наполненных искусственных строительных композиционных материалов, порфировая, контактная и законтактная и объясняется целесообразность разделения наполнителей на инертные и активные и на физически активные и химически активные. Физически активные не образуют соединений с вяжущим, но влияют на структуру и свойства, а химически активные образуют соединения с вяжущим.
Способы создания плотных структур МЗКБ с повышенной трещино стойкостью
Существует принцип [107], согласно которому для вяжущих систем, в которых размер зерен наполнителя значительно меньше размера зерен вяжущего, оптимальной является конфигурация, характеризующаяся отсутствием взаимного контактирования частиц цемента между собой за счет расположения частиц микронаполнителя вокруг частиц цемента (их окутывания). Видно, что наиболее адекватно оптимальность таких структур может быть описана контактной системой именно заполненного типа. Данная структура способствует формированию микрозон пластических деформаций, что отвечает требованию повышенной трещиностойкости МЗКБ.
Технологические приемы представляют собой последовательность проектирования смеси МЗКБ, которая создаст наиболее компактную, низкопористую, монолитную и максимально уплотненную структуру. Для фракций заполнителя мелкозернистых бетонов от 0,1 мм до 5 мм наиболее оптимальным является использование непрерывной гранулометрии по формуле Функа-Дингера, модифи-црованной В.В. Беловым.
В частности это выражение приведено в нормах Германии [114].
В работе [115] также указывается, что к сверхтонким фракциям, с целью описания распределения частиц используется нормальный закон распределения. Рисунок 3.13 отражает оптимальное значение модуля вариации m и диаметр dm (позиционный параметр).
Более низкие значения предельного напряжения сдвига и вязкости в случаях наличия СП-1 в смеси обусловлены следующей закономерностью (рис.3.14). Схематичный график вязкости, подвижности смеси в зависимости от добавления суперпластификатора СП-1 и воды
Положительное влияние минерального тонкодисперсного порошка на физико-механические свойства объясняется повышением ранней прочности за счет заполнения воздушных и капиллярных пор между частицами клинкера и интенсификации процесса гидратации алита и трехкальциевого алюмината. Вот почему так важен правильный гранулометрический подбор как вяжущей части, так и заполнителей-наполнителей и модификаторов (рисунок 3.15)
В нормах Германии (DIN 66145) используется распределение RRSB (Rosin, Rammler, Sperling and Bennett). В данной работе использовалось базовое распределение Вейбулла, согласно которого и определялось соотношение компонентов связующего. Было исследовано влияние процентного соотношения известнякового наполнителя в связующем совместно с оптимизацией гранулометрического состава известнякового мелкозернистого заполнителя по формуле распределения Функа-Дингера и фиксированного количества суперпластификатора СП-1 на комплекс физико-механических и реологических характеристик карбонатного мелкозернистого бетона. Была проведена оптимизация наполнителя по распределению Вейбулла (распределение RRSB). Изготовление образцов производилось при различных режимах технологии обработки фракций – совместный помол известняковой крошки, цемента и суперпластификатора СП-1 в качестве вяжущей части. Гранулометрический подбор фракций известнякового заполнителя производился в соответствии с зависимостью Функа-Дингера, связывающей проход с наименьшей и наибольшей крупностью частиц и размером сита. Водоцементное отношение и массовые доли фракций известняка и цемента в экспериментах были постоянными.
В настоящей работе фракция заполнителя представлена оптимизированной по Функу-Дингеру гранулометрической зависимостью семи фракций известняка, фракция наполнителя – ультрадисперсной фракцией известнякового порошка с удельной поверхностью более 500 м2/кг и размером частиц менее 100 мкм, а фракция вяжущего - двухкопонентным составом из смеси в определенных пропорциях цемента и оптимизированной по закону RRSB-распределения (Rosin, Rammler, Sperling und Bennett) микрофракций, базисом которого является стандартное распределение Вейбулла, фракции известнякового наполнителя (0-0,05-0,08).
Диаграмма (рисунок 3.16) иллюстрирует принцип изменения функциональных свойств компонентов в зависимости от степени дисперсности:
Скелетная фракция Раздвигаемая фракция i= Раздвигающая фракция Связующее. Известняковый компонент представлен в работе функционирующим на всех четырех уровнях.
Зернистые системы, состоящие только из фракции одного размера, представляют собой сингулярные системы, совокупные свойства которых главным образом определяются способом укладки зерен в единице объема. Например, из двух типов мономодальных упаковок, простой кубической и гексагональной (шахматной), меньшей пористостью и более плотной структурой (меньшей энтропией самоорганизации) обладают гексагональные упаковки (рисунок 3.17):
Данные упаковки (рисунок 3.17) характерны тем что коэффициент =К/G равен единице, а //=(+1)2/ равен четырем, где К - количество контактов, а G -количество гранул в единице объема упаковки (смотрите далее).
Расчет бинарных систем произведен для случая комбинации фракций 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,16 и 0,1 известнякового заполнителя, которые принимались в экспериментах данной работы согласно распределению Функа-Дингера. Для получения бинарных смесей объемом 1 литр на основе указанных фракций определены коэффициенты а и ср. В результате определена величина пустотности каждой бинарной смеси на основе данных фракций. Величину насыпной плотности для бинарных смесей известнякового заполнителя определяем по формуле
Проектирование бинарных смесей являет собой расчетный базис для подбора состава многокомпонентных, полифракционных мелкозернистых композитов с помощью коэффициентов (рисунок 3.18). Известно [108], что величина пустотности при повышении модальности упаковок изменяется незначительно, когда количество фракций увеличивается. Бимодальная кубическая упаковка имеет большую пустотность, по сравнению с тернарной кубической упаковкой. Следовательно, насыпная плотность имеет предел, независимо от числа фракций: наименьшая - при монофракционной кубической упаковке, наибольшие, порядка 65 %, и почти постоянные значения насыпной плотности наблюдаются, начиная с кватернарной гексагональной, оптимизированной упаковки, в случае заполненной и контактной структуры.
Вышеописанная методика расчета составов бинарных смесей равно применяется и к тернарным системам, состоящим из трех фракций. Тернарные смеси, наиболее плотные по упаковке частиц представляют собой заполненные, контактные системы, при правильном подборе которых через соотношения радиусов частиц фракций минимизируется величина пустотности смеси. Схема соотношений радиусов (рисунок 3.19)
Экспериментальное исследование значений коэффициента трещино стойкости и деформативных и прочностных характеристик мелкозернистого карбонатного бетона в возрасте 28 и 42 суток
С целью исследования физико-механических характеристик карбонатных бетонов в возрасте 28 суток использовался метод трехфакторного планированного эксперимента типа B-D13 по соответствующей матрице из десяти вариантов приготовления смеси, где в качестве входных переменных были x1- соотношение известнякового микронаполнителя и цемента (%), x2 – отношение суперпластификатора к цементу, x3 – процентное содержание в известняковом микронаполнителе частиц диаметром до 0,08мм. В качестве функций отклика - анализируемых получаемых величин - изучались коэффициент трещиностойкости, предел прочности на сжатие, деформации образцов кубов 7x7x7. Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 4.3.
Эксперимент включал 30 образцов – по 3 образца на каждый из десяти вариантов состава смеси. Для каждого состава подбиралось водотвердое отношение согласно расплыву стандартного конуса по ГОСТ на встряхивающем столике, равному 120 мм. Таблица и график прохода, полных и частных остатков (согласно фракциям гранулометрического подбора по формуле Функа-Дингера) при а=0 и n=0,5
Результаты вычисления коэффициента трещиностойкости Ктр по формуле (2.4), заносим в таблицу 4.8 .
Значения коэффициентов Ктр для составов бетона №9 и №10 с содержанием известнякового микронаполнителя в количестве до 50% от массы связующего МЗКБ превышают значения коэффициентов Ктр для составов №4 и №6 без микронаполнителя в среднем на 40%. Это свидетельствует о более высокой трещино-стойкости составов бетонов с известняковым микронаполнителем и, следовательно, их улучшенных эксплуатационных свойствах.
По методу планирования экспериментов получились следующие регрессионные зависимости для коэффициента трещиностойкости, мгновенных деформаций и предела прочности при сжатии и соответствующие им диаграммы:
- коэффициента трещиностойкости (Х1000) y=553,82+38,44x1+48,61x2+1,38x3+18,07x12-39,52x22 +118,85x32+25,8x1x2-34,4x1x3-53,19x2x3 (4.9)
- мгновенных деформаций (Х10000) y=295,92+63,51x1-9,3x2+10,12x3+378,55x12-158,54x22-153,23x32-92,96x1x2-67,49x1x3+106,85x2x3 (4.10)
- предела прочности при сжатии y=39,97-4,91x1+2,12x2+1,95x3-2,14x12-1,19x22+3,66x32+3,17x1x2+0,06x1x3 0,29x2x3
Различают три основных варианта теории ползучести бетона: теория старения, теория упругой наследственности и наследственная теория старения (теория упруго-ползучего тела) в зависимости от степени обратимости деформаций ползучести при разгрузке. Критерий оценки - возраст бетона в момент нагружения [117]. Наиболее близкая по результатам анализа сравнения экспериментальных данных с теоретическим расчетом для образцов оказалась, согласно вычислениям по Рекомендациям, наследственная теория старения Арутюняна Н.Х., которая предполагает, в отличие от теории упругой наследственности, частичную обратимость деформаций ползучести при разгрузке [129].
По результатам экспериментальных исследований была выполнена проверка критериев Стьюдента и Фишера и оценена достоверность и репрезентативность данных результатов. Были определены коэффициенты парной корреляции и границы значимости.
Границы значимости составляли порядка 50% , что говорит о достаточной точности и достоверности полученных данных.
Из диаграмм (рисунок 4.6) установлено, что наличие тонкодисперсной фракции известнякового компонента вяжущего, 0,05-0,08, повышает трещино-стойкость и прочность МЗКБ, но на модифицирующее действие оказывает влияние синергия использования совместно с суперпластификатором СП-1 (комплексная добавка). Наличие известняка в связующем (до 30 %), со своей стороны, нейтрализует повышающий деформативность и снижающий плотность бетона эффект переизбытка суперпластификатора СП-1. Рекомендованное количество суперпластификатора СП-1составляет, согласно вышеизложенным экспериментальным данным, около 0,75 % от массы вяжущего. Диаграммы (рисунки 4.7, 4.8) указывают на влияние на начальные деформации бетона процентного содержания известняка в вяжущей части. Минимум деформаций отмечен при содержании последнего порядка 17-30 % по массе вяжущего, а при превышении 30 % деформации бетона резко возрастают достигая предельных цифр при содержании суперпластификатора СП-1 порядка 4-5 % от массы твердой части вяжущего, влияние которого на деформативность частично нейтрализует наличие зерен известняка диаметром порядка 0,05-0,08 в составе вяжущего. Поэтому, когда содержание суперпластификатора СП-1 превышает 0,6-0,7 % по массе твердой части вяжущего рекомендуется вводить в смесь порядка 10 % тонкодисперсной фракции известняка 0,05-0,08. Эффект обусловлен обволакиванием частиц цемента и выравниванием процесса гидратации со стороны частиц тонкой минеральной добавки, наряду с более равномерным распределением цемента в связующем. Данные процессы сказываются также на уменьшении интервала между границами трещинообразо-вания и разрушения, при определении предела прочности кубов на осевое сжатие. Это справедливо для образцов, содержащих известняковый компонент в вяжущем до 50 % по массе, по сравнению с образцами без данного микронаполнителя, для которых эта граница на порядок выше.
Из графиков также установлено (рисунки 4.9-4.14, 4.19), что результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств МЗКБ методом планирования экспериментов согласуются с теоретическими данными, рассчитанными по методике Рекомендаций. Наблюдается небольшое повышение значений деформаций ползучести (в пределах 2 %), с изменением содержания известняка в вяжущем от 0 до 50 %, хотя снижение прочностных показателей достигает 50%. При повышении водотвердого отношения от 0,35 до 0,5, снижение предела прочности на сжатие особенно сказывается на образцах без содержания известнякового микронаполнителя в вяжущем. Также отмечено влияния на прочностные свойства бетона совместного введения суперпластификатора СП-1 в количестве 0,75 % от твердой части вяжущего и тонкодисперсной фракции известняка 0,05-0,08, введенной в смесь согласно распределения Вейбулла (RRSB). При этом, чем больше в смеси содержание зерен с диаметром 0,05-0,08 мм, тем в меньшей степени сказывается на деформативно-прочностных свойствах бетонов отрицательное влияние повышенного содержания суперпластифицирую-щей добавки. Имеет место компенсация переизбытка суперпластифицирующей добавки наличием данной тонкой фракции известняка. Выводы согласуются с данными работ 118 и 119 по повышению долговечности и трещиностойкости бетонов, подверженным физическим воздействиям, введением тонкодисперсных минеральных добавок.
Особенности технологии приготовления бетонной смеси с использованием отходов дробления известняка
Схема технологического процесса приготовления бетонной смеси с известняковым микронаполнителем приведена на рисунке 5.1 условно -замкнутая
Технология приготовления бетонной смеси с использованием отходов дробления известняка включает следующие операции:
1. просеивание на промежуточном сите отсевов дробления известняка;
2. дозирование фракции заполнителя 1,25-5 и загрузка в смеситель принудительного действия;
3. дозирование фракции заполнителя 0-1,25 и загрузка в смеситель принудительного действия;
4. помол фракции 0-0,125 и загрузка в смеситель принудительного действия;
5. дозирование вяжущего и загрузка в смеситель принудительного действия;
6. дозирование модифицирующей добавки на весовых дозаторах;
7. дозирование воды;
8. приготовление рабочей концентрации;
9. дозирование и загрузка в смеситель принудительного действия;
10. перемешивание компонентов до требуемой однородности;
11. выгрузка в транспорт.
При приготовлении бетона учитывается следующее:
1. С целью упрощения применения в условиях производства моделей, оптимизирующих зерновой состав заполнителя, предлагается схема адаптации свойств бетона к нуждам потребителя, с заданием конкретных характеристик и с минимизацией количества фракций в бетонной смеси до двух.
Гранулометрическая кривая представляет собой график из двух линейных отрезков (рисунок 5.2). По оси абсцисс отображается логарифмическая шкала диаметров, а по оси ординат – процентные значения полного прохода через стандартные сита.
Значение А подбирается с учетом максимальной крупности заполнителя, содержания цемента, формы зерен. По реальному гранулометрическому составу отходов дробления известняка Ржевского Мончаловского карьера, наиболее близкие к идеальным кривым значения полного прохода отмечаются для фракции 1,25-2,5. Поэтому с целью оптимизации состава мелкозернистого карбонатного заполнителя и сокращения трудозатрат на его производство производится рассев на промежуточном сите 1,25, с дозированием фракций 2,5-5 и 0-1,25 в соответствии с оптимизированным составом и последующим перемешиванием непосредственно при приготовлении смеси. Общая продолжительность перемешивания должна составлять не менее 3-4 минут. Оптимизация данных областей идеализированного бинарного гранулометрического состава предлагается по модифицированной формуле Пауэрса где P t – суммарная доля частиц цемента, заполнителя и наполнителя с диаметром менее d, D- максимальный диаметр частиц (5 мм.). Показатель степени q подбирается эмпирически. С его уменьшением понижается пустотность упаковки зерен в смеси. Для q= 0,5 и d = 1,25 общее содержание фракции заполнителя 0 1,25 и цемента в смеси будет составлять 50%. Для сита 2,5 в качестве промежуточного это значение будет уже равно 71%. При значении q = 1/3 и d = 1,25 общее содержание фракции заполнителя 0-1,25 и цемента в смеси будет составлять 63%.
2. Введение суперпластификатора СП-1 данным способом осуществля ется в жидком виде непосредственно в процессе приготовления бетонной смеси.