Содержание к диссертации
Введение
1. Научно-технические предпосылки разработки экструдированных облегчённых материалов с полыми стеклянными микросферами . 10
1.1. Экструдированный мелкозернистый бетон . 12
1.2. Облегчённые строительные растворы . 19
1.3. Трещиностойкость облегчённых цементных материалов . 22
1.4. Выводы по главе 1. Научная гипотеза . 25
2. Методики исследований. материалы. оборудование 27
2.1. Методики исследований 27
2.2. Исследовательское оборудование 32
2.3. Материалы 38
2.4. Составы материалов 43
3. Облегчённый экструдированный кладочный раствор 44
3.1. Свойства облегчённого экструдированного кладочного раствора с ПСМС 44
3.2. Подбор и оптимизация составов кладочного раствора с ПСМС 52
3.3. Изучение структуры оптимизированного экструдированного облегчённого кладочного раствора с ПСМС . 55
3.4. Прочность сцепления цементного камня с ПСМС . 66
3.5. Выводы по главе 3 . 69
4. Изделия из экструдированных облегченных материалов с полыми стеклянными микросферами 72
4.1. Состав и свойства изделий из экструдированного облегчённого материала с ПСМС . 72
4.2. Деформативные свойства облегчённого материала с ПСМС . 76
4.3. Технологическая линия изготовления перемычек . 81
4.4. Выводы по главе 4 . 83
5. опытное внедрение экструдированного облегчённого материала с ПСМС 85
5.1. Внедрение экструдированного кладочного раствора 86
5.2. Внедрение изделий из экструдированных смесей 88
Основные выводы 90
Библиографический список
- Облегчённые строительные растворы
- Исследовательское оборудование
- Подбор и оптимизация составов кладочного раствора с ПСМС
- Технологическая линия изготовления перемычек
Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность использования современных строительных материалов для возведения конструкций наружных стен из керамических блоков и разнообразных кирпичей, крупноформатных блоков и панелей из ячеистого бетона заключается в необходимости разработки цементных облегчнных растворов, обладающих высокими техническими и технологическими свойствами.
Решением проблемы повышения эффективности наружных стен является применение метода экструдирования для изготовления кладочного раствора и армированных перемычек промов из цементных смесей с полыми стеклянными микросферами.
Работа выполнена в соответствии с локальным проектом № 12 НИУ МГСУ, мероприятием 5.2 (ГК 16.552.11.7025) «Проведение в ЦКП научным оборудованием поисковых научно-исследовательских работ по основным направлениям реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме: «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием ГР ЦКП МГСУ поисковых НИР в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений».
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является создание облегчнного кладочного раствора и изделий из экструдирован-ных смесей с полыми стеклянными микросферами.
Для достижения цели работы были решены следующие задачи:
- Обосновать получение облегчнного кладочного раствора и изделий из экс-
трудированных смесей с полыми стеклянными микросферами.
- Определить влияние введения в состав полых стеклянных микросфер на
технические характеристики цементной смеси.
Оптимизировать процесс экструдирования цементных смесей.
Исследовать состав, структуру и свойства облегчнного экструдированного
4 кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами и изделий, разработать технологию производства раствора и изделий.
- Провести опытное внедрение разработанных кладочного раствора и изделий из экструдированной смеси с полыми стеклянными микросферами.
Научная новизна работы
Обоснована механохимическая активация эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путем экструдирования, приводящая к снижению В/Ц отношения, удалению газовой фазы из смеси, повышению прочности контактной зоны и сцепления с микросферами и основанием.
Установлено снижение на 10...15 % количества воды затворения экс-трудированного раствора и смеси для изделий, уплотнение структуры цементной матрицы при одинаковой подвижности смеси и повышение прочно-стей от 10 до 15 % при сжатии, изгибе, сцепления с основанием.
Методами РФА, МСА и ХА установлено, что степень кристаллизации экструдированной смеси увеличивается в 1,5 раза, степень гидратации - на 25...27 %, количество низкоосновных гидросиликатов кальция возрастает на 14...31 %, содержание Ca(OH)2 уменьшается на 12...17 %.
При одинаковом расходе полых стеклянных микросфер у экструдиро-ванных и обычных смесей определено уменьшение воздушной усадки во времени на 10…20 %, паропроницаемости - на 5…22 %, общей пористости и пористости матрицы - на 5…10 %, возрастание прочности сцепления микросфер с цементной матрицей на 13…30 %.
Установлено влияние формы микросфер и толщины цементной прослойки, составляющей 11,07; 4,01 и 3,74 мкм в экструдированном растворе, с расходом микросфер 10, 30, 50 % соответственно на сохранение одинаковой подвижности смеси.
Получены математические модели прочностных свойств и средней плотности экструдированного кладочного раствора с микросферами, что позволяет проводить оптимизацию состава по требуемой плотности.
Получены зависимости от расхода микросфер у экструдированных цементных смесей по сравнению с обычными, при которых происходит повышение показателей модуля упругости на 36…39 %, морозостойкости на 30…50 %, снижение водопоглощения на 20…23 % и прогиба на 10…43 %.
Методами механики разрушения установлено, что изделия с полыми стеклянными микросферами из экструдированной смеси имеют на 30...40 % более высокие показатели трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины, чем изделия, изготовленные из обычной смеси.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработана технология получения экструдированного цементного кладочного раствора с ПСМС, включая подбор и оптимизацию составов.
Разработана технология изготовления армированных перемычек из экструдированной смеси, которая включает в себя: технологическую схему; оптимальный состав компонентов; порядок и время перемешивания, экстру-дирования, укладки и уплотнения смеси, хранение, оценку качества.
Внедрение результатов исследования
Получено положительное решение о выдаче патента по заявке № 2012144731/03 (071891) «Облегченный кладочный раствор», дата подачи заявки - 22.10.2012 г.
Разработаны технические условия – «Экструдированный облегченный кладочный раствор ТУ 57 4550-034-70436213-2012», «Брусковые перемычки из экструдированной облегчнной бетонной смеси ТУ 58 2821-035-70436213-2012», утвержденные ООО «Комбинат производственных предприятий».
Проведено опытное внедрение экструдированного кладочного раствора при производстве работ по кладке наружных несущих стен из керамического кирпича частного жилого дома в г. Наро-Фоминске. Объм кладочного раствора составил 46 м3. Экономический эффект - 129 руб. на 1 м3 кладки.
Проведено опытное внедрение армированных оконных перемычек из экструдированной бетонной смеси при строительстве жилого дома в г. Наро-Фоминске. Было изготовлено 30 перемычек. Экономический эффект составил 14,5 тысяч рублей.
6 Разработаны технические условия – «Экструдированный кладочный
раствор ТУ 574550-024-14731991-2012» и «Оконные перемычки из экструди-рованной облегчнной бетонной смеси ТУ 58 2821-035-14731991-2012», утвержденные ООО «ТрансТехСтрой».
Апробация работы
Основные положения диссертации были доложены на: 13-й, 14-й, 15-й Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых учных, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ, 2011, 2012 гг.); на симпозиуме «Проблемы современного бетона и железобетона», Минск, 09–11 ноября 2011 г., конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», (Москва, МГСУ, 16-18 октября 2013 г.), на семинарах «Лучшие публикации года в журнале «Строительные материалы» (Москва, МГСУ, 2011, 2012 гг.).
На защиту выносятся
Обоснование механохимической активации эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путем экструдирования, вследствие чего снижается В/Ц отношение, происходит удаление газовой фазы из смеси, повышаются прочность контактной зоны и прочность сцепления с микросферами и основанием.
Зависимости снижения количества воды затворения экструдированного раствора и смеси для изделий, повышения прочностных показателей за счт уплотнения структуры цементной матрицы при одинаковой подвижности.
Увеличение степени кристаллизации, степени гидратации, количества низкоосновных гидросиликатов кальция, уменьшение содержания Ca(OH)2 у экструдированных образцов по сравнению с обычными составами.
Зависимости воздушной усадки во времени, паропроницаемости, общей пористости и пористости матрицы, прочности сцепления микросфер с цементной матрицей при одинаковой подвижности от расхода полых стеклянных микросфер у экструдированных и обычных смесей.
Влияние формы микросфер и толщины цементной прослойки в экструдиро-ванном растворе от расхода микросфер на сохранение одинаковой подвижности смеси.
Математические модели прочностных свойств и средней плотности экстру-дированного кладочного раствора с микросферами для проведения оптимизации состава по требуемой плотности.
Зависимости модуля упругости, морозостойкости, водопоглощения, прогиба от расхода микросфер у экструдированных цементных смесей по сравнению с обычными.
Зависимости трещиностойкости и сопротивления росту локальной трещины, определнные методами механики разрушения, от расхода микросфер для образцов из экструдированной смеси по сравнению с обычными.
Результаты опытного внедрения кладочного раствора и изделий из экстру-дированной смеси с ПСМС.
Структура и объем работы
Облегчённые строительные растворы
На текущий момент сбережение энергии и ресурсов в строительстве имеет экономическое и политическое значение во многих странах. При этом большую роль на данный процесс оказывает однородность однослойных ограждающих конструкций из мелкоштучных изделий. Однако существующие кладочные растворы не обеспечивают однородность конструкции стены. При средней плотности элементов стен 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 кг/м3 и кладки на обычных растворах формируются мостики холода, со значительным снижением их теплозащиты. Кроме этого, температурные коэффициенты линейного расширения в элементах конструкции стены имеют значительные различия. К тому же, пористые заполнители и наполнители имеют большую водопотребность. Это ведет к расслоению раствора, увеличению влажности и усадки, к снижению прочности камня. С учетом этих требований при использовании традиционных заполнителей невозможно получить среднюю плотность приготовленного кладочного раствора меньше 1000 кг/м3. Как уже отмечалось, современные кладочные растворы имеют среднюю плотность значительно выше, чем материал стен, что снижает коэффициент однородности стены (вплоть до 0,5). Это увеличивает сопротивление теплопередачи до 2-х раз, трудозатраты и материалоёмкость конструкции стены за счёт её утолщения.
В современном строительстве используются кладочные растворы и мелкозернистые бетоны (МЗБ). Они имеют доступную сырьевую базу, высокую однородность, прочность, простую технологию производства, транспортабельность. Однако такие материалы обладают недостатками: расходы цемента и воды повышены на 1525 %, также как показатели усадки и ползучести. Новые виды цементов и добавок позволяют уменьшить указанные недостатки. Но при этом, по мнению Г.П. Сахарова и др., не учитываются поверхностные явления и контактные взаимодействия цементного теста, камня с поверхностью песка и других наполни телей. Однако песок имеет в растворе и бетоне высокоразвитую поверхность и располагает большим запасом свободной энергии. Именно это позволяет повысить прочность и другие свойства мелкозернистого бетона и кладочного раствора. Этот эффект будет улучшать однородность структуры и физико-механические свойства цементных систем при использовании облегчающих мелко- и ультрадисперсных наполнителей. Для максимального использования эффектов адсорбции и адгезии, а также взаимодействия раствора с поверхностью облегчающих наполнителей в исследованиях использовался метод экструдирования. Это обеспечит максимальное сближение цементного теста и наполнителя, очистку их поверхности от защемленного воздуха и примесей; улучшит смачивание твердых частиц водой, их скольжение и другие эффекты. Это позволит повысить прочность, снизить усадку и ползучесть кладочного раствора и изделий.
В настоящее время не изучались теплофизические и технологические свойства таких кладочных растворов и изделий. В научной литературе опубликованы положения получения облегченных и сверхлёгких цементных растворов со средней плотностью менее 1000 кг/м3 с использованием эффективного газонаполненного наполнителя - полых стеклянных микросфер. Однако, не рассматривались структура и свойства (в том числе, реологические свойства) растворов с полыми микросферами, полученных способом экструдирования. Это позволит повысить качество кладки и стабильность качества раствора. Высокие технологические и эксплуатационные показатели кладочных растворов и изделий будут получены благодаря использованию эффективного наполнителя и способа приготовления смеси. Этот способ позволяет снизить расход воды, повысить прочность, морозостойкость и долговечность, как составную часть надёжности.
Исследованиям структуры и свойств мелкозернистого бетона посвящено много работ учёных [1-5]. Выявлению и оценкой эффекта взаимодействия между собой зёрен песка, цементного (теста) камня с природными заполнителями бетона в экструдированных бетонных смесях занимались Сахаров Г.П. и Чан Минь Дык [6-13]. В литературе встречается два названия – экструдированный и экструзион-ный бетон.
Одним из основных направлений развития стройиндустрии Казахстана по мнению Байджанова Д.О., Бюнау Е.К., Малышева О. А. [14, 15] является применение высокотехнологичных производств, том числе экструзионных методов формования изделий с применением различных химических добавок, например, гидрофобизирующих добавок из техногенных отходов.
Недостатком этого подхода является решение проблемы только за счёт подбора эффективных модификаторов цементных материалов.
Зарубежные авторы в своих работах анализировали реологические испытания и проводили определение свойств экструдированных материалов, содержащих в своём составе цемент [16-21, а также исследовали вопросы экологии в процессе экструдирования [22, 23].
Сахаров Г.П. и Чан Минь Дык в работах [6-13] считают, что эффективность взаимодействия в цементной системе характеризуется различной модификацией структуры контактной зоны между цементным камнем и заполнителем. Причём, всё это происходит в зависимости от вида и состояния поверхности заполнителя, В/Ц, прочности и возраста цементного камня, а также от прочности сцепления на отрыв. Прочность сцепления заполнителей из горных пород с цементным камнем распределяется по мере убывания следующим образом: известняк, мрамор, гранит [6-13].
В России есть сырьевая база для изготовления высококачественного обычного мелкозернистого бетона, кладочных и штукатурных растворов. Могут также использоваться отходы энергетической, металлургической и горнодобывающей промышленности в качестве мелких заполнителей и мелко- и ультрадисперсных добавок-наполнителей (модификаторов) для изготовления качественных цементных систем [1-3, 24-30].
Возможно также использование техногенных отходов (зол, шлаков, отсевов из отходов горнодобывающей промышленности и др.) для получения высококачественных цементных материалов, а также применение малоцементных и бесцементных материалов. Данное использование доказано работами учёных Сибирского государственного индустриального университета, МГСУ и НИИЖБ. Известно, что в технологии цементных материалов реализуются все особенности и эффекты, получаемые за счёт применения композиционных вяжущих веществ, химических и органо-химических модификаторов, активных минеральных высокодисперсных компонентов, механохимической активации вяжущих веществ и компонентов [31-36, 37, 38-50]. В результате этого получаются мелкозернистые бетоны с техногенными отходами высокой прочности (классов В50В60) с малой или компенсированной усадкой [6-13, 38-50]. При использовании высококачественных заполнителей и наполнителей-уплотнителей получаются бетоны классов В80В100. Это соответствует классам бетона европейского стандарта EN 206-1.
Для повышения прочности цементных материалов применяют различные виды механической и химической активации [1, 2, 3, 62-73 и др.].
Частицы крупного заполнителя в обычных бетонах взаимодействуют не с «чистым» цементным (тестом) камнем, как это представлено в исследованиях [6-13, 51-58, 59], а с цементно-песчаным раствором.
Как отмечают авторы [6-13, 59] существуют различия в структуре цементных бетонов на крупном и мелком заполнителях. Они имеют особенности контактного взаимодействия цементной составляющей с крупными заполнителями и мелкими частицами песка разного минерального состава в мелкозернистых бетонах и растворах. Определение прочности сцепления цементного камня с частицами песка отсутствуют.
Исследовательское оборудование
Так, прочность сцепления экструдированного кладочного раствора с ПСМС с полнотелым керамическим кирпичом (средней плотности 1805 кг/м3) оказалась более, чем на 20 % выше, чем у обычного раствора. При равном расходе микросфер, но с добавкой суперпластификатора С-3, эта величина увеличилась на такие же величины, а именно 2122 %. Наибольшая величина прочности сцепления экс-трудированного кладочного раствора с ПСМС и С-3 составила 5 МПа у состава 100 ПЦ +10 ПСМС+С-3.
Определение прочности сцепления кладочного раствора на отрыв в возрасте 28 суток со стеклом, имеющий химический состав, схожий с составом стенок полых стеклянных микросфер, показал, что разница в значениях превышения составляет 1820 %.
По данным Г.П. Сахарова и Чан Минь Дыка прочность сцепления на отрыв цементного камня с гранитом, известняком, песчаником, кварцем, полевым шпатом и кварцитом в возрасте 28 суток при нормальных условиях твердения составляет 0,40,9 МПа. Через 3 месяца эта величина может достигать величины 1 МПа [6-13].
Сравнение прочности сцепления обычного цементного раствора с ПСМС со стеклом состава ПСМС (таблица 3.4.2) говорит о том, что значения прочности соответствуют приведённым ранее. Однако результаты прочности сцепления после экструдирования превышают приведённые значения более чем на 20100 % и достигают значений 1,5 и 2 МПа. Эти результаты соответствуют представлениям Н.Б. Урьева [170].
Более того, результаты данных исследований по характеру смачивания и равномерному распределению воды на поверхностях твёрдых частиц подтверждают мнение учёных МГУ [172-177]. В указанных работах О.И. Виноградова и др. авторы считают, что гидрофобные свойства зависят от газовой (воздушной) полости между жидкостью и поверхностью твёрдого тела. При экструдировании происходит достаточно полное удаление газовой фазы с поверхности частиц цемента и полых стеклянных микросфер.
Определено, что облегчённый экструдированный кладочный раствор с ПСМС и суперпластификатором, а также без С-3, пригоден для кладочных работ и имеет преимущество перед неэкструдированным раствором.
Установлено, что расход воды затворения при экструдировании снижается на 10…15 % с таким же ростом прочности при сжатии и изгибе. Это, наряду с введением добавки суперпластификатора С-3 в цементную систему с микросферами, который, как известно, снижает на 20 ...25 % количество воды затворения, ещё больше уплотняет структуру материала, повышает её однородность. Введение микросфер создает однородную в цементной матрице ячеистую структуру.
При сравнении пористости экструдированного и неэкструдированного камня с ПСМС было установлено, что пористость цементной матрицы у первого существенно ниже, чем обычного раствора с микросферами за счёт уменьшения расхода воды затворения. При этом, общая пористость системы увеличивается за счёт увеличения количества микросфер в растворе, где ПСМС в объёме материала занимают место, в котором находилась связанная вода. Была определена общая пористость кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами после экс-трудирования. Для расхода ПСМС 50 % общая пористость составила 83,3 и 85,5 % с С-3 и без него соответственно.
Впервые была изучена и количественно определена воздушная усадка не-экструдированного и экструдированного кладочного раствора с ПСМС и суперпластификатором С-3. Усадка определялась в возрасте образцов-призм 3, 7, 14, 21, 28, 180 и 360 суток. Воздушная усадка экструдированного кладочного раствора с ПСМС и суперпластификатором С-3 (для всех составов) находится в пределах от 0,198 до 0,412 мм/м, то есть соответствует цементно-песчаному кладочному раствору. Усадка раствора зависит от расхода микросфер, водоцементного отношения и времени. С увеличением В/Ц усадка раствора увеличивается. Усадка нарастает в начальные сроки твердения раствора (до 28 суток), затем рост ее уменьшается и постепенно затухает (в возрасте 180 суток).
Было определено, что паропроницаемость при равном расходе микросфер у экструдированного раствора ниже, чем у обычного раствора с микросферами. При расходе ПСМС в 10 % паропроницаемость экструдированного раствора меньше, чем у гидроизоляционных материалов. Теплопроводность же камня зависит от его средней плотности. Это напрямую связано с уплотнением цементной матрицы между водонепроницаемыми стеклянными микросферами.
Были получены модели свойств экструдированного кладочного раствора с ПСМС в виде уравнений регрессии, где установлено, что все свойства кладочного раствора зависят от расхода микросфер. С их увеличением повышается В/Ц и снижаются средняя плотность раствора, в возрасте 28 суток и в высушенном состоянии, а также – прочность при изгибе и сжатии. Однако, при средней плотности кладочного раствора 650 кг/м3 прочность при сжатии превышает 4 МПа, что более чем в 4 раза превышает требования ГОСТ. Также определено, что оптимальным расходом суперпластификатора С-3 является количество, равное 0,75 % от расхода портландцемента. Оптимизация же расхода полых стеклянных микросфер зависит от требуемых условий по средней плотности.
Расчётным путём по формуле Г.П. Сахарова установлено, что для расхода микросфер 10 % толщина цементной прослойки, составит 11,07 мкм; для расхода микросфер 30 % толщина цементной прослойки будет равна 4,01 мкм, а для 50 % ПСМС – 3,74 мкм.
Была проведена имитация прочности сцепления цементной матрицы с ПСМС. Определена прочность сцепления кладочного экструдированного раствора с ПСМС на отрыв в возрасте 28 суток со стеклом, имеющий химический состав, схожий с составом стенок полых стеклянных микросфер. Оказалось, что она превышает значения сцепления традиционных заполнителей более чем на 20 ...100 % и достигают значений 1,5 и 2 МПа. Прочность сцепления кладочного экс-трудированного раствора с ПСМС больше, чем у обычного раствора с ПСМС на 20 ...30 %, за счёт более плотной структуры, связанной со снижением воды затво-рения и активизацией поверхности частиц цемента и полых стеклянных микросфер.
Определена прочность сцепления экструдированного кладочного раствора с ПСМС с полнотелым керамическим кирпичом, которая оказалась более, чем на 20 % выше, чем у обычного раствора. При равном расходе микросфер и с добавкой суперпластификатора С-3 эта величина увеличилась на 21 ...22 %. Наибольшая величина прочности сцепления экструдированного кладочного раствора с ПСМС, С-3 с керамическим кирпичом составила 5 МПа у состава: с 10 % ПСМС и С-3.
Подбор и оптимизация составов кладочного раствора с ПСМС
В 3 главе был проведен анализ полученных результатов, по результатам которого было установлено, что после экструдирования расход воды в исходной смеси снизился на 10…15 %, при этом прочностные показатели при сжатии и изгибе также возросли на такую же величину.
Поэтому, на основании приведённых результатов, по аналогии, было предположено, что использование экструдированных смесей с полыми стеклянными микросферами для производства оконных перемычек, позволит получить материал с подобным стеновому материалу термическим сопротивлением.
Известно, что введение ПСМС в цементной матрице создает однородную ячеистую структуру, где оболочки ПСМС являются стенками пор и центрами кристаллизации [77, 107, 112], а также улучшают свойства материала. Более того, при производстве подобных изделий из сборного железобетона подвижность бетонной смеси по осадке конуса обычно значительно ниже, чем для растворов, и составляет 0...4 см. Следовательно, у них водопотребность значительно ниже, чем у кладочных растворов. У кладочных растворов, рассматриваемых в этой диссертации, погружение стандартного конуса было 8...10 см. Таким образом, это позволит существенно повысить прочностные показатели и несущую способность изделий.
В работе смесь с ПСМС имела осадку конуса 2...4 см. Смесь после экстру-дирования и укладки, виброуплотнялась в течение 3 минут. Свойства материала представлены в таблице 4.1.1.
В работах [6, 7. 8-13] было установлено, что при экструдировании происходит очищение поверхностей цементных частиц, наполнителя, улучшается процесс смачивания, снижается количество воды в смеси, повышается реакционная способность поверхностей. Это видно по результатам, представленным в таблицах 4.1.1 и 4.1.2. Прочностные показатели значительно увеличились – прирост составил 30...40 %.
Во 2 главе были приведены расходы материалов для приготовления 1 м3 экструдированного раствора (таблица 2.4.1). В настоящем разделе были рассчитаны лабораторные составы, которые были, затем приготовлены и уточнены. Расходы материалов представлены в таблице 4.1.1.
Представленные составы подбирались по расходам микросфер в облегчённых растворах, то есть при их расходах, равных 10, 30 и 50 % от массы портландцемента. Однако, подвижность смеси была принята, как уже указывалось, от 2 до 4 см по осадке конуса (применяется для определения подвижности у бетонных смесей).
При анализе результатов таблиц 4.1.1 и 4.1.2 было выяснено, что значи тельно снижается расход воды в смеси при изготовлении экструдированного материала с ПСМС. Следовательно, должны произойти изменения в показателях па-ропроницания и коэффициента теплопроводности. Были получены результаты, которые приводятся в табл. 4.1.3. Было также установлено, что удельные прочности у экструдированного материала с ПСМС при расходе микросфер 10 и 30 % больше 23 МПа и примерно равны (таблица 4.1.2). Удельная прочность, МПа, определялась по известной формуле, как отношение прочности при сжатии к относительной плотности, г/см3.
Анализ результатов, представленных в таблице 4.1.3, говорит о том, что па ропроницаемость снижается за счет уплотнения структуры материала, что связано с уменьшением количества воды в составе смеси.
Были определены технические свойства экструдированных смеси и материала с ПСМС. Результаты представлены в таблице 4.1.4. Испытания на морозостойкость этого материала проводилась в климатической камере тепла/ холода/ влажности, производство фирмы WEISS, Германия (рисунок 2.2.8). Таблица 4.1.4 – Свойства экструдированных смеси и материала с ПСМС
Сравнение показателей экструдированного материала (таблица 4.1.4) и экс-трудированного раствора (таблица 3.1.1) с ПСМС было выяснено, что при одинако вом расходе микросфер морозостойкость увеличилась на одну марку при существенном повышении прочности и снижении влажности и водопоглощения. Это связано с уплотнением структуры за счёт уменьшения воды затворения и подвижности смеси. 4.2. Деформативные свойства облегчённого материала с ПСМС
Задачей этого пункта четвёртой главы являлось изучение свойств облегчённых материалов и изделий с ПСМС при деформировании и разрушении в условиях равновесных испытаний. Именно такие условия работы изгибаемых несущих элементов конструкций наблюдаются в жилых, культурно-массовых и промышленных зданиях и сооружениях. Главной мыслью данных исследований было применение несущих элементов конструкций, имеющих с материалов стены схожие показатели по средней плотности.
В эксперименте использовались методы механики разрушения [116-149]. Испытания проводились на установке, изображённой на рисунке 2.2.4, в БНТУ в г. Минске, на кафедре технологии строительного производства.
Были изготовлены образцы-призмы с размерами 100x100x40 мм. Они были подвергнуты деформированию вплоть до полного разрушения при равновесных испытаниях на растяжение при трёхточечном изгибе с получением полностью равновесных диаграмм деформирования (ПРДД) в соответствии с ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. Компьютеризированная установка имела упругое кольцо из закаленной стали, которое создавало равновесные условия деформации и разрушения. Нагрузка передавалась через шток, а прогиб фиксировался датчиком. Результаты испытаний и обработки данных представлены на рисунке 4.1.1, в таблицах 4.1.2 и 4.1.3.
Технологическая линия изготовления перемычек
Обоснована механохимическая активация для получения эффективных облегченных кладочных растворов и изделий с полыми стеклянными микросферами путём экструдирования, приводящая к снижению водоцементного отношения, удалению газовой фазы из смеси, улучшению скольжения и смачивания частиц цемента и микросфер, уменьшению пористости матрицы, повышению прочности контактной зоны и сцепления матрицы с микросферами, а также затвердевшей смеси с основанием при одинаковой её подвижности.
Разработаны технология получения экструдированного цементного кладочного раствора с ПСМС, включающая подбор и оптимизацию составов, а также технология изготовления армированных перемычек из экструдированной смеси, которая включает в себя: технологическую схему; оптимальный состав компонентов; порядок и время перемешивания, экструдирования, укладки и уплотнения смеси, хранение, оценку качества.
Установлены закономерности изменения воздушной усадки экструдиро-ванного раствора с ПСМС и С-3 в возрастах 3, 7, 14, 21, 28, 180 и 360 суток. Воздушная усадка экструдированного кладочного раствора с ПСМС и суперпластификатором С-3 (для всех составов) равна от 0,198 до 0,412 мм/м, то есть соответствует цементно-песчаному кладочному раствору. С увеличением В/Ц усадка раствора увеличивается. Усадка нарастает в начальные сроки твердения раствора (до 28 суток), затем рост ее уменьшается и постепенно затухает к 180 суткам.
Установлено, что показатели паропроницаемости раствора с полыми стеклянными микросферами снижаются в результате применения метода экстру-дирования. При расходе ПСМС в 10 % паропроницаемость экструдированного раствора меньше, чем у гидроизоляционных материалов. Теплопроводность же камня зависит от его средней плотности.
Получены математические модели свойств экструдированного кладочного раствора с ПСМС в виде уравнений регрессии, где установлено, что все свойства кладочного раствора зависят от расхода микросфер. С их увеличением повышается В/Ц и снижаются средняя плотность раствора, прочность при изгибе и сжатии. Однако при средней плотности кладочного раствора 650 кг/м3 прочность при сжатии превышает 4 МПа, что значительно превышает требования ГОСТ. Оптимальным расходом суперпластификатора С-3 является количество, равное 0,75 % от расхода портландцемента. Оптимизация же расхода ПСМС зависит от требуемой средней плотности.
Установлена зависимость между расходом полых стеклянных микросфер и толщиной цементной прослойки, равная 11,07 мкм, 4,01 мкм и 3,74 мкм для составов с расходом микросфер 10 %, 30 % и 50 % соответственно.
Была определена прочность сцепления кладочного экструдированного раствора с ПСМС на отрыв в возрасте 28 суток со стеклом, имеющим химический состав стенок микросфер. Она превышает значения сцепления традиционных заполнителей более, чем на 20 ...100 % и достигает значений 1,5 и 2 МПа. Прочность сцепления кладочного экструдированного раствора с ПСМС больше, чем у обычного раствора с ПСМС на 13 ...30 %, за счёт более плотной структуры. Прочность сцепления экструдированного кладочного раствора с ПСМС с полнотелым керамическим кирпичом более чем на 20 % выше, чем у обычного раствора. Так, прочность сцепления экструдированного кладочного раствора с ПСМС, С-3 с керамическим кирпичом составила 5 МПа у состава с 10 % ПСМС и С-3.
При изготовлении экструдированного материала с ПСМС с осадкой конуса 2...4 см значительно снизился расход воды затворения по сравнению с растворными смесями, что позволило получить удельные прочности более 23 МПа при расходе полых стеклянных микросфер 10 и 30 % от массы портландцемента.
При равновесных испытаниях на трёхточечный изгиб энергетические затраты на инициирование, рост локальной трещины и полное разрушение у материала с ПСМС, полученного из экструдированной смеси, на 30...40 % выше чем у обычных смесей с ПСМС. Трещиностойкость, сопротивление росту локальной трещины, прочность при изгибе и сжатии, а также модуль упругости более чем в 1,5 раза выше, чем у материала из обычной смеси с ПСМС.
Установлено, что за счёт более высокого модуля упругости, прогиб при максимальной нагрузке у образцов, изготовленных из экструдированной смеси на 10…43 % меньше, чем у обычного материала с ПСМС.
При одинаковом расходе микросфер от массы портландцемента за счёт уплотнения структуры контактной зоны морозостойкость увеличилась на одну марку и более при существенном (почти в 1,5 раза) повышении прочности и снижении влажности и водопоглощения более чем на 30 %.
Разработаны технические условия – «Экструдированный облегченный кладочный раствор ТУ 574550-034-70436213-2012» и «Экструдированный кладочный раствор ТУ 574550-024-14731991-2012», «Брусковые перемычки из экс-трудированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-70436213-2012» и «Оконные перемычки из экструдированной облегчённой бетонной смеси ТУ 58 2821-035-14731991-2012», утвержденные ООО «Комбинат производственных предприятий» и ООО «ТрансТехСтрой». Разработанные технологии изготовления кладочного раствора и армированных оконных перемычек были реализованы при строительстве объекта в г. Наро-Фоминске Московской области в количестве: 46 м3 кладочного раствора и 30 штук оконных перемычек. Экономический эффект составил 129 рублей на 1 м3 кладки и 14,5 тысяч рублей соответственно.
