Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурообразование, состав и свойства бетонов. Технология покрытий полов и стеновых панелей зданий и сооружений 9
1.1. Современные представления о структурообразовании бетонов. Каркасные бетоны 9
1.2. Состав и свойства наполненных бетонов 20
1.3. Технология покрытий полов и стеновых панелей зданий и сооружений 37
1.4. Выводы по главе 47
Глава 2. Цели и задачи исследований. Применяемые материалы и методы исследований 48
2.1. Цели и задачи исследований 48
2.2. Применяемые материалы 49
2.3. Методы исследований 52
2.4. Выводы по главе 58
Глава 3. Основы теории получения каркасных бетонов и технология изготовления строительных изделий 59
3.1. Структурообразование каркасных бетонов 59
3.2. Расчет состава каркасов иматриц 67
3.3. Износоустойчивые полы производственных зданий 72
3.4. Плиты пола животноводческих зданий с регулируемой тепловой активностью 75
3.5. Трехслойные стеновые панели 79
3.6. Выводы по главе 83
Глава 4. Экспериментальное исследование каркасов, связующих и матриц каркасных бетонов 84
4.1. Получение каркасов на цементных, битумных и полимерных связующих 84
4.2. Структурообразование цементных связующих 91
4.3. Оптимизация матричных композитов различного назначения 102
4.4. Матричные композиты, наполненные смесью порошков различной природы ПО
4.5. Выводы по главе 113
Глава 5. Физико-механические свойства и долговечность каркасных композитов 114
5.1. Прочность и жесткость 114
5.2. Усадка и трещиностойкость 116
5.3. Средняя плотность и теплотехнические свойства 121
5.4. Химическое сопротивление 128
5.5. Биологическое сопротивление 138
5.6. Морозостойкость 149
5.7. Выводы по главе 151
Глава 6. Производственное внедрение изделий на основе каркасных бетонов 153
6.1. Изготовление трехслойных стеновых панелей 153
6.2. Технология изготовления плит пола эюивотноводческих помещений 154
6.3. Цементные бетонные полы каркасной структуры 158
6.4. Экономическая эффективность внедрения изделий на основе каркасных бетонов 159
6.5. Выводы по главе 162
Основные выводы 163
Литература 166
Приложения
- Современные представления о структурообразовании бетонов. Каркасные бетоны
- Структурообразование каркасных бетонов
- Получение каркасов на цементных, битумных и полимерных связующих
- Средняя плотность и теплотехнические свойства
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из самых динамичных среди рынков строительных материалов является рынок потребления бетонов на основе цементного вяжущего. В этой связи создание новых композиционных материалов и изделий, обеспечивающих улучшение их эксплуатационных показателей, повышение эффективности, снижения материалоемкости и трудоемкости изготовления является важной задачей в области строительного материаловедения. Современные разработки по технологии получения композитов направлены на получение материалов с пониженным содержанием связующего, малой усадкой и др. полезными свойствами. В рамках данной фундаментальной проблемы к настоящему времени созданы бетоны раздельного бетонирования, бетоны, изготавливаемые вибронагнетательным способом, бетоны с фиксированным щебеночным каркасом, бетоны с заполнителями, выполненными в виде плоских или пространственных решеток, композиты пофазного формования.
Перспективным направлением дальнейшего развития цементных бетонов представляется получение и внедрение материалов и изделий каркасной структуры. По данной технологии сначала изготовляют каркас путем склеивания зерен крупного заполнителя друг с другом с помощью связующих, а окончательно формируют структуру композиционного материала посредством заполнения пустот каркаса связующим. Использование для получения каркасов, как основного связующего, так и другие клеящие вещества, а также изготовление изделий с градиентными по поперечному сечению свойствами, позволяют в широких пределах регулировать физико-механические и эксплуатационные свойства строительных изделий. Таким образом, разработки по технологии получения каркасных композитов на основе цементных связующих, изделий и конструкций на их основе направленные на повышение качества отечественных строительных материалов и их конкурентоспособности, являются актуальной задачей.
Цель диссертационной работы заключается в научном обосновании приемов и методов получения эффективных каркасных цементных бетонов и строительных изделий на их основе.
Научная новизна.
На основе каркасной технологии разработаны новые виды строительных материалов и изделий: плиты пола и стеновые панели для производственных и животноводческих зданий.
Выявлены количественные зависимости изменения физико-механических свойств, химического и биологического сопротивления цементных композитов с наполнителями из местных сырьевых материалов и отходов промышленных предприятий от основных структурообразующих факторов.
Разработаны эффективные цементные композиты с наполнителями оптимального гранулометрического состава.
Получены композиционные материалы, наполненные боем стекла, с улучшенным контактным взаимодействием между наполнителем и цементным вяжущим.
Установлено повышение биологического сопротивления цементных композитов при введении добавок: арил- (арилокси) силана и перманганата калия.
Новизна практических разработок подтверждена 2 патентами и 2 положительными решениями на изобретения.
Практическая значимость работы.
Разработана и освоена технология изготовления трехслойных стеновых панелей без применения дефицитных и дорогостоящих компонентов (пенопо-листирола и легированных сталей) с использованием существующих линий заводов ЖБИ; разработаны технологии изготовления плит пола с улучшенными теплотехническими показателями и повышенной износостойкостью; осуществ-
лен подбор составов матриц и каркасов для каркасных композитов с повышенными показателями прочности, химической и биологической стойкости. Разработан инженерный метод подбора оптимального состава каркасного бетона, состоящий из этапов выбора исходных компонентов, расчета составов каркаса и матрицы и экспериментальной проверки.
Разработанные составы каркасных бетонов и технологии изготовления строительных изделий эффективны при изготовлении плит полов и стеновых панелей для производственных и животноводческих зданий.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при изготовлении стеновых панелей и пола на ОАО «ЖБК-1», покрытий полов на АО «Молочный комбинат Саранский» и ОАО «ЖБК-1». Трехслойные полы животноводческих зданий рекомендованы Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия для внедрения.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях:
"XXIV Огаревские чтения" (г.Саранск, 1995 г.);
"Современные проблемы строительного материаловедения" (II академические чтения РААСН) (г.Казань, 1996 г.);
"Первая конференция молодых ученых Мордовского университета" (г.Саранск, 1997 г.);
"Вторая конференция молодых ученых Мордовского университета"
(г.Саранск, 1997 г.);
"Актуальные проблемы строительного материаловедения" (III академические чтения РААСН) (г.Саранск, 1997 г.);
"Инженерные проблемы современного бетона и железобетона" (г.Минск, 1997 г.);
"Современные проблемы строительного материаловедения" (IV академические чтения РААСН) (г.Пенза, 1998 г.);
"Третья конференция молодых ученых Мордовского университета" (г.Саранск, 1998 г.);
"Моделирование в материаловедении" (г.Одесса, 1998 г.);
"Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производств" (г.Пенза, 1998 г.);
"Современное строительство" (г.Пенза, 1998 г.);
"XXVII Огаревские чтения" (г.Саранск, 1998 г.);
"Четвертая конференция молодых ученых Мордовского университета" (г.Саранск, 1999 г.);
"Научно-практические проблемы современного железобетона" (г.Киев, 1999 г);
"Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте" (г. Санкт-Петербург, 1999);
"Современные проблемы строительного материаловедения" (V чтения РААСН) (г.Воронеж, 1999 г);
"Проблемы научно-технического прогресса в строительстве в преддверии нового тысячелетия" (г.Пенза, 1999);
"Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды" (г.Самара, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 статьи и доклада, получено 2 авторских свидетельства и 2 положительных решения на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы, приложений и содержит 201 лист машинописного текста, 40 рисунков и 28 таблиц.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Строительное производство" Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева.
Современные представления о структурообразовании бетонов. Каркасные бетоны
Композиционные строительные материалы (КСМ) представляют собой искусственные материалы, составленные из двух и более моно материалов с резко различными свойствами и приобретающие в результате такого сочетания комплекс новых свойств, не присущим исходным материалам. Впервые строительные материалы отнесены к композиционным академиком В.И.Соломатовым [189]. В настоящее время большое количество исследователей считает, что строительные материалы являются по своей сути композиционными [197]. Основное объединяющее начало заключается в общности закономерностей структурообразования композиционных строительных материалов [207]. Номенклатура КСМ включает бетоны и растворы всех видов, мастики, замазки, клеи, строительную керамику, стеклопластики и древесные пластики, другие полимерные материалы.
В исследование структуры, составов и свойств КСМ на различных связующих большой вклад внесли: В.И.Бабушкин, Ю.М.Баженов, А.Н.Бобрышев, В.А.Вознесенский, В.Н.Выровой, Б.М.Гладышев, Г.И.Горчаков, И.М.Грушко, Е.А.Гузеев, В.Т.Ерофеев, В.А.Золотарев, С.М.Ицкович, В.И.Калашников, А.Г. Комар, П.Г.Комохов, О.В.Кунцевич, Ю.С.Липатов, У.Х.Магдеев, А.М.Подваль-ный, Ю.Б.Потапов, А.П.Прошин, И.Е.Путляев, Р.З. Рахимов, П.А.Ребиндер, И.А.Рыбьев, В.И.Соломатов, В.П.Селяев, Ю.А.Соколова, В.Г.Хозин, В.Д.Черкасов, Ю.С.Черкинский и др.
Под структурой бетона обычно подразумевают широкий комплекс понятий, в который включают строение материала на самых различных уровнях, начиная от атомно-молекулярных структур составляющих бетон компонентов и кончая макроструктурой бетона как композиционного материала. Очевидно, что почти все уровни структур оказывают определенное воздействие на свойства материала, в который они входят [242].
Из многочисленных классификаций структур цементного бетона, предложенных различными авторами [30,68,69,214], наиболее общей представляется классификация, которая выделяет три основных типа структуры [54,243]: микроструктуру - структуру цементного камня; мезоструктуру - структуру цементно-песчаного раствора в бетоне; макроструктуру - двухкомпонентную систему (раствор и крупный заполнитель).
В последние годы получила интенсивное развитие полиструктурная теория композиционных строительных материалов, как единая система научных представлений о закономерностях структурообразования [188,189,190,191,192, 194]. Сущность теории заключается в представлении материала полиструктурным, т.е. в выделении в единой структуре многих взаимозависимых структур, прорастающих одна в другую ("структура в структуре" или "композит в композите") [207]. Рассматривая бетон как полиструктурный материал [190,191] выделяют структурные уровни по характеру и механизму процессов структурообразования - микро- и макроструктуру.
Целенаправленные теоретические и экспериментальные исследования процессов структурообразования КСМ показали качественное различие процессов формирования структуры и наличие разных структурообразующих факторов для микро- и макроструктуры [188,189,195].
Микроструктура присуща связующим. Она формируется при совмещении вяжущих веществ, воды, наполнителей, добавок, дисперсных армирующих элементов - волокон. Цементное связующее, на начальном этапе, представляет собой бинарную дисперсную систему, где роль дисперсной среды выполняют вода и водные растворы компонентов вяжущих. При твердении по мере роста кристаллов новообразований происходит заполнение микропор цементного геля. Это явление описано в работе [230], а механизм - в [225,226]. При опти 11 мальной концентрации наполнителя в связующем образуется мелкозернистая структура композита [146], что благоприятно отражается на технических свойствах искусственного камня. В исследованиях П.П.Будникова и В.П.Колбасова установлено, что при введении наполнителя в систему "цемент-вода" скорость твердения и прочность возрастают до тех пор, пока все зерна наполнителя остаются окруженными продуктами гидратации. Свойства микроструктуры определяются явлениями, протекающими в контакте жидкой и твердой фаз, т.е. зависят от количественного соотношения цемента, наполнителей и воды, дисперсности и физико-химической активности наполнителей.
Зависимость прочности цементных связующих от степени наполнения имеет экстремальный характер. В работах [188,190,191,225] влияние степени наполнения на прочность цементных композитов объясняется с позиции кла-стерообразования. При малом наполнении наблюдается снижение прочности вследствие неоднородности структуры. В зоне метастабильных состояний наблюдается резкое повышение прочностных показателей, которые достигают максимума при оптимальной степени наполнения. Зависимость R = f(Cv) в области структур, близких к оптимальным, описывается параболической зависимость.
Структурообразование каркасных бетонов
Структура каркасного композита представляет собой совокупность соприкасающихся, склеенных друг с другом зерен крупного заполнителя или волокон, пустоты между которыми заполнены дисперсной средой - матрицей. Физико-технические свойства каркасных композитов предопределяются: структурой клея каркаса, заполнителей и матрицы; особенностями взаимодействия на границах заполнитель - клей и каркас - матрица; характером геометрической упаковки заполнителей в каркасе.
Основными требованиями к клею каркаса, наряду с бездефектностью, высокой прочностью на растяжение, сжатие, сдвиг и долговечность, являются высокая адгезия клея к поверхности заполнителей и способность релаксировать напряжения, возникающие от усадочных и температурных деформаций матрицы, а также при механическом нагружении композита. Этим требованиям в большей степени отвечают ненаполненные и малонаполенные композиты с V=0-0,3.
Параметром, характеризующим структуру каркаса, является толщина пленки клеевой композиции на зернах заполнителя и геометрическая упаковка заполнителей. Зерна заполнителя должны быть полностью покрыты пленкой связующего. Как неполное покрытие зерен связующим так и его избыток ухудшают свойства каркаса. При недостатке связующего каркас имеет низкую прочность и разрушается под воздействием различных факторов, при избытке же происходит закупорка пор в каркасе, что не позволяет производить качественную пропитку его пустот.
Толщина пленки связующего на зернах определяется по известной формуле [105]: K=vjs, (3.1) где VK- объем клея в каркасной смеси; S - суммарная поверхность заполнителей.
Создание каркасных композитов связано с движением жидкостей (связующих). Характер протекания данных процессов при склеивании заполнителей в каркас, пропитке заполнителей и каркаса клеевыми и матричными композициями, а также при обеспечении устойчивости матричных композиций против расслаивания определяется законами и явлениями гидродинамики и гидростатики [105].
Основным показателем, определяющим качество структуры каркаса, служит его пропускная способность, позволяющая заполнить поровое пространство связующим. Поступление связующего в поровые каналы каркаса можно отождествить с фильтрацией вязкой жидкости в пористой среде. Для этого крупный заполнитель в каркасе рассматривается как фиктивная пористая среда, считая зерна шарами одинакового диаметра. Основной характеристикой такой среды является пористость.
В работе [105] отмечается, что пористость среды определяется типом укладки зерен заполнителя. Так, при кубической укладке заполнителей ее величина составляет 0,4764, при гексагональной - 0,2595, а при тетраэдрической -0,6599.
Нами проведены исследования, направленные на установления зависимости между пористостью каркаса и временем, необходимым для его пропитки. При выполнении исследований рассматривались каркасы на основе полимерного вяжущего, в которых в качестве заполнителей применялись стеклянные шарики размером 10 мм. Было выбрано три типа укладки заполнителей - тетраэд-рическая, кубическая и хаотичная. В качестве пропиточной матрицы был использован цементно-песчаный раствор состава 1:3 по массе с В/Ц=0,6. Пропитку каркаса осуществляли на лабораторном вибростоле с частотой 50 Гц и амплитудой 0,4 мм. Признаком её окончания служило достижение матрицей низа формы. По результатам испытания построены графические зависимости (рис. 3.1). Из графиков следует, что в случае применения каркасов с гексагональной упаковкой заполнителей время пропитки увеличивается в 2 и 4 раза по сравнению соответственно с каркасом с хаотичной и с кубической укладкой.
Получение каркасов на цементных, битумных и полимерных связующих
Крупнопористые бетоны довольно широко применяются в строительстве. В настоящее время в их изучении накоплен значительный материал: установлены основные закономерности структурообразования, технология изготовления бетонов и строительных изделий на их основе [52,100,183]. Крупнопористый бетон в каркасных композитах является каркасом. Его свойства во многом определяют свойства всего каркасного композита в целом.
Для цементных каркасных композитов наиболее эффективными с точки зрения получения бетонов оптимальной структуры является применение каркасов на цементном вяжущем. Их прочность определяется содержанием и прочностью клея. Отмечается, что прочностные свойства цементных каркасов можно улучшить за счет добавления в клеевой состав микронаполнителя. При его введении увеличивается толщина оболочки цементного камня на зернах заполнителя. В качестве таких добавок предложено использовать ОПФ, шлаки, золы, отходы обогащения удобрений [100,105].
Нами проведены исследования прочностных свойств каркасов на портландцементе марки 400 Алексеевского цементного завода с микронаполнителями. В качестве микронаполнителей применялся стеклобой - отход производства Саранского электролампового завода.
В результате испытания образцов, составленных на керамзите и гранитном щебне фракции 5 - 10 мм, установлено повышение прочности каркаса в 1,1 и 1,06 раза соответственно при замене 10 % цемента порошком стеклобоя (рис.4.1). ч і
Зависимость изменения прочности при сжатии каркасов на цементном вяжущем от количества наполнителя: 1 - на гранитном щебне; 2 - на керамзите Однако применение данной добавки приводит к увеличению водосодер-жание смеси, что исключено при введении пластификаторов и полимерных добавок.
С целью выявления зависимости свойств каркасов на цементном связующем от количественного содержания пластификатора и полимерной добавки были проведены испытания образцов на керамзите и гранитном щебне. В качестве пластификатора применялся суперпластификатор С-3, полимерной добавки - поливинилацетатная эмульсия.
Пластификатор вводился в количестве 0,25; 0,50; 0,75 и 1,0 мае. ч. на 100 мае. ч. вяжущего. Результаты испытаний показывают, что наиболее оптимальным является применение суперпластификатора в количестве 0,75 и 0,5 % от массы цемента соответственно для каркасов на гранитном щебне и керамзите. Введение добавки способствует повышению прочности в среднем в 1,6 раза для композитов на гранитном щебне и в 1,2 раза на керамзитовом гравии (рис.4.2).
Из графика видно, что влияние пластификатора на свойства каркасов с плотным и пористым заполнителем различно. Если в случае применения плотных заполнителей, прочность каркаса резко увеличивается, то у каркасов на пористых заполнителях это повышение незначительно, а при большом содержании добавки она резко падает. Введение пластификатора приводит к снижению вязкости связующего. Это обуславливает лучшее смачивание поверхности заполнителей. В случае применения пористых заполнителей, клей низкой вязкости впитывается заполнителем и его количество недостаточно для прочного склеивания заполнителей. Этим объясняется снижение прочности каркасов на керамзите при повышенном содержании пластификатора. Полимерную добавку вводили в количестве 1, 2, 3 и 4 мае. ч. на 100 мае. ч. вяжущего. Данные проведенных исследований показывают, что применение ПВА способствует повышению прочности при изгибе в 2,8 и 1,35 раза и прочности при сжатии в 1,35 и 1,25 раза соответственно для каркасов на гранитном щебне и керамзите.
Полимер, заполняя оставшиеся пустоты между зернами цемента, улучша ет связь между вяжущим и заполнителем, что и проводит к повышению проч ности. Улучшение происходит до тех пор, пока количество полимера не превы сит общий объем имеющихся пустот. В результате чего частицы цемента пол ностью или отчасти обволакиваются толстым слоем полимера и прочность сце пления будет ослаблена, Для покрытий пола эффективным является применение каркасов, составленных с помощью термопластичных связующих, в частности битума. На сегодняшний день в строительстве применяются различные марки битумов. Поэтому необходимо установить, какие из них являются наиболее приемлемыми для получение каркасных композитов. С этой целью нами проведены исследования прочностных свойств каркасов, составленных на дорожном битуме марки БНД 40/60 и строительных битумах марок БН 70/30 и БН 50/50.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что за счет примене ние битумов различных марок можно направленно регулировать прочностные свойства каркасов (рис. 4.4). Наилучшими свойствами обладают каркасы на строительных битумах марок БН-70/30 и БН-50/50. Композиты на дорожном битуме имеют малый предел прочности, как при изгибе, так и при сжатии. Вы звано это вероятнее всего тем, что вязкий дорожный битум имеет недостаточ ное сцепление с зернами заполнителя, что и приводит к ухудшению свойств каркасов,
Средняя плотность и теплотехнические свойства
Для повышения теплозащиты зданий новыми требованиями предусматривается увеличение термического сопротивления стенового ограждения на втором этапе внедрения в 1,8 раза. Данная задача может быть эффективно решена за счет перехода к многослойным ограждающим конструкциям с применением эффективного утепляющего слоя. В последние годы в России были разработаны конструктивные решения трехслойных стеновых панелей с утеплителем из пенополистирола, которые включают в себя внутренний несущий и наружный защитные слои из керамзитобетона, соединенных между собой гибкими металлическими или жесткими бетонными связями. Однако эффективность таких стеновых материалов недостаточно высокая, т.к. их изготовление сопровождается значительными материальными и трудовыми затратами, пенополи-стирол является дефицитным и дорогостоящим теплоизоляционным материалом, для соединения слоев между собой используются дефицитные и дорогостоящие легированные стали. Кроме того, производственный опыт показал, что при выпуске таких конструкций требуется вносить значительные изменения в существующие технологические линии заводов ЖБИ.
Теплотехнические свойства стеновых конструкций можно улучшить за счет изготовления их по каркасной технологии. В этом случае материал максимально наполняется пористым заполнителем. Более эффективны конструкции трехслойного поперечного сечения. Технология их изготовления изложена в главе 3. Теплотехнические свойства композитов трехслойного поперечного сечения можно в широких пределах регулировать за счет выбора материала среднего и внешних слоев, а также их толщины.
Экспериментальные исследования проводились согласно методике, приведенной в главе 2. Испытывались по три предварительно высушенных образца каждого состава. Всего было изготовлено три серии образцов, представляющих собой слои ограждающей конструкции: наружный плотный слой, внутренний плотный слой и средний слой на основе крупнопористого бетона. Крупнопористый бетон готовили по общепринятой технологии, а плотный и наружный и внутренний слои следующим образом: изготавливали крупнопористый бетон на основе применяемых заполнителей, затем каркас пропитывался цементно-песчаным раствором состава 1:1 (цемент:песок) - для внутреннего слоя и состава 1:3 - для наружного слоя. Из таблицы 5.3. видно, что коэффициент теплопроводности конструкций существенно зависит от природы крупного заполнителя. Лучшие теплотехнические свойства характерны для композитов с керамзитом и кирпичным боем. В случае применения гранитного и известнякового щебня этот показатель возрастает соответственно в 1,4 и 1,2 раза.
На величину коэффициента теплопроводности трехслойной стеновой панели оказывает влияние и плотность крайних слоев. Испытания показали (данные приведены в таблице 5.3), что наилучшими теплотехническими свойствами обладают композиты, пропитанные матричной композицией состава 1:1. При использовании матрицы состава 1:3 показатель коэффициента теплопроводности возрастает в 1,2 раза.
Снизить плотность и теплопроводность крайних слоев возможно за счет применения поризованных пропиточных матричных составов и применения наполнителей и заполнителей пониженной плотности.
Поризация цементных систем достигается различными способами: - затворением формовочной смеси избыточным количеством воды; - предварительным получением пены и последующей ее минерализацией твердыми частицами; - насыщением формовочной массы пузырьками газа; - вспучиванием массы за счет реакций газообразования; - наполнением смеси воздушными пузырьками за счет вовлечения воздуха при интенсивном перемешивании в присутствии воздухововлекаю-щей добавки (ВВД).