Введение к работе
Актуальность проблемы. В Российской Федерации стабильно увеличиваются объемы строительства из сборного и монолитного железобетона, что требует повышения качества и объема выпуска искусственных пористых заполнителей.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом легкие конструктивные бетоны на пористых заполнителях нашли широкое применение в несущих конструкциях различного назначения, причем не только в гражданском, но и промышленном строительстве, в таких специальных областях, как судо- и мостостроение, гидротехническое и сейсмостойкое строительство. Такие конструкции успешно эксплуатируются в тяжелых условиях, когда они подвергаются воздействию попеременного замораживания и оттаивания, увлажнения и высушивания, агрессивных солевых растворов и др. факторов. Керамзитобетон по сравнению с обычными тяжелыми бетонами имеет ряд существенных преимуществ по морозостойкости, деформативности и теплоизоляционной способности. При одинаковой прочности при сжатии керамзитобетон в сравнении с тяжелым бетоном имеет меньшую среднюю плотность на 25-30 %, что позволяет снизить транспортные и монтажные затраты до 35 %, эксплуатационные нагрузки - до 30 %.
Эффективность использования керамзитового гравия в конструктивном керамзитобетоне класса В 12,5 и выше, особенно в специальных бетонах, снижается из-за его неоднородности, вызванной качеством сырья и технологическими факторами. В керамзитобетоне структура растворной части складывается под воздействием пористого заполнителя, роль которого не ограничивается лишь влиянием на степень адгезионного взаимодействия в контактной зоне. Он оказывает более глубокое влияние на процессы структурообразования и физико-механические свойства керамзитобетона.
Решение вопроса об использовании и увеличении объема производства искусственных пористых заполнителей, в основном керамзита и изделий на их основе, является актуальным.
Специфика свойств исходных материалов и легкобетонных смесей позволяет ориентировать технологию изделий на ступенчатый характер подготовки составляющих компонентов бетонной смеси.
Работа посвящена исследованию технологических процессов легких бетонов, структурообразования смеси, особенностей свойств их компонентов с целью получения бетона высокого качества и решения вопросов энерго- и ресурсосбережения.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ Академии наук РФ по проблеме «Физико-химические основы получения новых строительных материалов на минеральных вяжущих» (2.23.6), планами НИР Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) на 1999-2001 гг.
Отдельные разделы выполнялись в объеме гранта Минобразования РФ по приоритетным направлениям науки и техники высшей школы, код проекта 02.01.103 «Теоретические и технологические основы получения пеногазобетона низкой плотности с применением активных минеральных наполнителей» 2003-2004IT.
Цель работы и задачи исследований. Цель работы — создание методов комплексного регулирования эксплуатационных свойств бетона на пористых заполнителях путем направленного структурообразования на основе учета свойств пористого заполнителя и протекающих физико-химических процессов для снижения расхода энергозатрат и цемента.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
определить взаимосвязь между физико-механическими показателями керамзита исходя из особенности строения и объёма капиллярно-пористой структуры;
установить зависимость процессов структурообразования и физико-механических характеристик растворной составляющей бетона от температуры смеси, вида песка и добавок, способа перемешивания и уплотнения;
исследовать влияние капиллярных свойств пористого заполнителя на протекающие физико-химические процессы в бетонной смеси и механические свойства керамзитобетона;
установить рациональные технологические параметры приготовления пескобетона, керамзитобетона и пеногазобетона на активированных компонентах с использованием многофакторного эксперимента;
разработать технологические регламенты предложенных решений на производство строительных изделий из легких бетонов на активированных компонентах с применением элементов раздельной технологии легкобетонных смесей;
провести опытно-производственную проверку результатов исследования предложенных новых технологических приёмов и определить их техническую и экономическую эффективность.
Научная новизна работы:
механические свойства керамзита и интенсивность его взаимодействия с компонентами бетонных смесей определяются в основном его капиллярно-пористой структурой и фазово-минеральным составом порообразующих перегородок. Результаты рентгенофазового и ультразвукового импульсного исследования показывают, что при средней плотности керамзита от 0,5 до 0,8 г/см3 его фазово-минеральный состав представлен в основном стекловидной массой, при большей средней плотности в нём присутствуют оплавленные минералы глин, кварца и полевого шпата. Керамзит со средней плотностью гранул 1,1-1,4 г/см3 имеет общую пористость, равную 0,36 см /г, и эффективный радиус пор 0,5-0,6 мкм. При уменьшении средней плотности керамзита наряду с увеличением общего объёма пор уменьшается их эффективный радиус и возрастает доля мелких пор;
при твердении пескобетонных смесей максимальная температура смеси при использовании керамзитового песка достигается раньше, чем при использовании кварцевого песка. Пластическая прочность смесей и скорость распространения ультразвука в них возрастают при твердении значительно быстрее при использовании керамзитового песка, чем кварцевого. Со-
ставы на смешанном песке занимают промежуточное положение. При использовании турбулентной технологии процессы формирования и упрочнения структуры пескобетона протекают интенсивнее, при этом в большей мере они ускоряются при использовании керамзитового песка. При этом увеличивается отношение .пределов прочности бетона при изгибе и при сжатии. После повторного виброуплотнения пескобетонной смеси скорость протекания процессов гидратации и структурообразова-ния, характеризуемых температурой смеси, её пластической прочностью и скоростью распространения в ней ультразвуковых импульсов, возрастает по сравнению с однократно вибрирован-ной смесью до 5%;
методом многофакторного эксперимента установлено, что наибольшее влияние на прочность пескобетона при сжатии и при изгибе оказывает частота вращения ротора смесителя. При турбулентном перемешивании достигается наибольшая однородность смесей, повышается активность вяжущего и заполнителя, улучшаются реологические свойства, о чём свидетельствует уменьшение теплоты смачивания на 6-Ю % и увеличение концентрации новообразований на 5-8 %. Повышение прочности пескобетона составляет: на кварцевом песке - от 6 до 10 %, на смешанном - от 8 до 15 %, на керамзитовом — от 12 до 30 %;
в период приготовления керамзитобетона изменение последовательности загрузки компонентов смеси: цемента (Ц), керамзита (К), песка (П) и воды (В) в смеситель позволяет интенсифицировать процессы твердения. По сравнению с загрузкой (Ц+П+В+К) их скорость увеличивается при последовательности {[(Ц+В)+К]+П} на 5-7 % и при последовательности {[(К+В)+Ц]+Щ - на 7-Ю %. Это обусловлено изменением сорб-ционной активности керамзита и цемента. Структурообразова-ние в системе, оцениваемое по скорости распространения в ней ультразвуковых импульсов, происходит интенсивнее при использовании добавки жидкого стекла и существенно ускоряется при турбулентном перемешивании и повторном виброуплотнении смесей;
установлено, что максимальное водопоглощение керамзита наблюдается при обычном перемешивании смеси без корректирующих добавок при загрузке компонентов по схеме (Ц+В+П+К) и составляет 36-38% от количества воды затворе-ния, что способствует миграционному процессу и, как следствие, увеличению деструктивных процессов в контактной зоне «заполнитель - цементный камень»;
при изготовлении пеногазобетона оптимальная температура воды затворения составляет от 21 до 25С. При использовании керамзитового песка оптимальное водотвёрдое отношение равно 0,43, при этом средняя плотность материала составляет 500-520 кг/м3, а диаметр расплыва смеси 330+10 мм. Оптимальной схемой приготовления смеси является: растворная смесь+пена+алюминиевая суспензия. При этом может быть получен пеногазобетон со средней плотностью 400-500 кг/м3 общей пористостью 80-83 % пор.
Объектом исследований является технология строительных изделий из легких бетонов на цементном вяжущем, в том числе составы, технологические способы, процессы струк-турообразования и уплотнения бетонной смеси с обеспечением требуемого уровня качества получаемого бетона.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
разработаны составы и технология бетонных смесей, согласно основным принципам полиструктурной теории о направленном структурообразовании композиционных материалов на различных структурных уровнях, основанные на повышении активности компонентов смеси путем применения элементов раздельной технологии;
установлены параметры интенсивной раздельной технологии песко-, керамзито- и пеногазобетонной смесей, включающие комплекс технологических переделов по активации компонентов смеси, которая позволяет улучшить физико-механические показатели бетонов на 30-40%;
разработан новый запатентованный механохимический способ поризации кремнеземвяжущей смеси;
технологические параметры и составы для получения песко-, керамзито и пеногазобетона апробированы в заводских условиях на ОАО «Завод железобетонных изделий» и,О АО «Завод трансжелезобетон» (г. Сургут); ОАО «Завод сборного железобетона №7», ОАО «Омский комбинат строительных конструкций» и ОАО «Завод сборного железобетона №6» (г. Омск); ООО «Стройдеталь» на базе Государственного унитарного предприятия «Учалинский ЗЖБИ» Республики Башкортостан (г. Учалы); ОАО «Комбинат строительных материалов» (ст. Лузине, Омская область);
составлены технологические регламенты на приготовление керамзитобетонной смеси по интенсивной раздельной технологии; технологические карты по изготовлению бетонных и железобетонных конструкций из пескобетона, керамзитобето-на и пеногазобетона; разработаны технологические регламенты;
результаты исследований внедрены в учебный процесс в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) и Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по следующим курсам: технология бетрна и железобетона, проектирование предприятий для производства сборного железобетона.
Автор защищает:
рекомендации по комплексному технологическому регулированию эксплуатационных свойств легкого бетона путем его направленного структурообразования на основе учёта свойств, пористого заполнителя, протекающих физико-химических процессов в бетонной смеси с применением элементов раздельной технологии;
данные о тепло- и влагопереносе в системе «пористый заполнитель - растворная фаза бетона» в зависимости от технологических переделов приготовления бетонной смеси;
результаты исследования зависимости между физико-механическими свойствами гранул керамзита и процессом мик-ротрещинообразования и их разрушения при объемном сжатии;
результаты экспериментальных исследований пескобе-тона, керамзитобетона и пеногазобетона при комплексном технологическом регулировании их свойств;
рекомендации по практической реализации и результаты опытно-промышленной проверки, подтверждающие основные теоретические и экспериментальные выводы проведённых исследований;
- технико-экономическую эффективность рекомендуе
мых составов и технологии приготовления пескобетона, керам
зитобетона и пеногазобетона.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях регионального, всероссийского и международного рангов в городах Омске, Москве, Новосибирске, Пензе, Новокузнецке, Старом Ос-коле.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 43 научных работах, из которых 13 - во всероссийских журналах с внешним рецензированием; получен патент Российской Федерации; выпущены 3 учебных пособия объемом 40,75 п. л., рекомендованные Новосибирским региональным отделением УМО вузов Российской Федерации по образованию в области строительства для использования в учебном процессе по направлению «Строительство».
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 245 страниц текста, 32 таблицы, 58 рисунков, список литературы из 237 наименований и 7 приложений.
