Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературных данных 9
1.1 Общие сведения о разновидностях шлаков, их отличия, область изученности 9
1.2 Теоретические предпосылки к использованию шлаков, содержащих ортосиликат кальция, в качестве вяжущих веществ. Классификация шлаков. Возможность применения шлаков в зависимости от подверженности силикатному распаду 14
1.2.1 Теоретические предпосылки к использованию шлаков, содержащих ортосиликат кальция, в качестве вяжущих веществ 14
1.2.2 Классификация шлаков 19
1.2.3 Возможность применения шлаков в зависимости от подверженности силикатному распаду 21
1.3 Разновидности использования шлаков как основного компонента неорганических вяжущих 24
1.4 Основания автомобильных дорог из шлакоминеральных смесей 34
Выводы по главе 38
2. Методика экспериментальных исследований и свойства исследуемых материалов 39
2.1 Методика экспериментальных исследований 39
2.2 Методика обработки экспериментальных данных 43
2.3 Химический состав и технологические свойства материалов 46
2.4 Фазовый состав отвальных электросталеплавильных шлаков ОЭМК 53
Выводы по главе 56
3. Исследование вяжущих свойств шлаков ОЭМК 57
3.1 Формулировка рабочей гипотезы исследований 57 .
3.2 Обоснование и разработка способов активации отвальных электросталеплавильных шлаков ОЭМК 60
3.3 Синтез гидратных новообразований шлакового камня и шлако- известкового вяжущего на его основе 72
Выводы по главе 77
4. Исследование композиционных материалов на основе ШИВ 79
4.1 Обоснование выбора материалов, принятых для исследования 79
4.2 Влияние состава и свойств минерального заполнителя на процессы взаимодействия со шлакоизвестковым вяжущим 81
4.3 Структурно-прочностные свойства мелкозернистых бетонов на основе ШИВ 84
4.4 Эксплуатационные характеристики мелкозернистых бетонов на основе ШИВ 90
Выводы по главе 100
5. Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в производство и их экономическая эффективность 101
5.1 Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в производство 101
5.2 Экономическая эффективность результатов разработки НО
Выводы по главе 114
Основные выводы 115
Литература 117
Приложения 131
- Теоретические предпосылки к использованию шлаков, содержащих ортосиликат кальция, в качестве вяжущих веществ
- Химический состав и технологические свойства материалов
- Синтез гидратных новообразований шлакового камня и шлако- известкового вяжущего на его основе
- Структурно-прочностные свойства мелкозернистых бетонов на основе ШИВ
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время актуальным направлением в развитии дорожной сети России является строительство укрепленных конструкций дорожных одежд, которые позволяют повысить сроки службы и обеспечить высокие транспортно-эксплуатационные свойства автомобильных дорог. При этом в качестве вяжущих материалов для снижения себестоимости строительства подобных инженерных сооружений целесообразно применять отходы промышленности. В России имеется большое количество предприятий черной металлургии, на которых в зависимости от технологии производства металла, в больших количествах образуются шлаки различного состава и свойств.
Свойства доменных шлаков исследованы достаточно полно, поэтому они широко используются в строительстве, в том числе и автомобильных дорог. Однако большая группа металлургических предприятий, таких как Череповецкий, Тульский, Новолипецкий, «Амурсталь», Верх-Исетский, Оскольский и т. д., при производстве основной продукции образуют электросталеплавильные шлаки, свойства которых резко отличаются от шлаков доменного производства. Такие шлаки в связи со слабой изученностью не находят широкого производственного применения, поэтому на этих предприятиях скопились огромные запасы негранулированных саморассыпающихся шлаков. Так, например, на территории Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) Белгородской области в отвалах скопилось более 5 млн. т. шлаков, при ежегодном увеличении их количества на 400 тыс. тонн.
До настоящего времени не разработаны научные основы, учитывающие особенности гранулометрического и химического составов сталеплавильных шлаков ОЭМК, которые позволили бы обоснованно проектировать и строить различные конструктивные слои дорожных одежд.
В связи с выше изложенным, данная работа посвящена проблеме разработки эффективных вяжущих материалов из вторичных продуктов на основе саморассыпающихся металлургических шлаков для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог.
Цель работы заключается в научном обосновании и разработке композитов с использованием основных сталеплавильных отвальных шлаков черной металлургии, технологии их производства и применения в дорожном строительстве.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
уточнение минерального состава отвальных шлаков черной металлургии на примере шлаков ОЭМК;
обоснование способов активации сталеплавильных основных саморассыпающихся шлаков ОЭМК, учитывая особенности его фазового состава;
разработка рациональных составов шлаковых вяжущих при различных сроках твердения и дозировке активатора;
разработка технологии производства мелкозернистых бетонов на основе шлакоизвестковых вяжущих (ШИВ) и применения их для устройства укрепленных оснований автомобильных дорог;
обоснование технологических режимов уплотнения разработанных мелкозернистых бетонов;
- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна. Получены новые данные о фазовом составе отвальных шлаков ОЭМК как текущего выхода, так и хранившихся в отвалах в течение 3-4 лет. Доказано существование в шлаках ОЭМК бредигита, ларнита и геле-нита, что позволяет разработать на их основе эффективные дорожностроительные материалы.
Установлено, что в основном шлаке ОЭМК без добавок активатора наблюдается гидратация геленита с образованием гидрогеленита, отличающегося недостаточными связующими свойствами. Ввод 10% гидроксида кальция позволяет стабилизировать состав высокоосновных волокнистых гидросиликатов кальция CSH - II, обладающих повышенной водо- и морозостойкостью, активизировать гидратацию геленита, вызывая синтез гидрогранатных фаз, которые в комплексе с гидросиликатами кальция способствуют повышению прочности шлакоизвесткового камня. Указанные данные явились теоретической предпосылкой к разработке рационального состава ШИВ;
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены в соответствии с теорией синтеза прочности технологические режимы формирования мелкозернистых бетонов на основе ШИВ.
Практическое значение работы. Предложена рациональная область использования ранее не востребованных крупнотоннажных отходов сталеплавильной промышленности - отвальных шлаков и извести; составлены рекомендации по их использованию в качестве сырьевых компонентов при производстве бетонов для дорожного строительства.
Разработанные составы мелкозернистых бетонов на основе ШИВ существенно расширяют ассортимент материалов, используемых в дорожном строительстве, и снижают стоимость строительства автомобильных дорог.
Разработана технология производства мелкозернистых бетонов на основе активированных саморассыпающихся отвальных шлаков ОЭМК с использованием действующего оборудования и производственных мощностей асфальтобетонных заводов.
На основе установленных особенностей формирования структуры твердения мелкозернистых бетонов, содержащих шлакоизвестковое вяжущее и заполнитель из кварцитопесчаника, рекомендованы рациональные технологические режимы формирования слоев укрепленных дорожных оснований, позво-
ляющие обеспечить высокие эксплуатационные характеристики автомобильных дорог при минимальных затратах на их строительство. На защиту выносятся:
новые данные о фазовом составе основных саморассыпающихся шлаках ОЭМК и продуктов их гидратации;
особенности гидратации и фазообразования шлака ОЭМК с известковым активатором в различные сроки твердения;
рациональные составы мелкозернистых бетонов для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог на основе шлаков ОЭМК и технология их производства;
- обоснование рациональных технологических режимов уплотнения до
рожных оснований из разработанных материалов.
Внедрение результатов исследований.
Результаты работы внедрены при строительстве подъездной автомобильной дороги в г. Белгороде.
Для широкомасштабного использования результатов научно-исследовательской работы при строительстве и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие нормативные документы:
технические условия на «Смесь из отсевов дробления щебня, обработанная шлакоизвестковым вяжущим». ТУ 5717-009-02066339-2002;
технологический регламент на «Изготовление смесей из отсевов дробления щебня, обработанных шлакоизвестковым вяжущим».
Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 291000 - Автомобильные дороги и аэродромы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были изложены на Международной научно-практической конференции «Качество,
безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века» (Белгород, 2000); Всероссийской XXXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2001); Седьмые академические чтения РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Белгород, 2001); Международная научная конференция «Опыт и проблемы современного развития дорожного комплекса Украины на этапе вхождения в Европейское сообщество» (Харьков, 2002).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных статей.
Объем и структура диссертации. Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова на кафедре «Автомобильные дороги и аэродромы».
Автор выражает благодарность научному руководителю: профессору Г.С. Духовному, а также всем сотрудникам кафедр АДА и СМиК, за поддержку и помощь при выполнении работы.
Диссертация состоит из введения, 5- глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 147 наименований, и приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 29 таблиц, 24 рисунка, 3 приложения.
Теоретические предпосылки к использованию шлаков, содержащих ортосиликат кальция, в качестве вяжущих веществ
В настоящее время в производстве вяжущих материалов используются различные техногенные отходы промышленности, к которым относятся и металлургические шлаки. Минералогический состав шлаков напрямую зависит от того, гранулированный шлак или нет. От этого зависит возможность его использования в промышленности строительных материалов.
Большинство гранулированных шлаков в настоящее время потребляется цементной промышленностью, которая использует примерно 80% всех имеющихся ресурсов гранулированной шлаковой продукции [59]. Вторым основным направлением применения гранулированных шлаков является получение шла-кощелочных вяжущих и бетонов на их основе [3, 92, 143, 125, 68, 29]. Существуют и другие возможности использования шлаков, основанных на различных способах активации и твердения шлаков [102, 105].
Все эти способы утилизации отходов достаточно изучены и не вызывают вопросов в их применении в отличие от негранулированных шлаков.
Ортосиликат кальция - минерал, часто встречающийся в портландцементе ив металлургических шлаках, в результате инверсии одной модификации в другую, более устойчивую при данной температуре, происходит изменение физических свойств. Переход Р - C2S в у - форму сопровождается значительным изменением объема [130].
Образующийся при охлаждении шлака ОЭМК у - ортосиликат кальция практически инертен по отношению к воде в нормальных условиях [131]. К тому же обычно значительное количество присутствующего в шлаке MgO кристаллизуется в периклаз, который дает при гидратации значительное увеличение в объеме, почти всегда приводящий к разрушению цементного камня [15].
Самой существенной проблемой использования негранулированных шлаков является присутствие в них гидравлически неактивного у - ортосиликата кальция. Вызывает закономерный интерес причина этого модификационного перехода. Схема полиморфных изменений ортосиликата кальция, по данным Тромеля, Тикса и Хайнке представлена на рисунке 1.1 [132]. По исследованиям авторов, переход у - C2S в а - C2S протекает в большом интервале температур, 740...880С, что авторы объясняют различной дис персностью частиц. Чистый C2S при охлаждении от 1500С полностью пере % ходит в у - C2S. Неполный распад при 425С происходит в том случае, если не было предварительного а - а перехода при 1420±5С. При нагреве у - C2S до 1350С, после охлаждения до комнатной температуры, наблюдается у - C2S + Р - C2S. В последней монографии Тейлора [131] приводятся данные, свидетельствующие, что а - C2S представлен а\! - C2S и ан; - C2S (рис. 1.2). Нагревание у -C2S приводит к образованию при 780...860С aL - C2S, которая в свою очередь при нагревании до 1160С переходит в ан7 - C2S, а последняя при 1425С в а - C2S. При охлаждении процесс протекает в обратном порядке: при 1425С а - C2S переходит в а - C2S, которая при 1160С переходит в aLf - C2S, а последняя при 630...680С в Р - C2S, которая при температуре менее 500С переходит в у - C2S. Р - C2S, полученная при охлаждении из aL; - C2S, может при нагревании до 690С совершать обратный переход в aj/ - C2S. По данным Моранвиль - Регура и Бойковой, между комнатной температурой и 1500С существует пять полиморфных модификаций с различными температурными пределами стабильности при нагревании и охлаждении. Нагревание: у - C2S- 725-860С- a L - C2S- 1160С- а н - C2S- 1425С - a -C2S. Охлаждение: a - C2S-»1420C - о!н - C2S- 1160C - o!L - C2S - 650C - p - C2S — 500C - у - C2S. Превращения P - у и у - a!L, по мнению авторов, необратимы [84]. Полиморфизм ортосиликата кальция, по данным Гржимека, представлен в таблице 1.1 [129].
По данным авторов [133] при быстром охлаждении высокотемпературная модификация а - C2S не образует устойчивых, хорошо развитых кристаллов типа о! - C2S, а переходит в (3 - C2S. Однако повторный нагрев до 1400С вызывает постепенное образование устойчивых кристаллов а/ - C2S, которые уже не могут переходить в Р - C2S при прежней температуре, и при дальнейшем охлаждении переходят в у - C2S.
По данным [17] высокотемпературные модификации двухкальциевого силиката (а- и а -) встречаются в шлаках весьма редко и в незначительном количестве. Вяжущие свойства их изучены слабо. Однако следует полагать, что в условиях водотепловой обработки эти модификации благодаря их неустойчивости способны к гидратации подобно (3 - C2S.
Основной составляющей электросталеплавильных шлаков является ортоси-ликат кальция в гамма - модификации. Ранее считалось, что при нормальной температуре гамма - модификация ортосиликата кальция является стабильной и самостоятельными гидравлическими свойствами не обладает. Однако работами П. П. Будникова и Р. Д. Азелицкой [8] было доказано, что чистый у 18 при затворении водой и хранении во влажной среде подвергается гидратации с выделением гелевидных новообразований, очевидно гидросиликатов кальция. Было установлено также, что присутствие Р - 2СаО SiC 2 ухудшает процесс твердения у - 2СаО SiC 2 и снижает прочность образцов. Авторы предполагают, что отрицательное действие Р - модификации обусловлено повышением концентрации СаО в жидкой фазе за счет отщепления гидрата окиси кальция при частичном гидролизе, препятствующего гидратации более устойчивой у - модификации. В свою очередь повышению скорости твердения способствуют растворы солей-электролитов [116], а также увеличение концентрации кремнекислота за счет введения активных добавок.
В статье [70] говорится о том, что основная проблема переработки шлака ОЭМК состоит в содержании им крупнокристаллического оксида магния, гидратация которого протекает очень медленно в заформованных изделиях, с увеличением объема и приводит к разрушению - браку. Авторы предлагают для ускорения гидратации крупнокристаллического оксида магния производить помол шлака ОЭМК в присутствии жидкости, так как процесс разрушения кристаллической решетки протекает с большей скоростью вследствие адсорбционного понижения прочности. Отмечается, что при измельчении шлака в водной среде происходит не только диспергирование, но и частичная гидратация MgO; степень гидратации особенно увеличивается в присутствии оксида кальция. Это положительно сказывается на активности получаемого вяжущего. Чем выше удельная поверхность шлака, тем в большем количестве гидратируется перик-лаз.
Химический состав и технологические свойства материалов
Дорожные основания из отвальных шлаков устраивали в Донбассе с 1929-1930 г. Но наиболее широко их стали применять после Великой Отечественной войны и в других регионах страны. Так, по инициативе инж. М.А. Мили-кяна в 1945-1946 гг. дорожные основания были устроены из шлака отвалов металлургических заводов Тульской обл. В течение 3-4 лет убедились, что при интенсивном грузовом движении на одной из автомобильных дорог в районе г. Тулы дорожные одежды с асфальтобетонным покрытием находились в отличном состоянии. Этот опыт, проанализированный А. Я. Тулаевым и Ф. С. Климашевым, позволил с 1948-1949гг. широко рекомендовать металлургический шлак для дорожных оснований [22, 65].
По данным [147] в нижние слои основания на толщину 0,5-1,5 м было уложено до 50 тыс. тонн электросталеплавильных шлаков из местных отвалов. Проверка несущей способности слоев в процессе эксплуатации показала вполне допустимые значения.
Шлакоминеральные основания представляют собой конструкции, устраиваемые из смеси шлака различных фракций, имеющих природную активность, или получаемые из различных каменных материалов (щебень, гравий, песок), обработанных шлаковым вяжущим.
Строительство оснований дорожных одежд с точки зрения оптимизации выбора материала, конструкции и технологии строительства представляет собой типичный пример сложной системы, функционирующей в условиях действия большого количества факторов. Оптимизация выбора материала и способа строительства заключается в минимизации суммарных приведенных затрат, энергозатрат и трудозатрат на сооружение основания с использованием метода системного анализа [128].
Исходя из оптимальных критериев, дорожная одежда и ее основание как составной элемент должны быть экономичными и служить заданный срок времени, т.е. обладать требуемой долговечностью при воздействии проезжих транспортных средств и климатических факторов. Способность выдержать воздействие подвижной нагрузки определяют выбором требуемой прочности материала, его модуля упругости и расчетом толщины конструкции основания. Воздействие климатических факторов учитывают выбором требуемой марки морозостойкости материала.
Наиболее шлакоемким направлением использования шлаковых вяжущих является укрепление щебеночных оснований и грунтов при строительстве автомобильных дорог. Основания с использованием шлаковых вяжущих устраивают на дорогах всех категорий во II-V дорожно-климатических зонах.
К наиболее распространенными конструкциями оснований с использованием шлаков относятся конструкции из щебня, гравия, песка или грунта, обработанные шлаковым вяжущим (шлакоминеральные). Шлакоминеральные основания позволяют использовать местные сравнительно малопрочные каменные материалы. Эти конструкции представляют бесшовную гибкую плиту с высокой распределяющей и несущей способностью. Как отмечают авторы [60] основания из материалов, обработанных шлаковыми вяжущими, обладают значительно меньшей склонностью к трещинообразованию, так как в подобных материалах усадочные напряжения не возникают из-за отсутствия быстрого процесса твердения. Большая дозировка шлаковых вяжущих облегчает процесс перемешивания и позволяет значительно улучшить однородность смеси. Для этих материалов требуется меньшая точность дозировки воды [ПО].
По сравнению с бетонными покрытиями в основаниях из каменных материалов, обработанных неорганическими вяжущими, продольные и поперечные швы сжатия и расширения не устраивают.
Прочность обработанного материала с подобранным составом каменных материалов в значительной степени зависит от содержания вяжущего, который заполняет пустоты между зернами песка и гравия (щебня), обволакивает зерна каменного материала и создает монолитный материал.
Наиболее широкие работы по влиянию количества вяжущего на прочность обработанных материалов проведены группой авторов В.А. Шильниковым, А.П. Кузнецовым, Ф. П. Климашовым, И.З. Духовным и др.
Основными климатическими факторами, определяющими долговечность материала, являются попеременное увлажнение - высушивание и замораживание - оттаивание, а также совместное действие этих факторов. Морозостойкость материалов, обработанных шлаковым вяжущим без активаторов, рекомендуется определять в возрасте 180 суток. В 180 суточной смеси, содержащей 10...20% шлакового вяжущего с удельной поверхностью 100...300 м /кг, выдерживают 15...25 циклов попеременного замораживания - оттаивания при коэффициенте морозостойкости 0,8...0,9. В возрасте 360 суток смеси, содержащие 10...20% шлакового вяжущего с удельной поверхностью 200...300 м /кг, выдерживают 50 циклов попеременного замораживания - оттаивания.
Прочность и рост прочности шлакоминеральных материалов в более ранние сроки можно повысить введением в смесь активатора - извести. Наиболее широко ее применяют во Франции благодаря исследованиям Центральной лаборатории мостов и дорог; широко исследовали такой материал также в Гос-дорнии и других организациях. Для уточнения составов шлакоминеральных материалов были проведены специальные работы. Результаты проведенных работ со шлаками нескольких металлургических заводов позволили определить ориентировочные составы вяжущего (шлака и извести) для получения шлакоминеральных материалов с заполнителем из песчано-гравийной смеси в возрасте 28 суток, которые приведены в табл. 1.5.
Синтез гидратных новообразований шлакового камня и шлако- известкового вяжущего на его основе
На рисунке 3.5 показана зависимость начальной скорости, коэффициента корреляции и коэффициента торможения от содержания извести. На основе этих данных можно сделать следующие выводы: - при вводе извести в количестве от нуля до десяти процентов начальная скорость твердения шлакоизвесткового вяжущего возрастает практически линейно. При дальнейшем увеличении дозировки извести до 15% начальная скорость стабилизируется на одном уровне и не растет. Из этого следует практический вывод, что дозировка извести 10% является оптимальной дозировкой, обеспечивающей наибольшую прочность, как при сжатии, так и при изгибе в начальные сроки твердения; - коэффициент торможения при вводе извести в количестве от нуля до десяти процентов достаточно резко падает при испытании на сжатие от 0,608 МПа"1 до 0,225 МПа 1, а при испытании на изгиб - от 5 МПа"1 до 1,1 МПа"1, отсюда следует, что прочность шлакоизвесткового вяжущего в поздние сроки (шесть месяцев) твердения, достаточно сильно возрастает с ростом дозировки извести до пятнадцати и более процентов; - коэффициент корреляции, как видно из рисунка 3.5, плавно возрастает при изменении дозировки извести от 0 до 10%. При дальнейшем увеличении извести в составе шлакоизвесткового вяжущего от 10% до 15%, рост коэффициента корреляции незначителен. Из этих данных следует практический вывод о том, что добавка извести в интервале 5 — 15% резко увеличивает стабильность свойств шлакового камня, что и предполагалось нами при обосновании рациональных составов. Оптимальное содержанием извести в разработанном шлакоизвестковом вяжущем составляет 10%.
Марку полученного шлакоизвесткового вяжущего определяли по методике, изложенной в ГОСТ 3344-83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства». Активность ШИВ при оптимальном содержании извести 10%, как видно из рис. 3.3, через 90 суток гидравлического твердения составила 5,2 МПа. Таким образом, при активации шлака ОЭМК отвальной известью в 90-суточном возрасте получено низкомарочное вяжущее марки 50, которое может быть использовано для обработки щебеночных оснований автомобильных дорог. Проведенный литературный обзор позволил установить, что для получения обработанного материала марки М20 необходимо использовать вяжущее по ГОСТ 3344-83 марки 50, а для получения обработанного материала марки М40 - вяжущее марки 100.
Для уяснения влияния количества извести, содержащейся в ШИВ, на его физико-механические свойства определялись коэффициенты водостойкости вяжущего, как отношение предела прочности водонасыщенных образцов к пределу прочности сухих образцов в возрасте 28 и 90 суток. Результаты определения прочности на сжатие и на растяжение при изгибе сухих образцов, а также коэффициентов водостойкости в соответствующие сроки твердения приведены в таблице 3.6.
Результаты исследований, приведенных в табл. 3.1 и табл. 3.6, показывают, что полученное шлакоизвестковое вяжущее, отличается довольно высоким значением водостойкости. Рост коэффициента водостойкости, как при испытании образцов на сжатие, так и на растяжение при изгибе через 28 суток нормального твердения, объясняется увеличением средней плотности шлакоизвесткового композита при увеличении количества активатора в вяжущем с 5% до 15%. Дальнейший рост коэффициента водостойкости образцов, испытанных через 90 суток гидравлического твердения, наблюдается в результате происходящих гидратационных процессов между компонентами вяжущего. Коэффициент водостойкости образцов, твердевших в гидравлической среде 90 суток, достиг 0,83 при содержании 10% извести в вяжущем, а соотношение между Яизг/Ксж составляет 0,18...0,21, что предполагает однородность структуры полученных композитов.
В настоящей работе структура и свойства заполнителя при сопоставимом гранулометрическом составе (фракция от 15 мм до 0,071 мм) будут определяться не только минеральным составом, но и генезисом [79]. Для сравнительного исследования отсевов дробления щебня, укрепленных шлакоизвест-ковым вяжущим, целесообразно применять отсевы дробления щебня различных пород, а также полученных из отходов горнорудных предприятий. Это значит, что для исследования следует выбрать отсевы дробления щебня, полученные из различных пород и различным технологическим путем, отличающимся по технологии добычи исходного материала, а также по их физическим и химическим свойствам.
Влияние минерального состава пород, из которых изготовляют заполнитель, на прочность цементобетона в сравнительно широком масштабе впервые было исследовано Торвальдсоном, который определял прочность при растяжении растворных образцов на различных заполнителях из чистых породообразующих минералов при автоклавной обработке. Опыты Торвальдсона отчетливо показали, что при автоклавной обработке растворов прочность их при разрыве резко снижается в случае использования мелких песков из карбонатных пород.
Эти опыты подтверждают возможность установления в отдельных случаях прямой связи между минералогическим составом заполнителей и их поведением в бетоне. Однако область, на которую распространяются выводы Торвальдсона, ограничена, так как нет опытов с неавтоклавной тепловлажностной обработкой, не исследовано влияние состава заполнителей на прочность при сжатии бетонов и растворов.
Исследование возможной связи между минералогическим составом заполнителей и их поведением в бетонах проведено С.С. Гордоном. Для сравнительного исследования автором были использованы щебни, полученные традиционными технологическими способами, из нескольких горных пород, отличающихся по способу происхождения. Изучение петрографической структуры щебня и структуры поверхности разрушения, испытанных образцов выявило повышение прочности бетона на щебне из магнезита и кварца-силлиманита по сравнению с бетоном, приготовленном на щебне из гранита. Повышенную на 13-20% прочность бетона на щебне из магнезита автор относит за счет срастания магнезита с цементным камнем, о чем упоминал Тор-вальдсон. Повышенную на 12% прочность бетона на щебне из кварца-силлиманита автор объясняет отсутствием спайности в кристаллах породы, переплетением зерен кварца и волокон силлиманита, а также возможно повышенным сцеплением силлиманита с цементным камнем.
В экспериментах проведенных под руководством И.А. Рыбьева [104] было установлено, что при применении в облегченном цементобетоне различных заполнителей (гранитный и известняковый щебень) изменение кубиковой прочности зависело от разновидностей заполнителя. Наилучший результат прочностных показателей был достигнут на известняковом щебне. Продолжая свои опыты, И.А. Рыбьев установил, что наибольшую прочность на растяжение при изгибе имели бетоны на известняковом щебне. Из его опытов можно заключить, что при оптимальных структурах первостепенное значение при изгибе бетона имеют не только прочность заполнителя, но и состояние поверхности, вид и форма частиц.
Структурно-прочностные свойства мелкозернистых бетонов на основе ШИВ
Это является косвенным признаком того, что при замораживании — оттаивании происходит некоторое улучшение деформативных свойств шлакового камня, некоторый рост его трещинностойкости. Эти все соображения относятся к показателям твердения в ранние сроки.
По-видимому, при замораживании — оттаивании на ранних стадиях происходит процесс адаптации структуры шлакового камня к условиям действия повышенных внутренних напряжений, обусловленных кристаллизацией льда в порах образца.
Из рис. 4.7 видно, что коэффициент торможения очень мало чувствителен к процессам замораживания - оттаивания, особенно при изгибе. В целом же изменение коэффициента торможения направлено на ухудшение прочностных показателей камня в отдаленные сроки в условиях замораживания-оттаивания. Изменение физико-механических свойств мелкозернистых бетонов на основе ШИВ в отдаленные сроки ведет к незначительному росту хрупкости полученных композитов.
Твердение ШИВ обусловлено в основном наличием в нем высокоосновных гидратных фаз и гидроксида кальция, а также продуктов его карбонизации. Эта система проявляет наилучшие связующие свойства благодаря образованию близко действующих кристаллизационно-конденсационных связей, поэтому наилучшим способом формирования структуры твердения мелкозернистых бетонов на основе ШИВ является применение низкого В/Т отношения при высоком уплотняющем давлении. Пластическое формование в этом случае неэффективно, что подтверждено в работе [30], и соответствует теории синтеза прочности в зависимости от основности гидратных фаз шлакоизвест-кового камня. Исходя из проведенных исследований, следует, что формировать структуру твердения композитов на основе ШИВ необходимо полусухим способом (прессованием), обеспечивающим максимальную плотность бетона при его оптимальной влажности.
Для конструктивных слоев дорожных одежд, укрепленных различными видами вяжущих, сравнительные исследования по изучению влияния величины уплотняющей нагрузки не проводились. Из публикаций [103, 77] известно, что при применении прессованных бетонов особенно важно учитывать реальные условия эксплуатации конструкций на стадии расчета оптимального состава. Важно ограничить высший предел прикладываемого статического усилия при прессовании. Исходя из этого, исследовалось влияние уплотняющего давления на пределы прочности мелкозернистых бетонов на основе ШИВ. Рассмотрено несколько значений уплотняющих нагрузок, определяемых техническими возможностями машин и уплотняющих механизмов.
Проведенные эксперименты показали (рис. 4.8), что рост уплотняющего давления от 20 до 30 МПа вызывает увеличение прочности при сжатии в два раза, а при изгибе в 1,5 - 1,6 раза.
При дальнейшем росте давления прессования от 30 до 40 МПа, наблюдается некоторое падение роста прочности при сжатии и стабилизация при изгибе независимо от вида заполнителя. Последнее свидетельствует о том, что причиной снижения роста прочности от 30 до 40 МПа является разрушение отдельных фракций шлака ОЭМК, который имеет предел прочности при сжатии близкий к указанной величине. Из этих данных следует важный практический вывод, что при строительстве конструктивных слоев оснований автомобильных дорог из отсевов дробления щебня, обработанных ШИВ, нет необходимости применять тяжелые катки для уплотнения данных слоев, а достаточно ограничиться легкими или средними катками, что значительно удешевляет стоимость производства работ.
Одной из важнейших характеристик деформативных свойств укрепленных материалов является модуль упругости Е, который является основным расчетным параметром шлакоминеральных материал ов[5 8].
Определение модуля упругости мелкозернистых бетонов на основе ШИВ проводили по методике [16] с учетом обобщенных данных экспериментальных работ, проведенных в Создорнии, Госдорнии, Ленфилиала Союздорнии, МАДИ и др. организаций. Согласно данной методике, расчетный модуль упругости обработанных и укрепленных материалов, находится в зависимости от прочности шлакоминеральных материалов (см. глава 2).
Как видно из данных, приведенных в таблице 4.4, модуль упругости мелкозернистых бетонов на основе ШИВ с заполнителем из отсева дробления кварцитопесчаника -1, несколько выше, чем модуль упругости бетонов на заполнителях из гранита - II и известняка - III. Очевидно, это связано с более высокими прочностными характеристиками самого отсева дробления щебня из кварцитопесчаника по сравнению с отсевами дробления щебня из гранита и известняка.
Анализируя значения прочностных и деформативных характеристик обработанных материалов на различных заполнителях, можно сделать вывод, что-модуль упругости мелкозернистых бетонов на основе ШИВ зависит от зернового и петрографического состава каменных материалов, а также от наличия или отсутствия жесткого каркаса применяемого крупного заполнителя.
Приведенные выше данные показывают, что разработанное нами шлако-известковое вяжущее обеспечивает достаточно хорошие физико-механические характеристики мелкозернистых бетонов на основе ШИВ, предназначенных для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог. Есть основание предполагать, что в процессе эксплуатации автомобильных дорог построенных из разработанных композитов в связи со специ- фичностью их эксплуатации, по крайней мере, в течение определенного достаточно длительного промежутка времени будет происходить улучшение контакта между вяжущим и заполнителем, что положительно повлияет на эксплуатационные характеристики автомобильной дороги. Это предположение основано на том, что шлакоизвестковый камень по сравнению с портландце-ментным, отличается меньшей жесткостью и большей деформативностью. С другой стороны необходимо подчеркнуть, что технология приготовления и укладки разработанного нами материала с применением дорожных катков, значительно менее технологична, чем процесс изготовления бетонных смесей с последующей их виброобработкой. В силу изложенных обстоятельств, композит на основе ШИВ будет обладать большим числом дефектов, особенно в зоне контакта между вяжущим и заполнителем. В процессе же эксплуатации автомобильной дороги, будет наблюдаться уплотнение основания автомобильной дороги под действием проезжающего транспорта, что приведет к улучшению контактной зоны между вяжущим и заполнителем и повышению прочности основания дорожного полотна в целом.
