Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи работы 13
1.1. Анализ сырьевой базы производства бесклинкерных вяжущих и бетонов на их основе 13
1.2. Теоретические основы твердения бесклинкерных вяжущих на основе техногенных отходов 23
1.3. Теоретические предпосылки получения бесклинкерных вяжущих безавтоклавного твердения и бетонов на основе совместноиз-мельченных отвальных металлургических шлаков и стеклобоя 41
Выводы изаключения по главе 1 56
2. Сырьевые материалы. Методики исследований 57
2.1. Характеристика сырьевых материалов 57
2.2. Методики исследований 60
2.2.1. Методика физико-механических исследований 60
2.2.2. Методика физико-химических исследований 68
2.2.3. Методика математического планирования эксперимента 71
2.2.4. Методика статистической обработки эксперимента 74
Выводы и заключения по главе 2
3. Экспериментальная часть 77
3.1. Изучение вяжущих свойств модифицированного бес клинкерного вяжущего 77
3.1.1. Определение оптимального состава бес клинкерного вяжущего 78
3.1.2. Оптимизация состава бесклинкерного вяжущего по технологическим параметрам 89
3.1.3. Исследование процессов гидратации и структурообразования бесклинкерных вяжущих на основе отвальных сталеплавильных шлаков, стеклобоя и модифицирующей добавки 98
3.1.4. Исследование влияния водо-вяжущего отношения на развитие микропористой структуры модифицированного бесклинкерного вяжущего 108
3.2. Исследование основных технологических параметров производства мелкозернистых бес клинкерных бетонов на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 113
3.2.1. Влияние расхода вяжущего и вида заполнителя на физико-механические свойства мелкозернистого бесклинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 115
3.2.2. Влияние режима тепловлажностной обработки на прочностные характеристики мелкозернистого бесклинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 118
3.2.3. Влияние водо-вяжущего отношения на физико-механические свойства мелкозернистого бесклинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 120
3.2.4. Влияние способа уплотнения на физико-механические свойства мелкозернистого бесклинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 125
3.3. Долговечность мелкозернистого бесклинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего ,„ 130
3.3.1. Прочностные свойства мелкозернистого бес клинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 130
3.3.2. Морозостойкость мелкозернистого бесклинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 132
3.3.3. Стойкость мелкозернистого бесклинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего к иститающим воздействиям 135
3.3.4. Стойкость мелкозернистого бесклинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего к агрессивным средам 136
3.4. Исследование коррозионной стойкости арматуры в мелкозернистом бесклинкерном бетоне на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 145
3.5. Исследование структуры мелкозернистого бес клинкерного бетона на основе модифицированного шлакостекольного вяжущего 148
Выводы и заключения по главе 3 151
4. Технология производства изделий из мелкозернистого бесклин керного бетона безавтоклавного твердения. Технико-экономическое обоснование эффективности производства 153
4.1. Основы технологии производства и применения мелкозернистых бесклинкерных бетонов безавтоклавного твердения 153
4.2. Технико-экономическое обоснование эффективности производства 159
Выводы и заключения по главе 4 167
Выводы и заключения по работе 168
Литература, приложения 170
- Теоретические основы твердения бесклинкерных вяжущих на основе техногенных отходов
- Методика математического планирования эксперимента
- Оптимизация состава бесклинкерного вяжущего по технологическим параметрам
- Основы технологии производства и применения мелкозернистых бесклинкерных бетонов безавтоклавного твердения
Введение к работе
Промышленность строительных материалов - одна из ресурсоемких подотраслей народного хозяйства. В настоящее время перехода к рыночным отношениям высокая ресурсоемкость является одним из важнейших факторов, сдерживающих развитие не только этой подотрасли, а и всего строительного комплекса. Находясь под влиянием требований строительства, промышленность строительных материалов в свою очередь воздействует на технический процесс в строительстве, активно преобразуя характер и темп строительного производства, влияя на стоимость строительных работ и всего строительного комплекса.
Известно [19,35], что затраты на материалы составляют более половины общей стоимости строительно-монтажных работ и около трети капитальных вложений в весь строительный комплекс страны. Поэтому с целью снижения затрат на капитальное строительство необходимо в первую очередь добиться существенного уменьшения затрат в производстве строительных материалов.
Решение этой задачи тесно связано с широким вовлечением в производство строительных материалов техногенных отходов и наиболее рациональном их использовании. Это, во-первых, позволяет достичь существенной экономии природного сырья и , во-вторых, благоприятно повлияет на экологическую обстановку в регионах накапливания техногенных отходов.
Весьма важным фактором в настоящее время, влияющим на экономику отрасли, является энергосбережение [35,123].
Эти два направления находятся под пристальным вниманием исследователей и всех специалистов промышленности строительных материалов. Приоритетными научно-исследовательскими работами являются те, которые направлены на всемерное ресурсосбережение и широкое внедрение промышленных отходов в производство строительных материалов [34,38-43,46-49,59,64,65]. При этом особую ценность представляют работы, выявляющие новые возможности тех или иных отходов по созданию местных вяжущих веществ и строительных материалов на их основе. Это не только приводит к экономии природных ресурсов и улучшению экологической обстановки, но и резко снижает объемы перевозок сырья и материалов, а следовательно, снижает производственные затраты предприятий, производящих строительные материалы, и самих строительных организаций.
В этом плане следует выделить работы, направленные на достижение глубокой переработки сырья, создание безотходных и экологически чистых технологий, а также обеспечивающих получение строительных материалов с высокими показателями общестроительных, функциональных и эксплуатационных свойств [4-8,19-21,26,46-49,62,64-67,82,104,107, 139].
Актуальность. В настоящее время строительная индустрия базируется на применении цементного бетона (железобетона) и растворов. Технология цемента характеризуется высокими топливно-энергетическими затратами, связанными с необходимостью добычи, транспортировки и переработки огромного количества нерудных полезных ископаемых. Поэтому цементные бетон (железобетон) и растворы представляют собой дорогостоящий строительный материал.
Сократить расход цемента, а в некоторых случаях и полностью отказаться от него, поможет широкое вовлечение в производство местных вяжущих веществ техногенных отходов различных производств.
Значительным промышленным отходом, возможности переработки которого раскрыты еще не полностью, являются отвальные сталеплавильные шлаки.
Вовлечение в хозяйственный оборот отвальных сталеплавильных шлаков позволяет получать материал с высокими эксплуатационными и специальными свойствами, не уступающими, а иногда и превосходящими, свойства традиционно применяемых на основе портландцемента, решать экономические и экологические задачи.
Технология изготовления мелкозернистого бетона на основе бесклинкерного вяжущего базируется на использовании существующих промышленных линий по производству бетона, что позволяет получить значительный экономический эффект в сфере промышленного производства.
Решение проблемы повышения эффективности вяжущих свойств тонкоизмельченного отвального сталеплавильного шлака и использование его как вяжущего может быть осуществлено путем комплексного использования потенциальных возможностей отходов стекла, алюмосо-держащих отходов химической промышленности Это позволит получить мелкозернистые бесклинкерные бетоны безавтоклавного твердения с прочностью до 15-20 МПа, морозостойкостью более 200 циклов, водопо-глощением до 6% при минимальных трудовых, материальных и энергетических затратах.
В связи с вышеизложенным, исследования направленные на разработку составов и технологии мелкозернистых бетонов безавтоклавного твердения на основе бесклинкерного вяжущего являются актуальными.
Цель работы является разработка составов и технологии мелкозернистых бетонов безавтоклавного твердения на основе бесклинкерного вяжущего, приближающихся по своим эксплуатационным характеристикам бетонам на основе портландцемента.
Задачи исследований*
1. Разработать теоретические положения получения бесклинкерного вяжущего, состоящего из совместноизмельченного отвального ста- леплавильного шлака, стеклобоя, модифицирующей алюмосодержащей добавки и щелочного активизатора.
Теоретически обосновать и практически подтвердить возможность использования бесклинкерного вяжущего для получения мелкозернистых бетонов и изделий на их основе.
Определить рациональные составы бесклинкерного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе.
4. Исследовать процессы структурообразования при твердении раствора синтезируемого вяжущего вещества и бетона.
Установить основные зависимости свойств (прочности, плотности, водопоглощения и т.д.) бесклинкерного вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе от технологических параметров.
Разработать технологию производства мелкозернистых бетонов на основе бесклинкерного вяжущего.
Научная новизна работы. Разработаны теоретические положения твердения бесклинкерного вяжущего, состоящего из совместноиз-мельченного отвального сталеплавильного шлака, стеклобоя, модифицирующей алюмосодержащей добавки и щелочного активизатора. в условиях тепловлажностной обработки.
Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность использования бесклинкерного вяжущего для производства мелкозернистого бетона безавтоклавного твердения.
Установлены основные зависимости свойств бесклинкерного вяжущего мелкозернистого бетона и изделий от технологических параметров.
Идентифицирован качественный состав новообразований контактного слоя бесклинкерного вяжущего, состоящего из совместноиз-мельченного отвального сталеплавильного шлака, стеклобоя, модифици- рующей алюмосодержащей добавки и щелочного активизатора после те-пловлажностной обработки.
Разработана технология производства изделий из мелкозернистого бетона на основе бесклинкерного вяжущего.
Практическое значение и реализация результатов работы. Определены рациональные составы бесклинкерного вяжущего, состоящего из совместноизмельченного отвального сталеплавильного шлака, стеклобоя, модифицирующей алюмосодержащей добавки и щелочного активизатора и мелкозернистого бетона на его основе.
Разработана технология, позволяющая изготавливать изделия из мелкозернистого бетона на основе бесклинкерного вяжущего на существующих заводах по производству железобетонных изделий.
Определены рациональные области применения изделий из разработанного мелкозернистого бетона на смешанного бесклинкерного вяжущего, доказана эффективность производства и применения предложенной продукции.
Установлено, что использование бесклинкерного вяжущего при изготовлении мелкозернистого бетона позволяет снизить себестоимость 1 м изделий по сравнению с 1 м изделий из мелкозернистого бетона на основе портландцемента на 28,4 %.
Экологическая значимость. Экологическая значимость работы заключается в использовании крупнотоннажных отходов сталеплавильного производства, стеклобоя и отходов химической промышленности в технологии получения изделий различного функционального назначения из мелкозернистых бесклинкерных бетонов, что позволяет решать экологические проблемы, расширить сырьевую базу, обеспечить определенную экономию энергетических ресурсов.
Внедрение результатов исследований. Опытно-промышленное опробование результатов исследований осуществлялось на заводе АО "Фирма ЖБИ-6" г.Волгограда и ОАО «Управление Фасадремонт Волго-градгоргражданстрой». Из разработанного мелкозернистого бесклинкерного бетона выпущена партия тротуарных плит.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась в период с 2002-2005 гг. Основные положения диссертационной работы доложены на международных, всероссийских и внутривузовских научных конференциях и семинарах в том числе: III Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (Тула, 2002 г.); ПІ Международной научно-технической конференции "Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций" (Волгоград, 2003 г.); научно-практической конференции "Стратегия развития архитектурно-строительной отрасли и ЖКХ, внедрение в практику наукоёмких и инновационных технологий" (Волгоград, 2003 г.); IV Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (Тула, 2003 г.); научно-технической конференции "Региональные технологические и экономико-социальные проблемы развития строительного комплекса Волгоградской области" (Волгоград, 2003 г.); V Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (Тула, 2004 г.); IV Международной научно- технической конференции "Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов" (Волгоград, 2005 г.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгГАСУ (Волгоград, 2003-2005 гг.).
Публикации* По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 185 страницах, включающего 39 таблицы, 22 рисунков и фотографий, список литературы из 154 наименований, 3 приложений.
На защиту выносятся: - теоретическое обоснование возможности получения бесклинкерного вяжущего, состоящего из совместноизмельченного отвального сталеплавильного шлака, стеклобоя, модифицирующей алюмосодержа-щей добавки и щелочного активизатора; -теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования бесклинкерного вяжущего для получения мелкозернистого бетона безавтоклавного твердения и изделий из него; -результаты физико-химических исследований структурообразо-вания при твердении раствора синтезируемого вяжущего вещества и бетона; -результаты экспериментальных исследований по оптимизации технологических параметров приготовления бесклинкерного вяжущего вещества и мелкозернистого бетона на его основе; -технология производства изделий из разработанного бетона; -результаты производственного опробования разработанной технологии при производстве тротуарных плит; -проверенные данные о свойствах изделий из мелкозернистого бетона безавтоклавного твердения на основе бесклинкерного вяжущего. -технико-экономическая целесообразность производства и применения строительных изделий (тротуарных плит) из мелкозернистого бетона на основе бесклинкерного вяжущего.
Теоретические основы твердения бесклинкерных вяжущих на основе техногенных отходов
Специфический химический состав шлаков и наличие минералов, не способных к самостоятельному гидратационному твердению без дополнительной активизации предопределяют иной характер физико-химических процессов и структурообразования при гидратации, чем традиционного цемента. В каждом отдельном случае в зависимости от активизатора твердения по-разному формируется структура затвердевшего камня и его свойства.
Все шлаки в той или иной степени обладают способностью к гидравлическому твердению, но эта способность у большинства шлаков находится в скрытом состоянии. На активность и интенсивность набора прочности шлаковых вяжущих оказывает существенное влияние химико-минералогический состав и структура шлаков [39]. Все металлургические шлаки по минералогическим и структурным признакам можно разделить на четыре типа: - ортосиликатный - с преобладанием в структуре изолированных - валластонитовый — содержащий небольшие кольцевые или цепочные группы кремнекислородных тетраэдров; - анортитовый - с пребладанием пространственной сетки из тетраэдров (Si04yA и (АЮ4) 6 с катионами Са+2 в пустотах. Главными составляющими доменных шлаков являются CaO, S1O2, А\2Оъ и MgO, т.е. оксиды, входящие в состав традиционного портландцемента, содержание их в шлаках изменяется в пределах: СаО - 30-50%, ЗД - 28-40%, А1203 - 8-24%, MgO - 1-18%. Основные минералы, образующиеся в шлаках, представлены, главным образом, мелилитом - СагАІгЗіОт, ларнитом - j3CaSi04 ранкини-том - CuiSi2Oj, псевдоволластонитом - aCaSiOj, анортитом -Ca2Al2[Si20$J, монтичеллитом - CaMgSiO диопеидом - CaMg[SiOs]2-Образование тех или иных минералов, их соотношение зависит от химического состава шлаков и условий их охлаждения. Гранулированные (быстроохлажденные) шлаки состоят в основном из шлакового стекла и небольшого количества кристаллов, которые в кислых шлаках [Л/0 1] - представлены мелилитом, а в основных [Л/о 1] - ларнитом и милилитом. В отвальных (медленноохлажденных) шлаках преобладает кристаллическая фаза, состоящая из ранкинита, ларнита, мелилита, псевдо-волластонита и др. Согласно [65], в шлаках с модулем основности Мд=\ содержится около 50-70% кристаллической фазы, а в высокоосновных шлаках с М0 1,5 вообще не обнаружена стекловидная фаза. В кислых шлаках, особенно имеющих в составе значительное количество глинозема, даже при медленном охлаждении преобладает стекловидная структура. Шлаки, как известно, состоят в основном из оксидов Са, Si и А1, которые образуют комплексные ионные группировки [анионы] [Si03]7 , [Al2Si07]4 , [S12O7]6 и катионы металлов. Анализ работ [42, 8] показал, что структура шлакового стекла до конца не выяснена. Предполагается, что она не однородна и многофазна, однако, существуют упорядоченные микро области, так называемые кристаллиты и аморфиты и неупорядоченные прослойки между ними [10, 57]. Кристаллы - это участки кристаллического строения, возникшие в центрах аморфитов в результате повышения степени упорядоченности связей. Порай-Кашицем Е. А. установлено [106], что в аморфитах происходит концентрация катионов щелочных и щелочноземельных металлов, поэтому неупорядоченная прослойка аморфитов состоит, главным образом, из вещества глиноземисто-кремнеземистого состава в виде деформированного кремне-[алюмо]-кислородного каркаса. Крамер В. [73] также считает, что образование кристаллов понижает основность остаточной части расплава, поэтому стекловидная фаза имеет более кислый состав, чем кристаллическая. Волженским А. В. и др. [31] наибольшее количество CaO, MgO, FeO обнаружено в кристаллической фазе, а шлаковое стекло имеет гли-ноземисто-кремнеземистый состав. Аморфиты и кристаллиты шлакового стекла являются термодинамически неустойчивыми веществами с высокой удельной поверхностью, что определяет их устойчивую гидравлическую активность. Гидравлическая активность шлаков [19, 82, 117] зависит также от соотношения глинозема и кремнезема в стекловидной составляющей. Таким образом, бесклинкерные вяжущие системы [шлаки] и клинкерные [портландцемент] являются термодинамически неустойчивыми системами. Однако, в шлаках, хотя и присутствуют кристаллиты, но в отличие от портландцементных, они не способны самостоятельно гидра-тироваться водой. При обычной температуре и без активизирующих добавок измельченные шлаки практически не обладают способностью твердеть, что объясняется низким содержанием или отсутствием в них достаточного количества активных фаз. Способность шлаков при затворение водой схватываться и твердеть зависит от их химического и фазового состава и проявляется при определенных температурно-влажностных условиях. Практически единственным кристаллическим компонентом шлаков, способным, хотя и медленно, но твердеть при нормальной температуре /3-C2S. Ряд других минералов приобретает гидравлические свойства лишь в условиях повышенной температуры и давления водяного пара в присутствии активизаторов.
Значительно интенсивнее, чем кристаллы, взаимодействуют с водой шлаковые стекла [25, 41]. Установлено [25, 104, 117, 128], что наибольшей активностью обладают не чисто стекловидные шлаки, а лишь шлаки, содержащие небольшое количество кристаллической фазы. Высокая внутренняя химическая энергия стекла обеспечивает его повышенную растворимость, результатом чего является образование пересыщенных растворов, их кристаллизация и, как следствие последней, затвердевание и образование искусственного камня.
Методика математического планирования эксперимента
Твердение их при автоклавной обработке обусловлено образованием гидросиликатов типа C2SH/A/ и гидрогранатов вида 3Ca0(Al203Fe2O3)SiO2 (6-2х) Н20 и твердых растворов,
Для активизации таких шлаков применяют различные методы активации, которые можно разделить на: 1) химическую (щелочную, сульфатную и комбинированную) — введение веществ, возбуждающих гидравлическую активность; 2) механическую - увеличение дисперсности шлаков при помоле; 3) гидротермальную - обработка во влажной среде при повышенной температуре и атмосферном или избыточном давлении. Для шлакощелочных вяжущих процессы твердения связываются, прежде всего, с присутствием гелевидных щелочных гидроалюмосиликатов - аналогов природных целолитов. Энергетическое состояние таких гидратов более активное по сравнению с гидросиликатами. Щелочной гидроалюмосиликатный гель длительно сохраняет свое нестабильное состояние из-за менее интенсивной кристаллизации, чем гидросиликаты кальция. В результате цеолитовый состав гидратов определяет долговечность камня, а состояние их структуры — способствует протеканию контактно-конденсационных процессов в синтезе долговременной прочности [41].
Основными факторами, обуславливающими формирование фазового состава продуктов твердения цементного камня на основе шлакоще-лочного вяжущего являются: основность дисперсной фазы и ее структурные способности, количественное содержание амфотерного оксида и природа щелочного компонента.
С повышением основности дисперсной фазы скорость процессов структурообразования увеличивается, однако, быстрая гидратация в условиях высокощелочной среды приводит к выделению больших масс то-берморитового геля в ранний период, создает неблагоприятные условия для роста кристаллов и обуславливает образование несовершенной структуры цементного камня.
С понижением основности дисперсной фазы основность новообразований снижается, что положительно сказывается на прочности и стабильности во времени цементного камня, однако, интенсивность процессов структурообразования при этом уменьшается.
Существенное влияние на формирование фазового состава оказывает соотношение R2O / R2Oj. С увеличением в системе содержания амфотерного оксида в продуктах твердения повышается количество медленно кристаллизующихся щелочных гидроалюмосиликатов, обуславливающих рост прочности на поздних стадиях процесса структурообразования [131]. С уменьшением оксида алюминия и увеличением кремнезема прочность уменьшается. В случае отсутствия Si02 в системе Na20 -СаО - АІ2О3 - Н20 его роль выполняет амфотерный оксид, но возникающие при этом новообразования не стабильны в щелочной среде, что отрицательно сказывается на свойствах цементного камня. Пригодны для шлакощелочных вяжущих шлаки с содержанием А120з - 5-20%, СаО - 30-50%.
Деструкция дисперсной фазы шлакощелочного вяжущего имеет свои особенности, связанные с присутствием в дисперсной среде щелочного соединения. Щелочной катион выполняет роль катализатора деструкции, поддерживая необходимую для разрыва ковалентных связей ионную силу среды затворения и участвуя в переводе продуктов деструкции в коллоидную фазу. Анионы щелочных соединений, вводимые в вяжущее в составе растворимых силикатов и алюминатов, аналогичны первичным продуктам деструкции алюмокремнекислородного каркаса дисперсной фазы, служат их дополнительным резервом и наиболее эффективны. Другие (CV, Off, S042 , SiF2 ) - изменяют свойства раствора и участвуют в образовании комплексов выводящих продукты реакции в твердую фазу. На более поздних стадиях взаимодействия щелочной компонент активно участвует в формировании фазового состава новообразований.
Увеличение количественного содержания щелочного компонента до определенного значения интенсифицирует процесс. Предельное содержание щелочного компонента определяется условиями связывания в нерастворимые соединения. Эти условия зависят как от химического и минералогического состава дисперсной фазы вяжущего, так и от температуры и давления при которых происходит связывание. При повышении последних процесс интенсифицируется, что позволяет повысить интенсивность вяжущих при одновременном снижении щелочного компонента.
Регулирование основности дисперсной фазы осуществляется выбором стекла такого состава, который с учетом щелочного компонента, его количества и условий твердения обеспечивает заданную скорость процессов структурообразования. В вяжущих на основе шлака такое регулирование достигается введением добавок с более низкой или высокой основностью в зависимости от необходимости замедления или ускорения процесса структурообразования.
Установлено, что в синтезе прочности вяжущего определяющая роль принадлежит низкоосновным гидросиликатам модифицированными щелочными гидроалюмо- и ферросиликатами, представленными геле-видной фазой (70-85%) и кристаллическими образованиями (15-30%) и их способности к проявлению изоморфизма. Формирование такого фазового состава продуктов твердения возможно при значениях молярного соотношения 0 RO / Si02 2 в исходной системе. Достижение оптимального соотношения гелевидной и кристаллической фаз в структуре образовывающегося к заданному сроку твердения вяжущего, осуществляется подбором для каждой конкретной системы оптимального соотношения исходных стекловидной и высокоосновной кристаллической фаз. А интенсификация процесса ионноморфизма возможна при введении в состав вяжущего катионов R2+t М3 и анионных радикалов [Si04f lS04f , [Al04f\ [ОН] и пр.
Подводя итог вышеизложенному, можно сделать вывод о возможности применения отвальных сталеплавильных шлаков при производстве бесклинкерного вяжущего, при условии их дополнительной активации.
Как подтверждает рентгеноструктурный анализ (рис. 1.2) отвальный сталеплавильный шлак, образовавшийся в результате медленного охлаждения, полностью кристаллизуется и почти не содержит стекла.
Оптимизация состава бесклинкерного вяжущего по технологическим параметрам
Введение в состав бесклинкерного вяжущего 37 % стеклобоя, с учетом количества щелочного компонента и условий твердения, обеспечивает протекание процессов структурообразования и набора максимальной прочности (рис.3.1).
Использование модифицирующей добавки в количестве 11-14,5 % способствует образованию устойчивых щелочных гидроалюмосиликатов и росту прочности. Дальнейшее повышение содержания добавки ведет к снижению прочностных показателей (рис.3.2).
Особенностью разрабатываемого вяжущего является использование щелочного активизатора, способствующего повышению в поровой жидкости концентрации ОН" ионов, которые вызывают поляризацию и разрыв прочных ко валентных связей SI - О - Si и Si - О - Л1. При этом создаются все необходимые условия для образования алюмо- и кремнекислородных аквакомплексов, являющихся основными структурообразующими мотивами алюмосиликатного камня.
Присутствие катионов щелочных металлов в среде затворения оказывает существенное влияние на процесс структурообразования алюмосиликатного камня : они поддерживают высокое значение рН среды, участвуют в процессах катионно-обменных реакций в направлении образования более долговечных щелочных алюмосиликатных новообразований.
Следует учитывать, что повышению рН среды более 9 также способствуют І О, находящиеся в составе стекла и переходящие в раствор в результате гидролиза. Содержание щелочного активизатора в количестве 7,5 % обеспечивает прочность 25,6 МПа. Дальнейшее увеличении расхода щелочи способствует незначительному увеличению прочности (рис. 3.3). Результаты исследований, представленные на рис. 3.1, 3.2 и 3.3, подтвердили, что оптимальным составом бесклинкерного вяжущего, обеспечивающим максимальную активность, является состав, рассчитанный методом математического планирования: - отвального сталеплавильного шлака - 52 %; - стеклобоя - 37%; - модифицирующий добавки -11%; - щелочного активизатора - 7,5%. Одним из основных технологических факторов, влияющих на активность любого вяжущего, в том числе и бесклинкерного, является тонкость помола [115]. Сущность процесса измельчения по П.А Ребиндеру [115] , заключается в разрыве поверхностного слоя твердого материала, т.е. преодоление сил поверхностного натяжения, и в разъединении внутренних частиц материала, т.е. в преодолении сил взаимного притяжения молекул (когезии). Кроме повышения скорости гетерогенных процессов, непосредственно связанной с ростом удельной поверхности порошков, диспергирование вызывает значительное увеличение равновесных параметров, характеризующих реакционную способность веществ.
Активность вяжущего повышается с увеличением деффектности поверхностной структуры. Считается, что тонкий помол вяжущего двояким образом улучшает вяжущие свойства материала. Во-первых, мелкий порошок более равномерно распределяется на поверхности зерен песка и других заполнителей, что обеспечивает лучшее соприкосновение составляющих частей раствора. Во-вторых, реакции между вяжущим веществом и жидкостью затворения происходят лишь на поверхности твердых частиц, и дальнейшее их взаимодействие затрудняется накоплением продуктов гидратации, обволакивающих непрореагировавший материал. Поэтому чем более тонко измельчен материал и чем больше его поверхность по отношению ко всей массе, тем быстрее происходит гидратация и тем большая часть вяжущего вещества успевает прореагировать.
Исследования влияния степени измельчения на активность бесклинкерного вяжущего оптимального состава проводились при водо-вяжущем отношении равном 0,4. Тепловлажностная обработка проводилась по режиму: подъем температуры - 3 ч; экзотермическая выдержка при температуре 90+5С -7 ч; снижение температуры -2 ч.
Основы технологии производства и применения мелкозернистых бесклинкерных бетонов безавтоклавного твердения
Известно, что строительные материалы обладают разнообразной и сложной системой пор, размеры которых изменяются на 6-7 порядков от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров. Условно поры по размерам классифицируются на ультрамалые размером менее 10 А (внутрикристаллитные поры геля), малые поры или микропоры -10-100 А (межкристаллитные поры геля, крупные внутрикристаллитные поры геля), микропоры и переходные микропоры - 100-1000 А (поры мелкокристаллических скоплений, мелкие капилляры), капиллярные поры - 1000 -10000 А (поры крупнокристаллических скоплений, микротрещины, макропоры, поры между частицами вяжущего) и макропоры -более 10000 А ( поры между частицами вяжущего, поры от недостаточного уплотнения массы и избытка воды, поры от вовлеченного воздуха и т.д.).
Влияние пор на свойства материалов различно. Ультрамикропоры, в которых вода замерзает лишь при температуре минус 50-70С и ниже, считаются "безопасными". Поры малого диаметра, которые заполняются водой и подвергаются разрушению при замораживании в реальных атмосферных условиях, считаются "опасными". Более крупные поры, обычно удерживающие воду и служащие свободными резервуарами для отжатия из капилляров части воды при замораживании принято считать "резервными". От объема и соотношения этих групп пор, от общего объема пористости и ее характера зависит морозостойкость строительных материалов и изделий.
Различают поры следующих видов. Капиллярные поры, образуемые "капиллярной" испаряющейся водой, имеющей с материалом физико-механическую связь. Они располагаются между агрегатами частиц геля. Капиллярные поры благоприятствуют впитыванию и миграции воды, которая замерзает в них при обычных условиях охлаждения (начиная с минус 6 до минус 8С). Капиллярные поры являются основным дефектом строения плотноуложенного бетона, понижающим его морозостойкость.
Контракционные поры образуются вследствие уменьшения абсолютного объема "вяжущее-вода". Контракция вызывает уменьшение внешних размеров системы, добавочное поглощение воды и образование в системе новых контракционные пор. По размерам контракционные поры занимают промежуточное положение между порами геля и капиллярами. При замерзании воды в бетоне контракционные поры играют роль свободных резервуаров, в которые может отжиматься часть воды из капиллярных пор. Благодаря этому уменьшается давление замерзающей воды на стенки капиллярных пор и повышается морозостойкость бетона.
Поры геля представляют собой промежутки между его частицами, образованными испаряющейся водой, адсорбционно связанной в гидрат-ных оболочках частиц геля, и расположенные в агрегатах частиц геля. Они имеют меньший размер по сравнению с другими порами. Вода в порах геля находится в особом состоянии и не переходит в лед при низких температурах порядка минус 40 и даже минус 78С. "Опасными" порами, влияющими на морозостойкость материала и изделий, являются поры с размером 10 5 см и крупнее, а "резервными" -от 10 5 до 10"7см. В процессе исследований пористость модифицированного бесклинкерного вяжущего оптимального состава изучалась методом контактной эталонной порометрии. Методика исследования приведена в главе 2. Метод контактной эталонной порометрии позволяет определить размеры пор от 10А до 105А в зависимости от водо-вяжущего отношения. По результатам проведенных измерений были построены интегральные и дифференциальные порограммы, позволяющие проследить изменение количества пор и их размеров в зависимости от водо-вяжущего отношения (рис.3.9 и ЗЛО). При сравнении полученных интегральных и дифференциальных порограмм исследуемых образцов с интегральными и дифференциальными порограммами эталонного образца выяснилось, что наименьшей пористостью обладают образцы с водо-вяжущим отношением, равным 0,3-0,35 (табл.3.9).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что бесклинкерное вяжущее на основе совместноизмельченных отвальных сталеплавильных шлаков (52%), стеклобоя (37%) и модифицирующей алюмосодержащей добавки (11%), измельченное до удельной поверхности 4000 - 4500 см2/г и активизированное щелочным компонентом в количестве 7,5 % от массы бесклинкерного вяжущего при водо-вяжущем отношении 0,3 - 0,35, можно использовать в качестве гидравлического вяжущего при изготовления мелкозернистого бетона безавтоклавного твердения.
