Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса о изготовлении мелкозернистых бетонов с повышенными эксплуатационными характеристиками 10
1.1. Особенности получения мелкозернистого бетона с повышенной прочностью 10
1.2. Влияние заполнителей и наполнителей на процессы структу-рообразования мелкозернистого бетона 19
1.3. Использование техногенного сырья в производстве бетонов... 26
1.4. Минеральные шламы промышленных предприятий - эффективные компоненты строительных материалов 29
1.5. Шламы водоочистки - фунгицидная добавка бетонов 38
1.6. Особенности производства строительных материалов с добавкой золы от сжигания осадков сточных вод 43
1.7. Строительные пигменты из шламов водоочистки 47
1.8. Рабочая гипотеза и задачи исследования 52
1.9. Выводы 55
Глава 2. Методы исследований и исходные материалы 57
2.1. Применяемые материалы и их свойства 57
2.2. Исследование свойств бетонов 66
2.3. Выбор объекта для проведения исследований 67
2.4. Математический метод планирования экспериментов 71
2.5. Статистическая обработка результатов испытаний 75
2.6. Выводы 77
Глава 3. Теоретические предпосылки формирования структур мелкозернистого бетона, модифицированного минерально-абразивными шламами 78
3.1. Механизм действия минеральных добавок бетона 78
3.2. Дисперсное армирование строительных композиций
3.3. Формирование структуры мелкозернистого бетона 94
3.4. Свойства бетона и бетонной смеси в зависимости от состава... 99
І.4. Выводы 107
Глава 4. Оптимизация состава мелкозернистого бетона, армированно го минерально-абразивными шламами 109
4.1. Регулирование свойств мелкозернистого бетона путем введения дисперсного наполнителя МАШ 109
4.2. Математическое моделирование состава мелкозернистого бетона, модифицированного минерально-абразивными шламами 110
4.3. Технико-экономический анализ производства бетонных блоков с использованием в качестве модифицирующей добавки цемента минерально-абразивных шламов 117
Основные выводы 122
Список литературы
- Влияние заполнителей и наполнителей на процессы структу-рообразования мелкозернистого бетона
- Особенности производства строительных материалов с добавкой золы от сжигания осадков сточных вод
- Статистическая обработка результатов испытаний
- Математическое моделирование состава мелкозернистого бетона, модифицированного минерально-абразивными шламами
Введение к работе
Актуальность работы. Использование высокопрочного мелкозернистого бетона как конструкционного материала для монолитного строительства в наибольшей степени соответствует требованиям строительной практики. Приоритетным является создание строительных конструкционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками, высокой прочностью, меньшей хрупкостью, более широким спектром функциональных возможностей. Что является актуальным направлением строительного материаловедения.
Совершенствование и управление структурой материала путем его модификации, введением новых структурных элементов, дисперсным армированием, принципиально улучшает свойства материала. Многокомпонентность бетонной композиции как результат многокомпонентности комплексных добавок позволяет эффективно управлять процессами структурообразования смеси на всех этапах технологии приготовления бетона с высокими эксплуатационными характеристиками. Сочетание свойств компонентов и их комбинация обеспечивают требуемые технологические и эксплуатационные свойства бетонной смеси.
Создание высокопрочного мелкозернистого бетона, сочетающего в себе высокоплотную и высокопрочную матрицу с армирующими элементами возможно при использовании отходов промышленных предприятий региона.
Диссертационная работа посвящена разработке состава мелкозернистого бетона армированного техногенными отходами в виде тонкодисперсного наполнителя минерально-абразивных шламов (МАШ). Дисперсное армирование бетона рассмотрено как эффективное средство повышения эксплуатационных свойств бетона на уровне цементной матрицы и уровне цементного бетона с максимальным проявлением сил физико-химического взаимодействия цементирующей связки с поверхностью армирующего элемента минерально-абразивных шламов (МАШ). Решение актуальной научно-технической задачи повышения физико-технических показателей мелкозернистого бетона за счет модификации эффективными комплексными добавками на основе техногенных отходов способствует расширению сырьевой базы строительной отрасли, снижению энергозатрат, улучшению экологии окружающей среды.
Степень разработанности проблемы.
Использование в технологии строительных материалов техногенных отходов промышленных предприятий посвящены работы П.И. Баженова, Ю.М. Баженова, А.В. Волженского, В.С. Лесовика, В.И. Калашникова, Ш.М. Рахимбаева, Р.З. Рахимова, Е.М. Чернышева, А.Д. Корнеева, что позволяет на 40 % удовлетворить потребности строительной индустрии во вторичных сырьевых материалах, делая технологии производства ресурсосберегающими. Над созданием дисперсно-армированных бетонов и конструкций на их основе наряду с отечественными учеными работали и зарубежные: Дж. Купер, А. Келли, С.Т. Милейко.
Исследования, проводимые многими учеными в различных странах, убедительно доказывают, что бетоны, армированные волокнами различного происхождения, имеют более высокие физико-механические характеристики. Дисперсное армирование позволяет компенсировать главные недостатки бетона: низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения. Фибробетон имеет в несколько раз более высокую прочность на срез, ударную и усталостную динамическую прочность, трещиностойкость и вязкость разрушения, морозостойкость, водонепроницаемость.
Дисперсное армирование бетона рассматривается как эффективное средство повышения его прочности на растяжение и затруднения образования трещин на всех уровнях его структуры, способствующее повышению долговечности. Армированные частицами композиты занимают промежуточное положение между дисперсно-упрочненными материалами и материалами, армированными волокнами. Успехи в области строительного материаловедения за последние годы позволили создать ряд новых дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе техногенных отходов, уровень свойств которых выше уровня свойств традиционных бетонов.
Минерально-абразивные шламы являются отходами производства карбида кремния. Возможность использования МАШ в качестве армирующей добавки мелкозернистого бетона, проявляющей свойства структурообразующего модифицирующего компонента матрицы, приводит к улучшению эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона и подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Цель работы заключается в получении мелкозернистого бетона с повышенными эксплуатационными свойствами на рядовых цементах и заполнителях путем модификации бетонной смеси армирующим элементом минерально-абразивных шламов, являющихся отходами промышленных предприятий.
Задачи исследований:
– оценить качество минерально-абразивных шламов как многофункциональной модифицирующей добавки мелкозернистых бетонов;
– изучить особенности структурообразования модифицированного мелкозернистого бетона армированного тонкодисперсными минерально-абразивными шламами;
– определить оптимальное содержание МАШ в бетонной смеси, получить адекватную математическую модель для прогнозирования свойств мелкозернистого бетона при варьировании технологических факторов;
– оценить влияние армирующего элемента МАШ и параметров армирования на физико-механические и эксплуатационные свойства мелкозернистого бетона;
– опытно-промышленная апробация результатов исследований и их технико-экономическая оценка.
Научная новизна:
- обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения мелкозернистого бетона армированного минерально-абразивными шламами (МАШ) путем целенаправленного регулирования процессов структурообразования на уровне цементной матрицы и уровне цементного бетона с максимальным проявлением сил физико-химического взаимодействия цементирующей связки с поверхностью армирующего элемента минерально-абразивных шламов (МАШ);
- выявлены особенности процесса структурообразования армированного мелкозернистого бетона, заключающегося в адгезионном взаимодействии цементного теста с поверхностью зерен МАШ, с последующей активацией процессов гидратации цемента за счет неорганической составляющей агрегатов МАШ, которые выполняют роль не только армирующего элемента, но и активного компонента системы, оказывающего существенное влияние на полиструктурность композиции;
- установлено, что сочетание высокой плотности и прочности цементной матрица модифицированной МАШ композиции обеспечивает получение мелкозернистого бетона с повышенными эксплуатационными свойствами;
- по результатам экспериментальных исследований и построения регрессионных моделей установлена зависимость эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона от количества вводимой добавки МАШ, выявлена зависимость в системе “ свойства – состав – структура” армированного бетона.
Практическая значимость работы. Разработаны и предложены оптимальные составы армированного мелкозернистого бетона, удовлетворяющего нормативным требованиям. Обоснована возможность эффективного использования тонкодисперсного наполнителя МАШ, являющихся промышленными отходами, для получения армированных мелкозернистых бетонов с улучшенными эксплуатационными свойствами. Абразивная составляющая шламов является армирующим элементом структуры бетона, неорганическая составляющая конгломератов МАШ является клинкерной составляющей цементной матрицы, что позволяет расширить сырьевую базу минеральных модификаторов бетона, снизить себестоимость бетона, решить экологическую проблему утилизации отходов.
Объект исследований. Мелкозернистые бетоны, армированные минерально-абразивными шламами.
Предмет исследований. Процессы структурообразования мелкозернистого бетона, армированного тонкодисперсными минерально-абразивными шламами, и влияние добавки шлама на физико-механические характеристики дисперсно-армированного мелкозернистого бетона.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты качественных показателей минерально-абразивных шламов как тонкодисперсной модифицирующей добавки при получении мелкозернистых бетонов;
– принципы повышения эффективности мелкозернистого бетона путем использования многофункциональной добавки МАШ в составах бетонной композиции, результаты исследования структуры мелкозернистых бетонов, армированных МАШ;
– новые оптимальные составы и эксплуатационные свойства мелкозернистых бетонов, армированных минерально-абразивными шламами.
Достоверность исследований и выводов по работе обеспечена методической обоснованностью комплекса исследований с применением стандартных средств измерений и методов исследований; применением современных математических методов обработки экспериментальных данных в среде MathCAD; опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, совпадающими с результатами расчетов и не противоречащими выводам известных положений.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития Волгоградской области» (Волгоград, 2009 г.); III-й Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование» (Михайловка, 2009 г.); II-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2009 г.); V-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «XV Академические чтения РААСН. Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (г. Москва – Орел, 2011 г.).
Личный вклад автора. Вклад автора состоит в выборе направления исследования, его обосновании; разработке составов мелкозернистых бетонов, армированных минерально-абразивными шламами, являющимися отходами производства; в анализе и обобщении полученных результатов исследований, изложенных в диссертационной работе; внедрении результатов работы в производство в виде выпуска опытно-промышленной партии изделий.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в т. ч. 1 работа в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, основные выводы и изложена на 136 страницах машинописного текста, включает 19 таблиц и 17 рисунков, список использованных источников из 154 наименований.
Влияние заполнителей и наполнителей на процессы структу-рообразования мелкозернистого бетона
Мелкозернистые бетоны используются для изготовления немассивных конструкций, главным образом армоцементных, при заводском производстве железобетонных скорлуп и тонкостенных панелей, формуемых на вибропрокатных станах, а также тротуарных плиток и других изделий. Свойства мелкозернистых бетонов подчиняются тем же зависимостям, что и свойства обычных крупнозернистых бетонов, однако, повышенная пористость и удельная поверхность мелких заполнителей оказывают влияние на количественные выражения этих зависимостей.
В настоящее время получение мелкозернистого бетона повышенной прочности и плотности достигается, в основном, за счет увеличения активности вяжущих веществ и совершенствования технологии изготовления бетона [80 -84]. Для приготовления высокопрочного бетона применяют различные способы повышения активности цемента и качества бетонной смеси (домол и виброактивация цемента, виброперемешивание, применение суперпластификаторов) и принимают высокий расход цемента. Большие перспективы в получении высокопрочных бетонов связаны с применением вяжущего низкой водопотребности, которое получают совместным помолом высокомарочного цемента и суперпластификатора С-3 [85-91].
При бетонировании массивных сооружений целесообразно применить цементы с пониженным содержанием алита (трехкальциевого силиката) и особенно целита (трехкальциевого алюмината), лучше всего белитовые (двухкаль-циевый силикат). Максимально допустимый расход белитового портландце 11 мента составляет 450 кг/м . В качестве крупного заполнителя следует применять фракционированный щебень из плотных и прочных горных пород. Предел прочности при сжатии у изверженных не менее 100 МПа и у осадочных 80 МПа. Песок для высокопрочных бетонов должен иметь пустотность менее 40 % [42].
Основой технологии бетонов высокой прочности является получение высокоплотного бетона с максимальным его насыщением прочным крупным заполнителем, образующим непрерывный жесткий каркас (контактное размещение заполнителя), благодаря которому прочность бетона может быть повышена на 15 - 20 %. Достижение высокой прочности и плотности цементного камня обеспечивается возможно малыми значениями В/Ц, в пределах 0,3 - 0,4, с обязатель-ным при этом ограничением верхнего предела цемента 600 - 650 кг/м , что позволяет получить бетон с высокой плотностью микро- и макроструктуры [92 - 95].
Особенности технологии высокопрочного бетона обусловлены необходимостью получения бетонов с прочностью, равной марке примененного цемента, а в ряде случаев, превышающей эту марку. Это может быть обеспечено не только применением материалов, отвечающих повышенным требованиям к ним, но и созданием благоприятной структуры бетона, при которой наиболее целесообразно используются свойства составляющих материалов применять жесткие и умеренно жесткие бетонные смеси; применять хорошо фракционированный предварительно промытый крупный заполнитель (из двух - трех фракций) с минимальной межзерновой пустотностыо (в пределах 37-38 %); уменьшать максимально возможно, благодаря оптимальному зерновому составу крупного заполнителя и снижению К до 1,2, относительное содержание растворной составляющей в бетоне, в результате чего увеличивается насыщение бетонной смеси крупным заполнителем (до 0,85 - 0,9 %); одновременно с этим уменьшать содержание песка в смеси заполнителей, применяя предварительно промытый крупнозернистый фракционированный песок; применять чисто клинкерные цементы наиболее высоких марок с нормальной густотой цементного теста не выше 25 - 25,5 %; в тех случаях, когда это допустимо, следует применять пластифицирующие поверхностно-активные добавки. Наилучшими условиями твердения бетона являются нормальные: температура (20 ... 25 С) и влажность 100 %. Тепловую обработку следует применять с более длительной предварительной выдержкой и мягкими режимами подогрева (не более 50 ... 60 С) [96].
В качестве мелкого заполнителя для получения высококачественных бетонов рекомендуется применять пески по ГОСТ 10268-80, состоящие из зерен кварца и полевого шпата, предпочтительно шероховатой поверхности.
Вода, применяемая для получения высококачественных бетонов, должна соответствовать ГОСТ 10268-80.
Подбор состава высококачественных бетонов следует производить в соответствии с ГОСТ 27006-86 любым апробированным на практике способом, обеспечивающим получение бетонов в конструкциях и сооружениях с показателями качества, нормируемыми стандартами и проектной документацией.
Подбор состава высококачественных бетонов следует проводить в лабораторных условиях на сухих заполнителях. Перемешивание бетонной смеси необходимо осуществлять механизированным способом, максимально приближенным к условиям производства и обеспечивающим равномерность распределения компонентов композиционного вяжущего и однородность смеси.
Подбор состава высококачественных бетонов должен включать: - оценку качества исходных материалов; - расчет состава бетона для опытных замесов и их приготовление; - испытание контрольных образцов; - корректировку первоначально принятых компонентов; - проверку рабочего состава в производственных условиях.
Средний уровень прочности бетона Ясж следует назначать по ГОСТ 18105.1-86 для условий действующего технологического комплекса и по значению партионного коэффициента вариации прочности бетона 13,5% как для вновь вводимого технологического комплекса.
Расчет состава высококачественных бетонов для опытных замесов рекомендуется производить методом абсолютных объемов в соответствии с «Руко 13 водством по подбору составов тяжелого бетона» (М., Стройиздат, 1979) с учетом особенностей используемого вяжущего и заключается в следующем: - назначении оптимального состава композиционного вяжущего (выборе оптимальных количества МК, дозировки СП - и содержания минеральных добавок); - назначении В/В (В/Ц), необходимого для получения высококачественных бетонов требуемой прочности; - определении объема и реологических характеристик (вязкости или текучести) цементного теста, необходимых для получения высококачественных бетонов требуемой подвижности; - оптимизация гранулометрического состава заполнителей; - расчете расходов материалов по методу абсолютных объемов; - проверке достаточности цементного теста для заполнения пустот заполнителей.
Особенности производства строительных материалов с добавкой золы от сжигания осадков сточных вод
Водные вытяжки для образцов с добавкой шлама в количестве 0 -4,5 мае. % острой токсичностью не обладают, так как гибель рачков менее 50 %.
Для определения воздействия исследуемых образцов, содержащих в качестве добавки шлам водоочистки, на объекты окружающей среды в качестве тест-объекта использовали растение, относящееся к семейству Allium.
Данный тест-объект характеризуется высокой чувствительностью к токсикантам, сравнительно простым хромосомным аппаратом, несложным культивированием. Критерием чувствительности Allium к присутствию токсичных элементов, поступающих из образцов бетонов в раствор, служили значения длины корешков и величина митотического индекса (МИ, %). Наблюдения проводили в лабораторных условиях при t = 18 + 2 С в течение 14 сут. Активный рост корней лука (от 15 до 80 мм) в течение всего времени эксперимента происходит на водных вытяжках из образцов бетона при добавлении массовой доли шлама в количестве 0,5 - 1,5 %. Далее наблюдается спад роста корней.
Рост митотической активности наблюдается в течение 3-7 сут, а затем происходит ее спад в последующие дни до прекращения наблюдений. На мито-тическую активность оказывает влияние рН среды. Максимальные значения митотического индекса достигаются при рН = 6,5 - 7,5. По полученным данным можно предположить, что в первые 3-7 сут эксперимента происходит наиболее интенсивное деление клеток, за фазой деления наступает фаза стабилизации и фаза угнетения роста вследствие воздействия ограничивающих факторов. Для контрольного варианта (водопроводная вода) в качестве ограничивающего может выступать недостаточное количество минеральных веществ, для водных вытяжек из образцов бетона - миграция ионных составляющих из бетонов в раствор.
Проведенные эксперименты показали отсутствие токсичности для вытяжек бетонов с содержанием добавки шлама до 1,5 мае. %.
Таким образом, описанный способ утилизации шлама позволит снизить риск загрязнения объектов окружающей среды и отчуждения плодородных земель [14].
Важным направлением снижения издержек производства является использование техногенных отходов. Утилизация отходов также способствует решению региональной экологической проблемы. Среди техногенных отходов особое место занимают золы ТЭС. В последние годы зольные отходы в нашей стране пополнились новым видом - золами от сжигания осадков очистных сооружений канализации населенных пунктов, темпы, образования которых постоянно возрастают. Отходы этого производства, как показали наши исследования, существенно отличаются от отходов ТЭС, в первую очередь содержанием соединений тяжелых металлов и естественных радионуклидов.
Специалистами НПО «Керамика» и ВНИИСТРОМ проведена комплексная оценка состава и свойств золы от сжигания осадков с Центральной станции аэрации на о. Белом (Ленинградская обл.). Обезвоженный осадок сжигается в псевдоожиженном слое песка при температуре 750 - 850 С. По химическому составу зола представляет кислое сырье с содержанием органики до 3,25 %. Зола включает повышенное количество красящих оксидов (Fe203 + ТЮ2 = 12,27 %), легкоплавкая. По данным анализа, в золе находится около 8,85 % фосфора (в пересчете на Р2О5) и повышенное содержание водорастворимых солей (62,74 мгэкв. на 100 г).
Зола от сжигания осадков сточных вод относится к четвертому классу опасности (малоопасные вещества). В процессе контакта с водой зола не выделяет высокотоксичных соединений. Содержание тяжелых металлов Cd, Си, Ni, Zn в золе превышает их ПДК для почвы. Для золы характерна также повышенная удельная активность естественных радионуклидов (ЕРН). В результате экспериментальных исследований установлены основные параметры производства кирпича с добавкой золы. При проведении опытно-промышленных испытаний состав шихты был принят с учетом экспериментальных исследований и включал, % (по массе): глина 67 - 75, песок 13-24, зола 9 - 12. С целью усовершенствования режимов сушки кирпича с добавкой золы, повышения качества высушиваемого полуфабриката была осуществлена реконструкция сушилок с переводом их работы по двухзонной прямоточно-противоточной схеме. Внутри туннеля созданы влажностная теплая зона для периода усадки изделий и горячая сухая зона для послеусадочного периода. Эта схема также обеспечила нулевые избыточные статические давления на концах туннелей, что позволило ликвидировать двери, упростить работу толкателей и улучшить условия их обслуживания.
Место отбора отработанного теплоносителя перенесено на стык между первой и второй зонами. Часть отработанного теплоносителя (рециркулята) возвращается в головную зону сушилки. Другая часть удаляется в атмосферу.
В осенне-зимний период, когда тепла, отбираемого из зоны охлаждения печи, недостаточно для сушки изделий, предусмотрена возможность дополнительной выработки тепла в теплогенераторе. Продукты сгорания газообразного топлива в теплогенераторе смешиваются с атмосферным воздухом, а при необходимости дополнительно с рециркулятом.
Статистическая обработка результатов испытаний
В общей структуре мирового производства строительной продукции бетон и железобетон занимают приоритетное место. Основной тенденцией в развитии этих материалов является постепенное замещение обычных традиционных бетонов многокомпонентными. В таких бетонах могут использоваться до нескольких химических и реакционно-активных компонентов природного, техногенного и искусственного происхождения.
Новое время диктует правила использования и внедрения новых конструкционных строительных материалов в совокупности с новыми технологиями. Создание «новых материалов из прежних» возможно путем технологии фибро-армирования цементных материалов. Высокодисперсные волокнистые наполнители в цементных композициях оказывают положительное влияние на процессы структурообразования, прочность наполненных бетонов и другие физико-механические и эксплуатационные свойства бетона.
Исследования, проводимые многими учеными в различных странах, убедительно доказывают, что бетоны, армированные волокнами различного происхождения, имеют более высокие физико-механические характеристики. Дисперсное армирование позволяет компенсировать главные недостатки бетона: низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения. Фибробетон имеет в несколько раз более высокую прочность на срез, ударную и усталостную динамическую прочность, трещиностойкость и вязкость разрушения, морозостойкость, водонепроницаемость.
Особый интерес представляет возведение зданий и сооружений с учётом возможного воздействия на них сейсмических (инерционных) сил. В результате совмещения армирующих композиционных элементов и цементной матрицы образуется комплекс свойств цементного камня, не только отражающий характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные материалы не обладают. Дисперсное армирование бетона сегодня рассматривается как эффективное средство повышения его прочности на растяже 92 - ниє и затруднения образования трещин на всех уровнях его структуры, способствующее повышению долговечности. В целом, эффективная работа армирования бетонов волокном определяется как минимум тремя факторами: физико-механическими характеристиками волокон, адгезией цементной матрицы к их поверхности, а также долговечностью материала волокон в щелочной среде цементного камня.
На западе и в России растет интерес к применению фибробетона на основе синтетических фибр в строительных конструкциях. Введение фибры в цементные смеси позволяет влиять на микроструктуру цементного камня, улучшить структуру бетонной композиции за счет контроля расслоения и сплошности смеси. Упругая пространственная многомерная хаотичная сетка из волокон (-250 штук/см3) препятствует седиментации (оседанию) частиц зерновой фракции смеси. Основным достоинством бетона, армированного волокном, является существенное снижение усадочного трещинообразования, снижение внутренних напряжений, возникающих в композиции в процессе твердения массы бетона.
Дисперсное армирование с применением фибры изменяет поведение непосредственно цементного камня, как составляющей бетонной структуры, позволяя создавать необходимый запас прочности. Микроармирующее фиброво-локно (фибра) обладает уникальной способностью позитивно влиять на свойства бетона, улучшая его качественные характеристики: уменьшает водопогло-щение, увеличивает прочность, морозоустойчивость, химическую стойкость, сульфатостойкость, износостойкость и др. Позволяет увеличить долговечность и сопротивляемость внешним воздействиям. Фибра - добавка, вызывающая эффект упрочнения твердеющего цемента с функцией армирования цементного камня.
Опыт промышленного применения полимерного волокна «ВСМ» (фибры) в бетонных смесях свидетельствует о снижении расслоения смеси как по водо-отделению, так и направленному изменению протекания элементарных стадий гидратации и технологических процессов, приводящих к формированию задан 93 ных свойств и позволяет достигать поставленных целей направленного.изменения свойств бетонных смесей и бетонов по сравнению с обычными.
В диссертационной работе предлагается армирование мелкозернистого бетона дисперсными частицами минерально-абразивных шламов. Микроструктура материалов, упрочненных частицами, состоит из матрицы и равномерно в ней распределенных упрочняющих частиц. Если размер упрочняющих частиц 1 10 - 5 см, то материал называют дисперсно-упрочненным, если 1 10-4 см, то это - материалы, упрочненные частицами. Объемная доля упрочняющей фазы в композите может быть различной и колеблется от нескольких до десятков процентов в композиции, упрочненных частицами.
В дисперсно-упрочненных материалах матрица воспринимает основную часть внешней нагрузки, а дисперсные частицы создают эффективное сопротивление перемещению дислокаций в объеме зерна. Чем больше это сопротивление, тем выше степень упрочнения материала.
Основными структурными параметрами, определяющими эффективность частиц, являются средний свободный промежуток между ними и межчастичное расстояние (расстояние между центрами частиц). Средний свободный промежуток между частицами LP определяется как среднее свободное расстояние между частицами вдоль произвольно проведенной прямой линии в произвольном сечении образца. За межчастичное расстояние dp беспорядочно распределенных частиц принимается радиус наименьшей окружности, проведенной около одной частицы в произвольной плоскости так, что в пределах, ограниченных этой окружностью, расположена вторая частица с вероятностью, равной единице. Эти параметры связаны с диаметром частиц D и объемным содержанием частиц Vp следующими уравнениями:
Для эффективного дисперсного упрочнения межчастичное расстояние dP должно лежать в пределах от 0,01 до 0,3 мкм. При этом многие свойства матрицы, такие как пластичность, теплопроводность, ударная прочность, должны быть сохранены. Исключение составляют лишь прочность и сопротивление ползучести. Эти требования накладывают ограничения на объемное содержание дисперсной фазы, которое должно быть малым.
Важное назначение матричной фазы в композитных материалах, армированных частицами, состоит в передаче нагрузки армирующим частицам. Приложенная нагрузка в таких композитах распределяется между матрицей и частицами. Объемное содержание второй фазы Vp превышает 0,25, а диаметр частиц и средний свободный промежуток между частицами в матрице составляет 1 мкм. Таким образом, армированные частицами композиты занимают промежуточное положение между дисперсно-упрочненными материалами и материалами, армированными волокнами.
Успехи в области строительного материаловедения за последние годы позволили создать ряд новых волокнистых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов, уровень свойств которых несравненно выше уровня свойств традиционных бетонов. К таким разработкам можно отнести и мелкозернистый бетон армированный минерально-абразивными шламами.
Математическое моделирование состава мелкозернистого бетона, модифицированного минерально-абразивными шламами
Математической моделью процесса является функция, связывающая параметры оптимизации: плотность (р), предел прочности при сжатии (Дсж), пористость (Л), водопоглощение (W) с переменными факторами - содержание вяжущего цемента (х\ = 400 - 600 кг), содержание многофункциональной добавки МАШ (х2= 5 - 15 % от массы цемента) и водоцементное отношение В/Ц (хз - 0,4 - 0,6). При проведении эксперимента варьировались следующие факторы (табл. 4.1).
Выбор факторов оптимизации состава мелкозернистого бетона производился исходя из технологической и экономической целесообразности и получения материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Общее число опытов в матрице композиционного плана трехфакторного эксперимента составило 15. Матрица планирования и значения функции отклика приведены в табл. 4.2.
После статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, количественно характеризующие зависимость прочности, плотности, пористости, водопоглощения модифицированного мелкозернистого бетона от исследуемых факторов:
Используя полученную математическую модель, получено комплексное представление о влиянии количества многофункциональной добавки МАШ на эксплуатационные свойства мелкозернистого бетона. Графическая интерпретация функций отклика плотности, пористости, предела прочности при сжатии, водопоглощения представлены на рис. 4.2 - 4.5.
Построенные поверхности зависимости позволяют визуально оценить изменение свойств в исследуемой области факторного пространства при значении В/Ц равным 0,5(расчетная величина). Анализ полученных зависимостей (рис. 4.2 - 4.5) позволяет сделать следующие выводы: - для всех рассматриваемых параметров (77, рср, 7?сж, W) влияние технологических факторов носит нелинейный характер; - максимальное влияние на характеристики мелкозернистого бетона оказывает сочетание фактора МАШ и фактора количества цемента. Изменение фактора Х\ не является определяющим, тенденция снижения количества цемента в композиции бетона наблюдается при оптимизации содержания добавки МАШ, и это является определяющим фактором. В меньшей степени на показатели влияет водоцементное отношение (фактор Хз); - при среднем значений фактора Х\ плотность снижается с увеличением содержания модификатора МАШ в бетоне, но до определенного уровня 10 %. С увеличением содержания МАШ плотность возрастает при снижении содержания цемента до 400 кг (рис. 4.2); - тенденция снижения пористости (рис. 4.3) бетоной композиции на блюдается при минимальном введении добавки МАШ (5 %) и содержании це мента 600 кг. Оптимально низкой величины показатель пористости достигает при содержании цемента 400 кг и 10 % количестве добавки МАШ, 8,9 %; - водопоглощение (рис. 4.5) снижалось при изменении фактора хь хо, дос тигнув минимального значения при максимальном содержании добавки МАШ 15 % и цемента 400 кг; Анализируя влияние факторов на предел прочности при сжатии (рис. 4.4) можно отметить следующее. По мере изменения значений факторов х, и хо их влияние на 7?сж не однозначно, наличие добавки МАШ в цементе способствует увеличению прочности образцов, фактор содержания цемента не оказывает на него заметного влияния, однако, тенденция снижения содержания цемента при увеличении прочности бетона делает технологию сберегающей по сырьевым материалам, что, несомненно, актуально. Добавки МАШ рассматривается в работе не только как минеральный компонент цемента, формирующий структуру мелкозернистого бетона, но и как дисперсно-армирующий микронаполнитель, повышающий прочность бетона. Что подтверждается микоскопическими исследованиями по-рверхности образцов модифицировапнного мелкозернистого бетона. Микроскопические исследования образцов оптимального модифицированного состава мелкозернистого бетона проведены на оптических микроскопах МБС-9 и МЕТАМ РВ-21 при увеличениях 10-50.
Структура композиции мелкозернистого бетона модифицированного МАШ, дисперсно-упрочненная. Характер распределения компонентов, форма поровых пространств позволяют сделать вывод о наличии реакционных связей между компонентами смеси (цемент, МАШ), что приводит к изменению физико-механических показателей бетона. Формирование структуры бетона связано с химизмом процессов гидратации цементного связующего в присутствии тонкодисперсных минерально-абразивных шламов, выступающих в качестве ак 117 тивной минеральной добавки цемента, с одной стороны, и в качестве армирующего компонента бетона - с другой.
Введение в состав бетонной смеси МАШ положительно сказывается на изменении характеристик бетона. При снижении расхода цемента в смеси прослеживается тенденция увеличения показателя плотности на 15 %, прочности при сжатии на 30 %, снижение показателей пористости на 23 % и водопогло-щения на 40 %. Водоцементное отношение бетонной смеси напрямую зависит от влажности минерально-абразивных шламов, оптимальным является В/Ц, равное 0,5. Анализ факторов позволяет оптимизировать технологический процесс и эффективно управлять им.
