Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Особенности строительства при отрицательных температурах 10
1.2.Требования к компонентам и бетонам при зимнем бетонировании 18
1.2.1. Требования к сырьевым материалам для зимнего бетонирования 18
1.2.2. Требования к бетонам при зимнем бетонировании 27
1.3. Повышение эффективности зимнего бетонирования за счет использования противоморозных добавок 32
1.4. Выводы к главе 40
2. Методы исследований и применяемые материалы 41
2.1. Методы исследований 41
2.2. Применяемые материалы 52
2.3. Выводы к главе 55
3. Особенности твердения композиционных вяжущих при отрицательных температурах 57
3.1. Виды зимнего бетонирования 57
3.2. Композиционные вяжущие для зимнего бетонирования 66
3.2.1. О генезисе техногенных песков КМА 67
3.2.2. Особенности помола композиционных вяжущих с кремнеземсодержащими компонентами различного генезиса 72
3.3. Управление процессами структурообразования при отрицательных температурах 83
3.4. Микроскопические исследования композиционных вяжущих
3.5. Выводы к главе 91
4. Изучение состава и свойст мелкозернистых бетонов для зимнего бетонирования 94
4.1. Подбор состава мелкозернистого бетона для бетонирования при отрицательных температурах 94
4.2. Свойства бетонной смеси для получения мелкозернистых бетонов при отрицательных температурах 98
4.3. Деформативные характеристики мелкозернистых бетонов 105
4.4. Концепция зимнего бетонирования с учетом специфики разработанных вяжущих 112
4.5. Выводы к главе 115
5. Внедрение и технико-экономическое обоснование 116
5.1. Технологическая схема производства мелкозернистого бетона на основе техногенного сырья для зимнего бетонирования 117
5.2. Апробация результатов исследований в промышленных условиях и учебном процессе 121
5.3. Производство бетонных работ при строительстве жилого дома на объекте ООО «Белплекс монолит» .
5.4. Технико-экономическое обоснование 136
5.5. Выводы к главе 141
Основные выводы 143
Список литературы
- Требования к сырьевым материалам для зимнего бетонирования
- Применяемые материалы
- Особенности помола композиционных вяжущих с кремнеземсодержащими компонентами различного генезиса
- Свойства бетонной смеси для получения мелкозернистых бетонов при отрицательных температурах
Требования к сырьевым материалам для зимнего бетонирования
Считается, что наиболее благоприятной температурой для кристаллизации цементного камня является от 15 до 25 С, в результате чего бетон на 28-е сутки обладает нормальной прочностью. В зимний период времени вода, находящаяся в теле и капиллярах, закристаллизовываясь, изменяется в размерах на 9%.
В бетоне возникают силы давления из-за образовавшихся внутри его структуры микроскопических образований льда, эти силы нарушают структурные связи, и тем самым в дальнейшем при твердении в естественных температурных условиях уже не возобновляются. Также вода пагубно влияет и на крупный заполнитель, обволакивая своей пленкой вокруг него, она при оттаивании нарушает сцепление бетона. При раннем замораживании по тем же причинам резко снижается сцепление бетона с арматурой, увеличивается пористость, что влечет за собой снижение его прочности, морозостойкости и водонепроницаемости [16–20].
Процесс твердения бетона продолжается, если замерзшая коагуляционная вода, опять превращается в жидкость после оттаивания. Конечная прочность этого бетона, из-за изменения структуры оказывается меньше прочности бетона, находящегося в нормальных условиях, на 15...20%. Следовательно, применять поочередное замораживание и оттаивание бетона не рекомендуется.
Прочность, при которой замораживание бетона уже не может нарушить его структуру и повлиять на его конечную прочность, называют критической. Таким образом, при бетонировании в зимних условиях технологическая задача заключается в использований таких методов ухода за бетоном, которые гарантировали бы достижение предустановленных проектом основных физико-механических, деформативных и эксплуатационных характеристик т.е. критической прочности. Установлено, что критическая прочность бетонов ниже В15 должна быть не менее 50% проектной и не ниже 5 МПа, для бетонов класса В15...В25 – не ниже 40%, для бетонов класса В30...В40 – не ниже 30%. Для конструкций предварительно напряженных прочность бетона к началу замораживания не должна быть ниже 70% 28-суточной прочности [21–24].
Для того чтобы решить такую задачу необходимо настроить весь цикл бетонирования, начиная от приготовления бетонной смеси и заканчивая выдерживанием бетона.
Транспортирование и приготовление бетонной смеси в зимний период времени осуществляется следующим образом: при выгрузке бетонной смеси из бетоносмесителя ее температура в зимний период времени должна быть такой, чтобы после теплопотерь, из-за перевозки ее от завода к объекту, смесь быларасчетной температуры, необходимой для принятого режима выдерживания бетона. Например, при применении электропрогрева температура бетонной смеси должна быть не менее 5 С, при использовании метода «термоса» температура должна быть не мене 25 С, а когда в бетон добавляются противоморозные добавки то температура смеси должна быть не ниже 5 С [25,26].
Для получения необходимой температуры смеси в процессе приготовления используется подогрев воды до температуры 50...90С, а также в отдельных случаях – песок, щебень и гравий. За прошедшие годы ряд отечественных и зарубежных организаций используют способ прогрева острым паром непосредственно в бетоносмесителе при приготовлении смеси. После предварительного перемешивания бетонной смеси в течение около 2 мин в барабан смесителя подается пар разогревающий смесь. При расчетах необходимо учитывать, что 1 кг пара увеличивает температуру 1 м3 смеси примерно на ГС. При этом способе подогрева необходимо вводить соответствующие поправки при определении водоцементного отношения и учитывать увеличение водосодержания бетонной смеси за счет конденсации пара. На крупных предприятиях по выпуску бетона, в том числе на непрерывного действия, инертные материалы прогреваются во вращающихся сушильных барабанах [27–30]. Выбранный способ транспортирования бетонной смеси должен обеспечивать ее доставку к месту укладки в кротчайшие сроки, они должны быть меньше начала схватывания или времени остывания смеси до температуры, которая обеспечит требуемые режимы выдерживания бетонной смеси. Так в зимний период времени дальние перевозки бетонной смеси при температуре ниже -15С сокращаются по сравнению с летними перевозками на 30...50%. На
Па На сегодняшний день применяют различные способы по утеплению и сохранению тепля кузова автомобиля при перевозках бетонной смеси (утепление кузова автомобиля, использование тепла отработанных газов, использование утепленного бункера, контейнера и т.д.).
При перевозках на дальние расстояния целесообразней использовать уже сухую смесь и на строящемся объекте затворять ее горячей водой и перемешивать непосредственно перед укладкой в опалубку. Для того чтобы выбрать способ выдерживания уложенного в опалубку бетона нужно создать необходимую для его твердения тепловлажностностную среду, этого можно добиться благодаря применению эффекта экзотермического тепловыделения, происходящего в свежеуложенном бетоне в результате гидратации цемента.
Применяемые материалы
Пустотность (которая характеризуется обьемом пустот между зернами) заполнителя в стандартном неуплотненном состоянии определялась из насыпной и истинной плотности, которые устанавливаются ранее. Vм.о= (1 - н/ 1000) 100, (2.5) где - истинная плотность отсева, г/см; н - насыпная плотность отсева, кг/см. б) Определение наличия глинистых и пылевидных частиц. Определялось с помощью метода отмучивания по методике ГОСТ 8735-88. Пылевидные частицы содержащиеся в заполнителе, вычисляются в процентах по массе по формуле: Потм =т-ті/т 100, (2.6) где m - масса сухой навески до отмучивания, г; mi - масса сухой навески после отмучивания, г. б) Определение водопотребности. Водопотребность определяли по методике «Руководство по подбору составов для тяжелого бетона» НИИЖБ Госстроя РФ, при условии одинаковой подвижности бетонной смеси: 1) готовился стандартный раствор состава 1:2, затем смесь перемешивали в течении 1 мин всухую и 5 мин после добавления воды, добиваясь расплыва конуса 170 мм, который определяется с помощью встряхивающего столика, затем определили водо-цементное отношение.. 2) подбирали водо-цементное отношение, при котором цементно песчанный раствор состава 1:2 на отсеве имеет такой же расплыв конуса ( 170мм. Водопотребность исследуемого отсева в % рассчитывалась по формуле: Вотс = (В/Ц)р – (В/Ц)ср/2 100+4, (2.7) где (В/Ц)р – водоцементное отношение соответственно раствора на исследуемом отсеве; (В/Ц)ср – водоцементное отношение стандартного раствора. Вотс – водопотребность отсева кварцитопесчанника. Расчет водопотребности: Вотс=(В/Ц)р – (В/Ц)ср/2 100+4, (2.8) где (В/Ц)ср –- на стандартном песке. (В/Ц)р – на исследуемом отсеве. в) Определение цементопотребности. Цементопотребность отсева определяли при постоянном значении Ц/В=2.5, таким образом, чтобы диаметр расплыва смеси на встряхивающем столике составлял 170 мм.
Цементопотребность находили по формуле: Цпотр =Vцем теста /Vотсева, (2.9) где Vцем теста – объем в смеси цементного теста; Vотсева – объем в смеси исследуемого отсева. Объем цементного теста определялся через значение его плотности, которое определялось в мерном цилиндре через массу цементного теста и его объем.
Объем цементного теста и заполнителя определяли для их долей в смеси, при которых обеспечивается требуемая консистенция.
Влияния суперпластификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов изучалось с помощью комплексных методов исследования, изложенных в государственных нормативно-технических документах.
Определение подвижности цементных суспензий с добавкой суперпластификаторов осуществлялось по методике мини-конуса НИИЖБ Госстроя РФ. Сущность метода заключается в измерении под действием силы тяжести диаметра расплыва цементной суспензии. Суперпластификаторы вводили непосредственно перед измерением диаметра расплыва совместно с водой затворения, после чего производили перемешивания цементного теста и измерение расплыва.
Растекаемость пластифицированного цемента цементного теста определялась с использованием миниконуса и характеризовалась диаметром расплыва не менее 125мм. Прибором, представляет собой усеченный конус объемом 120 мл, нижним диаметром 64±0,5мм и верхним диаметром 36±0,5мм, высотой 60±0,5мм. Конус помещали на горизонтальную стеклянную пластину, с подложенной бумагой с расчетными кругами, находящимися друг от друга на расстоянии 5 мм. Наибольший круг диаметром 200мм, наименьший – 10мм.
Пластифицированный цемент и воду смешивали 3 минуту, заполняли полученным раствором конус до верхнего края, и плавно поднимали его в вертикальном направлении. Растекаемости определяли с помощью измерения диаметра расплыва в двух неперпендикулярных направлениях, с наибольшим значением, затем рассчитывали среднее значение.
Прочность вяжущих при изгибе и сжатии определяли, по методикам ГОСТ 310.4-81на образцах-балочках размерами 40х40х160 мм, для определения предела прочности при изгибе использовался гидравлический пресс П-10, полученные после испытания на изгиб половинки балочек использовались при испытании на сжатие, с использованием специальных пластин площадью 25 см.
Определение прочность бетонов. Предел прочности при сжатии мелкозернистых бетонов определяли на образцах-кубах размерами 100x100x100 мм в количестве 6 штук в серии на прессе ПСУ-125 и рассчитывали по формуле:
Исследование морозостойкости. Определение морозостойкости проводили по методике ГОСТ 10060.0-2012 на образцах размером 70x70x70 мм. За марку бетона по морозостойкости принимали наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания выдерживаемое образцами без снижения прочности более 5% по сравнению с прочностью образцов, испытанных в проектном возрасте,
Отклонение размеров и формы образцов от номинальных, неплоскостность их опорных поверхностей, прилегающих к плитам пресса, а также неперпендикулярность опорных и боковых поверхностей образцов не превышали значений, установленных ГОСТ 10180-2012.
Отбор проб и изготовление образцов из бетонной смеси, а также отбор образцов, изготовленных путем выпиливания их из конструкций и сооружений производился по ГОСТ 10180-2012. Образцы изготавливались сериями, состоящими не менее чем из трех образцов.
Особенности помола композиционных вяжущих с кремнеземсодержащими компонентами различного генезиса
Твердение цементного камня - это сложный процесс, который связан с комплексом явлений физического и химического характера. Сюда входят химические реакции минералов и стеклофазы цементного клинкера и воды с образованием новых соединений, а также их физическое и химическое взаимодействие между собой и заполнителями.
Для процесса гидролиза и гидратации цемента очень важна температура, при которой происходит твердение. Изменение температуры воды изменяет растворимость различных соединений.
Учитывая полиминеральность и полидисперсность портландцемента, можно утверждать, что от условий твердения зависит и структура цементного камня. Указанные условия, влияющие на структуру цементного камня, связаны не только с процессом их образования, но и процессами, снижающими строительно-технические свойства, т.е. структурообразование нельзя рассматривать вне процесса деструкции цементного камня, который во многих случаях сопутствует образованию цементного камня.
Оптимальным следует считать такой режим твердения цемента, при котором процессы деструкции сведены к минимуму. По указанным причинам виды и марки цемента (как на основе портландцементного клинкера, так и на других основах, т.е. минеральных фазах) имеют особое различие в оптимальных режимах твердения.
Присутствующая в отходах ММС железистых кварцитов халцедоновая разновидность кварца является высокореакционноспособной, к халцедонам относится некоторый ряд образований скрытокристаллического (в разной степени) кремнезема, который включает кварц различной упорядоченности, ограниченный с одной стороны упорядоченным или почти упорядоченным альфа-кварцем, а с другой – кремнеземом с высоко разупорядоченной альфа-кварцевой структурой, с нарушением трехмерной связи тетраэдров SiO4, с проявлением дискретности Si-O- Si мотивов, дислокаций; в дефектных участках присутствует Si-OН- -связи и переслаивания неупорядоченных пакетов кристобалита – тридимита. Неупорядоченная структура и другие дефекты, возможно, способствуют значительной реактивности халцедона и этим можно объяснить высокую растворимость халцедона в щелочах. Наблюдаемое увеличение степени дисперсности – уменьшение величины слагающих блоков халцедонов с низкой степенью кристалличности до сотых долей микрон, т.е. в сотни и более раз меньше, чем в кварце высокой кристалличности, определяется внутренней структурой; более плотная макроупаковка зерен кристаллитов кварца обусловлена более однородным, внутренним строением – и в силу этого континуумом без большого количества граничных поверхностей, к которым обычно приурочены нарушения типа замены -О на -ОН и др. В халцедоне таких разнородных нарушений, связанных с наличием кластеров, значительно больше, постройка менее монолитна и каждое зерно существует, так сказать, само по себе.
При затворении водой композиционных вяжущих с использованием полиминеральных отходов мокрой магнитной сепарации неупорядоченный регионально-метаморфизованный халцедоновидный кварц, частично аморфизованный в процессе дробления и помола при обогащении железистых кварцитов, а также при производстве вяжущих низкой водопотребности, интенсифицирует процесс гидратации цемента, связывая Ca(OН)2 в нерастворимые гидросиликаты кальция различной основности.
Активизирующая роль в процессах гидратации и твердения композиционных вяжущих отходов обогащения железистых кварцитов обусловлена и присутствием в них железа. Известно, что введение малых количеств ряда веществ с металлической связью в вяжущие системы приводит к интенсификации процессов гидратации силикатных и алюминатных фаз, росту количества новообразований и содержания химически связанной воды, что связано с активацией поверхности твердых фаз и поликонденсационными процессами.
В данной работе изучение структуры новообразований ТМЦ и ВНВ проводились с использованием сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения TESCAN MIRA 3 LMU на примере композиционных вяжущих на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н и отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов.
Изучение микроструктуры цементного камня ВНВ на отходах ММС в естественном виде, показало, что породообразующие минералы отходов ММС при помоле и твердении системы «вяжущее – вода», оказывают значительное влияние на формирование структуры вяжущих и процессы гидратации клинкерных минералов (рис. 3.15).
При воздействии воды на трехкальциевый силикат некоторая его часть растворяется в воде и гидролитически расщепляется, после чего продукты гидролиза гидратируются и наряду с этим образуется свободная известь.
Гидратация алита в составе ВНВ на отходах ММС в основном протекает в первые 7 суток и в дальнейшем увеличивается незначительно. Степень гидратации C3A у всех вяжущих имеет примерно одинаковое значение к 28 суткам.
Высокая активность ТМЦ и ВНВ на основе отходов ММС объясняется наличием регионально-метаморфизованного, неупорядоченного кварца. Его адгезия к цементному камню значительно выше, чем у упорядоченного диоксида кремния осадочных пород. Учитывая развитую поверхность и остроугольную форму отходов ММС, синтез структуры цементного камня можно представить как процесс совместного протекания гидрато- и структурообразования, т.е. последовательный переход от коагуляционной структуры к образованию пространственного кристаллизационного каркаса.
Это подтверждает то, что формирование структуры цементного камня ВНВ и ТМЦ с использованием полиминерального тонкодисперсного техногенного песка имеет свои особенности, без учета которых невозможно получить эффективного композита.
Кроме того, положительное влияние на формирование микроструктуры цементного камня оказывает прерывистость гранулометрического состава вяжущего на основе техногенных песков вследствие полиминеральности состава, и, как следствие, плотной пространственной укладки частиц и получения более плотного камня [169].
При затворении водой ВНВ и ТМЦ с использованием полиминеральных отходов ММС происходит формирование пространственной структуры с помощью коагуляционных контактов. Причем, активные заполнители, а в данном случае неупорядоченный регионально-метаморфизованный халцедоновидный кварц, частично аморфизованный в процессе дробления и помола при обогащении железистых кварцитов, а также при производстве ВНВ и ТМЦ, смещает направленность реакции в сторону интенсивного выделения продуктов гидратации, связывая последние в нерастворимые гидросиликаты кальция различной основности.
Можно сделать вывод, что при длительном твердении ВНВ как на основе термообработанных, так и на основе обычных отходов ММС железистых кварцитов, в основном образуется скрытокристаллическая структура гидросиликатов кальция типа – C-S-H (I) и CSH (II), а так же гидроалюминаты и гидроферриты кальция.
Свойства бетонной смеси для получения мелкозернистых бетонов при отрицательных температурах
1. Предложены принципы повышения эффективности мелкозернистого бетона для монолитного строительства в условиях пониженных температур, заключающиеся в управлении процессами структурообразования за счет использования композиционного вяжущего на основе портландцемента и техногенного сырья КМА.
2. Выявлен характер влияния условий твердения мелкозернитого бетона в различных условиях с использованием в качестве заполнителя отсева дробления кварцитопесчанника для применения в монолитном строительстве при отрицательных температурах.
3. Установлено, что прочностные и деформативные свойства мелкозернистого бетона с применением композиционных вяжущих сопоставимы с бетоном контрольного состава на обычном портландцементе, при меньшем расходе клинкерной составляющей, что можно объяснить высокими характеристиками самого вяжущего низкой водопотребности, его высокой дисперсности, низкой водопотребности, высокой активности, за счет чего улучшается состояние контактной зоны на границе раздела цементный камень – заполнитель, а также состав и структура новообразований в этой зоне.
Для широкомасштабного внедрения результатов полученных в научно исследовательской работе при производстве мелкозернистых бетонов на основе техногенных песков КМА (отсева дробления кварцитопесчанника и отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов) для зимнего бетонирования были разработаны следующие нормативно-технические документы: – стандарт организации СТО 02066339-007-2013 «Мелкозернистый бетон на основе техногенных песков КМА для зимнего бетонирования»; – технологический регламент на производство бетонных работ с использованием композиционных вяжущих при отрицательных температурах; – рекомендации по изготовлению мелкозернистых бетонов на основе техногенных песков КМА для зимнего бетонирования; – разработана технологическая схема производства мелкозернистого бетона на основе техногенного сырья для зимнего бетонирования; – апробация результатов полученных в работе в промышленных условиях осуществлялась на предприятиях ООО «Строительная компания №1» (г. Белгород), ООО «СУ-31» (г. Белгород), ООО «БЕЛПЛЕКС МОНОЛИТ» (г. Белгород); – теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе; – получены ноу-хау № 20130023 «Отсев дробления кварцитопесчаника в качестве мелкого заполнителя для стеновых мелкоштучных изделий», ноу-хау № 20130040 «Мелкозернистый бетон для зимнего бетонирования».
Технологическая схема производства мелкозернистого бетона на основе техногенного сырья для зимнего бетонирования
Технологическая схема производства бетонной смеси начинается с получения композиционных вяжущих (рис. 5.1) и включает в себя набор операций, в результате которых получают требуемый продукт.
Производственный процесс заключается в следующем. Отсев дробления кварцитопесчанника и отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов автотранспортом (1) доставляются на предприятие с Лебединского месторождения КМА и отправляются на склады (3, 4). Отсев дробления применяется как мелкий заполнитель при производстве мелкозернистого бетона, что связано с допустимыми нормативами значениями количества глинистых и пылевидных частиц и модуля крупности (Мкр=3,75), что позволяет осуществлять производство бетонных изделия из мелкозернистого бетона с необходимыми характеристиками.
После доставки на склад отсев посредством ленточного конвейера (2) и элеватора (5) загружается в бункер заполнителя (6). Вяжущи подаются из хранилища (силоса) в расходный бункер и затем на весовой дозатор, с помощью которого отмеривается необходимое количество вяжущего, поступающего затем в загрузочное устройство мельницы. С помощью автопогрузчика доставляется со склада суперпластификатор «Полипласт СП-1» и затем тельфером контейнер с добавкой устанавливается в приемное устройство с открывающимся нижним клапаном и суперпластификатор (9) подается в необходимых количествах в загрузочное устройство мельницы, куда также со склада в зависимости от необходимости подается отсев дробления кварцитопесчанника и отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (3, 4).
