Содержание к диссертации
Введение
1 Существующие представления о роли структуры в формировании свойств минеральных безобжиговых вяжущих 12
1.1 Состояние вопроса в области научных исследований структурообразования безобжиговых вяжущих 13
1.2 Некоторые предпосылки комплексного закона структурообразования 16
1.3 Управление свойствами безобжиговых вяжущих через процессы структурообразования 19
1.4 Некоторые аспекты рационального подбора сырьевых смесей 30
1.5 Задачи исследования 33
2 Методология проектирования многокомпонентного минерального вяжущего на основе побочных продуктов промышленности 36
2.1 Разработка и анализ исходной модели минерального вяжущего материала 36
2.2 Проектирование и обоснование рационального состава многокомпонентного минерального вяжущего на примере промышленных отходов Череповецкого промышленного узла 50
2.3 Выводы 71
3 Методы испытаний строительных композиционных материалов на основе многокомпонентного минерального вяжущего 73
3.1 Испытания исходных материалов многокомпонентного минерального вяжущего 73
3.2 Испытания многокомпонентного минерального вяжущего в составе раствора 76
3.3 Испытания исходных материалов для бетона 79
3.4 Методы оптимизации состава и свойств бетона 82
3.5 Испытания бетона на основе многокомпонентного минерального
вяжущего 84
4 Технология получения многокомпонентного минерального вяжущего 87
4.1 Оценка гидравлических свойств сырьевых компонентов вяжущего 87
4.2 Механохимическая активация сырьевых компонентов вяжущего
4.3 Обоснование выбора составов композиций для сравнительной оценки свойств многокомпонентного минерального вяжущего 90
4.4 Исследование продуктов гидратации, влияющих на свойства минеральных вяжущих материалов 94
4.5 Исследование строительно-технических свойств минеральных вяжущих материалов 98
4.6 Физико-механические свойства исследуемых минеральных вяжущих материалов 102
4.7 Теоретическое обоснование свойств разработанного многокомпонентного минерального вяжущего на базе общей формулы «состав - структура - свойства» 111
4.8 Выводы 118
5 Исследование свойств шлакобетона, изготовленного на основе разработанного многокомпонентного минерального вяжущего 121
5.1 Обоснование выбора заполнителей и их характеристики 121
5.2 Проектирование и обоснование рационального состава шлакобетона 124
5.3 Исследование показателей качества шлакобетона 128
5.4 Долговечность шлакобетона на разработанном многокомпонентном минеральном вяжущем 143
5.5 Тепловая обработка шлакобетона 146
5.6 Исследование влияния модификаторов структуры на свойства шлакобетона 147
5.7 Выводы 150
6 Производственное внедрение результатов исследования 153
6.1 Рекомендации по использованию многокомпонентного минерального вяжущего 153
6.2 Опытно-промышленное изготовление напольных плит 154
6.3 Технико-экономические показатели применения сухой строительной смеси марки СШГВ - В20, ПК2 159
6.4 Выводы 160
Общие выводы 162
Литература
- Некоторые аспекты рационального подбора сырьевых смесей
- Проектирование и обоснование рационального состава многокомпонентного минерального вяжущего на примере промышленных отходов Череповецкого промышленного узла
- Испытания исходных материалов для бетона
- Долговечность шлакобетона на разработанном многокомпонентном минеральном вяжущем
Введение к работе
Актуальность исследования. Успешное развитие строительного комплекса зависит от уровня решения взаимосвязанных проблем по ресурсо- и энергосбережению, а также по снижению себестоимости строительной продукции. Поэтому в настоящее время одним из актуальных направлений строительного материаловедения являются исследования по созданию новых эффективных композитов на основе техногенного сырья, отличающихся пониженной себестоимостью и отвечающих современным требованиям долговечности и эксплуатационной надежности.
С позиции обеспечения сырьевыми ресурсами строительной индустрии следует учитывать прогрессирующий рост цен на природные минеральные ресурсы, используемых в производстве вяжущих материалов и заполнителей для бетонов. Важнейшим сырьевым резервом строительного комплекса являются многотоннажные вторичные продукты промышленности (ВПП), комплексное использование которых позволит формировать рациональные структуры в новых композиционных материалах в результате физико-химических взаимодействий.
Проблема утилизации отходов остро стоит во всем мире. Опыт стран Евросоюза свидетельствует об эффективности замены значительной части клинкера (35 – 95 %, в зависимости от типа и марки вяжущего) гидравлически активными минеральными добавками из ВПП.
Теоретическое обоснование и практическое применение малоклинкерных и бесклинкерных минеральных вяжущих не решило еще проблемы комплексного подхода в вопросах переработки промышленных отходов для производства строительных материалов.
Поэтому комплексная переработка минерального техногенного сырья в производство строительных материалов является актуальной проблемой в материаловедческом, строительно-технологическом, промышленно-технологическом, экономическом и экологическом аспектах.
Исходя из основных положений теории структурообразования, учения о фазовых равновесиях, представленных в виде диаграмм состояния, была выдвинута рабочая гипотеза – получение синергетического эффекта синтеза физико-технических свойств полиструктурных композитов при комплексном совмещении и сочетании химического и фазового состава сырьевых компонентов.
Теоретическими основами работы стали исследования российских ученых, посвященных проблеме вовлечения промышленных отходов в производство строительных материалов: Ю.М. Баженова, А.В. Волженского, Ю.М. Бутта, И.А. Рыбьева, П.Г. Комохова, Т.М. Петровой, В.С.Горшкова, О.Л. Дворкина, С.М., В.С. Грызлова, Ю. Г. Мещерякова, С.М. Рояк, В.П. Сучкова, А.В. Хвастунова, и др., а также трудов научно-исследовательских и проектных институтов.
Цель исследования: разработка метода получения многокомпонентного минерального вяжущего на основе комплексного подхода к переработке промышленных отходов.
В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:
-
На основе современных представлений о роли структуры в формировании свойств минеральных вяжущих строительных материалов изучены вопросы проектирования их составов с учетом свойств сырьевых компонентов.
-
Разработан метод получения состава сырьевой шихты многокомпонентного минерального вяжущего на основе комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов с обоснованием выбора технической модели.
-
Разработана «Схема комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов», отличительной особенностью которой является использование базиса трехкомпонентной системы CaO-SiO2-Al2O3 в качестве технической модели для проектирования состава сырьевой смеси строительного композиционного материала.
-
С помощью технической модели, представленной трехкомпонентной системой CaO-SiO2-Al2O3, разработан новый состав многокомпонентного минерального вяжущего максимально приближенным по минералогическому и химическому составу основных оксидов к эталонному материалу. Исследованы физико-механические, технологические свойства многокомпонентного минерального вяжущего в составе строительного раствора.
-
Спроектирован рациональный состав бетона на разработанном многокомпонентном минеральном вяжущем с использованием техногенных компонентов с целью максимального вовлечения отходов промышленности в строительный композит.
-
Оценены свойства бетона при кратковременных и длительных нагрузках на соответствие требованиям современной нормативной документации с целью его применения в производстве строительных конструкций. Исследовано влияние режимов условий твердения.
-
Исследована совместимость бетона на основе многокомпонентного минерального вяжущего с современными модификаторами структуры.
-
Осуществлена опытно-промышленная проверка полученных результатов в условиях действующего производства.
Объектом исследования является многокомпонентное минеральное вяжущее
Предметом исследования является метод создания конкурентоспособного вяжущего материала с требуемыми эксплуатационными свойствами.
Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения строительного материаловедения в области безобжиговых композиционных материалов с учетом современных тенденций в части ресурсо- и энергосбережения, методы математической статистики планирования эксперимента, теоретической и экспериментальной оптимизации; основные положения теории прочности и теплопроводности композиционных материалов, метод эксперимента.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
-
Предложен метод разработки состава многокомпонентного минерального вяжущего, основанный на комплексном анализе параметров техногенного сырья, определении его физико-технологических особенностей, выборе направления использования, оптимизации соотношения химических оксидов шихты строительного композита.
-
Разработана «Схема комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов», включающая в качестве технической модели базис трехкомпонентной системы CaO-SiO2-Al2O3 для проектирования состава сырьевой смеси строительного композиционного материала.
-
На основе предложенного метода разработан новый состав многокомпонентного минерального вяжущего (ММВ), патент № 2010146531. Установлена высокая эффективность применения ММВ в составе строительных растворов (по сравнению с равнопрочными вяжущими), обеспечивающего повышение: водоудерживающей способности цементного теста на 33 %; прочности вяжущего в составе строительного раствора при изгибе на 9 %.
-
Предложен рациональный состав шлакобетона с использованием разработанного ММВ, обеспечивающего повышение (в сравнении с равнопрочными шлакобетонами): коэффициента перехода от кубиковой прочности шлакобетона к призменной на 12% в сравнении с нормируемой характеристикой СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры»; прочности шлакобетона на осевое растяжение от 35 до 55 %; понижение коэффициента теплопроводности на 13…17 %.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработан стандарт организации (технические условия) на сухую строительную смесь, содержащую в своем составе многокомпонентное минеральное вяжущее в соответствии с существующими нормативными требованиями. Опытно-промышленной проверкой подтверждена эффективность разработанного многокомпонентного вяжущего, на основе предложенного метода. Исследованы свойства композитов с применением ММВ в комплексе с модифицирующей добавкой «Полипласт СП-1». Это позволило снизить: массу напольных плит на 12 %, себестоимость на 15,3 % с сохранением регламентируемой прочности.
Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ЧГУ» при подготовке бакалавров и магистров направления 270800.68 «Строительство». Результаты диссертационной работы использовались при выполнении выпускных квалификационных работ магистерских диссертаций строительного профиля.
Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследований; применением общепринятых методов оптимизации; использованием фундаментальных положений термодинамики; теории структурообразования; применением современных математических методов планирования экспериментов и статической обработки результатов; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем; результатами промышленной апробации.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на еже-
годном смотре-сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям наук 21.11.2007 г.; на всесоюзной научной конференции студентов и аспирантов, проходящей в г. Вологда с 16 по 18 апреля 2009 года; на всероссийской научно – практической конференции «Череповецкие научные чтения – 2009» 2-3 ноября 2009 г.; на XIV межрегиональной выставке «Свой дом» 7 октября 2011г. с докладом «Применение местных материалов для производства сухих строительных смесей».
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе пять – входящие в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 164 страницы машинописного текста, 44 таблицы, 39 рисунков, 66 формулу, 13 приложений и список использованной литературы из 190 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Некоторые аспекты рационального подбора сырьевых смесей
В 80-е годы XX в. с развитием фундаментальных наук, таких как физика, химия и математика, в материаловедении сложилась объективная необходимость систематизации и обобщения научной и практической информации о технологиях строительных материалов на традиционных и новых вяжущих материалах [2,5,81,113,125,147,181]. Научная школа академика РААСН В.И. Соломатова обосновала полиструктурную теорию строительных материалов [138,139], которая раскрыла композиционную природу их строения, дала возможность произвести количественную оценку формирования структур (кластерных, решетчатых и др.) композитов, позволила, применив фрактальную теорию [104], решать прямую и обратную задачи оптимизации состава композита. Отличительной особенностью полиструктурной теории является не только классификационный фактор для объяснения особенностей структуры и свойств материала, но и возможность использования её для направленного изменения и формирования требуемых физико-технических свойств материала и назначение его рациональной технологии.
Использование теории фракталов позволяет вскрыть фундаментальное значение структурных свойств для композитов и использовать структурные параметры, как равноправные в системе определяющих параметров материала. Сущность теории состоит в представлении материала полиструктурным, т. е. в выделении в единой структуре многих взаимозависимых структур. Используется в качестве ключа к направленному изменению и формированию требуемых физико-технических свойств этого материала и к разработке его рациональной технологии.
Определенный интерес представляет работа [30], в которой проведены целенаправленные исследования по изучению влияния изменения внутренних и внешних факторов на структурообразование и свойства строительных композиций как мультифрактальных объектов. Были сделаны выводы, характерные и для научных исследований, проводимых с дисперсными материалами, к которым относятся и безобжиговые минеральные композиции: - дисперсные композиции строительного назначения можно представить
14 как мультифрактальные объекты, масштабная инвариантность дискретной структуры которых предопределяет статистическую усредненность их структурных характеристик в определенном интервале масштабных уровней и возможность количественной оценки через обобщенную фрактальную размерность; - строительные композиты являются сложными динамичными открытыми системами, что предполагает их способность к самопроизвольным изменениям структуры под влиянием изменения внутренних и внешних факторов...; - между значениями усредненной фрактальной размерности, физических моделей и свойствами наполненных полимерных композиций существует нелинейная зависимость, что свидетельствует об определяющем влиянии начальных условий на организацию структуры строительных композитов; - регулирование внешних электромагнитных воздействий и размеров частиц дисперсной фазы позволяет направленно задавать пространственно-геометрические характеристики структурных составляющих дисперсных композиций...; - предположение о перколяционном характере процессов полимеризации в образцах позволяет объяснить характерные зависимости объемных изменений во времени.
Существенный вклад в область исследований механохимической активации (МХА) внесли как отечественные ученые: Е.Г. Аввакумов [1], П.А. Ребиндер [125], Л.М. Сулименко [148], Л.А. Урханова [156] и др., так и зарубежные: Г. Хайнике, В. Веке, F.C. Bond, М. Senna и др.[162,174,175,176, 186]. Результатом тонкого измельчения является повышение запаса свободной энергии вещества, которое возникает за счет увеличения поверхности и дефектности пространственной атомной и молекулярной структуры механически обработанного твердого тела. За последние несколько лет в России появилось новое направление, связанное с получением и применением наноразмерных объектов, что дает возможности целенаправленного управления процессом структурообразования и свойствами цементных композитов, представляющих собой сложную иерархическую систему, включающую и наноуровень. В этом новом направлении строительного материаловедения успешно работают такие ученые как Ю.М. Баженов, П.Г. Комохов, B.C. Лесовик, Ю.В. Пухаренко, Е.М. Чернышов и др. [7,97,100,121,165]. Ими показана возможность использования нанокомпозиции при получении новых строительных материалов.
Как утверждал профессор И.А. Рыбьев [129], свойства искусственных конгломератов обусловливаются вещественным составом материала, его структурными особенностями, зависят от технологических факторов и рабочего состояния конструкции.
Анализ отечественного и зарубежного опыта по направленному структурообразованию безобжиговых вяжущих веществ с заранее заданными свойствами показывает их высокую технико-экономическую эффективность в тех строительных изделиях и конструкциях, которые работают с невысокими нагрузками и использование дорогостоящего цемента нецелесообразно.
Проектирование и обоснование рационального состава многокомпонентного минерального вяжущего на примере промышленных отходов Череповецкого промышленного узла
Реализация поставленных задач, целью которых является создание и изучение структурообразования новых видов смешанных вяжущих, строительных материалов и конструкций на их основе, управления этими процессами, ресурсо-и энергосбережения, снижения себестоимости строительной продукции путем комплексного использования региональной базы местных сырьевых источников, выполнена на примере использования промышленных отходов Череповецкого промышленного узла.
1 этап. Характерной особенностью месторасположения накопителей (отвалов, шламонакопителей и т.п.) промышленных отходов Череповецкого промышленного узла является их территориальная разбросанность, т.е. их взаимная удаленность, что является одной из причин отсутствия системы комплексной переработки техногенных отходов. Классификация предприятий позволяет системно рассматривать отраслевые признаки образующихся промышленных отходов, выделенных из технологического цикла, рисунок 12 [89].
Систематизация данных по объемам складирования промышленных отходов и их реализация в строительный комплекс, позволила определить, что наибольшие объемы промышленных отходов остаются в шлаковых отвалах ОАО «Северсталь» и ОАО «Аммофос». Вместе с тем именно техногенные отходы данных предприятий являются ценным сырьевым источником для изготовления строительных материалов и, в частности, вяжущих материалов с различными условиями твердения и техническими эксплуатационными свойствами. Отрасли промышленности Череповецкого промышленного узла
Одним из основных критериев сбора информации об объёмах накопления и реализации промышленных отходов, существующих направлений их переработки, являлась официальная отчетность, результаты которой отражены на рисунке 13.
Череповецкого промышленного узла Представленные значения (рисунок 13) позволяют проследить тенденцию накоплений промышленных отходов и их реализацию в строительную отрасль в период с 2005 по 2010 г.г. Результаты показывают, что наибольшие объемы накоплений свойственны отраслям химической, металлургической, топливно-энергетической промышленности, что согласуются с данными [75]; при этом их необходимо рассматривать как долговременный источник вторичного минерального сырья при производстве альтернативных традиционным и более эффективных композиционных минеральных безобжиговых вяжущих, пористых и плотных заполнителей. Отсутствие значений накопленных объемов на диаграмме объясняется тем, что при изготовлении строительных материалов промышленные отходы предприятия Череповецкий «Азот» не применяются. Анализ возможности использования древесных отходов показал, что все отходы идут на переработку внутри самих производств: большая часть на выработку тепловой энергии и незначительная - на производство плит ДСП. Наиболее эффективно используются отходы производства силикатного кирпича, которые вовлекаются в повторный технологический процесс как внутри самого завода, так и на других предприятиях. Незначительная часть сопутствующих отходов завода «ЖБИиК» полностью используется для подсыпок при дорожном строительстве.
Обобщение и анализ приведенных результатов позволили определить те виды промышленных отходов, которые необходимо включить в схему (рисунки 10,11) для реализации предлагаемой стратегии по комплексной переработке промышленных отходов.
Показатели качества при использовании в строительной отрасли были подтверждены сертификатами соответствия и удовлетворяли требованиям стандартов следующие виды промышленных отходов: ОАО «Северсталь» -доменный гранулированный шлак соответствует требованиям ГОСТ 3476-74 [41], шлак гранулированный из конвертерного шлама СТО 00186217-079 2011 [145], фракционный щебень из доменных шлаков (приложение 1,2); ОАО «Аммофос» - кремнегель ТУ 2123-009-70864-601-2004 [153], пиритный огарок ТУ 2123-408-00209438-01[154], фосфогипс ТУ 2141-677-00209438-2004 [155]; филиал ОАО «ОГК-6» Череповецкая ГРЭС - зола Интинского угля соответствует требованиям ГОСТ 25592-91 [60], (приложение 5).
При оценке промышленных отходов как сырья для производства строительных материалов учитывалось их соответствие нормам на содержание радионуклидов. Санитарно-эпидемиологические заключения подтвердили возможность использования промышленных отходов в качестве минерального сырья для всех видов строительства без ограничений: суммарная удельная активность радионуклидов каждого вида отхода не превышает 370 Бк/кг (приложения 3 - 6) в соответствии с требованиями СанПиН 2.6.1.2523-09 [130].
Выявленные совокупные признаки образования рассматриваемых промышленных отходов, рекомендации в сопроводительной нормативной документации дают основание характеризовать их как побочный продукт в соответствии с ГОСТ 30772-91 [66] (приложения 4,6).
2 этап. В процессе производственной деятельности предприятиями выработаны общие концептуальные технологические подходы к переработке побочных продуктов, направленные на снижение объемов их образования, на переработку имеющихся и вновь образуемых промышленных отходов. Сложившиеся приоритетные направления утилизации в строительную отрасль представлены в таблице 3 [89].
Каждая отрасль использует специфическое сырье, способы и режимы переработки при получении конечной продукции. В результате технологических процессов на предприятиях образуются промышленные отходы с различным химическим составом, что обусловлено условиями их формирования [13].
Испытания исходных материалов для бетона
Эти исследования были выполнены для оценки технических и физико-механических свойств многокомпонентного минерального вяжущего с целью возможности использования его в строительных композиционных материалах.
Вяжущие вещества, в том числе многокомпонентные минеральные, при твердении должны характеризоваться равномерностью изменения объема. Расширение цементного камня, вызывающее искривление исследуемых образцов либо появление на них волосных трещин, - результат запоздалой, но весьма сильной по своему действию гидратации химически не связанного свободного оксида кальция. Расширение цементного камня можно наблюдать при избыточном содержании крупнокристаллических зерен периклаза (оксида магния) [128]. Вяжущие вещества с неравномерным изменением объема приводят не только к снижению прочности бетонов при их твердении, но даже к их разрушению [28].
Водоотделение характеризуется количеством воды, отделившимся при расслоении цементного теста вследствие осаждения частиц цемента. Вода, обусловливающая наружное водоотделение, при перемещении зерен заполнителя вниз, а воды — вверх, создает сеть сообщающихся капилляров у боковых поверхностей зерен, а также вызывает образование между слоями бетона прослоек с увеличенным содержанием воды. Значительное количество межслоевой воды способствует разрыхлению гидратной структуры и снижению прочности твердеющей системы [114].
Исследования [18,21] свойств шлаковых цементов с различными добавками (ангидрит, цемент, гипс) показали начало схватывания цементного теста от 1 час. 50 мин. до 2 час. 45 мин.; конец схватывания - от 4 час. 10 мин. до 5 ч. 50 мин. Более поздние источники [75,94] по обобщенным результатом исследований определили сроки схватывания шлаковых цементов, которые находятся в пределах: начало - не ранее 45 мин., а конец - не позднее 18 часов.
Результаты испытаний сведены в таблицу 20. Анализ показал, что разработанные составы многокомпонентных минеральных вяжущих на базе трехкомпонентной системы СаО - SiCb - А1203 (составы 3-6) имеют структуру с более равномерным распределением воды по всей массе, чем известные (эталон, составы 1 - 2). Коэффициент водоотделения разработанного ММВ с добавкой портландцемента (составы 4,6) на 32,95...61% ниже по сравнению с известными шлаковыми вяжущими (составы 1-2) и 80,48 - 88,75 % по сравнению с эталоном портландцементом. При этом необходимо отметить, что спроектированный состав ММВ без добавки портландцемента (состав 3) имеет коэффициент водоотделения на 5,4 % ниже, чем у известного аналога (состав 1). Таблица 20. Технологические параметры исследуемых составов строительных минеральных вяжущих веществ Состав многокомпонентного минерального вяжущего,масс, % о4-н о н о«к лSО Сроки схватывания Равномерность изменения объема Коэффициент водоотделения,кв
Такой результат позволяет прогнозировать использование разработанного ММВ в композиционных составах, которые доставляются на строительную площадку автотранспортом.
Положительное воздействие на цементную суспензию оказывает содержание полуводного гипса, о чем свидетельствуют современные исследования, проводимые в Белгородском государственном технологическом университете имени В.Г. Шухова [114]. Доказано, что при наличии в цементном составе полуводного гипса, вследствие недостатка ионов SO4" в начальный момент времени, эттрингит формируется не на поверхности трехкальциевого алюмината, а в межзерновом пространстве после 8-10 минут взаимодействия цемента с водой и представлен в виде длинных игл. Это увеличивает степень гидратации алюминатных фаз, благодаря чему повышается седиментационная устойчивость системы и прочность цемента в ранние сроки.
По срокам схватывания испытываемые составы на ММВ с добавкой портландцемента (составы 4,6) относятся к нормальносхватывающимся цементным вяжущим, сроки схватывания которых регламентируются началом схватывания не ранее 45 мин. Многокомпонентные минеральные вяжущие без добавки портландцемента (составы 3,5) относятся к быстросхватывающимся - начало схватывания их цементного теста наступило ранее 45 мин, что соотносится с результатами исследований свойств шлаковых вяжущих [28].
Увеличение сроков схватывания композиций с применением портландцемента в качестве щелочного активизатора можно объяснить наибольшим количеством химических реакций, вызванных наиболее кислой средой и сопровождающихся гидролизом и гидратацией в более глубоких участках стекла в цементном тесте с образованием более устойчивых гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, обуславливающих схватывание и твердение всей системы [28]. Данный факт согласуется с результатами рентгеноструктурного анализа, фиксирующий кристаллизацию эттрингита (составы 2,4,6)
Достаточно высокий модуль основности используемых сырьевых компонентов в ММВ без щелочной добавки (составы 3,5) способствует сокращению сроков схватывания. Работами В.Д. Глуховского, Т.М. Петровой, Л.И. Дворкина и др. [31,75,117] было показано, что скорость набора прочности шлаковых вяжущих при твердении в естественных условиях, определяется модулем основности шлаков.
Таким образом, применение вышеуказанных приемов позволяет регулировать сроки схватывания ММВ в изделиях и конструкциях, доводя их до значений, приемлемых для производства. Наиболее рациональным путем является создание смешанных композиций, позволяющих максимально использовать потенциальные возможности каждого из компонентов [119].
Нормальная густота цементных паст ММВ с добавкой портландцемента (составы 3,5) характеризуется повышенным содержанием воды на 35,4...42,86 % по сравнению с известным шлаковым вяжущим (состав 2), это объясняется значительным содержанием фосфогипса в их составе (36 - 38,4 %), дисперсность частиц которого влияет на повышение водовяжущего (В/В) отношения.
Долговечность шлакобетона на разработанном многокомпонентном минеральном вяжущем
Для определения номинального состава шлакобетона в части установления рациональных пределов расхода заполнителей использовалось математическое планирование эксперимента с использованием ортогонального центрального композиционного плана типа 2 [29]. Предельные значения компонентов нижнего и верхнего уровней были назначены по рекомендациям [71] для шлакобетонов на цементном вяжущем. В качестве независимых переменных (факторов варьирования) были приняты: X] - агрегатно-структурный фактор (г), Х2 - разработанное многокомпонентное минеральное вяжущее (ММВ), Х3 - водовяжущее отношение. Уровни варьирования факторов приведены в таблице 28. X] - агрегатно-структурный фактор (г) выражен отношением содержания объема мелкого заполнителя к крупному М / (М+К); где: М - объем мелкого заполнителя; К - объем крупного заполнителя
Аргументом оптимизации была принята прочность на сжатие. Исследования проводились на образцах-кубах 10x10x10 см. Фактические составы бетона были близки к заданным (в пределах 1-2 %), что дало возможность вести математическую обработку эксперимента по планируемым показателям.
В результате было рассчитано уравнение регрессии по формуле (24).
Матрица планирования экспериментов с указанием натуральных величин варьируемых факторов представлена в таблице 29. По данным таблицы 29 выводили уравнение регрессии [24], характеризующее зависимость прочности на 28-е сутки твердения от уровня варьируемых факторов. Расчеты коэффициентов уравнений регрессии производили по формулам где yu - значение исследуемого свойства бетона в u-м опыте; xiu - значение i ого фактора в и-ом опыте (i j); N\ - число опытов в плане, за исключением опытов в нулевых точках. Значимость коэффициентов осуществляли по расчетному значению (tp) критерия Стьюдента:
Полученное значение (tp) сравнивали с табличным (tm). Если tp tm, то при обычно назначаемом уровне значимости а=0,05 коэффициент считали равным нулю, а соответствующий ему член уравнения отбрасывали. Для определения, насколько точно полученная модель описывает свойства шлакобетона по прочности, определяли дисперсию адекватности (остаточную дисперсию) по отношению суммы квадратов к числу степеней свободы: где уи - значение исследуемого свойства бетона в и-м опыте; уи - то же, но вычисленное по уточненному уравнению; т - число значимых коэффициентов, включая Ъ0. Для проверки адекватности модели полученных уравнений регрессии использовался также критерий Фишера, вычисляемый по формуле: Р.=Щ (41) Полученное значение расчетного критерия (Fp) сравнивали с табличным (Fm), в зависимости от числа степеней свободы для принятого уровня значимости. Модель признали адекватной, поскольку было соблюдено условие Fp Fm .
Переход от кодированных факторам к натуральным и обратно осуществляли по формулам: где Z, - кодированное значение і-того фактора; Z, и Z,0 - натуральное текущее и среднее значение і-того фактора. В настоящих исследованиях условно принято (таблица 28) Хі - агрегатно-структурный фактор; Х2 - расход многокомпонентного минерального вяжущего; Х3 - водовяжущее отношение
Для отклика «прочность при сжатии» в проектном возрасте твердения по данным таблицы 30 получено уравнение регрессии, которое после исключения незначимых коэффициентов имеет вид: R = -2702,225 + 6062,5 , +8,06375х2 +4155,25 , -18,0ЛГ,Л:2 -9325х,х3 -12,2375х2х3 + 27,5223х,х2х3
Уравнение позволяет установить максимальное и минимальное значение прочности шлакобетона при различных сочетаниях варьируемых факторов в пределах исследуемого факторного пространства.
Для данного уравнения были построены графики зависимости показателей прочности от соотношения варьируемых факторов: рисунки 26, 27.
Основными показателями качества бетона согласно СП 52-101-2003 [142], устанавливаемыми при проектировании, являются: класс по прочности на сжатие В; класс по прочности на осевое растяжение Bt; марка по морозостойкости F; марка по водонепроницаемости W.
Кубиковая прочность. Полученная наибольшая прочность бетонных образцов Rb - 19,8 МПа на 28-е сутки твердения соотносится с классификационными признаками по прочности при использовании разработанного многокомпонентного минерального вяжущего по ГОСТ 26633-91 [62].
В системе «матрица - заполнитель» достигнута плотная и равномерная упаковка зерен крупного заполнителя с достаточно широким диапазоном фракции 5-20 мм и мелкого заполнителя - кварцевого песка. Получен тяжелый шлакобетон на многокомпонентном минеральном вяжущем, относящийся к классу В15 по ГОСТ 26633-91 [62], (рисунок 28).
