Облегченные сухие строительные смеси для кладочных работ с полыми керамическими микросферами Розовская Тамара Алексеевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Научно-технические предпосылки разработки облегченных сухих строительных смесей с полыми керамическими микросферами для кладочных работ, в том числе для зимнего строительства 15

1.1. Виды и области применения облегченных кладочных растворов 15

1.2. Сухие строительные смеси. Составы и эффективность применения 27

1.3. Противоморозные добавки для сухих строительных смесей и строительных растворов. Образование высолов 35

1.4. Оптимизация структуры и свойств цементных композитов со сферическим заполнителем методами математического моделирования 44

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА 2. Методики исследований. оборудование материалы 54

2.1. Методики исследований. Оборудование 54

2.1.1. Стандартные методики исследования сухих строительных смесей 54

и кладочных растворов 54

2.1.2. Гранулометрический анализ вяжущего и заполнителя 60

2.1.3. Определение пористости 61

2.1.4. Термогравиметрический анализ 62

2.1.5. Микроструктурный и химический анализ 63

2.1.6. Рентгенофазовый анализ з

2.1.7. Определение эффективности действия противоморозных добавок и

добавок, повышающих стойкость к образованию высолов 65

2.2. Применяемые материалы 66

2.2.1. Портландцемент 66

2.2.2. Заполнитель 68

2.2.3. Пластифицирующая добавка 70

2.2.4. Воздухововлекающая добавка 70

2.2.5. Редиспергируемые полимерные порошки (РПП) 71

2.2.6. Противоморозные добавки 71

2.2.7. Гидрофобизирующая добавка 73

ГЛАВА 3. Компьютерное моделирование структуры кладочного раствора, получаемого из сухой смеси с полыми керамическими микросферами 74

3.1. Теоретические основы компьютерного моделирования структуры кладочного раствора с полифракционным микросферическим заполнителем... 74

3.2. Моделирование структуры кладочного раствора с полифракционным микросферическим заполнителем 76

3.3. Микроструктура кладочного раствора с полифракционным микросферическим заполнителем 82

3.4. Теоретические зависимости средней плотности растворной смеси и прочности кладочного раствора от массового содержания полифракционного микросферического заполнителя 84

3.5. Выводы по главе 3 90

ГЛАВА 4. Составы и свойства облегченных сухих кладочных смесей с полыми керамическими микросферами 92

4.1. Составы, физико-механические и технологические характеристики сухих строительных смесей с полыми керамическими микросферами для кладочных работ 92

4.2. Теплофизические и гидрофизические свойства сухих строительных смесей с полыми керамическими микросферами для кладочных работ 103

4.3. Микроструктура цементного кладочного раствора с полыми керамическими микросферами 106

4.4. Рентгенофазовый и термогравиметрический анализы образцов кладочного раствора с полыми керамическими микросферами 110

4.5. Анализ поровой структуры образцов кладочного раствора с полыми керамическими микросферами 115

4.6. Выводы по главе 4 118

ГЛАВА 5. Составы и свойства облегченных сухих строительных смесей с полыми керамическими микросферами для кладочных работ при отрицательных температурах 120

5.1. Составы, физико-механические и технологические свойства сухих строительных смесей для кладочных работ с полыми керамическими микросферами и противоморозными добавками 120

5.2. Теплофизические и гидрофизические свойства сухих строительных смесей для кладочных работ с полыми керамическими микросферами и противоморозными добавками 129

5.3. Определение стойкости растворов, полученных из облегченных сухих кладочных смесей с противоморозными добавками, к образованию высолов. 132

5.3. Микроструктурный, рентгенофазовый и термогравиметрический анализы облегченного кладочного раствора с полыми керамическимимикросферами и противоморозными добавками 134

5.4. Выводы по главе 5 144

6. Технико-экономическая эффективность применения облегченных сухих кладочных смесей с полыми керамическими микросферами 147

6.1. Свойства сухой строительной смеси 147

6.2. Технология производства облегченных сухих строительных смесей с полыми керамическими микросферами и модифицирующими добавками 148

6.3. Документы на облегченные сухие кладочные смеси с полыми керамическими микросферами 151

6.4. Экономический эффект применения раствора, получаемого из облегченной сухой кладочной смеси с полыми керамическими микросферами 154

6.5. Рекомендации по применению растворов, получаемых из облегченных сухих кладочных смесей с полыми керамическими микросферами 157

6.6. Выводы по главе 6 159

Библиографический список

• Сухие строительные смеси. Составы и эффективность применения
• Гранулометрический анализ вяжущего и заполнителя
• Моделирование структуры кладочного раствора с полифракционным микросферическим заполнителем
• Теплофизические и гидрофизические свойства сухих строительных смесей с полыми керамическими микросферами для кладочных работ

Введение к работе

Актуальность работы.

Увеличение в последние годы объемов малоэтажного и монолитного строительства с применением для устройства ограждающих конструкций эффективных мелкоштучных изделий определяет необходимость использования легких («теплых») кладочных растворов, получаемых, как правило, из сухих строительных смесей. Кладочные растворы, получаемые из существующих сухих смесей на основе перлитового песка, гранулированного пенополистирола и других облегчающих заполнителей, обладают высокой расслаиваемостью, низкой прочностью, высоким по сравнению со стеновым материалом коэффициентом теплопроводности, не позволяют снизить толщину растворного шва менее 8…10 мм. Облегченные растворы на основе существующих кладочных смесей для зимних работ (с противоморозными добавками) при отрицательных температурах не набирают минимально необходимой прочности, а впоследствии растворный шов и стеновой материал покрываются высолами, что ухудшает эстетические качества конструкции и вызывает коррозию поверхности кладки.

Решением указанных проблем является разработка эффективной облегченной сухой кладочной смеси с полыми керамическими микросферами и комплексом модифицирующих добавок, в том числе для зимних работ.

Диссертационная работа выполнена на базе кафедры строительных материалов НИУ МГСУ в рамках программы «У.М.Н.И.К.» по теме «Разработка энергоэффективной сухой кладочной смеси для зимних работ» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Договор № 3190ГУ1/2014 от 21 августа 2014 г., срок выполнения 2014-2016 г.), и стипендии Президента РФ на 2014/2015 год (Приказ Министерства образования и науки РФ № 1434 от 10 ноября 2014 г.).

Степень разработанности темы.

Вопросам разработки сухих смесей с пониженной средней плотностью для кладочных работ посвящены многочисленные работы российских и зару-

бежных ученых. В настоящее время наиболее перспективным считается введение в состав смеси облегчающих заполнителей. В работах, выполненных ранее, обоснована возможность использования полых микросфер в качестве облегчающего заполнителя для строительных растворов, получены составы таких растворов. Однако влияние гранулометрического состава таких заполнителей на физико-механические и технологические свойства растворов не рассматривалось.

В настоящее время оптимальным технологическим решением при производстве кладочных работ считается применение сухих смесей. Вопрос разработки облегченной сухой смеси с достаточной прочностью для возведения конструкций из штучных кладочных элементов, применимой, в том числе, при низких положительных и отрицательных температурах, остается открытым.

Научная гипотеза.

Получение облегченных сухих строительных смесей для кладочных работ возможно за счет формирования замкнутой воздушной пористости путем модифицирования воздухововлекающей добавкой; достижения требуемой прочности, повышения эксплуатационных параметров и увеличения прочности контактной зоны цементного камня с заполнителем за счет образования прочных связей между матрицей и заполнителем путем введения редиспергируемых полимерных порошков и пуццоланической активности полых керамических микросфер; прогнозирования физико-механических свойств раствора с применением методов математического и компьютерного моделирования структуры цементного раствора при заданном гранулометрическом составе вяжущего и полых керамических микросфер.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является разработка сухих кладочных смесей с полыми керамическими микросферами и комплексом модифицирующих добавок для устройства наружных стен из эффективных штучных стеновых изделий, в том числе в зимних условиях.

Для достижения цели решались следующие задачи:

Обосновать возможность получения облегченных сухих кладочных смесей с полыми керамическими микросферами (КМС) и комплексом модифицирующих добавок и требуемыми свойствами;

Разработать составы облегченных сухих кладочных смесей с КМС, определить оптимальный расход заполнителя. Разработать математическую и компьютерную модель структуры облегченного раствора с КМС, методику прогнозирования физико-механических свойств раствора и оценить соответствие результатов расчета экспериментальным данным;

Получить количественные зависимости основных свойств сухой кладочной смеси с КМС и комплексом модифицирующих добавок от расхода компонентов. Оптимизировать составы;

Разработать составы облегченных кладочных смесей с КМС и противомо-розными добавками (ПМД) для применения в условиях низких положительных и отрицательных температур с высокой стойкостью к высолообра-зованию. Исследовать основные свойства разработанного кладочного раствора с ПМД;

Методами рентгенофазового, химического, микроструктурного и дифференциально-термического анализа и др. изучить структуру и состав новообразований разработанных облегченных сухих кладочных смесей в затвердевшем состоянии;

Разработать технологию производства облегченных сухих кладочных смесей с КМС, нормативно-технологическую документацию;

Провести опытное внедрение разработанных материалов и оценить технико-экономический эффект их применения.

Научная новизна.

1. Обоснована возможность получения облегченных сухих кладочных смесей с КМС, в том числе предназначенных для зимних работ при температурах до минус 10 С за счет модификации сухой смеси комплексом добавок, включающим воздухововлекающую добавку, редиспергируемые полимерные порошки, противоморозные добавки, который увеличивает прочность цементной

матрицы и контактной зоны «цементная матрица – заполнитель» за счет образования прочных связей и пуццоланической активности микросфер при одновременном снижении средней плотности за счет равномерного распределения в цементном камне воздушных пор и частиц заполнителя;

1. Предложены математическая и компьютерная модель структуры облегченного раствора с полифракционным микросферическим заполнителем, позволяющая при заданном гранулометрическом составе вяжущего и заполнителя оценить физико-механические свойства раствора. Установлено, что результаты, полученные с использованием предложенной модели, обладают высокой сходимостью с результатами экспериментальных исследований;

2. Выявлены закономерности влияния рецептурных факторов на основные технологические, физико-механические, эксплуатационные свойства облегченных сухих кладочных смесей с КМС. Методами математического планирования установлены зависимости физико-механических свойств от расхода модифицирующих добавок, позволяющие оптимизировать составы;

3. Выявлено, что для модифицированных растворов, полученных из облегченной сухой кладочной смеси, уменьшается объем мезопор и увеличивается объем микропор, что повышает эксплуатационные свойства растворов и их долговечность. Установлено, что в модифицированных составах снижается на 24 % количество портландита, а поверхность микросфер покрыта слоем новообразований, что указывает на физико-химическое взаимодействие цементной матрицы с керамической микросферой, усиливающееся в присутствии редис-пергируемых полимерных порошков.

Теоретическая и практическая значимость.

1. Разработаны составы облегчённых сухих кладочных смесей с полыми керамическими микросферами, имеющие следующие характеристики: средняя плотность растворной смеси 700...1100 кг/м³, средняя плотность раствора в сухом состоянии 500…1000 кг/м³, предел прочности раствора на сжатие 5,0…17,0 МПа (марки 50, 75, 100, 150), на растяжение при изгибе – 1,6…2,8 МПа, прочность сцепления с основанием 0,35…0,52 МПа, коэффициент теплопроводно-

сти раствора в сухом состоянии 0,146…0,245 Вт/(мС), морозостойкость 50…100 циклов, коэффициент размягчения не ниже 0,8. Сохраняемость первоначальной подвижности растворных смесей – не менее 4,0 часов, водоудержи-вающая способность – не ниже 93 %.

4. Разработаны составы облегчённых сухих кладочных смесей с полыми керамическими микросферами и противоморозными добавками для зимних работ, стойких к образованию высолов, обеспечивающих при температурах твердения до минус 10 С прочность не менее 35 % марочной.

5. На основании исследований были разработаны и введены в действие нормативные документы:

Технологический регламент на применение облегченной сухой строительной смеси для кладочных работ с полыми алюмосиликатными микросферами, Томск, 2015 г.;

Технические условия «Облегченная сухая строительная смесь для кладочных работ с полыми алюмосиликатными микросферами», Томск, 2015 г.

4. Разработана технология производства облегченной сухой кладочной смеси с полыми керамическими микросферами и комплексом модифицирующих добавок;

5. В качестве опытной партии на предприятии ООО «ОНК-ЗАВОД», расположенном по адресу: г. Томск, ул. Елизаровых, 79/1, стр. 61, было изготовлено 2400 кг облегченной сухой строительной смеси для кладочных работ с полыми алюмосиликатными микросферами: «Смесь сухая растворная цементная кладочная зимняя, D800, М150, F75 ТУ 5745-016-30414667-2015».

6. Проведено опытное внедрение облегченной зимней сухой строительной кладочной смеси с полыми алюмосиликатными микросферами при производстве работ по кладке наружных несущих стен из керамических камней частного жилого дома общей площадью 262,5 м², расположенного по адресу: г. Томск, ул. Воробьева, д. 24. Объем внедрения составил 150,1 м³ кладки. Расчетный экономический эффект от внедрения составил 112 тыс. руб.

Методология и методы диссертационной работы.

Методологической основой исследования служат теоретико-эмпирические методы, базирующиеся на обобщении, эксперименте, сравнении, методах математического и компьютерного моделирования, применении системного подхода. Работа выполнена с применением методологических основ строительного материаловедения с использованием системно-структурного подхода («состав, технология – структура – свойства»).

При проведении исследований использовались физико-химические методы оценки характеристик структуры и свойств материала, методы количественной и качественной обработки получаемых данных, методы математического планирования эксперимента, методы регрессионного и корреляционного анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование возможности получения облегченных сухих кладочных смесей с КМС с требуемыми свойствами, принципы повышения их эффективности;

2. Результаты математического и компьютерного моделирования структуры облегченного раствора с полифракционным микросферическим заполнителем, методика оценки физико-механических свойств раствора на основе полученной модели;

3. Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурных факторов на технологические и эксплуатационные свойства сухих кладочных смесей с КМС;

4. Математические зависимости физико-механических свойств сухих кладочных смесей с КМС от расхода компонентов, результаты оптимизации их рецептуры;

5. Оптимальные составы сухих кладочных смесей с КМС, в том числе для зимнего строительства;

6. Результаты исследований состава и структуры разработанных материалов;

7. Результаты опытного апробирования разработанных материалов.

Достоверность результатов работы.

Достоверность результатов работы обеспечивается проведением экспериментов на современном исследовательском оборудовании с достаточной воспроизводимостью результатов; применением стандартных методик, обеспечивающих достаточную точность полученных результатов; статистической обработкой полученных данных с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний; сопоставлением результатов с аналогичными результатами, полученными другими авторами; положительными результатами опытного внедрения составов и технологии изготовления сухих строительных смесей для кладочных работ с полыми керамическими микросферами.

Апробация работы.

Основные результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, вузовских конференциях и семинарах: V научно-практической конференции «НТТМ – путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, ВВЦ, 2013), Международной научно-практической конференция «Бетоны и добавки для бетона в современном строительстве: актуальные вопросы производства и применения» (Киев, 2013), Международной научно-технической конференции «Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании» (Тверь, 2013), Международной научной конференции «Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2013), IV Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (Москва, ЦВК «ЭКСПОЦЕНТР», 2013), lnternational Conference on Materials Science and Mechanical Engineering (Malaysia, 2013), The 2nd International Conference on Sensors, Measurement and Intelligent Materials (China, 2013), XVII Международной межвузовской научно-практической конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», (Москва, МГСУ, 2014), III (XII) Всероссийской (Международной) конференции «Бетон и железобетон – взгляд в будущее» (Москва, РАН, 2014),

Международной научной конференции молодых ученых «Перспективные материалы в строительстве и технике» (Томск, 2014).

Результаты работы отмечены и удостоены: премии «Победитель» I степени V научно-практической конференции «НТТМ – путь к обществу, основанному на знаниях», бронзовой медали 17-го Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед», диплома победителя программы «У.М.Н.И.К.», премии «Победитель» I степени XII Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ – 2014.

Подана заявка на регистрацию патента на изобретение № 2015-127877 от 10.07.2015 г. Зарегистрировано ноу-хау (приказ ФГБОУ ВПО «МГСУ» № 47/130 от 14.02.2014 г.).

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 12-ти научных публикациях, в том числе в 4-х публикациях в российских рецензируемых научных журналах согласно перечню ВАК, в 2-х публикациях в зарубежных изданиях, индексируемых международной реферативной базой цитирования SCOPUS.

Личный вклад автора.

Автором выполнено математическое планирование эксперимента, получены результаты экспериментальных исследований и проведен их статистический анализ. Разработан алгоритм компьютерного моделирования структуры цементных систем с полифракционным микросферическим заполнителем. Проведена оптимизация составов облегченных сухих кладочных смесей с полыми керамическими микросферами, комплексом модифицирующих добавок и про-тимоморозными добавками. Проведена оценка технико-экономической эффективности внедрения предлагаемых облегченных сухих кладочных смесей.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 195 страницах текста, состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка из 228 наименований и 4 приложений, включает 62 рисунка и 49 таблиц.

Сухие строительные смеси. Составы и эффективность применения

В работе [31] приведены результаты исследований легких растворов, содержащих вспученный перлитовый песок, и армированных полипропиленовыми микроволокнами. Полученные растворы обладают средней плотностью 1000...2000 кг/м3, при этом предел прочности на сжатие для раствора плотностью 1000 кг/м3 составил 7 МПа.

Вспученный вермикулитовый песок получают при обжиге гидратированных слюд. Зерна вермикулита размерами 0,6...5 мм имеют розово-золотистый окрас. Насыпная плотность впученного вермикулитового песка составляет 65...200 кг/м3. Применение вермикулитового песка в качестве заполнителя для строительных растворов рассматривается в ряде работ [33-39].

Ахмедьянов P.M. в работе [33] предложил составы легких наружных штукатурных строительных растворов с вермикулитовым заполнителем. Средняя плотность полученных растворов составляет 315.. .822 кг/м3.

Ахтямовым Р.Я. разработана сухая смесь для легкого кладочного раствора [34], включающая в качестве пористого заполнителя вспученный вермикулит, которая позволяет получать строительные растворы со средней плотностью 1200-1300 кг/м3, пределом прочности на сжатие 3,5 МПа, морозостойкостью 35 циклов.

Тихоновым Ю.М. [35] предложены аэрированные легкие бетоны со средней плотностью 600... 1200 кг/м3, классов по прочности на сжатие В1,0...В7,5 с использованием вспученного перлита и вермикулита, хвойных опилок, отходов пе-нополистирола и золы-уноса.

Авторами работы [36] Тихоновым Ю.М., Коломиецом В.И. и Городецким М.С. предложена легкая сухая растворная смесь с вермикулитовым и перлитовым заполнителями. Получаемый из смеси кладочный раствор имеет среднюю плотность 1240 кг/м3, предел прочности на сжатие 5,8 МПа, коэффициент теплопроводности 0,32 Вт/(мС).

В работе [37] приведены строительные растворы с облегчающими заполнителями. Раствор с перлитовым песком имеет предел прочности на сжатие 0,37...3,56 МПа при средней плотности 730... 1330 кг/м3. Раствор с вермикулитом обладает пределом прочности на сжатие 1,01...3,56 МПа, при этом его средняя плотность составляет 880... 1330 кг/м3.

Результатом исследований [38] является получение облегченного раствора, содержащего микрокремнезем и вспученный вермикулитовый песок, со средней плотностью 780.. 1200 кг/м3 при пределе прочности на сжатие 7,3... 16,4 МПа и коэффициенте теплопроводности 0,257 Вт/(мС). Авторы отмечают высокое водопо-глощение раствора по массе - до 40,6 %.

ставы и исследованы свойства «аэрированных теплоизоляционно-конструктивных растворов» на основе вспученных перлитового и вермикулитового песков со средней плотностью 900... 1400 кг/м3, классами по прочности на сжатие ВЗ,5...В10 и коэффициентом теплопроводности 0,2...0,35 Вт/(мС) [39, 40]. Было установлено, что аэрированные растворы на основе вспученного перлитового песка имеют предел прочности на сжатие на 20...40 % выше, чем растворы на вспученном верми-кулитовом песке, но последние превосходят перлитовые растворы по пределу прочности на растяжение при изгибе на 10.. .25 %.

Анализ вышеописанных работ подтверждает, что растворы на вспученном вермикулитовом и перлитовом песках обладают низкой прочностью. При средней плотности 400...600 кг/м3 предел прочности на сжатие таких растворов колеблется в пределах 1 ...2,5 МПа, при этом морозостойкость составляет не более 35 циклов. Вспученные перлитовый и вермикулитовый пески обладают высоким водо-поглощением. Для перлитового песка водопоглощение по массе может достигать 900 %, для вермикулитового песка - до 400 % [41], что существенно снижает прочность, морозостойкость и долговечность растворов. Для решения этой проблемы производят гидрофобизацию заполнителей путем создания на поверхности зерен тонкой минеральной пленки, что, в свою очередь, приводит к существенному повышению стоимости заполнителей (в 1,5...2,2 раза), высокой расслаиваемо-сти растворных смесей. Кроме того, перлитовый песок низких марок по насыпной плотности имеет предел прочности до 0,1 МПа, и из-за высокой хрупкости может разрушаться при транспортировке и в процессе перемешивания раствора. Верми 22 кулитовый песок имеет более высокую прочность, однако его в стоимость в 3...5 раз выше стоимости перлитового песка. Также в качестве облегчающих заполнителей для строительных растворов и бетонов применяют гранулированные пенополистирол и пеностекло [42-45]. В патенте [42] предложена сырьевая смесь для кладочного строительного раствора с гранулами пенополистирола, обладающая средней плотностью 1400... 1900 кг/м3 при прочности на сжатие 2,63... 10,56 МПа и коэффициентом теплопроводности 0,209.. .0,454 Вт/(мС).

Составы легких бетонов с пенополистирольными гранулами приведены в работе Журбы О.В. [43]. Автором был получен полистиролбетон с пределом прочности на сжатие 3,5... 10,0 МПа, со средней плотностью 900... 1100 кг/м3, морозостойкостью более 25 циклов, коэффициентом теплопроводности 0,23 Вт/(мС).

В работе Ивановой СМ. [44] предложены составы пеностеклобетона со средней плотностью в сухом состоянии 450...600 кг/м3, пределом прочности при сжатии 1,5...3,5 МПа, коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии 0,09...0,11 Вт/(м-С), морозостойкостью более 35 циклов.

Применение данных заполнителей имеет существенные недостатки. Гранулы заполнителя при перемешивании всплывают и неравномерно распределяются в растворной смеси. Подобного рода составы затруднительно применять в кладочных растворах, т.к. размер гранул не позволяет равномерно распределить кладочный строительный раствор тонким связным слоем по поверхности, что приводит к оголению гранул, и, как следствие, низкой прочности растворного шва. Также следует отметить низкую адгезию вяжущего и других минеральных компонентов смеси к гранулам пенополистирола.

Гранулометрический анализ вяжущего и заполнителя

Вначале в чашу смесителя помещали все компоненты сухой смеси, после чего происходило их перемешивание в течение 1 мин. Скорость перемешивания составляла 140 ± 5 об./мин. Затем в чашу смесителя добавляли воду и вновь перемешивали в соответствии с ГОСТ [149] не менее 3 мин без учета времени остановки смесителя.

Подвижность растворной смеси определялась по глубине погружения стандартного конуса СтройЦНИЛа (ПГР) массой 300 г. Для всех составов марка по подвижности Пк2, что соответствует погружению конуса в пределах 8... 10 см (согласно ГОСТ [150]).

Определение средней плотности растворной смеси проводилось при помощи стального цилиндрического сосуда емкостью 1000 см3 по методике, изложенной в ГОСТ [151]. Перед началом испытания определяли массу чистого сосуда. Цилиндрический сосуд заполняли с небольшим избытком и уплотняли растворную смесь штыкованием стальным стержнем 25 раз и 5-6 кратным легким постукиванием о стол. После уплотнения избыток растворной смеси срезали стальной линейкой вровень с краями сосуда, определяли массу сосуда с растворной смесью. С учетом известного объёма цилиндрического сосуда вычисляли среднюю плотность растворной смеси.

Для определения водоудерживающей способности растворной смеси при помощи устройства ОВС испытывали слой растворной смеси толщиной 12 мм, уложенный на фильтровальную бумагу. Водоудерживающая способность растворной смеси определялась для каждой пробы растворной смеси дважды и вычислялась как среднее арифметическое значение результатов двух определений, отличающихся между собой не более чем на 20 % от меньшего значения. Согласно ГОСТ [150], водоудерживающая способность строительного раствора должна составлять не менее 90 %.

Сохраняемость растворной смеси определяли по методике В EN 1015-9:2007 [152]. Данный показатель определяет время пригодности кладочного раствора к использованию (мин.), по истечении которого подвижность растворной смеси при стандартном испытании изменяется на 30 мм по сравнению с исходной подвижностью, определяемой спустя 10 мин. после приготовления растворной смеси. Подвижность определяют согласно ГОСТ [151] с интервалом 15 мин.

Физико-механические характеристики кладочного раствора определялись в возрасте 28 суток по ГОСТ на 3 образцах-балочках размерами 4x4x16 см для каждого исследуемого состава [149]. Растворную смесь готовили по вышеописанной методике. Трехгнездовая форма для изготовления образцов-балочек заполнялась с избытком растворной смесью, после чего растворную смесь уплотняли путем штыкования стальным стержнем 25 раз. Избыток раствора срезали вровень с краями формы. Формы, заполненные растворной смесью, до распалубливания выдерживали в ванне с гидравлическим затвором при температуре (20 ± 2) С и относительной влажности воздуха 95...100 %. Образцы распалубливали через (24 ± 2) ч после формования. После распалубливания в течение 3 суток образцы хранили в камере нормального твердения при температуре (20 ± 2)С и относительной влажности воздуха 95... 100 %, после чего образцы оставшееся до испытания время хранили в помещении при относительной влажности воздуха (65 ±10) %. В возрасте 28 суток образцы испытывали на изгиб, затем половинки образцов-балочек испытывали на сжатие в соответствии с ГОСТ [153].

Модуль упругости раствора определяли при помощи портативного измерительного усилителя ТС-32К, преобразующего входные сигналы от тензометриче-ских датчиков в цифровую форму, тензорезисторов поперечных PFL-10-11 и продольных PL-60-11. Модуль упругости определяли на серии образцов-балочек размерами 4x4x16 см в количестве 3 шт. Значение модуля упругости определяли по формуле: где: R сж — предел прочности на сжатие, МПа; прод — предельная относительная деформация в продольном направлении. Коэффициент Пуассона определялся по формуле: где: є — предельная относительная деформация в поперечном направлении. Прочность нормального сцепления затвердевшего кладочного раствора с основанием определяли на основе методик ГОСТ [149] и EN [154, 155]. В качестве основания применяли газобетонный блок D500. Толщина образца принята 10 мм. Испытания проводили с помощью прибора для измерения адгезии покрытий методом отрыва DYNA тип Z16 (рис. 2.2) по методике, изложенной в ГОСТ [149].

Оценка прочности касательного сцепления с основанием, не стандартизированная отечественными нормами, приведена в EN [156]. Начальное сопротивление кладки сдвигу определяли на основании испытаний образцов кладки, подверженных сдвигающим усилиям. Образцы кладки были изготовлены из 3 кладочных изделий, скрепленных раствором по граням с наибольшей площадью [157], выдержанных в течение 28 суток в условиях, регламентированных ГОСТ [150]. Схема испытания приведена на рис. 2.3. Предел прочности на сдвиг определяли по формуле: 1сдвиг 2-А где: Fmax — максимальное значение усилия сдвига, кН; А — площадь растворного шва, см . Рисунок 2.3 - Схема испытания образцов на сдвиг Для определения средней плотности кладочного раствора в сухом состоянии образцы-балочки размерами 4x4x16 см высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре (105 ± 5)С [149], после чего проводили их

Водопоглощение кладочного раствора определяли по массе воды, поглощенной образцом, высушенным в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре (105 ± 5)С. Образцы-балочки размерами 4x4x16 см, высушенные до постоянной массы, погружали в емкость с водой температурой (20 ± 2)С таким образом, чтобы уровень воды на 50 мм превышал верхний уровень уложенных образцов. Образцы выдерживали в воде до постоянной массы, изменение массы образцов контролировали каждые 24 ч.

Моделирование структуры кладочного раствора с полифракционным микросферическим заполнителем

Моделирование упаковки частиц выполнялось для растворной смеси, то есть для равномерно распределенных по объему зерен заполнителя и цемента, покрытых водной оболочкой [170]. Толщину водной оболочки на поверхности частиц можно определить из следующего соотношения: Лво = VW f 2j - ПОВ.Ч где: V Q — объем воды затворения, определяемый заданными технологическими свойствами растворной смеси; Sn0B4 — суммарная площадь поверхности частиц системы, определяемая аналитически как площадь поверхности сферической частицы, для зерен портландцемента - с учетом коэффициента формы фрасч [171].

Существуют различные способы оценки формы зерен [172]: - коэффициент угловатости зерен фугл = -І22І где 5факт - фактическая удельная поверхность, м2/кг, ST - теоретическая удельная поверхность, м2/кг [173]; - фактор Хейвуда, представляющий собой отношение измеренной площади удельной поверхности к площади удельной поверхности, рассчитанной, исходя из представлений об эквивалентном диаметре частиц в виде правильных сфер [174]; - параметр сферичности по Вейделлу, представляющий собой отношение суммарной площади поверхности частиц равновеликого реальным частицам объема к фактической площади поверхности частиц [175]; it - индекс сферичности SPHT = —р=, где А - площадь проекции частицы, и периметр проекции частицы.

Стандарт DIN 66141 [176] фактор формы определяет как величину, обратную сферичности по Вейделлу. Коэффициент формы фрасч. определенный по [176] для цемента составляет 1,50... 1,80. Чем выше значение коэффициента формы, тем более развитую поверхность по сравнению с идеальной сферой имеют частицы. В настоящем исследовании для нахождения величины фрасч эксперимен 77 тально была определена фактическая площадь удельной поверхности цемента, которая составила 0,355 м2/г. Теоретическая площадь удельной поверхности была рассчитана в ходе компьютерного моделирования структуры композита как суммарная площадь поверхности сфер в области упаковки, эквивалентных по размерам зернам цемента.

Объем воды затворения V принимался из условия обеспечения марки растворной смеси по подвижности Пк2 (соответствует погружению стандартного конуса 8... 10 см).

Водопотребность цемента оценивалась по результатам стандартных испытаний цементного теста нормальной густоты и составила 28 %. Водопотребность заполнителя определялась по методике Скрамтаева Б.Г. и Баженова Ю.М. [177], по формуле: Вкмс= - кмГ 100%

Для определения водопотребности КМС готовили растворную смесь с известным содержанием КМС от массы цемента и добавляли воду до тех пор, пока расплыв конуса на встряхивающем столике по [149] не оказывался таким же, как расплыв цементного теста нормальной густоты. Определение водопотребности керамических микросфер проводилось на растворных смесях со следующим процентным содержанием микросфер от массы вяжущего: 30 %, 60 %, 90 %. Водопотребность КМС составила 64 %.

В качестве пластификатора использовался суперпластификатор PERAMIN SMF 10 в виде порошка. Расход суперпластификатора определялся подбором по полученным экспериментальными методами значениям средней плотности растворной смеси и прочности раствора при требуемой подвижности растворной смеси. Результаты подбора расхода суперпластификатора представлены в табл. 3.2.

Максимальное значение предела прочности раствора на сжатие достигается при расходе суперпластификатора PERAMIN SMF 10 в пределах 0,4...0,5 % маесы вяжущего. Исходя из экономических соображений, принимаем расход суперпластификатора 0,4 % массы портландцемента.

Поскольку полые керамические микросферы обладают высокой водопо-требностью, значение В/Ц с увеличением расхода заполнителя будет существенно возрастать. Зависимость В/Ц от расхода заполнителя была определена на основании экспериментальных данных. Результаты представлены в табл. 3.3. Линейная аппроксимация зависимости водоцементного отношения от содержания КМС в растворе Линейная аппроксимация выбрана из соображений близости к физическому смыслу зависимости количества воды, необходимого для обеспечения заданной подвижности раствора, от площади смачиваемой поверхности микросфер. Тогда: _ "V(0,008-X+0,1994) В.О. J. у цем , уі г.КМС Фрасч 2/ - пов.ч. 2J - ПОВ.Ч. где: х — содержание КМС, % массы цемента; тц — масса частиц портландцемента

Моделирование процесса случайной упаковки частиц производилось динамическим методом сжатия случайной свободной конфигурации системы частиц, полученной методом дискретного элемента (DEM) [178-181]. Граничным условием являлось отсутствие пересечения сфер между собой с учетом толщины водной оболочки на поверхности частиц.

В область установки помещалось некоторое количество частиц цемента и соответствующее процентному содержанию заполнителя в растворе количество частиц КМС, распределение диаметров частиц цемента и заполнителя соответствовало результатам гранулометрического анализа. После случайного размещения частиц в установочной области на их поверхность наносилась координатная сетка, из каждого узла которой выпускался луч по направлению заданного вектора сжатия. Частицы смещались из начального положения в соответствии с заданными векторами при соблюдении условия их непересечения между собой и с границами области, а также с учетом гравитационной составляющей. После первой итерации уплотнения в верхний, не занятый объем установочной области случайно добавлялись частицы, процесс уплотнения завершался при отсутствии возможности перемещения частиц.

Компьютерное моделирование структуры облегченных растворов с КМС проводилось на системах, содержащих частицы портландцемента и КМС при различном содержании заполнителя в растворе (от 10 до 100 % КМС от массы цемента), при использовании от 4700 до 6300 полифракционных сферических частиц в каждой начальной конфигурации (рис. 3.3).

Теплофизические и гидрофизические свойства сухих строительных смесей с полыми керамическими микросферами для кладочных работ

Микроструктура образца также представлена равномерно распределенными по объему цементного камня микросферами и более рыхлой по сравнению с не-модифицированным составом цементной матрицей, что связано с наличием в его составе воздухововлекающей добавки, обеспечивающей снижение средней плотности раствора при одинаковом с немодифицированным составом содержанием микросфер. Цементная матрица состоит, в основном, из прочных слабо закристаллизованных высокоосновных гидросиликатов кальция с отношением CaO/Si02 = 1,88 (C-S-H (II)) с включениями закристализованных малопрочных игольчатых гидросиликатов кальция. Также отмечается наличие кристаллов порт-ландита. Разрушение происходит преимущественно по контактной зоне «керамическая микросфера - цементная матрица» и по цементной матрице.

Отмечено, что поверхность микросфер покрыта слоем новообразований толщиной не более 1 мкм, что указывает на физико-химическое взаимодействие высокоосновных гидросиликатов кальция с керамической микросферой. Согласно гипотезе [77], первичной реакцией взаимодействия полых керамических микросфер с цементом является взаимодействие Si02 с ионами ОН. Происходит присоединение ионов ОН к атомам кремния и разрушение связей между атомами кремния и кислорода. После этого силикатные анионы либо переходят в раствор, либо остаются на своем месте, таким образом, происходит частичное растворение поверхности керамической микросферы и образование плотной структуры C-S-H в зоне контакта микросферы с цементной матрицей (рис. 4.11, в).

Анализ фотографий микроструктуры образцов кладочного раствора с КМС, ВВД и РПП свидетельствует об уменьшении объема крупных капиллярных пор цементной матрицы по сравнению с немодифицированным составом.

Результаты усредненного химического анализа облегченного кладочного раствора с КМС, ВВД и РПП представлены в таблице 4.13.

В зоне А был произведен анализ стенки полой керамической микросферы. По сравнению с результатами химического анализа микросфер, приведенными в табл. 2.5 (глава 2), увеличилось содержание Si02 и СаО, снизилось содержание А120з и РегОз, что также может свидетельствовать о химическом взаимодействии между микросферами и продуктами гидратации портландцемента. Участок В представляет собой контактную зону микросферы и цементной матрицы, а участок С - цементную матрицу, которые состоят из слабо закристаллизованных высокоосновных гидросиликатов кальция с плотной структурой, гидроалюминатов и гидроферритов кальция.

С целью идентификации новообразований цементного камня были проведены рентгенофазовый и термогравиметрический анализы образцов кладочного раствора. На рис. 4.16 представлена рентгенограмма образца облегченного кладочного раствора с полыми керамическими микросферами.

Рентгенограмма облегченного кладочного раствора с КМС На рентгенограмме идентифицируются следующие соединения: Ill - алит - C3S (54Ca016Si02Al203-MgO) с межплоскостным расстоянием d=(3,03; 2,78; 2,75; 2,61; 2,18; 1,76; 1,49)-10"10 м, кристаллы вытянутые шестиугольной или прямоугольной формы с размерами 3...50 мкм; - трехкальциевый алюминат - СзА (ЗСаОА12Оз) с d=(4,23; 4,08; 3,33; 2,70; 2,204; 2,04; 1,91; 1,56)-10" 10м, кристаллы размером 10...15 мкм; - белит - (3L - C2S (ларнит) с d=(2,785; 2,748; 2,609; 2,189; 2,047; 1,98; 1,696; 1,574 10"10 м, округлые кристаллы размером 20...50 мкм; - четырехкальциевый алюмоферрит - C4AF (браунмиллерит) с d=(7,32; 2,67; 2,04; 1,92; 1,81; 1,39)-10"10 м; - портландит - Са(ОН)2 по пикам с d=(4,93; 3,11; 2,63; 1,93; 1,79; 1,69; 1,65; 1,48)-10"10м; - CSH(I) - CSH(B) - частично закристаллизованный тоберморитоподобный гидросиликат кальция с d = (12,5; 3,07; 2,8; 1,83)-10"10м, образуется при температуре до 100С; - CSH(II) с d = (9,8; 3,07; 2,8; 2,0; 1,83; 1,56)-10"10м; -кальцит- СаС03 с d = (3,029; 2,277; 2,088; 1,912; 1,869; 1,52; 1,044)-10"10м; - гидросиликат кальция - 3CaO2Si02-3H20 с d = (6,46; 5,74; 3,19; 2,84; 2,74; 1,704; 1,604) -10"10M; - гидроалюминат кальция - ЗСаОА12Оз-6Н20 с d = (5,14; 4,48...4,45; 2,3; 2,23; 2,04; 1,68; 1,60) 10"10м; - эттрингит - 3CaO-Al203-3CaS04-32H20 с d = (9,73; 5,61; 4,704; 3,88; 3,48; 3,24; 2,77; 2,56; 2,21; 2,16) 10"10м; - гидроферрит кальция - 3CaOFe203-6H20 с d = (5,18; 4,50; 3,402; 2,07; 1,715) .

В составе образцов облегченного кладочного раствора с КМС, ВВД и РПП после идентификации обнаруживаются соединения, аналогичные соединениям, обнаруженным на рентгенограмме немодифицированного состава. На рентгенограмме образца модифицированного состава отмечено значительное увеличение интенсивности пиков портландита и гидросиликатов кальция (CSH (П)), что свидетельствует о повышении степени их закристаллизованности по сравнению с немодифицированным составом. Институтом «НИИасбестоцемент» предложена методика определения степени гидратации цемента (а), согласно которой степень гидратации цемента можно определить по формуле: где: С - содержание минерала в гидратированном цементе; С0 - содержание минерала в исходном негидратированном цементе. Содержание минерала в негидратированном и гидратированном портландцементе определяется из выражений: где: М - массовый коэффициент поглощения цемента в негидратированном и гидратированном образце; /0, / - интенсивность дифракционных пиков выбранного минерала в негидратированном и гидратированном цементе соответственно; К - коэффициент пропорциональности. Таким образом,

В данной работе оценка степени гидратации цемента осуществлялась по пику основного минерала клинкера - элита - 3CaOSi02 с межплоскостным расстоянием d = 1,76-10"10 м.

Степень гидратации облегченного кладочного раствора с КМС, ВВД и РПП составляет 66,5 %, степень гидратации немодифицированного состава составляет 74,1 %.

Также для количественной оценки состава новообразований был выполнен термогравиметрический анализ образцов облегченного кладочного раствора.

На рис. 4.18 представлена дериватограмма облегченного кладочного раствора с полыми керамическими микросферами, на рис. 4.19 - дериватограмма облегченного кладочного раствора с полыми керамическими микросферами, воздухо-вовлекающей добавкой и редиспергируемым полимерным порошком.

Следует отметить три характерных для цементных систем эндотермических эффекта, вызванных удалением свободной воды и кристаллогидратной воды из гидросульфоалюмината кальция (129 и 130 С), дегидратацией Са(ОН)2 (520 и 517 С) и диссоциацией СаСОз (821 и 822 С). Эндотермический эффект при 195 С соответствует гексагональному гидроалюминату кальция Са4АН13.