Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных задач в области материаловедения является совершенствование технологии получения строительных материалов с теми свойствами, которые обеспечивали бы эксплуатационные требования. Решение подобной задачи связано с управлением процессами формирования общей структуры цементного бетона на различных уровнях микро- и макроструктур. Проблема управления процессами структурообразования строительных материалов рассматривалась многими учеными: И.Н.Ахвердовым, Ю.М.Баженовым, А.В.Волженским, В.Н.Выро-вым, Б.Н.Виноградовым, В.Д.Глуховским, И.М.Грушко, Б.В.Гусевым, П.Г.Комаховым, О.В.Кунцевич, З.М.Ларионовой, Л.А.Мали-ниной, С.П.Мчедловым-Петросяном, О.Г.Ольгинским, И.А.Рыбье-вым, Б.Г.Скрамтаевым, М.М.Сычевым, В.И.Соломатовым, С.Х.Ярлушкиной.
Свойства цементных бетонов находятся в прямой зависимости от структуры и свойств заполнителя, цементного и капиллярно-порового' пространства. От этих свойств и их взаимосвязи зависит получение долговечных цементных бетонов с заданными прочностными характеристиками.
Получение основных строительных характеристик неразрывно связано с осуществлением ряда технологических полей воздействия на бетонную смесь, формирующих первоначальные структуры цементного бетона на микро- и макроуровнях: способы уплотнения, химические и минеральные добавки, активация минеральных заполнителей, условия твердения цементного камня.
Формирование плотной структуры зоны контакта (ЗК) в межзерновом пространстве цементного бетона часто связано с использованием местных некондиционных заполнителей, что дает возможность сократить материален и энергоемкость изделий и расширить сырьевую базу для получения равноценного с классическим тяжелым цементным бетоном мелкозернистого песчаного бетона.
Формирование высокопрочной структуры осуществлялось поли-вибрационным воздействием при уплотнении жесткой цементно-песчаной смеси, в которой одновременно происходили различные по величине и частоте колебательные процессы для плотной упаковки песчаного заполнителя и цементного геля с наполнителем цементного камня.
Процессы уплотнения бетонных смесей различного состава изучали ученые многих стран: Э.Фрейсине, Р.Лермит, П.М.Миклашевский и С.В.Шестоперов, И.Н.Ахвердов, Б.Г.Гольдштейн,
ГЛ.Куннос, П.А.Ребиндер, И.Н.Руденко, В.Н.Шмигальский, АА.Афанасьев, П.И.Новосельский, Ф.Г.Брауде, КА.Олеханович, СА.Осмаков, О.А.Савинов, Б.В.Гусев, В.Г.Зазимко.
Цель работы. Разработка высокоэффективного и высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона с малым расходом цементного вяжущего методом поливибрационного уплотнения цементно-песчаной смеси НсГоснове местного сырья - мелкозернистого кварцевого песка республики Марий Эл.
Для решения поставленной задачи проводились научные исследования по следующим направлениям:
разработка представления о кварцевом заполнителе как об элементе зоны контакта, минералы которого способны оказывать влияние на процессы контактообразования и подвергаться воздействию внешней среды;
установление влияния кварцевого наполнителя как составной части цементной матрицы песчаного бетона на повышение гидрата-ционного структурообразования и регулирования образования повышенной плотности структурной системы на микро- и макроуровне рассматриваемого объекта как системы;
установление влияния процесса уплотнения цементно-
песчаной смеси на физико-химические особенности структурных
изменений песчаного бетона;
изучение роли моно- и поливибрационного механического воздействия и определение их критерия интенсивности на формирование структурной прочности мелкозернистого песчаного бетона;
установление зависимости структурной прочности композиционного материала - песчаного бетона - от кристалло-химических особенностей 'минералов заполнителя, толщины и микротвердости их цементной пленки, влияющих на основные строительные свойства;
обоснование и экспериментальная проверка физико-
химической активации заполнителя электролитами и химическими
добавками;
установление роли поливибрации в качественном изменении
структуры композиционного материала и ее влияние на эксплуата
ционные физико-механические характеристики и долговечность;
классифицирование мелкозернистых песчаных бетонов по группам в зависимости от технологического фактора жесткости це-ментно-песчаной смеси;
установление влияния кварцевого дисперсного наполнителя цементной матрицы на температуростоикость композиционного материала - песчаного бетона;
установление влияния кварцевого дисперсного наполнителя на скорость коррозионного процесса цементного вяжущего и организацию порового пространства;
изучение роли дисперсного наполнителя в новой технологии получения легкого песчаного и асфальтового бетонов на основе предкапряженных зерен заполнителя из полистирола; получение новым способом полистиролбитумного вяжущего для песчаного (или мелкощебеночного) асфальтобетона.
Результаты исследований, выносимых на защиту:
поливибрация и ее критерии интенсивности вибрации как технологического поля механического воздействия на цементно-песчаную смесь для получения оптимальной прочности песчаного бетона;
механизм взаимодействия разнофракционного заполнителя и дисперсного наполнителя цементной матрицы при поливибрационном уплотнении цементно-песчганой смеси как композиционного бетона;
оптимальный критерий дисперсного наполнителя цементной матрицы различного минералогического состава и его влияние на физико-механические свойства;
межзерновая толщина цементной пленки для бетонов различной прочности по результатам установления микротвердости цементного камня межзернового пространства;
результаты экспериментальных исследований основных
строительных свойств поливибрационного высокопрочного мелко
зернистого песчаного бетона и его долговечность в зависимости от
воздействия эксплуатационных сред с получением эмпирических
формул для их определения;
определение механизма физико-химической активации минерала заполнителя и роли дисперсного кварцевого наполнителя в обеспечении активности песчаного цемента в процессе длительной выдержки его во влажных условиях среды;
новая технология получения высокопрочного легкого бетона на основе преднапряженного зерна полистирола и песчаного цемента и асфальтобетона;
результаты реализации способов интенсификации контакто-образования при использовании некондиционных заполнителей в цементных песчаных бетонах;
классификация песчаных бетонов по группам в зависимости от технологических факторов жесткости цементно-песчаной смеси, способа уплотнения с определением класса бетона по прочности.
Научная новизна работы. Разработан механизм поливибрационного уплотнения прессованием с установлением оптимальных параметров интенсивности вибрирования жесткой цементно-песчанои смеси.
Предложена номограмма для расчета составов жесткой цементно-песчанои смеси с дисперсным кварцевым наполнителем в цементной матрице в зависимости от водотвердого отношения.
Определен оптимальный процент наполнения цементной матрицы кварцевыми микрочастицами для достижения высокой плотности и прочности песчаного бетона.
Построен график кривой микротвердости твердых фаз кварцевого зерна и цементного камня межзернового пространства с точ-' кой перехода кривой контактирующих фаз для определения толщины цементной пленки межзеркового пространства.
Представлены эмпирические зависимости прочностных и де-формативных свойств поливибрационного песчаного бетона.
Составлена классификационная карта по классам бетона по прочности в зависимости от технологического фактора жесткости цементно-песчанои смеси.
Установлено влияние дисперсного кварцевого наполнителя в цементном вяжущем на коррозионный процесс цементного зерна во влажных условиях.
Разработан новый способ технологического поля термодинамического воздействия химических добавок на цементно-песчаную смесь для получения высокопрочного легкого асфальтобетона.
Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Предложены практические основы поливибрационного процесса уплотнения жесткой цементно-песчанои смеси на основе цементного вяжущего с наполнителем для получения мелкозернистого песчаного бетона высокой прочности и плотности:
разработаны составы цементно-песчанои смеси с малым расходом воды и цемента с одновременным использованием естественных природных кварцевых песков различных модулей крупности;
предложен способ определения толщины цементной пленки межзернового пространства в зависимости от прочности цементного бетона;
разработаны способы физико-химической активации песчаных заполнителей: растворами электролитов, химическими добавками, последовательностью технологического цикла приготовления состава цементно-песчанои смеси;
расширена сырьевая база местных материалов за счет использования некондиционных заполнителей из естественного мелкозер-
нистого кварцевого песка и продуктов переработки камня горных пород;
обеспечена экономия вяжущих, транспортируемых материалов горных пород, трудозатрат;
созданы предпосылки для утилизации и рационального использования различных продуктов производства в виде химических добавок и специальных растворов электролитов.
Исследования являются составной частью работ, выполненных:
-
на основе утвержденных Госстроем Туркменской ССР планов НИР за 1967-1980 гг.;
-
при оформлении научно-исследовательской части (2 тома) каталога местных каменных материалов и отходов промышленности Марийской АССР, Чувашской АССР, Кировской области для дорожного строительства по комплексной программе, утвержденной Минавтодором РСФСР в 1980,1983 и 1985 гг.;
-
НИР МарПИ "Исследование технологий получения и применения дорожно-строительных материалов в строительстве автомобильных дорог и мостовых переходов с использованием математического моделирования решения задач" (№3.14.041), код темы этапа 1.01.(06).02.1986 г.;
4) НИР хозрасчетного научного объединения СК
"Марийскагропромпроект" "Исследование и внедрение технологии
цементных бетонов на кварцевых песках и запыленных отходах
дробления камня высокой прочности без обогащения с использова
нием отходов витаминного завода Марийской АССР с составлением
рекомендаций, утвержденных СК "Марийскагропромпроект" и
МарПИ от 20.12.1988 г.
Автор приносит большую благодарность научному консультанту заслуженному деятелю науки и техники РФ, заслуженному строителю, академику РААСН, доктору технических наук, профессору В.И. Соломатову за ценные советы и предложения при выполнении диссертационной работы.
