Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 14
1.1. Анализ состояния исследований но улучшению свойств гипсовых вяжущих 14
2.2. Анализ состояния исследований водостойких гипсовых вяжущих 18
2.3. Цель и задачи исследований 26
Глава 2. Теоретические положения повышения эффективности гипсовых вяжущих 28
Глава 3. Характеристика исходных материалов и методы исследований 42
3.1. Характеристики используемых материалов 42
3.2. Методы исследований 44
Глава 4. Разработка гидравлических композиционных гипсовых вяжущих 50
4.1. Влияние механо-химической активации на свойства гипсового вяжущего 53
4.2. Влияние помола на активность кремнеземистых компонентов 65
4.3. Разработка составов композиционных гипсовых вяжущих 75
Глава 5. Оптимизация составов и технологии композиционных гипсовых вяжущих и исследование их свойств 85
5.1. Разработка математических моделей технологий приготовления КГВ 85
5.2. Математическое планирование эксперимента и определение оптимальных составов КГВ 87
5.3. Оптимизация технологических параметров получения КГВ 108
5.4. Влияние химических добавок на основные свойства КГВ 132
5.5. Исследование основных свойств оптимальных составов КГВ 135
5.5.1. Реологические и структурно-механические свойства смесей КГВ с водой 135
5.5.2. Изменение прочности образцов при длительном хранении в различных условиях 139
5.5.3. Стойкость образцов из КГВ при попеременном водонасыщении и высушивании 143
5.5.4. Исследование линейных деформации образцов из КГВ 146
5.6. Структура твердеющего камня из КГВ 147
Глава 6. Исследование и оптимизация бетонов на основе гидравлических композиционных гипсовых вяжущих 174
6.1. Составы и свойства легких бетонов на пористых заполнителях 174
6.2. Керамзитобетон на основе КГВ для зимнего монолитного бетонирования 197
6. 3. Влияние раннего замораживания на структуру и прочность керамзитобетона после оттаивания. 204
6.4. Ячеистый бетон на основе КГВ 217
6.6. Мелкозернистый бетон 230
6.7. Смеси для саморазравиивающихся стяжек иод полы 236
Глава 7. Производственные испытания КГВ и бетона на его основе, технико-экономическая эффективность применения изделий из бетонов на КГВ 240
7.1. Производственные испытания КГВ и керамзитобетона на его основе 240
7.2. Технико-экономическая эффективность производства и применения гидравлических комиозиционных гипсовых вяжущих и бетонов на их основе 251
7.3. Рекомендации но перспективным областям применения бетонов на основе КГВ 256
Приложения 288
- Анализ состояния исследований водостойких гипсовых вяжущих
- Математическое планирование эксперимента и определение оптимальных составов КГВ
- Составы и свойства легких бетонов на пористых заполнителях
- Рекомендации но перспективным областям применения бетонов на основе КГВ
Анализ состояния исследований водостойких гипсовых вяжущих
Продолжающиеся по настоящее время фундаментальные исследования ГЦП вяжущих были направлены на [16]:
- разработку теоретических основ получения ВГВ повышенной прочности;
- создание на их основе различных бетонов и их технологий;
- изучение прочностных и деформативных свойств ГЦП и ГПЩП камня и бетонов при кратковременных и длительных нагрузках, а также поведения арматуры в них;
- исследование долговечности таких бетонов и изделий из них в эксплуатационных и лабораторных условиях.
Важное место в этих исследованиях занимало изучение процесса твердения ГЦП вяжущих и формирования структуры затвердевшего вяжущего и ее влияния на прочностные, деформативные свойства и долговечность [75-78, 10]. Были установлены основные причины, обуславливающие отличие физико-механических свойств неводостойких ГВ и ГЦП вяжущих. Основы этих причин лежат в своеобразии процесса твердения и формирования структуры ГЦП вяжущих. Показано, что при их твердении образуется принципиально новая структура, отличная от структуры затвердевшего ГВ. В частности, в затвердевшем ЩПВ изменяется состав и характер новообразований, включающий не только кристаллы дигидрата сульфата кальция, но и субмикрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция и другие малорастворимые гидратные соединения, сходные по составу с продуктами гидратации портландцемента. При этом доказано, что их количеством и качеством , также как и структурой можно управлять различными приемами, что согласуется с работами в области структуры цементного камня [79-82].
По А.В. Волженскому [13, 14] и А.В. Ферронской [10, 15], механизм твердения ГЦПВ иПЩПВпредставляется следующим образом.
Твердение ЩПВ и ГШЦПВ - результат сложных физико-химических процессов, приводящих к образованию новых гидратных веществ (по сравнению с гипсовым вяжущцм), обусловливающих основные свойства вяжущих и приближающих их к портландцементу.
При затворении водой ГЦПВ и ГШЦПВ происходит гидратация полуводного гипсового вяжущего и схватывание, а выделяющиеся кристаллы дигидрата сульфата кальция создают каркас первоначальной структуры. Одновременно начинается гидратация минералов цементного клинкера, сопровождающаяся выделением гидроксида кальция. Активная минеральная добавка (трепел, опока и т.д..) в ГЦПВ или шлак в ГТДЦГГВ, обязательно присутствующая в этих вяжуших, регулирует щелочность среды. Связывание этими добавками гидроксида кальция приводит к снижению концентрации Са (0Н)2 в жидкой фазе до такого уровня,тфи котором высокоосновные гидроалюминаты кальция 4 СаО-АЮз 13 Н2О и 3 СаО-А12 03-б Н2О становятся нестабильными. Это способствует быстрому связыванию глинозема в скрытокристаллический гидросульфоалюми-нат кальция трехсульфатной формы. В дальнейшем происходит разложение трехсульфатного гидросульфоалюмината кальция, неустойчивого в средах с низкой концентрацией Са(0Н)2. Это положение согласуется со взглядами А.Н. Александровского, П.П. Будникова, В.А. Кинда, И.В. Кравченко, И.Х. Колонтарова и др., исследовавших устойчивость гидросульфоалюмината (трехсульфата) кальция в насыщенном растворе гипсового вяжущего с различной концентрацией СаО. Дальнейшее твердение ЩПВ связано, с одной стороны, нестабильностью этгринпгга, а с другой, — образованием дополнительного количества низкоосновных гидросиликатов типа CSH(B). Следует отметить, что односульфатная форма гидросульфоалюмината кальция не обнаружена. Очевидно, образующиеся при разложении этгрингита новообразования представлены CaS04 2 НгО, низкоосновными гидросиликатами и гидфоалюминатами кальция.
Силикаты кальция клинкера (алит и белит) частично гидролизуются и, гидратируясь, дают гелевидные гидросиликаты кальция со средним составом CaOSi02 пН20. Такие же гидросиликаты кальция возникают в результате взаимодействия гидроксида кальция с активной минеральной добавкой. Образующиеся новообразования являются связкой, цементирующей крупные кристаллы ди-гидрата, которые образуются на первой стадии твердения, и защищающей их от взаимодействия с водой. Благодаря этому, водостойкость ЩПВ и ГОЛДИВ выше водостойкости гипсовых вяжущих. Защитное влияние новообразований на гипсовое вяжущее проявляется уже при 15-20%-ном содержании портландцемента в смешанном вяжущем и усиливается по мере увеличения его в ЩПВ.
По мнению Розенберг Т.И., Ратинова В.Б. и др. механизм твердения и деструкции ЩП вяжущих происходит следующим образом [73]:
- в процессе твердения ЩП систем возникает не моносульфатная, а трехсуль-фатная форма гидросульфоалюмината кальция;
- скорость образования и количество этгрингита при прочих равных условиях определяется концентрацией гидроксида кальция в системе;
- при дальнейшем твердении за счет прорыва фазоразделяющей пленки процессы взаимодействия компонентов возобновляются; если структура материала уже не податлива, то она может разрушиться в результате кристаллохимиче ского давления выкристаллизовывающегося этгрингита.
То есть, согласно рассмотренному механизму, разрушение ЩПкамня обусловливается не только наличием и количеством этгрингита, но и временем и скоростью его образования. Аналогичной точки зрения на механизм твердения и деструкции ГЦП камня придерживаются Книгина и Тимофеева[74]. В работе [ 78] разрушение гипсоцементных систем объясняется образованием не только этгриги-та, но и таумасита, являющегося продуктом взаимодействия этгрингита с углекислотой воздуха. Нашими исследованиями присутствие таумасита даже в образцах 10-летнего возраста не обнаружено.
Дальнейшие исследования ГЦП вяжущих показали также, что различные модификации сульфата кальция не вносят существенного изменения в характер новообразований, но влияют на скорость гидратации вяжущего и условия кристаллизации новообразований, что, в конечном счете, отражается на прочности вяжущего. Это принципиальное положение лежит в основе получения ГЦПВ и ІТШГПВ повышенной прочности и долговечности [ 83, 84, 10 и др.]. Так, используя высокопрочное гипсовое вяжущее или ангидритовый цемент вместо обычного гипсового вяжущего при производстве ГЦПВ и ТТГПТГТВ, можно получать быстротвердеющие водостойкие вяжущие повышенной прочности — марки М 300 и более. Прочность этих вяжущих, хотя и в меньшей степени, зависит также от активности применяемого для их производства портландцемента. При использовании портландцементов высоких марок можно повысить прочность ГЦПВ и ГШЦПВ в среднем на 15-25%. [10]]
Процесс твердения ГЦПВ можно ускорить путем тепловой обработки при температуре не более 80С. Прочность образцов после пропаривания достигает 70—90% марочной прочности. Однако абсолютные значения прочности у пропаренных образцов меньше по сравнению с образцами, твердевшими на воздухе.
В настоящее время наибольшее применение получили ГЦПВ и ГШЦПВ примерно следующего состава, % по массе: гипсовое вяжущее 75-50, портландцемент 15-25, пуццолановая добавка 10-25 [85]. В качестве пуццолановой добавки в нашей стране обычно используют трепел, диатомит, опоки, активные золы, гранулированные доменные шлаки и т.д. В других странах для этих целей применяют золу-унос, образуюшуюся при сгорании бурых углей, трассы и т.п.
Наиболее приемлемым в практическом отношении является применение пуццоланового портландцемента (или шлакопортландцемента) с надпежащим количеством в них активных минеральных добавок для получения ГЦПВ и ШЩГТВ, но в настоящее время такие цементы не производятся.
Математическое планирование эксперимента и определение оптимальных составов КГВ
Для первого варианта технологии на переделе приготовления КГВ на основе доменного гранулированного шлака (обозначение - КГВ(Ш) в качестве переменных факторов приняты:
XI - содержание ОММ, % массы КГВ;
Х2 отношение количества кремнеземистой добавки к содержанию цемента в ОММ (Д/Ц);
ХЗ - удельная поверхность ОММ, м2/кг; Х4 - содержание С-3, % массы КГВ. В планировании четырехфакторного эксперимента принят план Бокса-Бенкина, близкий по своим свойствам D-оптимальному плану [174].
На основании результатов исследований, выполненных на первом этапе, установлены пределы и интервалы варьирования, которые приведены в табл. 5.1. Матрица планирования эксперимента для КГВ(Ш) приведена в табл. 5.2. Параметрами оптимизации приняты:
Y1 - нормальная густота (НГ) - водовяжущее отношение, соответствующее стандартной консистенции (расплыв теста 180±5 мм) - (НГ);
Y2 - начальная прочность при сжатии, МПа, (через 2 ч - R24);
Y3 - прочность при сжатии, МПа, в возрасте 28 сут нормального твердения (R2з);
Y4 - коэффициент размягчения (Кр).
Второй вариант технологии выполнялся по следующей технологической схеме:
- предварительная активация кремнеземистой добавки с частью портландцемента и СП (ОММ с уменьшенным содержанием цемента);
- перемешивание с домолом в шаровой мельнице всех компонентов (ОММ, ГВ, остальной части ПЦ и СП).
Такая технология предполагает, что в процессе совместного помола всех компонентов вяжущего будет происходить быстрое измельчение гипсового вяжущего, самопроизвольное упорядочивание зернового состава и взаимного расположения зерен в КГВ.
Оптимизация данной технологии осуществлялась также методом математического планирования эксперимента аналогично предыдущим.
Исследовали КГВ на основе золы-уноса (КГВ(З). В качестве переменных факторов были приняты:
XI - процентное содержание ОММ;
Х2- соотношение Д/Ц;
ХЗ - количество суперпластификатора, СП , %;
Х4 - время перемешивания с домолом компонентов (т), мин.
Пределы и интервалы варьирования переменных приведены в табл. 5.3. Матрица планирования эксперимента для КГВ(З), получаемого по второй технологии, приведена в табл. 5.4. Ввиду того, что при домоле гипсового вяжущего сроки схватывания ускоряются, во все составы вводили замедлитель схватывания ЩСПК в количестве 0,01 % (в пересчете на сухое вещество).
Параметрами оптимизации по второму варианту приняты:
Y1 - нормальная густота, % (НГ))
Y2 - начало схватывания, с (НС);
Y3 - прочность при сжатии, МПа, в возрасте 2 ч (R24);
Y4 - прочность при сжатии, МПа, в сухом состоянии после 7-ми суточного нормального твердения (R?);
Y5 - прочность при изгибе в сухом состоянии после 7-ми суточного нормального твердения, МПа, (Ли);
Y6 - коэффициент размягчения (Кр). Результаты испытания образцов, изготовленных в соответствии с матрицами планирования экспериментов по 1-му и 2-му вариантам приведены в табл. 5.5 и 5.6.
Обработку результатов всех экспериментов осуществляли с помощью компьютера по специально разработанной программе. Ввиду того, что зависимости между параметрами оптимизации и влияющими на них переменными факторами сложны и могут носить нелинейный характер, в основу обработки результатов для получения значений функций откликов приняли полное квадратичное уравнение:
Y=bo+biXR b2X2+ b3XЗ+ b4X4+ b„Xl2+ b22X22+ ЬззX3 + h„X42+ bi2Х1X2+ Ь13Х1ХЗ+ bi4XlX4+ Ь23X2ХЗ+ Ь24Х2Х4+Ьз4X3X4.
После обработки результатов экспериментальных данных получены следующие уравнения регрессии (на примере КГБ на основе граншлака) для принятых параметров оптимизации (в кодовых значениях).
1=38-1,5X1 Х2+1,5ХЗ-ЗХ4-0,5Х1 -0,5Х32+Х4 Y2=6,5-l,425X1-0,067X2+1,467X3-0,325X4-0,062X1 -0,025X3 -1.212Х42+0,025Х1 Х2+0,125Х1 ХЗ+0,075Х1 Х4+0,075Х2 ХЗ-0,15ХЗ Х4;
Y3=20,033+2,075X1-1,992X2+2,967X3+1,6X4+1,305X1 +1,029X2 -0,958ХЗ -191,508Х42+0,05Х1 Х2+Х1 ХЗ+ 0,075Х1 Х4+ 0,076Х2 ХЗ+ +0,025Х2 Х4;
Y4=0,793+0,042X1-0,016X2+0,02X3+0,014X4-0,019X1 -0,006X2 -0,09X3 -0,016Х42+0,01Х1 Х2+0,003X3 Х4
В натуральном выражении переменных уравнения имеют следующий вид:
Уравнения регрессии, полученные после обработки результатов экспериментов по второму варианту технологии имеют следующий вид (кодовые значения).
Для нормальной густоты, %
Y,=27.2-3,25X! + 0,82Х2 + 5,66Х3 + 0,74X4 + 2,4Xi2 + 1,27Х22 +2,ЗХ32 -0,25X 2 -1,5ХіХ4 + 0,25Х2Х3 - Х2Х4.
Для прочности при сжатии в возрасте 2 ч, МПа Y2=8,S-l,87Xi + 0,6Х2 + 1,ЗХ3 + 0,44X4 - l,4Xi2 - 0,54Х22 - 1,03Х32 -0,44Х42 - 0,45X 2 +0,35XiX4 - 0,5Х2Х3 +0,93 Х2Х4- 0Д4Х3Х4.
Для прочности при сжатии в высушенном состоянии после 7-ми суточного твердения в нормальных условиях, МПа
Y3=38,2 +2,7Xi - 3,1X2 + 4,ЗЗХ3 + 1,9X4 - 4,14ХІ2 - 3,85Х22 - 5,05Х32 -5,44Х/ - 1,65ХіХ2 + 0,71Х,Х3 + 1,9 ХЛ - 4,35Х2Х3 +3,13 Х2Хі + 0,94Х3Х4.
Для прочности при изгибе в сухом состоянии после 7-ми суточного твердения в нормальных условиях
4=8,72 - 1,47Хі - 0,81Х2 - 0,73Х3 + 1,19X4 - 0,74Хі + 0,75Х2 - 0,18Х3 + 0,87X4 - 1,02ХіХ2 + 0,12ХіХ3 + 0,46 XJXJ + 1,65 Х2Х4 - 0,09Х3Х4. Для коэффициента размягчения
Y5= 0,67 + 0,2ХЇ - 0,12Х2 + 0,173Х3 - 0,015X4 + 0,074Х!2 + 0,025Х22 + 0,012Х32 + 0,057Х42 - 0,05X 2 + 0,06ХіХ3 - 0,025 ХЛ + 0,075 Х2Х3 - 0,049Х2Х4.
На основании полученных уравнений построены графики зависимостей параметров оптимизации от переменных факторов.
Анализ уравнений и графиков (рис. 5.3...5.12), полученных по первому варианту технологии, показал, что водопотребность КГВ зависит от всех переменных факторов. Наибольшее влияние на свойства КГВ оказывают содержание ОММ и количество суперпластификатора (СП). Увеличение расхода СП способствует существенному снижению водопотребности и повышению коэффициента размягчения КГВ. Причем оптимальное количество добавки зависит от тонкости помола ОММ и ГВ и их соотношения.
Составы и свойства легких бетонов на пористых заполнителях
В связи с развитием малоэтажного строительства возник дефицит в материалах для возведения стен, которые бы с одной стороны обеспечивали требуемые теплотехнические и эксплуатационные качества ограждений, с другой - были бы экономически конкурентоспособны на строительном рынке.
В настоящее время в связи с введением новых требований СНиП по термическому сопротивлению стен этим требованиям не отвечают никакие бетоны при однослойной конструкции стен, за исключением ячеистого бетона, в основном автоклавного твердения. Все другие бетоны пригодны только в стенах с утеплителем, т.е. в трехслойных конструкциях стен. Легкие бетоны на пористых заполнителях могут использоваться в качестве конструкционных слоев трехслойных конструкций стен. При этом их применение способствует уменьшению толщины слоя утеплителя. Легкие бетоны на основе КГВ должны быть особенно эффективны т.к. подобно гипсовым материалам, быстро твердеют, обеспечивают комфортные гигиенические условия в помещениях.
При определении составов легких бетонов на пористых заполнителях находили такие соотношения между используемыми материалами, при которых будут обеспечены необходимая консистенция бетонной смеси (заданная удобоукладываемость), требуемая прочность и средняя плотность при наименьшем расходе КГВ. При этом должны быть обеспечены другие эксплуатационные свойства, такие как морозостойкость, теплопроводность, водостойкость и др.
Наиболее распространенным пористым заполнителем для бетонов является керамзит в виде керамзитового гравия и песка. Поэтому в наших исследованиях основное внимание было уделено керамзитобетону. Кроме того, учитывая большую распространенность древесных отходов в виде опилок, изучали легкий бетон на их основе, а также исследовали возможность замены части керамзита на вспученные гранулы полистирола.
Для получения керамзитобетона, отвечающего предъявляемым требованиям, использовали технологические приемы, позволяющие регулировать при подборе состава бетона его структуру и основные свойства.
Требования к бетону определяются условиями его эксплуатации. Поскольку здесь речь идет о легких бетонах, то области их основного применения - это изготовление ограждающих конструкций, в том числе наружных (несущих и самонесущих). Поэтому эти бетоны должны соответствовать требованиям стандартов и СНиП на конкретные виды бетонов, изделий и конструкций.
Подбор составов керамзитобетона плотной и поризованной структуры осуществлялся с учетом выше названных особенностей КГВ в следующей последовательности [216]:
- выбор заполнителей и добавок;
- назначение предварительного расхода вяжущего и добавок;
- назначение зернового состава и расчет расхода заполнителей;
- определение расхода воды, обеспечивающего заданную удобоукла-дываемость бетонной смеси;
- установление зависимостей между расходом КГВ, прочностью и средней плотностью бетона, а также между прочностью бетона и величиной водо-вяжущего отношения;
- проверка полученных зависимостей экспериментально и их математическое и графические выражения.
Качество пористых заполнителей, от которых зависят свойства бетонов, характеризуются насыпной плотностью, прочностью, формой и видом поверхности зерен.
В наших исследованиях применяли различные виды керамзита, в том числе: Клинского и Ярославского заводов фракции 5-20 мм с маркой по насыпной плотности 350, 450, 550 и прочностью при сдавливании в цилиндре от 1, О до 2,5 МПа. Вспученные гранулы полистирола имели насыпную плотность 50 кг/м .
В качестве мелкого заполнителя служили фракции 0-5 мм, отсеянные из керамзита Ярославского завода, керамзитовый песок фракции 0,63 - 5 мм, характеризующиеся насыпной плотностью 600...700 кг/м , а также дробленый песок из керамзита с насыпной плотностью до 750 кг/м и кварцевый песок с Мк=2...2,5.
Перед использованием заполнителей их рассеивали на фракции, из которых затем составляли оптимальный зерновой состав в соответствии с требованиями ГОСТ 9757-90.
Для получения керамзитобетона использовали КГВ опытных партий, изготовленных на опытной установке, : марок М25 на основе граншлака и Ml 5 на основе кварцевого песка. Для регулирования сроков схватывания в бетонную смесь вводили замедлитель ОКП (отход кожевенного производства) в виде 20 % раствора. В качестве порообразующей добавки применяли смолу древесную омыленную (СДО), как одну из наиболее распространенных добавок. Бетонную смесь готовили в бетономешалке вместимостью 50 дм3.
Были приняты бетонные смеси с жесткостью 5...10 с, осадкой конуса 1...8 см и 12... 16 см с учетом предполагаемых технологий укладки и уплотнения смесей. Уплотнение образцов кубов с ребром 10 см производили вибрированием или штыкованием в зависимости от удобоукладываемости и назначения смеси. Образцы через сутки после формования хранили в камере нормального твердения до момента испытания. Часть образцов хранилась на воздухе при температуре 20±4 С и относительной влажности воздуха 55...65 %. Испытания образцов проводили в возрасте 28 сут, а некоторых через 30...40 мин после конца схватывания и через 7 сут.
Рекомендации но перспективным областям применения бетонов на основе КГВ
Основные преимуществами применения разработанных бетонов на основе композиционных гипсовых вяжущих по сравнению с традиционными бетонами являются:
изготовление изделий осуществляется без тепловой обработки;
ускоряется оборачиваемость формовочного оборудования (бортоснастки, опалубки, форм) в несколько раз, т.к. уже через 15...20 мин может осуществляться распалубка, далее при литьевой технологии;
возможность монолитного бетонирования при отрицательных температурах без применения специальных мероприятий (разогрев бетонной смеси, обогрев опалубки и т.п.);
не требуется искусственная сушка изделий;
снижение себестоимости за счет использования местного сырья и техногенных отходов и снижения расходов энергетических ресурсов.
Учитывая указанные преимущества и строительные свойства бетонов на КГВ предлагаются следующие перспективные области их применения в производстве строительных материалов, изделий и конструкций (табл. 7.10).
Основными преимуществами блоков на основе КГБ являются:
- экономия тепловой и электрической энергии за счет отсутствия пловой обработки при производстве блоков;
- увеличение производительности оборудования в 3 и более раз за счет быстрого твердения бетонов на КГБ;
- снижение металлоемкости производства блоков, благодаря быстрой оборачиваемости формовочного оборудования;
- уменьшение себестоимости изделий.
Исходные данные для расчета экономической эффективности приведены в табл. 7.8. Расчет себестоимости дан в табл. 7.9.
Приведенные затраты на производство и применение стеновых блоков из КГБ будут равны (на 1 м ): П =(С +0 15К1)+(Сп +0 15К2) = (662+0,15 644)+(2,25+0,15 0,012)=760,252 руб.
