Введение к работе
Актуальность темы. Многокомпонентные реакционно-порошковые и щебеночные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности при сжатии, не превышающем 5-6 кг/МПа, и прочностью 20-200 МПа мало изучены. Порошково-активированные песчаные (мелкозернистые) бетоны с такими же критериальными оценками практически не исследованы, особенно пропариваемые бетоны, получаемые по заводской технологии на предприятиях сборного железобетона.
В России в последние годы отмечается стремительное возрождение производства сборного железобетона. По данным комитета Евросоюза по сборному железобетону, в странах Европейского содружества более 50% заводского железобетона выпускается на основе самоуплотняющихся бетонных смесей, причем бетонные смеси превышают марку Р6 по растекаемости (ГОСТ 7473-2010).
Изготовление пропариваемых порошково-активированных песчаных (мелкозернистых) бетонов (ПАМБ) нового поколения с высокой прочностью 100-140 МПа, в том числе самоуплотняющихся, с расходом цемента 400-500 кг/м и малоцементных бетонов с расходом цемента 200300 кг/м3 является чрезвычайно актуальным, так как стоимость песков во многих регионах России в 2-4 раза ниже стоимости привозных щебней.
Наиболее эффективными станут пропариваемые порошково-активиро- ванные мелкозернистые бетоны и фибробетоны высокой прочности. Значительная экономическая эффективность состоит в том, что высокая прочность позволяет уменьшить объем конструкций изделий, за счет чего расход всех компонентов снижается в 3-4 раза (цемента, песка, щебня, воды и добавок). Кроме того, произойдет существенный рост экономических показателей во многих отраслях промышленности, обеспечивающих производство бетона:
в межрегиональном, региональном, внутризаводском, железнодорожном и автомобильном транспорте за счет уменьшения перевозок сырья и готовой продукции в 2-3 раза;
в цементной и горнодобывающей промышленности, обеспечивающей производство бетона сырьевыми материалами;
в других энергопроизводящих и топливодобывающих отраслях: угле-, нефте- и газодобывающей промышленности, в производстве электроэнергии.
А главное, уменьшится загрязнение окружающей среды отходящими газами от транспорта, ТЭЦ и сохранится благоприятная экологическая ситуация в регионах, в том числе, производящих портландцемент.
Использование в порошково-активированных мелкозернистых бетонных смесях молотых дисперсных наполнителей, тонкого кварцевого песка, реакционно-активных пуццолановых добавок, молотого гранулированного шлака, кристаллических затравок нанометрического масштабного уровня, то есть тех компонентов, которые определяют порошковую активацию бетонов, инициированную термическим процессом протекания реакций синтеза гидросиликатов кальция, позволит существенно повысить эффективность таких бетонов.
Достижение высоких показателей прочности и модуля упругости, малой усадки и значительной морозостойкости пропариваемых бетонов при повышении коэффициента эффективности при пропаривании позволит эффективно использовать конструкционные порошково-активированные мелкозернистые бетоны, что определяет особую актуальность темы. Производство пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонов общестроительного назначения марок М200-600 является также актуальным для многих регионов России.
Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка составов пропариваемых порошково-активированных песчаных бетонов, исследование и оптимизация структуры, технологических свойств бетонных смесей и выявление влияния режимов пропаривания на основные физико-технические свойства бетонов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать влияние вида цемента и эффективности пропаривания на прочностные показатели бетонов;
исследовать влияние пуццолановых добавок - микрокремнезема, термически активированных диатомитов в малых и повышенных количествах на формирование прочности, а также высокодисперсных наногидро- силикатов на эффективность пропаривания и другие физико-механические свойства ПАМБ;
осуществить подбор фракций песка для достижения высокого значения плотности бетонов, изучить физико-механические характеристики бетона с фракционированным песком, установить достигаемые пределы высокой прочности;
установить закономерности изменения прочности и технологических критериев от соотношения компонентов для порошково-активи- рованных песчаных бетонов;
оценить эффективность пропаривания многокомпонентных порош- ково-активированных песчаных бетонов по прочностным свойствам в сравнении с прочностью бетонов нормального твердения;
осуществить ТЭО использования новых видов порошково-акти- вированных песчаных бетонов.
Научная новизна работы. Впервые выявлены кинетические закономерности твердения порошково-активированных мелкозернистых (песчаных) бетонов нового поколения с высоким содержанием порошковых компонентов при тепловой обработке, реализующих реакционно- химические свойства порошков при повышенных температурах.
Установлено, что использование в бетонных смесях дисперсных наполнителей, кварцевого песка, молотого гранулированного шлака, реакционно-активных добавок существенно повышает эффективность тепловой обработки и коэффициент эффективности при пропаривании. Выявлено, что с введением микрокремнезема (МК) в количестве 9-27% от массы портландцемента односуточная прочность на одноосное сжатие бетона после пропаривания повышается на 34-124% по сравнению с прочностью бетона без МК.
Выявлено, что замена портландцемента ПЦ 500 Д0 на шлакопортландцемент ШПЦ 400 более эффективна в ПАМБ, чем в бетонах старого поколения, и позволяет сохранить значения прочности после ТВО и 27-ми суток нормального твердения с уменьшением удельного расхода клинкерной части цемента на единицу прочности с 4,7 до 2,9 кг/МПа.
Впервые установлена высокая эффективность нанометрических гидросиликатов кальция, синтезированных и модифицированных на кафедре технологии строительных материалов и деревообработки (ТСМ и Д), как сильнейших ускорителей твердения при пропаривании при мягких температурных режимах с короткой изотермией. Комбинация добавок - центров кристаллизации nCaO-mSiO2-pH2O с ускорителями NaNO3 и Ca(NO3)2, взятых в общем количестве 4,5% от массы цемента, увеличивает растворимость вяжущего и ионную силу раствора и ускоряет процесс кристаллизации. Показано, что такая комбинация позволяет через 4-6 часов изотермии при ее температуре 40С увеличить прочность на сжатие до 19,9-27,4 МПа, снизить расход тепла, осуществить распалубку изделий и отпуск преднапряженной арматуры.
Выявлена высокая эффективность длительного пропаривания порош- ково-активированного песчаного бетона без микрокремнезема.
Выявлена долговременная прочность новых по составу и структуре пропаренных порошково-активированных мелкозернистых бетонов. Установлено, что через 500-600 суток твердения прирост прочности пропаренных бетонов с различным содержанием цемента составляет от 17 до 28% по отношению к 28-суточной прочности.
Установлено, что при высоком содержании микрокремнезёма усадочные деформации повышаются на 37-40%, что потребует использования компенсаторов усадки.
Впервые достигнуты высокие физико-технические и гигрометри- ческие показатели пропаренных, новых по составу и топологической структуре порошково-активированных мелкозернистых бетонов, существенно превышающие показатели мелкозернистых бетонов старого и переходного поколений.
Практическая значимость работы. Выявлена высокая эффективность использования тепловой обработки новых по составу и структуре порошково-активированных мелкозернистых бетонов общестроительного назначения с прочностью на сжатие 50-70 МПа и высокопрочных бетонов с прочностью 100-120 МПа.
Предложено более эффективное использование доменного шлака в пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонах с температурой изотермии 80С и ее продолжительностью до 5-6 часов.
Ускорение процесса твердения пропариваемого порошково-активиро- ванного мелкозернистого бетона с нанометрическими гидросиликатами кальция позволяет осуществлять быстрый оборот форм при пропаривании бетона с низкой температурой изотермии 40-60С, малой продолжительностью её (4-6 часов) и снижать расход пара на 25-30%.
Уменьшение расхода цемента на единицу прочности с 10-16 кг/МПа до 3-6 кг/МПа позволит добиться высокой экономической эффективности пропариваемых порошково-активированных мелкозернистых бетонов.
Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей-технологов по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по направлению 270100 «Строительство».
Степень достоверности. Основные положения и выводы работы обоснованы достоверными результатами, полученными автором в результате многочисленных повторяющихся экспериментов с использованием современных методов анализа структуры и физико-технических свойств бетона; непротиворечивостью выявленных закономерностей известным, установленным в отдельных ведущих отечественных и зарубежных организациях. Достоверность основных выводов работы подтверждена результатами производственных испытаний и реализацией разработок на практике.
Личный вклад автора заключается в анализе литературных источников и в выборе методов исследования, проведении экспериментальных исследований с выявлением оптимальных режимов тепловой обработки, в анализе результатов исследований, в формулировании заключений и рекомендаций и осуществлении внедрения результатов в производство.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения высокопрочных порошково-активированных пропариваемых песчаных бетонов М500-1000 с использованием шлакопорт- ландцементов, пуццолановых добавок микрокремнезёма, термически модифицированного диатомита, нанометрического гидросиликата кальция, имеющих низкие удельные расходы цемента на единицу прочности;
результаты исследования различных режимов пропаривания многокомпонентных бетонов нового поколения с различной рецептурой и удельными расходами цемента на единицу прочности бетона;
- экспериментальные исследования физико-технических порошково- активированных пропаренных песчаных бетонов, результаты исследований подбора состава высокопрочных бетонов с различными цементами и реологически-активными и реакционно-порошковыми добавками.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 29 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК МО и Н РФ.
Конкурсы. В 2010 году получены: сертификат участника финального тура конкурса научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010», диплом финалиста конкурса инновационных проектов «Кубок техноваций 2010». В 2010 году Министерством образования и науки Российской Федерации и Фондом содействия развитию малых форм предприятий научно-технической сферы объявлен победителем программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»). В 2011 году получен диплом за лучшую бизнес-идею проекта «Предприниматель Евразии». В 2011 году завоевано третье место на V областной выставке научно-технического творчества молодежи «Прогресс-2011». Награжден в 2011 году медалью «За успехи в научно-техническом творчестве и научно- исследовательской работе» на Молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 149 наименований. Изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 44 таблицы.