Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 11
1.1 Применение гипсосодержащих композитов.вхтроительстве 11
1.2 Технологические особенности получения долговечных гипсосодержащих композитов 19
1.2.1.Физико-химические основы формирования структуры гипсовых вяжущих 19
1.2.2.Повышение водостойкости гипсовых вяжущих веществ 22
1.3. Применение химических добавок в гипсосодержащих композитах 26
1.4. Применение микроармирующих волокон в гипсосодержащих композитах 29
1.5.Перспективы применения гипсосодержащих композитов в
строительстве 34
1.6. Выводы к главе 40
2. Методы исследований и применяемые материалы 41
2.1. Методы исследований 41
2.1.1. Рентгенофазовый анализ 41
2.1.2. Дифференциальный термический анализ 41
2.1.3. Изучение свойств мелкодисперсных материалов бетона 42
2.1.4. Изучение свойств бетонных смесей и бетона 46
2.2. Применяемые материалы 51
2.2.1. Добавки, применяемые в работе 59
2.3. Выводы к главе 61
3. Принципы получения гипсосодержащих композитов по вышенной долговечности 63
3.1. Управление процессом структурообразования бетонов на КГВ за счет применения минеральных кремнеземсодержащих добавок 63
3.1.1. Исследование влияния дисперсности кремнеземсодержащих добавок в составе КГВ 64
3.1.2. Предлагаемые составы-гипсоцементных композиций с активными минеральными кремнеземсодержащими добавками 67
3.2. Свойства КГБ в зависимости от видаисостава минеральной кремнезем-содержащей- добавки 70
3.3. Повышение эффективности KFB за счет использования химических добавок 75
3.3.1. Влияние химических добавок на свойства КГВ 75
3.3.2. Влияние комплексных химических добавок на процессы структу-рообразования* гипсосодержащих композитов 84
3.4. Особенности твердения КГВ в сульфатных средах 91
3.5. Повышение эффективности использования гипсосодержащих композитов за счет применения армирующих добавок различного функционального назначения 99
3.6.Выводы к главе 106
4. Физико-механические свойства керамзитобетона на КГВ 108
4.1 . Проектирование состава и исследование свойств керамзитобетона 108
4.2.Исследование однородности керамзитобетона 118
4.3. Водостойкость и морозостойкость керамзитобетонов 122
4.4. Деформативные свойства керамзитобетона на КГВ 124
4.4.1.Прочностные и деформативные свойства керамзитобетона на КГВ при кратковременном нагружении 124
4.4.2. Деформации усадки и набухания 127
4.5. Теплопроводность керамзитобетонов на КГВ 131
4.6. Выводы к главе 132
5. Внедрение и технико-экономическое обоснование результатов исследований 134
5.1. Разработка нормативных документов и внедрение результатов исследований 135
5.2. Технология производства изделий из керамзитобетона на КГВ 136
5.3. Технико-экономическое обоснование результатов исследований 145
5.4. Оценка эффективности внедрения керамзитобетона на основе КГВ 147
5.5 Выводы к главе 150
Основные выводы 151
Список литературы 154
Приложения 169
- Применение гипсосодержащих композитов.вхтроительстве
- Изучение свойств мелкодисперсных материалов бетона
- Исследование влияния дисперсности кремнеземсодержащих добавок в составе КГВ
- Проектирование состава и исследование свойств керамзитобетона
Введение к работе
Современное развитие промышленности строительных материалов (ПСМ) в новых экономических условиях направлено на обеспечение потребностей капитального строительства, прежде всего, жилищного; эффективными, качественными, экологически безопасными строительными материалами и изделиями, в том числе из гипсобетонов [1]. Отечественный и зарубежный опыт показывает недостаточное применение гипсовых материалов в строительстве.
Опыт применения в строительстве изделий из гипсобетонов и результаты длительных натурных и лабораторных исследований показали их достаточную эксплуатационную стойкость в разных климатических районах и температурно-влажностных условиях. Эти композиты обладают такими преимуществами, как ускоренное твердение и возможностью его регулирования в широком интервале времени, незначительной энергоемкостью и простотой технологии производства. С их применением могут быть решены многие проблемы индустриального домостроения при разработке технологии заводского производства элементов с разумным применением быстротвердеющих материалов и совершенствовании методов их перевозки и монтажа [2-4].
Производство и применение изделий из бетонов на основе КПЗ при сохранении положительных свойств гипсовых вяжущих характеризуются рядом преимуществ по сравнению с изделиями из бетонов на других вяжущих, в т.ч. и на портландцементе: изделия изготавливаются без тепловой обработки; оборачиваемость формовочного оборудования (бортоснастки, опалубки, форм) увеличивается в несколько раз, т.к. распалубка может осуществляться через 15...20 мин; искусственная сушка изделий не требуется; себестоимость снижается за счет использования местного сырья и техногенных отходов с одновременным решением экологических проблем [5].
Эффективность применения гипсосодержащих композитов в строительстве может быть достигнута за счет использования техногенного сырья — отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, отходов дроб-
ления кварцитопесчаника и др. [6-10]:
Актуальность.
Стратегия развития промышленности строительных материалов РФ на период до 2020 г. направлена на расширение.номенклатуры. и снижение энергоемкости производства.строительных материалов. Этим»требованиям в полной мере отвечают гипсовые композиционные материалы.
Их применение позволяет не только снизить дефицит стеновых материалов, но во многих случаях заменить энергоёмкие цементные бетоны и значительно сократить сроки возведения зданий.
По составу природный гипс является экологически безопасным веществом, не токсичен, при производстве гипсовых вяжущих не выделяется в окружающую среду С02 и другие вредные компоненты.
Композиционные гипсовые вяжущие (КГВ) известны как материалы, регулирующие влажность,окружающего воздуха и обеспечивающие этим благоприятный для здоровья человека микроклимат в помещении, имеют низкую удельную эффективную активность естественных радионуклидов, что является существенным дополнением к целому ряду других экологически положительных и защитных качеств. Эффективность этих композитов обусловлена также простотой и экономичностью производства гипсовых вяжущих.
Для повышения рентабельности использования гипсосодержащих композитов в строительстве возможно применение техногенного сырья - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, отходов дробления кварцитопесчаника и др.
Диссертационная работа выполнена по заданию Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану научно-исследовательских работ, финансируемых из средств федерального бюджета по разделу 01.10 Бюджетной классификации РФ и при финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МК - 3123.2008.8.
Цель работы.
Повышение эффективности производства и применения? стеновых материалов на основе композиционных гипсовых вяжущих повышенной водостойкости с использованием техногенного сырья.
Для достиженияпоставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка теоретических положений проектирования KFB повышен-
, ной водостойкости и долговечности за счет использования кремнеземсодер-
жащих минеральных добавок из техногенного сырья, исследование их фазового состава, структуры и процессов твердения.
2. Разработка составов и технологии производства композиционного
і гипсового вяжущего и стеновых материалов на его основе.
Исследование свойств КГВ и стеновых материалов.
Подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований в промышленное производство и учебный* процесс.
Научная новизна.
Сформулированы положения по повышению эффективности композиционного гипсового вяжущего и стеновых материалов на его основе, заключающиеся в управлении процессами структурообразования за счет введения полигенетического кремнеземсодержащего компонента, что приводит к синтезу в матрице двуводного сульфата кальция низкоосновных гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция, повышению водостойкости композита.
Установлен характер влияния разработанной комплексной химической добавки (КХД) на основе отхода производства лимонной кислоты на формирование структуры бетона за счет снижения начальной влажности, регулирования пористости, повышения однородности, плотности, прочности и долговечности.
Выявлено влияние комплекса мероприятий (полигенетический наполни-тель, механо-активация компонентов КГВ, введение комплексной химической добавки, микроармирующее воздействие базальтовых и полиамидных
8 .
волокон) на структурообразование и физико-механические свойства бетона: Єинергетическиш эффект заключается в повышении: прочности,, водо- ш морозостойкости ; стеновых композитов^ улучшении1 деформативных характеристик, водонепроницаемостти долговечности.
Практическое значение работы:
На основании? результатов- проведенных исследований предложена рациональная область использования природных и техногенных сырьевых кремнеземсодержащих компонентов в качестве активных минеральных добавок при производстве КГВ; оптимизированы их составы; что позволяет одновременно решать вопросы экологии и расширения базы сырьевых ресурсов для производства гипсосодержащих композитов.
Разработаны и методически* обоснованы рекомендации по оптимизации составов КГВ с микродисперсными минеральными добавками из техногенного сырья, армирующими волокнами и комплексными химическими добавками, а также стеновых композитов, повышенной однородности и долговечности, с меньшими энергетическими затратами классов попрочности на сжатие В5-В7,5, средней плотностью /)1000-1200 кг/м, морозостойкостью F20-F35, Кр= 0,67-0,72 и определены рациональные, области их применения;
Разработаны; технологии производства стеновых изделий без тепловой обработки на КГВ с улучшенными техническими характеристиками, с использованием отходов мокрой магнитной сепарации и комплексной химической добавки, что будет способствовать расширению областей их применения и ослаблению техногенного воздействия на окружающую среду.
Внедрение результатов исследований.
Для внедрения результатов диссертационной работы разработаны следующие нормативные документы: СТО 02066339-008-2010 «Композиционное гипсовое вяжущее с использованием отходов мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов Лебединского горно-обогатительного комбината (ЛГОК) в качестве кремнеземсодержащего компонента»; технологический регламент на производство композиционного гипсового вяжущего
9>
для' производства» стеновых изделий из керамзитобетона; рекомендации по изготовлению изделий* из керамзитобетона на композиционном гипсовом вяжущем.
На і экспериментальном» участке ОАО «Завод ЖБК-1» (Белгород) выпущена опытная партия KFB;, которая была апробирована при» производстве керамзитобетонних блоков и панелей перегородок в ряде фирм Белгорода. Экономический эффект от их использования составил около 19 млн. руб.
Теоретические и практические положения диссертационной, работы используются в учебном процессе при чтении лекций, выполнении-курсовых и дипломных проектов при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий, и конструкций», а также бакалавров и магистров по направлению «Строительство».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы представлены: на Международной научно-практической конференции «Научные исследования* на-носистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007); Международной научно-практической конференции «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2009); I Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью» (Кемерово, 2010).
Публикации,
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в шести научных публикациях, в том числе в трех статьях в журналах из перечня ВАК.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, включающего 37 таблиц, 49 рисунков и фотографий, списка литературы из 150 наименований, 11 приложений.
На защиту выносятся:
результаты экспериментально-теоретических исследований получения КГВ повышенной водостойкости и композитов на их основе требуемого качества за счет использования техногенного сырья;
принципы повышения эффективности керамзитобетона для стеновых конструкций путем использования КГВ с активными минеральными добавками из техногенного сырья;
особенности структуро- и фазообразования в гипсосодержащих композитах с комплексной химической добавкой;
результаты экспериментально-теоретических исследований основных физико-механических и деформативных свойств гипсосодержащих композитов;
оптимальные составы и технология производства стеновых материалов из керамзитобетона.
Применение гипсосодержащих композитов.вхтроительстве
Годы перестройки откинули далеко назад промышленность сборного железобетона, стеновых материалов, местных вяжущих и других материалов и изделий. Предприятия цементной промышленности в современной ситуации не могут обеспечить цементом потребности строительства для выполнения возложенных на них задач [2,3,5,11,12]. В связи с этим назрела необходимость привлекать в проекты строительства новые эффективные разработки, шире применять местные строительные материалы, использовать эффективные строительные системы быстровозводимых зданий.
Перспективным направлением развития в ПСМ являются строительные материалы и изделия, изготовляемые на основе гипсовых вяжущих (ГВ), которые отвечают всем современным требованиям: по огнестойкости, звукопоглощению, по экологической оценке норм Международных стандартов, учитывающих все этапы жизненного цикла изделия, начиная от добычи сырья и кончая утилизацией, по гигиеническим требованиям и степени безопасности для здоровья населения [13-18].
Гипс является экологически безопасным веществом, позволяющим получать гипсосодержащие композиты на его основе, не внося помех в естественный круговорот веществ. По химическому составу он не токсичен, при его переработке не выделяется в окружающую среду СОг, регулирует влажность окружающего воздуха и обеспечивает этим благоприятный для здоровья человека микроклимат в помещении. Способность гипса быстро впитывать влагу, отнимая её из окружающей среды тормозит развитие грибов и бактерий. Материалы на его основе имеют низкую удельную эффективную активность естественных радионуклидов, что является существенным дополнением к целому ряду других, экологически положительных и защитных качеств [19-22].
По сравнению с бетонами и строительными растворами на основе портландцемента, со строительной керамикой и металлами, производство и применение гипсовых строительных материалов связано со сравнительно низким удельным расходом топлива и энергии. Удельные затраты! энергии на производство 1 т портландцемента составляют 2400; кирпича — 1760 и гипсовых строительных изделий — 1200 кВт.ч. Быстрое схватывание и-твердение гипсовых формовочных смесей позволяет изготавливать изделия- без форм (например, методом непрерывного проката), или в стационарных формах-кассетах, коэффициент использования которых резко увеличивается, или на специальных формовочных станках [23,24].
Потребность в гипсовых вяжущих практически полностью обеспечивается за счет разработки месторождений природного гипсового камня. В настоящее время мировые разведанные запасы гипса составляют более 7500 млн.т., добыча природного гипсового сырья составляет примерно 105...ПО млн.т. Российская Федерация располагает уникальной по мировым масштабам минерально-сырьевой базой производства гипса, разведанные запасы которой составляют около половины мировых запасов. Распределение месторождений и запасов гипсового сырья по федеральным округам Российской Федерации приведено в табл. 1.1 [5].
Изыскания археологов показали, что натуральный гипс стал использоваться около 9000 г. до н. э. в Анатолии (нынешняя Турция). Египтяне в 5000-3400 гг. до н. э. начали первыми применять обожженный гипс. Наряду с илом из Нила он использовался для приготовления растворов при создании сфинксов, а также для оштукатуривания стен и устройства полов в гробницах. Имеются неограниченные запасы кремнеземсодержащих техногенных отходов в виде золы, золошлаковых смесей, керамической пыли, боя стекла, керамики [6-7, 25], отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС) и т.п. материалов, которые постоянно пополняются. Отечественный и зарубежный опыт применения гипсовых материалов в строительстве и результаты научно-исследовательских разработок в этой области показывают [26], что применение гипсовых материалов совершенно недостаточно, даже несмотря на современные достижения разработчиков в области водостойких гипсовых вяжущих (рис. 1.1). Это объясняется- малой информированностью строителей и опасениями применять гипсовые бетоны в несущих и наружных конструкциях зданий. В. связи с этим актуальным является совершенствование технологии производства гипсосодержащих композитов, улучшение их функциональных и эксплуатационных свойств. Применение гипсовых материалов для городского и малоэтажного строительства позволяет не только уменьшать дефицит материалов для стен и перегородок, но и вдвое сократить продолжительность строительства домов [27,28,29]. По сравнению с 60-70 годами прошлого столетия сейчас гипсовые вяжущие применяются в меньшем объеме. В то время ежегодный объем использования гипсобетонных крупноразмерных панелей, перегородок и оснований под полы превышал 600 тыс. м в год [30,31]. Значительную долю среди освоенных гипсовых материалов занимают стеновые кладочные изделия основе КПЗ, изготовляемых преимущественно с применением заполнителей из различных промышленных отходов [32], особо эффективно производство стеновых камней и блоков. Причем способы формования изделий могут быть различными: литье, вибропрессование, экструзия и др. [18,33]. Получают все большее распространение блоки строительные замковые (ТУ 21-53-02066523-98), которые имеют форму параллелепипеда с базовым размером 400x800x150 мм. Они формуются из литых бетонных смесей в специальных металлопластиковых кассетных формах. При этом оборачиваемость одной 10-местной формы составляет 45-60 мин. Из бетона на основе КГВ эффективно изготовление гипсового прессованного кирпича, который по своим свойствам соответствует требованиям, предъявляемым к силикатному кирпичу (ГОСТ 379-95. Кирпич и камни силикатные. Технические условия), но более легкий. Кирпич предназначен для кладки наружных и внутренних стен малоэтажных зданий и сооружений, а также для ненесущих стен других зданий и их облицовки. После формования кирпича прес 15і сованием не требуется?никакой? тепловой обработки; Экономия энергоресурсовь и трудозатрат очень высока [34 35JL KFB і используется как; основной материал т конструктивно-технологической системе "ШФРОЕ"" по монолитному возведению жилых и общественных зданий методом; торкретирования1 с применением: несъемною опалубки в виде "термоармопакетов" с эффективным, утеплителем. Эта система; разработана Государственным университетом по землеустройству и ЗАО "Зла-тоустметаллургстрой" при участии МГЄУ, ЦНИР ИОМТП и ряда других научных и проектных организаций: В ЦНИИЭП ТБЗ и ТК разработаны гипсовые пустотелые модульные камни; пазогребневой конструкции ручной кладки для возведения малоэтажных домов в сельской-местности.
Изучение свойств мелкодисперсных материалов бетона
По мнению Пухаренко Ю. В. выражение (1.1) наиболее- полно отражает вклад отдельных компонентов в общую прочность композита, но не учитывает взаимного влияния волокон и матрицы при формировании структуры, фибробетона, технологии изготовления образцов, что приводит к определенным противоречиям между расчетными характеристиками и экспериментальными данными. Так, согласно правилу смесей зависимость прочность-процент армирования носит линейный характер, и это соответствует результатам многочисленных исследований, полученным при армировании бетонов высокомодульными волокнами в количестве (Х0б = 1 - 3%. Между тем еще в 70-е годы высказывалось предположение о существовании "критического" содержания волокон, при достижении которого упрочнение бетона становится особенно эффективным.
Одной из важнейших задач промышленности строительных материалов (ПСМ) является развитие отечественного производства эффективных, современных по дизайну строительных материалов и изделий, следовательно, производство их должно быть в различных регионах РФ экономически обосновано учетом-спроса на рынке, оптимального использования имеющегося сырья, преимущественно» местного или техногенного, максимальной1 экономии материальных и топливно-энергетических- ресурсов и, конечно, с учетом экологической безопасности.как,самих материалов и изделий, так и их производствами применения-(рис. 1.2).
Для успешного решения этих непростых задач необходимо расширение производства гипсовых материалов и изделий. Обусловлено это повсеместным распространением природного гипсового сырья и гипсосодержащих отходов; простотой и экологичностью их переработки в гипсовые вяжущие, а последних - в гипсовые материалы и изделия с более низкими по сравнению с аналогичными материалами и изделиями на других минеральных вяжущих расходами топлива и энергии (соответственно в 4 и 5 раз меньше); низкими удельными капиталовложениями и металлоемкостью оборудования гипсовых предприятий по сравнению с цементными (соответственно в 2 и 3 раза меньше), что особенно важно при организации производства на предприятиях средней-и малой мощности [24,69,140].
Строительные материалы и изделия на основе гипсосодержащих композитов можно отнести к экологически безопасным, так как они отвечают основным требованиям, предъявляемым сегодня сточки зрения безопасности и экологических аспектов [13-15,20], а именно: - все вещества, входящие в состав материалов и изделий, должны иметь токсилогическую характеристику и быть безопасными для жизни и здоровья человека, растительного и животного мира; они не должны иметь посторонних неприятных запахов; миграция веществ в ОПрСр под влиянием внешних воздействий не должна превышать допустимые гигиенические нормы; - материалы и изделия не должны стимулировать развитие бактериальной и грибковой микрофлоры; - они не должны обладать общетоксичным, аллергенным, канцерогенным и генетическим действием; - удельная эффективная активность радионуклидов не должна превышать допустимых пределов; - они должны соответствовать физиолого-гигиеническим и эстетическим требованиям. Имеющиеся научно-технические разработки в области гипсовых вяжущих, материалов и изделий за последние 50 лет, а также благоприятные экологиче ские и технико-экономические аспекты производства и применения гипсовых вяжущих, материалов и изделий указывают на все предпосылки для широкого ( применения их как в традиционных, так и в новых направлениях в современном строительстве, а также для реконструкции и ремонта построенных зданий. Все это позволяет назвать перспективные области их применения: возведение сборно-монолитных малоэтажных зданий из конструкций типа «Гитор» методом торкретирования и монолитного бетонирования, включая бетонирование несущих конструкций (покрытий, перекрытий несущих деталей стен); сборные изделия и конструкции наружных и внутренних стен зданий, в том числе несущих; ! санитарно-технические кабины, вентиляционные блоки и другие изделия для инженерных коммуникаций; стеновые бетонные блоки (камни) из легкого бетона на пористых заполнителях или из ячеистого бетона для возведения наружных и внутренних стен зданий, изделия из теплоизоляционного ячеистого бетона.
Исследование влияния дисперсности кремнеземсодержащих добавок в составе КГВ
На рентгенограммах поверхностных слоев образцов на КГВ видно, что новообразования представлены гипсом CaS04-2H20 ( V d=4,3; 3,81; 3,048; 2,89 А) низкоосновными гидросиликатами Са ( О d=3,048; 2,0987; 1,6765 А), карбонатом Са ( d=3,86;2,094; 1,875 А). Чётко видны линии кварца (Л d=3,36; 2,89; 1,99 А). Идентичность рентгенограмм поверхностных слоев образцов на ЮГВ, хранившихся в растворах сульфатов магния и натрия, и в воде, свидетельствует о высокой стойкости исследуемого вяжущего.
В образцах из ЦЕМ I 42,5 Н, хранившихся в растворе MgS04 обнаружен Mg(OH)2 (k d=2,7143; 2,3829; 1,7825 А). На рентгенограммах представлены линии CaS04-2H20, CaS04, СаС03 и Si02. Гидросиликаты кальция перекрываются линиями других минералов.
Результаты исследований позволяют отметить, что КГВ является стойким вяжущим в растворах сульфатов 3 %-ной концентрации. Повышенную суль-фатостойкость можно объяснить низкой концентрацией Са(ОН)2 в жидкой фазе и наличием низкоосновных гидратных фаз: гидросиликатов Са и других, более стойких к действию сульфатных сред. Полученные результаты позволяют рекомендовать КГВ для получения широкой номенклатуры строительных материалов.
Испытание на атмосферостойкость затвердевшего гипсосодержащего композита проводились на образцах состава КГВЛесок кЗ. Для сравнения использовали вяжущие: ЦЕМ I и гипс Г5БII. После приготовления образцы твердели 28 сут. в нормальных условиях, после чего были помещены в атмосферные условия. В данном случае на образцы действовал ряд агрессивных факторов: углекислый газ, имеющий в черте города повышенную концентрацию, перепады температуры, колебания влажности, замораживание-оттаивание. Колебания температур в наиболее холодные зимние месяцы (декабрь-февраль) и периоды продолжительных осадков в виде дождя приведены на рис. 3.21. Результаты эксперимента показывают, что наблюдается, рост прочности, как при изгибе, так и, при сжатии у образцов на различных вяжущих: наибольший-прирост прочности в/течение первых 30-ти суток, в дальнейшем прирост прочности незначителен. Таким образом, результаты экспериментов1 показали, что в неблагоприят-ных атмосферных условиях при резких колебаниях температуры, сопровождающихся намоканием образцов под действием дождя, способствующих развитию коррозии замораживания- - оттаивания, в зимний период наблюдается рост прочности образцов. Кинетика набора,прочности, образцов на КГБ соответствует кинетике набора прочности образцов на портландцементе. Это свидетельствует о высокой атмосферостойкости гипсосодержащих композитов, и о возможном применении данных строительных материалов во влажных атмосферных условиях. В настоящее время достигнуты значительные успехи в области повышения активности гипсовых вяжущих, используемых для изготовления гипсосодержащих композитов. Однако предел прочности при растяжении остается во много раз ниже прочности на сжатие. В связи с этим использование микроар-мирующего волокна может создать предпосылки для получения композитов с более широкими возможностями их применения в строительстве, позволит в значительной степени снизить основные недостатки: низкую прочность при растяжении, изгибе, хрупкость разрушения, способность воспринимать знакопеременные воздействия и др. Микродисперсные волокна обеспечивают трёхмерное упрочнение, на 50-90 % уменьшают количество усадочных трещин (арматурная сетка уменьшает количество усадочных трещин только на 6 %, металлическая фибра — на 20-25 %) [128]. В Европе ежегодно производится и потребляется около 300 тыс. т фиб ры. На нашем строительном рынке применение фибры на сегодняшний день пока ограничено — всего около 7 тыс. т. і С помощью добавления- волокон в бетонную или растворную смесь можно избежать возникновения трещин в бетоне. Волокна, благодаря их спе-цифической поверхности, способны поглотить силы растяжения во время усадки, что позволяет бетону развивать его оптимальную долгосрочную прочность. Волокно уменьшает выделение воды посредством более эффективного контроля гидратации, тем самым, снижая внутренние нагрузки. Благодаря контролю за выходом воды на поверхность снижается образование трещин при пластическом оседании [125,127]. Бетон, содержащий волокна, имеет более высокие характеристики по морозостойкости, и по долговечности он не уступает бетону с воздухововлекающими добавками. Известно, что ни одна из модификаций искусственных волокон не обладает такой исходной сырьевой базой, как волокна из базальта. Запасы базальта в России достаточно обширны, что предопределяет предпосылки для организации производства и применения базальтовых волокон, экологически чистых, обладающих высокой прочностью и модулем упругости. Первостепенную роль в создании гипсосодержащих композиционных материалов с дисперсным армированием играет правильный выбор волокон, обуславливающий их стойкость в матрице и их адгезию к ней. Гипсосодержащие композиты, включающие в свой состав портландцемент и микрокремнезем, наиболее удобны для получения волокносодержащих материалов. Прочность при растяжении в подобных композициях определяется в основном сопротивлением армирующих волокон. Это связано с тем, что, меняя соотношения между компонентами и подбирая исходные компоненты, можно получить вяжущие, характеризующиеся различной концентрацией гид-роксида кальция, разным значением рН среды, определенные сроки твердения.
Значения рН и величина концентрации гидроксида кальция зависят от содержания портландцемента и кремнеземистой добавки и ее активности. От этих же факторов в значительной- степени зависят прочность и водостойкость затвердевшего1 вяжущего. Исходя, из этого, КГВ являются наиболее перспективными-для получения композиций на основе минеральных волокон. Исследованиями [134] установлено, что все минеральные волокна, независимо от химического состава, вступают в химическое взаимодействие с растворами, имитирующими среду твердеющего бетона на портландцементе, втом числе КГВ. По данным исследователей; в отличие от портландцемента значения концентрации СаО и рН в твердеющих системах КГВ значительно ниже с очевидной тенденцией к снижению в процессе длительного твердения. Уже к 28 суткам твердения их значения в среде КГВ близки к значениям водородного показателя многих волокон. Определение рН водных вытяжек некоторых волокон показали, что минераловатное волокно имеет рН; равный 8,5...8,8. Таким образом, матрицы на основе КГВ являются значительно менее агрессивными по отношению к минеральным волокнам, чем цементная матрица.
В работе исследовалось влияние двух видов микроармирующих волокон - низкомодульного полиамидного волокна с характерным для него большим относительным удлинением при разрыве и высокомодульного базальтового волокна - на свойства затвердевшего КГВ с тонкомолотыми минеральными добавками: перлитом, опокой, отходами ММС, содержащими достаточно большое количество кварца, который в измельченном до высокой удельной поверхности состоянии (8Уд=600 м /кг) может участвовать в формировании новообразований. Волокнистые наполнители представляют собой рубленные тонкие волокна (фибры) длинной около 10 мм, диаметром 30-100 мкм. Равномерное распределение волокон по объему матрицы - одно из проблемных мест в технологии приготовления армированных композитов.
Проектирование состава и исследование свойств керамзитобетона
Для внедрения результатов диссертационной работы в строительстве домов коттеджного типа разработаны нормативные документы на стеновые материалы на основе композиционного гипсового вяжущего повышенной водостойкости: - СТО 02066339-008-2010 «Композиционное гипсовое вяжущее с использованием отходов мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов Лебединского горно-обогатительного комбината (ЛГОК) в качестве кремнеземсодержащего компонента»; - Технологический регламент на производство композиционного гипсового вяжущего для производства стеновых изделий из керамзитобетона; - Рекомендации по изготовлению изделий из керамзитобетонов на композиционном гипсовом вяжущем. Композиционное гипсовое вяжущее получают путем измельчения кремнеземистой добавки (отходов ММС) до удельной поверхности 550... 600 м /кг с суперпластификатором и портландцементом с последующим перемешиванием с гипсовым вяжущим, совмещенным с кратковременным помолом. КГБ для приготовления бетона применяется с целью: уменьшения расхода цемента, улучшения технологических свойств бетонной смеси; исключения тепловой обработки; увеличения оборачиваемости формовочного оборудования; снижения себестоимости бетона. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в данной диссертационной работе, были внедрены при строительстве 5-ти домов в коттеджном поселке Таврово Белгородского района из керамзитобетона В5, с применением техногенного сырья— отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов в качестве активной минеральной добавки в составе композиционного гипсового вяжущего. Были выпущены керамзитобетонные блоки объемом 80 м3 и перегородки типа ПП объемом 68,5 м . Изготовление ЕТВ осуществлялось в шаровой мельнице, где производилось совместное измельчение портландцемента, гипса и минеральной добавки до заданной удельной поверхности. Удельная поверхность КГВ определяется по ГОСТ 310.2 — 76 и должна достигать по прибору ПСХ 450-500 м /кг. Приготовление керамзитобетона, разработанного состава на КГВ с комплексной химической добавкой, осуществлялось стандартным способом. В бетоносмесительную установку через систему дозаторов поступает сырье (керамзитовый заполнитель - 1/2 - 1/3 от общего количества заполнителя и 1/3 необходимой для замеса воды с замедлителем и добавками перемешиваются в течение 0,5-1 мин), затем после кратковременного перемешивания в смеситель добавляют измельченное КГВ, оставшаяся вода и оставшийся заполнитель, после чего смесь тщательно перемешивается. За истекший период эксплуатации видимых изменений не обнаружено, строения находится в удовлетворительном состоянии. Технология производства изделий из керамзитобетона на КГВ Создание материала требуемого качества начинается с подбора необходимых качественных материалов для его изготовления. Для приготовления бетона обычно используют портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н (ГОСТ 10178-85). Массовая доля ангидрита серной кислоты (ЭОз) в цементе должна быть не менее 1,0 и не более 3,5 %. Тонкость помола цемента должна быть такой, чтобы при просеивании пробы цемента сквозь сито с сеткой № 008 по ГОСТ 6613 проходило не менее 85 % массы просеиваемой пробы. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 минут, а конец - не позднее 10 часов от начала затворения. Коэффициент вариации предела прочности цемента при сжатии в возрасте 28 сут., рассчитанный по результатам испытаний за квартал, не должен быть более 7 %. К гипсу марки Г-5Б II предъявляются следующие требования: тонкость помола, максимальный остаток на сите с размером ячеек 0,2 мм—10%, сроки схватывания: начало 6-30, конец 10-30; нормальная густота—0,48; предел прочности при изгибе— 2,4; предел прочности при сжатии—5,0; коэффициент размягчения—0,34. Также для получения композиционного гипсового вяжущего используются отходы ММС. Обогащение железной руды связано с выбросами отходов производства в отвалы, именуемые хвостохранилищами, объем которых достигает свыше 500 млн. м3, занимающих около 2 тыс. га земельных угодий. Так техногенные месторождения отходов ММС железистых кварцитов формировались путем заполнения заранее подготовленных отрицательных форм рельефа за счет сбрасывания пульпы из пульпопроводов. К керамзитовому гравию и песку предъявляются требования по ГОСТ 9757-90. Гравий и песок должны быть морозостойкими и обеспечивать требуемую марку легкого бетона по морозостойкости. Потеря массы после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания не должна превышать 8%. В гравии, щебне и песке, применяемых в качестве заполнителей для армированных бетонов, содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO(3) не должно превышать 1% по массе. Потеря массы при кипячении должна быть, %, не более 5. В качестве добавок для производства бетона используют: суперпластификатор С-3, который представляет собой синтетическое вещество, полученное из продуктов поликонденсации нафталинсульфокислот и формальдегида (ТУ 6-36-020-429-625-90) и фильтрат цитрата кальция (отход производства лимонной кислоты, содержащий в своем составе аминокислоты, лимонную кислоту, сахара, соли органических и минеральных кислот и другие органические вещества). Для приготовления бетонной смеси обычно применяют водопроводную питьевую воду. Содержание в воде органических поверхностно-активных веществ, Сахаров или фенолов, каждого не должно превышать 10 мг/л. Вода не должна- содержать пленки- нефтепродуктов, жирову масел. Окисляемость воды не должна, быть более 15 мг/л. Водородный показатель воды (рН) не должен-быть менее 4 и более 12,5. Рекомендации по отбору-проб, методам испытаний, нормам агрессивности водной5 среды к бетонам приведены в инструкции "Признаки и нормы агрессивности воды, для ж/б и бетонных конструкций"".
