Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В современном строительстве бетон и железобетон являются основными конструкционными материалами, поэтому проблема исследования процессов гидратации и твердения, прочностных свойств и долговечности цементных материалов сохраняет свою актуальность. Повысить качество растворов и бетонов позволяют химические модификаторы различных классов, улучшающие технологические свойства бетонных смесей, физико-технические показатели и долговечность бетона. В последние годы значительно возрастает интерес к использованию побочньж продуктов промышленности в качестве добавок в бетон. Это направление является актуальным, поскольку позволяет решать не только технико-экономические, но и острые экологические проблемы.
Анализ технологических регламентов и химического состава побочных продуктов предприятий химико-фармацевтической, микробиологической, гидролизной, энергетической, стекольной и других отраслей промышленности России, Украины, Белоруссии и Латвии показал, что присутствие в них химических соединений, традиционно применяемых в строительстве, позволяет широко использовать жидкие, пастообразные и твердые отходы в качестве сырьевой базы для разработки химических добавок различного функционального назначения.
Исследование процессов гидратации и твердения цементных материалов в присутствии многокомпонентных добавок позволяет расширить научные представления о механизмах действия модификаторов. Кроме того, в состав многих из них входят химические соединения, традиционно не используемые в производстве растворов и бетонов, например, углеводы, многоатомные спирты, альдегиды, ке-тоны, эфиры, кетоэфиры и т.п., механизм действия которых изучен недостаточно. Применение многокомпонентньж добавок, разрабатываемых на основе вторичного сырья, требует обобщения, систематизации, научно-обоснованного подхода и проведения исследований механизмов действия добавок и их основных компонентов на процессы гидратации и твердения вяжущих веществ на всех уровнях формирования структуры цементного камня и бетона, начиная с молекулярного, заканчивая макроструктурой и, в конечном итоге, оценкой основньж физико-технических свойств цементных материалов и их долговечности.
Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских тем по программам и координационным планам Минвуза РФ, НИИЖБ Госстроя РФ, Министерства медицинской и микробиологической промышленности и ГКНТ СССР по проблемам:
«Разработать новые материалы для промышленности строительных материалов на основе отходов предприятий медицинской промышленности» (№ г.р. 01860013175, 1981-1985 гг.); «Исследование отходов от производства антибиотиков с целью утилизации в строительстве» (№ г.р. 01860007386, 1986-1990 гг.); «Человек и окружающая среда» (№ г.р. 01860010921, 1986-1988 гг.); «Разработка технологии утилизации отходов» (№ г.р. 01860007386 и№ г.р. 0186000, 1986-1990 гг.); «Исследовать многотоннажные отходы производства синтетических лекарственньж лре-паратов и витаминов для получения на их базе добавок полифункционального действия для бетонов и других строительных материалов» (№ г.р. 01860008536, 1986-1990 гг.); «Изучить возможности утилизации плавов с установок термического обезвреживания отходов со станции нейтрализации заводов синтетических лекарственных средств» (№ г.р. 01900045953, 1989-1990 гг.); «Исследование возможности утилизации отходов производства предприятий НПО Белмедбиопрома в строительстве» (№ г.р.01890079903, 1989 г.);
РвКІ
t>OC- НАЦИОНАЛЬНА*! БИБЛИОТЕКА і
"Ртгіртгпш nrprnrrmrmm тіумігшп
з "
гай приоритетньж направлений научно-технического прогресса» (№ г.р. 01930008630, 1991-1995 гг.).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель работы заключается в установлении научных и практических принципов и закономерностей процессов структурообразования и твердения цементньж растворов и бетонов с ускоряющими, противоморозными и комплексными добавками на основе вторичного сырья; в изучении механизмов действия добавок и их основных компонентов на фазовый состав, процессы гидратации, кинетику твердения и прочность цементньж материалов; в разработке практических рекомендаций по рациональному использованию модифицирующих добавок, с целью получения композиционных строительных материалов с высокими показателями физико-технических свойств и долговечности.
В соответствии с поставленной целью работы определены задачи исследований:
систематизация жидких и твердьж отходов промышленности, изучение и регулирование процессов выделения солевьж растворов и шламообразования с целью создания модифицирующих добавок направленного действия, усиления активности и улучшения эксплуатационных свойств добавок;
изучение механизмов действия и характера влияния ускоряющих, противо-морозньж, комплексных добавок и нейтрализованных шламов на фазовый состав, микроструктуру, кинетику твердения и прочность клинкерных минералов и цементов; исследование дисперсно-кристаллитной структуры цементного камня с ускоряющими добавками;
исследование реологических свойств и процессов формирования начальной структуры цементньж композиций и концентрационной активности ускоряющих и про-
. тивоморозньждобавок;
изучение механизмов действия углеводов, альдегидов, кетонов, кетоэфиров и их производных на процессы гидратации, формирование начальной структуры, кинетику твердения и прочность клинкерных минералов и цементньж композиций;
сравнительная оценка влияния ускоряющих и комплексных добавок на кинетику твердения и прочность растворов и бетонов, твердеющих в нормальньж и гидротермальных условиях; оптимизация составов и режимов твердения бетонов с добавками с использованием методов математического моделирования;
разработка энергосберегающих и природоохранных технологий получения бетонов и системы критериальной оценки эффективности ускоряющих добавок;
изучение процессов формирования начальной структуры, кинетики твердения и прочности цементньж растворов и бетонов с противоморозными добавками при отрицательньж температурах, в том числе при раннем замораживании;
- исследование физико-механических свойств и морозостойкости растворов и
бетонов с ускоряющими и противоморозными добавками на основе вторичного сырья.
Задачи в области промышленного внедрения результатов исследовании включали:
разработку технологических основ подготовки и организации промышленного использования побочньж продуктов в качестве ускоряющих, противомороз-ньж и комплексных добавок в цементные растворы и бетоны;
разработку нормативньж документов по подготовке и применению добавок в строительстве; проведение токсикологических экспертиз и исследований пожаро-взрывобезопасности добавок;
внедрение результатов работы в производство и авторский надзор за использованием добавок на заводах строительной индустрии.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Систематизированы и развиты научно-прикладные основы активации твердения минеральных вяжущих веществ с помощью ускорителей и модификаторов различных классов. Установлены механизмы активирующего влияния ускоряющих, противоморозньж и комплексных добавок на основе электролитов, модифицированных органическими соединениями, содержащими альдегидные или кетонные группы.
Развиты представления о реальной структуре цементного камня с учётом блоков мозаики и дислокационных повреждений структуры. Дано теоретическое и экспериментальное обоснование механизма повышения прочности и ускоряющего действия добавок на силикатные фазы цемента, заключающегося в формировании напряжённо-деформированных структур гидросиликатов кальция в присутствии атомных примесей и изменении параметров блоков мозаики дисперсно-крис.ал-литной структуры композитов.
На основании анализа электронного строения молекул и функциональных групп впервые исследовано и показано положительное влияние микродобавок альдегидов, кетонов, дикетонов и кетоэфиров на процессы гидратации и твердения цементных материалов. Установлен механизм ускорения схватывания и твердения алюминатньж фаз цемента, заключающийся в стабилизирующем влиянии активирующих добавок на состояние кристаллов AFm-фазы и изменением их соотношения с кубическими гидроалюминатами С3АН6.
Методами рентгеноструктурного, электронномикроскопического, ИК-спектро-скопического, дериватографического и химического анализов выполнены исследования и получены новые данные о влиянии ускоряющих и противоморозньж добавок на состав гидратов и микроструктуру гидратированных силикатных и алюминатньж фаз и цементного камня. Установлены концентрационные зависимости и характер влияния ускорителей твердения на формирование начальной структуры цементньж композиций при обычных и повышенных дозировках.
На основании сравнительной оценки эффективности применения ускоряющих и комплексных добавок в растворах и бетонах, выполненной для 15 видов базовьж цементов различных заводов, разработаны методологические основы и система критериальной оценки эффективности модифицирующих добавок, позволяющие проектировать энергосберегающие технологии производства бетонньж и железобетонных конструкций.
Установлен механизм ускоряющего влияния минеральных гипсосодержащих пшамов на процессы твердения цементньж композиций, заключающийся в активирующем действии добавок на процессы образования гидратов AFt-фазы. Разработаны технологические основы применения неигрализованньж гипсосодержащих шламов в качестве микронаполнителей и активаторов твердения, а также с целью регулирования процессов схватывания цементньж растворов и бетонов.
Установлен механизм, концентрационные зависимости и характер ускоряющего и замедляющего влияния углеводов (моно- и дисахаридов) и дезоксисахаридов на процессы гидратации, кинетику твердения и прочность клинкерных минералов и цементов с учётом копформационного строения молекул, химического поведения и активности углеводов. Выявлены закономерности усиления замедляющего действия углеводов с увеличением в структуре молекул количества гидроксильньж групп и механизм уменьшения замедления за счёт снижения индукционного 1-эффекта атома кислорода в первично-спиртовой группе моносахарида при замене её на дезоксигруппу. Впервые выполнена классификационная оценка ряда цементов по эффективности ускоряющего и замедляющего влияния углеводов.
Дано теоретическое и экспериментальное обоснование применения многокомпонентных солевых растворов, модифицированных органическими соединениями с низкой температурой замерзания, в качестве противоморозных добавок в бетон. Установлен характер влияния раннего замораживания при различных режимах предварительного выдерживания, на прочность цементных материалов при длительном последующем твердении в нормальных условиях. Получены новые данные, позволяющие прогнозировать характер изменения прочности бетона с противоморозными добавками прираннемзамораживании.
Разработаны методологические основы и система критериальной оценки эффективности действия противоморозных добавок на изменение криоскопических свойств жидкой фазы (в соответствии с коллигативными свойствами растворов электролитов), формирование начальной структуры и прочность цементных растворов и бетонов, твердеющих при отрицательных температурах.
Получены новые данные о влиянии комплексных добавок на реологические и физико-механические свойства растворов и бетонов. Обоснована возможность применения ОНР, ОКЖ и ПДБ в качестве умеренных пластификаторов. Установлены концентрационные параметры пластифицирующего действия добавок и синергетические возможности электролитов для усиления реологического влияния суперпластификаторов.
Исследования, выполненные в течение 10 лет, позволили установить закономерности повышения прочностных и деформативных свойств, а также морозостойкости бетона с ускоряющими, противоморозными и комплексными добавками.
На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения результатов в производство развиты научно-прикладные основы применения модифицирующих добавок на основе вторичного сырья с целью направленного формирования структуры композиционных материалов и получения бетонов с высокими физико-механическими свойствами, создания ресурсе- и энергосберегающих технологий и снижение экологического ущерба окружающей среде.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Разработана научно-обоснованная система управления процессами структурообразования и твердения цементных материалов с помощью ускоряющих, противоморозных и комплексных добавок при положительных и отрицательных температурах и получеши модифицирующих добавок и активных наполнителей в строительные материалы, позволяющая комплексно решать проблему повышения уровня химизации бетона, снижения материало- и энергоемкости строительного производства и экологического ущерба окружающей среде.
Количественные зависимости, численные значения характеристик расширяют информационную базу о механизмах действия добавок и создают практическую основу для освоения эффективных энергосберегающих технологий производства бетона и железобетона и совершенствования методов зимнего бетонирования.
Разработаны классификации ряда цементных заводов России по эффективности действия углсводосодержащих и противоморозных добавок, позволяющие в производственных условиях рационально проектировать составы растворов и бетонов и назначать дозировки добавок с учётом химико-минералогического состава цемента и условий твердения. Исследования характера влияния раннего замораживания и отрицательных температур на процессы формирования начальной структуры, кинетику твердения и прочность цементных материалов с противоморозными добавками позволяют рационально назначать дозировки добавок и время предварительного выдерживания бетона до замораживания.
Разработанная система критериальной оценки эффективности ускоряющих, противоморозных и комплексных добавок используется в строительных лабораториях г. Пензы и в учебном процессе по курсу «Технология строительных процессов».
Оптимальные технические параметры производства строительных конструкций, растворов и бетонов и рациональные дозировки ускоряющих и противо-морозных добавок регламентированы в технических условиях и рекомендациях, разработанных совместно с головными организациями и при участии автора.
Технические условия ТУ 67-706-85 «Применение отработанной культуральной жидкости стрептомицина в качестве пластифицирующей добавки в бетонные растворные смеси (Пенз. ИСИ, Пенза, 1986. с. 13); Технические условия ТУ-10-69-382-87 «Рамы керамзитобетонные трехшарнирные пролетом 21 м для сельскохозяйственных зданий» (Пенз. ИСИ-НИИЖБ Госстроя СССР. М., 1987. с. 21); Технические условия ТУ 64-6-381-86 «Добавка противоморозная» (Пенз. ИСИ-ВНИХФИ-трест № 27 Мособлстроя. М., 1986. с. 11).
«Рекомендации по использованнию в строительстве побочных продуктов хим-фармкомбината «Акрихин» в качестве ускоряющей и противоморозной добавки (УПД) в бетонные и растворные смеси» (Пенз. ИСИ-НИИЖБ Госстроя СССР. Пенза: Полиграфист, 1988. с. 8); «Рекомендации по применению отхода витаминного производства - технического кристаллогидрата сульфата натрия в качестве добавки ускорителя твердения бетонных и растворных смесей» (Пенз. ИСИ-НИИЖБ Госстроя СССР. Пенза: Полиграфист 1988. с. 12); «Рекомендации по применению в строительстве побочного продукта Киришского биохимического завода в качестве ускоряющей и противоморозной добавки (УПД) в бетонные и растворные смеси» (Пенз. ИСИ-НИИЖБ Госстроя СССР. Пенза, 1990. с. 12); «Рекомендации по применению в строительстве побочных продуктов ХФК «Акрихин» в качестве ускоряющей и противоморозной добавки (УПД-1) в бетонные и растворные смеси» (Пенз. ИСИ - НИИЖБ Госстроя СССР. Пенза, 1991, с. 13); «Рекомендации по применению побочного продукта Курского комбината лекарственных средств -нитрат-нитрита натрия в качестве добавки в бетонные и растворные смеси» (Пенз. ИСИ-НИИЖБ Госстроя СССР. Пенза, 1992. с. 16); «Рекомендации по применению в строительстве плава солей от производства лекарственных препаратов в качестве ускоряющей и противоморозной добавки в растворные и бетонные смеси» (ПГАСА. Пенза, 1994. с. 15); «Рекомендации по приготовлению и применению штукатурных растворов с использованием нейтрализованных отходов стекольного производства» (ПГАСА. Пенза, 1996. с. 15).
