Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Предназначение ремонтных смесей 10
1.2. Составы и свойства сухих ремонтных смесей 13
1.3. Применение композитов для ремонта сухих ремонтных смесей 19
1.4. Повышение эффективности сухих ремонтных смесей 25
1.5. Выводы 33
2. Методы исследований и применяемые материалы 35
2.1. Методы исследований 35
2.1.1. Рентгенофазовый анализ 35
2.1.2. Растровый электронно-микроскопический анализ 36
2.1.3. Определение гранулометрического состава 36
2.1.4. Изучение свойств заполнителя 38
2.1.5. Изучение реологических характеристик цементных суспензий 38
2.1.6. Изучение свойств растворных смесей 39
2.1.7. Исследования физико-механических характеристик 40
2.1.8. Определение прочности сцепления (адгезии) с основанием 41
2.1.9. Метод математического планирования эксперимента 42
2.2. Применяемые материалы 42
2.3. Методика получения композиционных вяжущих 50
3. Теоретические аспекты особенностей процессов структурообразования ремонтных смесей 51
3.1. Сродство структур - принцип проектирования составов ремонтных смесей 51
3.2. Классификация ремонтных смесей в зависимости от областей применения 64
3.3. Анализ состояния бетонных и железобетонных памятников, подлежащих ремонту 70
3.4. Разработка составов композиционных вяжущих для ремонта бетонных и железобетонных памятников на основе шлакопортландцемента 80
3.5. Микроструктура цементного камня на композиционных вяжущих 102
3.6. Выводы 106
4. Свойства ремонтных растворов в зависимости от состава 108
4.1. Ремонтные смеси с использованием техногенного сырья 108
4.2. Композиционное вяжущее для ремонта с использованием комплексного органоминерального модификатора 114
4.3. Старение материалов и разработка метода испытаний на старение минеральных композитов 131
4.3.1. Общие понятия и виды старения 131
4.3.2. Разработка метода испытаний на старение минеральных композитов 139
4.3.3. Апробирование методики испытаний и результаты испытаний 146
4.4. Эксплуатационные характеристики ремонтных смесей 148
4.5. Выводы 155
5. Внедрение и технико-экономическое обоснование 158
5.1. Технологическая схема производства сухих ремонтных строительных смесей 158
5.2. Разработка нормативных документов 163
5.3. Технико-экономическое обоснование 163
5.4. Выводы 170
Общие выводы 172
Библиографический список 175
Приложение 191
- Применение композитов для ремонта сухих ремонтных смесей
- Классификация ремонтных смесей в зависимости от областей применения
- Композиционное вяжущее для ремонта с использованием комплексного органоминерального модификатора
- Технико-экономическое обоснование
Введение к работе
Актуальность. Строительные материалы при эксплуатации зданий и сооружений подвержены агрессивным воздействиям окружающей среды, к которым относятся изменения температуры и влажности, процессы выветривания, истирания, многообразие динамических нагрузок, химическая и биологическая коррозия и др. Это приводит к частичному или полному разрушению цементного композита. Необходимость в ремонте и реконструкции для продления сроков эксплуатации зданий и сооружений -это актуальная и многопрофильная задача.
Ремонту и реконструкции подвергаются каменные, бетонные и железобетонные конструкции, стыки панелей, элементы ЖКХ и т.д. Соответственно, для каждого случая необходимо подобрать состав, который бы обеспечивал хорошую адгезию, иногда, между разнородными (бетон-металл, керамический кирпич-бетон и др.) композитами и обеспечивал целостность и эксплуатационные свойства сооружения.
Условия для производства ремонтных работ и твердения композиций значительно более сложнее, чем при производстве строительных материалов в заводских условиях, поэтому разработанные составы должны обладать хорошей удобоукладываемостью при пониженном водоцементном отношении, низкой усадкой, быстрым набором прочности, высокой адгезией, достаточными деформационными характеристиками и др.
Диссертационная работа выполнена в рамках: тематического плана г/б НИР №12-Б-7.4211.2012 «Разработка теоретических основ ВКБ нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных модификаторов» на 2012-2014 гг., внутривузовского гранта «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012-2014гг., реализации программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг.
Цель работы. Разработка эффективных сухих строительных смесей (ССС) для ремонта и реконструкции зданий и сооружений с использованием комплексной органоминеральной добавки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование сырьевых ресурсов Курской магнитной аномалии (КМА) и разработка состава комплексного органоминерального модификатора (КОММ);
изучение влияния КОММ на процессы твердения портландцемента;
разработка составов ремонтных сухих строительных смесей (РССС) для восстановления целостности композитов;
- подготовка нормативных документов и реализация теоретических и
экспериментальных исследований.
Научная новизна. Предложены принципы повышения эксплуатационных характеристик ремонтных сухих строительных смесей с использованием сырьевых ресурсов КМА и отечественных компонентов,
заключающиеся в оптимизации матрицы за счет использования
комплексного органоминерального модификатора; составляющие которого
способствуют снижению капиллярной и росту гелевой пористости и
уплотнению матрицы за счет синтеза новообразований второй генерации при
взаимодействии активного кремнеземсодержащего компонента
модификатора с СаО, выделяющейся при гидратации алита.
Установлена способность органоминерального модификатора управлять
процессами структурообразования при твердении ремонтных смесей.
Полиминеральность и высокая удельная поверхность модификатора вносят
коррективы в процессы синтеза новообразований за счет пересыщения
раствора, высокого разнообразия морфологии и зарядов минеральных
частичек; полифункциональности. Это не может не отразиться на
формировании кватаронов. Наличие в системе карбонатов, которые
реагируют с алюмосодержащими фазами цемента с образованием
игольчатых кристаллов гидрокарбонатов кальция, приводит к
микроармированию матрицы цементного камня. Это приводит к повышению эксплуатационных характеристик ремонтных смесей.
Выявлен характер влияния состава и гранулометрии ремонтных смесей на усадку, деформативные характеристики, адгезию к восстанавливаемым частям зданий и сооружений, их долговечность. Применение полиминерального модификатора, в состав которого входят метаморфогенный кварц с разнообразными включениями и дефектной кристаллической решеткой, кальцит, аморфная и скрыто-кристаллическая фаза шлака, суперпластификатор, приводит к созданию высокоплотной структуры цементного камня, при этом, содержание капиллярных пор снижается на 20%, при росте гелевой пористости; происходит микроармирование матрицы, что приводит к росту адгезии к восстанавливаемому основанию на 30-50%, снижению усадочных явлений, повышении морозостойкости.
Практическая значимость работы.
1. Обоснована необходимость разработки композиционной
органоминеральной добавки для управления процессами
структурообразования строительных смесей, применяемых для ремонта
кирпичных, бетонных и железобетонных конструкций.
2. Разработана технология производства органоминерального
модификатора с использованием полиминеральной гетерозернистой
неорганической составляющей и суперпластификатора; включающая
совместный помол в вибрационной мельнице портландцемента, отходов
мокрой магнитной сепарации (ММС), мела, шлака и суперпластификатора.
3. Предложена широкая номенклатура сухих строительных смесей для
ремонта кирпичных, бетонных и железобетонных конструкций жилых и
промышленных помещений, объектов ЖКХ, ремонта памятников и др.
Применение комплексного модификатора позволило улучшить
эксплуатационные характеристики ремонтного слоя.
Внедрение результатов исследований.
Для внедрения результатов исследования разработаны нормативно-технические документы:
- стандарт организации СТО 38948084-006-2013 «Комплексный
органоминеральный модификатор для ремонтных сухих строительных
смесей»;
технологический регламент на производство сухих строительных смесей для ремонта кирпичных, бетонных и железобетонных конструкций;
рекомендации по использованию комплексного органоминерального модификатора.
Апробация производства разработанных ремонтных составов на основе ССС в промышленных условиях осуществлялась на ООО «ЭЦ «Экостройматериалы», испытания приготовленных сухих ремонтных смесей осуществлялись при проведении ремонтных работ памятников и объектов ЖКХ г. Белгорода.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты исследований и опытно-практическое внедрение использовались в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106.65 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство», магистерской программы «Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций» и «Инновации и трансфер технологии».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
были представлены на Международной научно-практической конференции
«Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2010),
Международной научно-практической конференции молодых ученых БГТУ
им. В.Г. Шухова (г. Белгород, 2011), Международной молодежной
конференции 12-13 сентября «Экологические проблемы
горнопромышленных регионов» (Казань, 2012), Международной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы изложены в 4 научных публикациях, в том числе, в 1 статье из Перечня ВАК, в 1 статье в международном рецензируемом издании, в 1 монографии. Зарегестрированы: Ноу-хау №20130039 «Комплексный органоминеральный модификатор» и Ноу-хау №20130038 «Метод испытаний на старение минеральных композитов».
На защиту выносятся: - причины повышения эффективности РССС за счет КОММ;
- особенности структурообразования ССС и оптимизации строительных
ремонтных композитов;
- характер влияния добавки модификатора на эксплуатационные
свойства восстановительных объектов;
- зависимости влияния количества минеральных и органических
добавок, различных удельных поверхностей разработанных составов смесей
на физико-механические и технологические показатели;
- технология производства ССС и их оптимальные составы.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 196 страницах текста, включающего 26 таблиц, 46 рисунков, списка литературы из 152 наименований, 6 приложений.
Применение композитов для ремонта сухих ремонтных смесей
Для получения сухих смесей и повышения эффективности использования цемента в бетоне применяют композиционные вяжущие вещества. В этих материалах к основному вяжущему компоненту добавляют специальные добавки и активные минеральные компоненты, в том числе обладающие вяжущими свойствами. При этом добиваются как существенного улучшения реологических свойств цементного теста, так и прочности и других свойств вяжущего и бетонов на его основе. Реологические свойства цементного теста, оцениваемые по его нормальной густоте, оказывают существенное влияние не только на подвижность бетонной смеси, но и на прочность бетона, приготовленного на этом цементе. Цементы с меньшей нормальной густотой позволяют получать изопластичные бетонные смеси при пониженном водоцементном отношении, что обеспечивает большую плотность структуры бетона и его прочность [28-30].
Для снижения нормальной густоты цемента в него вводят пластифицирующие добавки. Наиболее эффективно применение так называемых суперпластификаторов, уменьшающих нормальную густоту цемента на 30...50%. Суперпластификаторы вводят при совместном помоле цемента с сухой добавкой, что обеспечивает как бы капсулирование зерен цемента суперпластификатором и позволяет эффективно вводить в цемент большее количество суперпластификатора, чем при его введении в бетонную смесь, когда молекулы воды, занимая часть поверхности зерен цемента, уменьшают дозу суперпластификатора на их поверхности. Содержание суперпластификатора в композиционном вяжущем веществе составляет 1-3%. В свою очередь супер пластификатор препятствует агрегированию мельчайших частиц цемента, что обычно ведет к повышению прочности, тем самым повышая эффективность тонкомолотых цементов [31,32].
Для регулирования свойств композиционных вяжущих в них помимо суперпластификатора вводят другие добавки и активные минеральные компоненты. С их помощью регулируют сроки схватывания, воздухововлечение при перемешивании и уплотнении смеси, собственные деформации цемента и бетона при твердении, плотность и прочность бетона и улучшают его другие свойства. Это позволяет в широком диапазоне варьировать свойства композиционного вяжущего вещества в зависимости от его назначения. Композиционные вяжущие вещества изготавливают на цементных заводах или специальных установках, например, по технологии сухих смесей. В результате, при применении таких вяжущих достигают большего эффекта при воздействии на бетонную смесь и бетон, чем при обычном введении суперпластификатора при приготовлении бетонной смеси [33-35].
В начале прошлого века в Германии был разработан способ получения водорастворимых эфиров целлюлозы. Исследования показали, что вследствие слабого межмолекулярного взаимодействия с молекулами воды эти полимеры обладают великолепной водоудерживающей способностью. Каждая молекула полимера может удерживать до 20 тыс. молекул воды.
Энергия этого взаимодействия сопоставима с энергией испарения и капиллярной диффузии в основу, что является препятствием для ухода воды. В свою очередь, эта энергия несколько меньше, чем энергия диффузии воды при гидратации цемента, что позволяет ему отбирать эту воду.
Фактически вода в растворе заменяется гомогенным желеобразным раствором метилцеллюлозы, в котором взвешены частички цемента и заполнителя. Высокая водоудерживающая способность такой системы способствует полной гидратации цемента и позволяет раствору набирать необходимую прочность даже при тонкослойном нанесении. После ухода воды полимер в виде тончайшей пленки остается на поверхностях между цементным камнем и наполнителем, никак не влияя на механические характеристики затвердевшего раствора. Таким образом, добавление незначительного количества (0,02... 7%) водорастворимых эфиров целлюлозы к цементно-песчаным смесям приводит к существенному увеличению открытого времени и дает возможность раствору гидратироваться равномерно по всему объему, а также обеспечивает существенное повышение адгезии к основанию и улучшение качества поверхности [36-40].
Чем больше толщина слоя цементного раствора, тем меньше метилцеллюлозы требуется для обеспечения необходимой степени начальной гидратации, поэтому на этикетке сухой смеси должна быть четко указана минимально допустимая толщина нанесения состава. В свою очередь, недопустимо и толстослойное (10 мм и более) применение раствора с высоким содержанием эфира целлюлозы, предназначенного для тонкослойных технологий. В этом случае может проявиться «эффект карамели», когда поверхность отверждается нормально, а внутри сохраняется не отвердевший цементный раствор. По этой причине для подготовки неровных оснований (с перепадами более 10-15 мм) рекомендуется применение системы материалов, состоящей из сухой смеси для грубого выравнивания и тонкослойной нивелирующей массы, обеспечивающей получение гладкого финишного слоя, на поверхность которого и укладывается напольное покрытие. Системный подход не только позволяет избежать перечисленных неприятностей, но и снизить уровень затрат на материалы [41—43].
К следующей группе добавок относятся дисперсионные порошки, которые, в отличие от водорастворимых производных целлюлозы, при затворении водой образуют не растворы, двухфазные системы, состоящие из полимерных частиц (на основе сополимеров винилацетата и этилена, винилхлорида, стирол-акрилата и т.п.), диспергированных в воде. Добавление этих составов в продукты строительной химии позволяет активно влиять на характеристики конечного материала и обеспечивает получение результатов, недостижимых при использовании только традиционных минеральных вяжущих [44-50].
Первые попытки модификации цементных смесей полимерами заключались в добавлении к воде затворения дисперсии винилацетата, известной как клей ПВА. В процессе образования винилацетатной пленки происходит значительная (до 10%) усадка, что влечет за собой растрескивание полимерно-цементного материала, поэтому от применения ПВА быстро отказались.
Следующим этапом стало использование двухкомпонентных составов, состоящих из цементно-песчаной смеси, приготовленной в заводских условиях, и полимерной дисперсии, поставляемой в жидком виде, которые смешиваются на строительной площадке. Двухкомпонентные растворы применяются до сих пор, но водная дисперсия теряет свои свойства при замерзании, поэтому в холодное время года ее транспортировка и приготовление рабочего раствора вызывают определенные затруднения [51-54].
Начало производства однокомпонентных сухих строительных смесей относится к 1953 году, когда специалистам фирмы Wacker (Германия) удалось получить сухой редиспергируемый порошок, образующий после затворения водой двухфазную систему, обладающую свойствами исходной полимерной дисперсии.
Дисперсии отличаются от метилцеллюлозы и механизмом действия. По мере расходования вода концентрируется в порах цементного камня и там же концентрируется дисперсия, образуя «эластичные мостики», работающие на растяжение и изгиб несравненно лучше, чем цемент. Комбинация минеральных и полимерных вяжущих предоставляет возможность производства продуктов строительной химии, обладающих не только повышенными прочностными свойствами и улучшенной адгезией (в том числе и к таким «проблемным» основаниям, как металл, дерево, пластик, глазурованная плитка и т.п.), но и управляемыми реологическими (тиксотропность, пластичность) и специальными (гидрофобность, текучесть) характеристиками [55-58].
Например, выравнивающие растворы для полов содержат комбинацию специальных дисперсионных добавок с органическими и синтетическими пластификаторами, наличием которых и определяются такие специфические свойства этих материалов, как способность к растеканию и гладкость получаемой поверхности. Дисперсионные модификаторы, входящие в состав клеевых составов для плиточных работ, улучшают условия работы, продлевают срок жизни затворенного раствора и повышают тиксотропность (способность загустевать в состоянии покоя и разжижаться при перемешивании) материала [59,60].
Классификация ремонтных смесей в зависимости от областей применения
Природные и искусственные каменные строительные материалы при эксплуатации постоянно подвергаются воздействию различных факторов окружающей среды. На строительные изделия и конструкции воздействуют атмосферные осадки, газы и пыль, которые изменяют химический состав флюидов поровой системы. Резкие перепады температуры и влажности (попеременное увлажнение и высыхание), солнечная радиация, космические и световые излучения, значительные ветровые нагрузки и др. значительно сокращают сроки службы каменных строительных конструкций, снижают функциональные и эксплуатационные свойства. Особенно интенсивно подвергаются коррозионному разрушению бетонные и железобетонные покрытия автомобильных дорог и аэродромов, элементы конструкций мостов и тоннелей, зданий и сооружений, а также городских коммуникационных систем [112 - 114].
Преимущества бетона перед другими материалами способствовали быстрому и широкому его применению в мировой строительной практике. Бетонные и железобетонные конструкции отличаются высокой надежностью и долговечностью, стойкостью к воздействию высоких температур и агрессивных сред. Из бетона и железобетона возводятся основные несущие и ограждающие конструкции зданий и сооружений, выполняются уникальные инженерные сооружения, в том числе мосты, путепроводы, дорожные и аэродромные покрытия, коммунальные туннели и каналы, коллекторы сточных вод, проходные туннели с линиями электроснабжения, связи, сети холодного и горячего водоснабжения, подземные и фундаментные сооружения, плотины и корпуса атомных реакторов.
В процессе эксплуатации под влиянием многочисленных отрицательных факторов (окружающих агрессивных сред, механических повреждений, нарушений технологических процессов, пожаров, землетрясений, стихийных бедствий и т.п.) все сооружения требуют проведения ремонтно-восстановительных работ. Учитывая огромные объемы строительства зданий и сооружений из бетона и железобетона, проблема их ремонта становится одной из важнейших проблем, требующих безотлагательного решения, разработки новых материалов и эффективных технологических подходов. Только грамотный выбор средств и методов проведения данных работ может обеспечить длительный положительный эффект при последующей эксплуатации конструкции.
Возрастающие объемы проведения различных видов ремонтных, восстановительных и реставрационных работ, многообразие агрессивных воздействий и степень износа строительных материалов и конструкций выдвигает сложные задачи по разработке и выпуску новых строительных материалов и использованию эффективных технологических решений.
Природные и искусственные каменные строительные материалы при эксплуатации постоянно подвергаются воздействию различных факторов окружающей среды. На строительные изделия и конструкции воздействуют атмосферные осадки, газы и пыль, содержащаяся в воздухе, резкие перепады температуры и влажности (попеременное увлажнение и высыхание), морозы, солнечная радиация, космические и световые излучения, значительные ветровые нагрузки. Все эти факторы значительно сокращают сроки службы каменных строительных конструкций, снижают функциональные и эксплуатационные свойства. Особенно интенсивно подвергаются коррозионному разрушению бетонные и железобетонные покрытия, автомобильных дорог и аэродромов, элементов конструкций мостов и тоннелей, зданий и сооружений, а также городских коммуникационных систем.
К настоящему времени применение сухих строительных смесей существенно изменило специфику проведения ремонтных строительных работ и показало их высокую эффективность и преимущества по сравнению с традиционными строительными растворами.
Анализ литературных данных [112-118] и накопленный опыт позволил нам разработать классификацию сухих строительных смесей для выполнения ремонтных и восстановительных работ, представленную на рис. 3.1.
Сухие смеси для ремонтных и восстановительных работ можно классифицировать в зависимости от назначения выполняемых работ:
- для ремонта и восстановления строительных конструкций и элементов (бетонные и железобетонные балки, колонны, ригели, перекрытия и т.д.);
- для ремонта и защиты бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах (хлоридах, сульфатах, органических кислотах и т.п.);
- для ремонта покрытий автомобильных дорог;
- для ремонта взлетно-посадочных полос аэродромов;
- для ремонта полов промышленных зданий и ангаров;
- для ремонта мостовых конструкций, пролетных строений, покрытий мостов;
- для ремонта проходных туннелей с линиями электроснабжения и связи и путепроводов;
- для ремонта бетонных и железобетонных конструкций гидросооружений, работающих в пресных и агрессивных морских водах, в т.ч. и для подводного бетонирования без осушения;
- для ремонта железобетонных опор, подверженных значительным статическим и динамическим нагрузкам;
- для ремонта и усиления гидроизоляции сооружений специального назначения (бомбоубежища, бункеры, контейнеры для утилизации радиоактивных отходов, корпуса ядерных реакторов и т.п.);
- для ремонта внутренней футеровки дымовых труб, градирен;
- для ремонта конструкций, к которым предъявляются специальные требования по предупреждению высолообразования;
- для ремонта конструкций, подверженных биологической коррозии;
- для ремонта конструкций в зимнее время;
- для ремонта трещин, дыр, сколов, дефектов в цементных стяжках бетона, стенах, натуральных камнях;
- для ремонта, реконструкции и реставрации лестничных маршей и площадок;
- для ремонта коммунальных сетей и туннелей, каналов, коллекторов сточных вод;
- для ремонта сетей холодного и горячего водоснабжения и водоотведения.
В настоящее время в мире выпускается широкая номенклатура сухих смесей, используемых при строительстве и содержании мостов. Особое место в этом направлении занимают ремонтные смеси (поверхностные и инъекционные), применяемые для устранения поверхностных и внутренних дефектов конструкции. С использованием технологии сухих смесей удается решать широкий круг технических и технологических задач. При этом с каждым годом происходит расширение номенклатуры и объемов производства мостовых сухих смесей, разработанных под конкретные задачи, что позволяет реализовывать уникальные проектные решения и обеспечивать жесткие технические и эксплуатационные требования, предъявляемым к мостовым конструкциям [112]. В процессе эксплуатации лестницы и лестничные марши подвергаются значительным механическим воздействиям: статическим нагрузкам, абразивному износу, ударным нагрузкам, перепадам температуры, коррозионным воздействиям агрессивных сред и воды [113]. Разработана универсальная система для ремонта бетонных и каменных лестниц, состоящая из ремонтных материалов и технологического регламента для ремонта при различных условиях эксплуатации с обеспечением высоких физико-механических и эксплуатационных характеристик [114].
Композиционное вяжущее для ремонта с использованием комплексного органоминерального модификатора
Разработанный нами комплексный органоминеральный модификатор (КОММ) состоит из следующих минеральных ингредиентов: портландцемента, природных материалов: XI и Х2, отходов металлургического производства: ХЗ и Х4 комбината Курской магнитной аномалии и органической добавки - Х5 (табл. 4.1) и защищен Ноу-хау «Комплексный органоминеральный модификатор». Предварительно высушенные, измельчённые до постоянной массы сырьевые компоненты были отдозированы и подвержены совместному помолу в вибрационной мельнице до удельной поверхности 600 м /кг.
Исследование гранулометрического состава порошка КОММ и портландцемента проводили методом лазерной гранулометрии. Результаты анализа представлены на рисунке 4.1
Установлено, что график распределения частиц КОММ имеет полимодальный вид со смещением в сторону уменьшения размеров частиц. Такое распределение дисперсных частиц будет способствовать равномерной диспергации КОММ в объёме портландцемента, что обеспечит распределение новообразований в цементном камне, в виде весьма тонких прослоек, между неполностью гидратированными твердыми зернами компонентов вяжущего, обеспечит более плотную упаковку зерен, меньшит кристаллизационное давление, возникающее при гидратации и формировании кристаллогидратов, что, в свою очередь, приведет к снижению микротрещин цементного камня полученного композиционного вяжущего на основе КОММ и улучшит структуру композитов, приготовленных на его основе.
Установлено, что сроки схватывания композиционных вяжущих на основе КОММ, с увеличением их содержания сокращаются: начало схватывания сокращается на 19%, конец - на 12%, в сравнении с бездобавочным цементом (рис. 4.2), что свидетельствует об активном протекании процессов структурообразования в системе, что согласуется с теоретическими положениями.
Изучение нормальной густоты показало, что у композиционных вяжущих на основе КОММ, отмечается снижение нормальной густоты на 18%, в сравнении с бездобавочным цементом, что можно объяснить присутствием в составе КОММ пластифицирующей добавки.
Рентгенограмма приготовленного КОММ представлена всеми минеральными фазами, входящих в него компонентов: минералов портландцемента, XI, Х2 и техногенных продуктов: ХЗ и Х4 с учетом их содержания в комплексном модификаторе.
Была предпринята попытка проанализировать, по возможному изменению минеральных составов, прогидратированные вяжущие системы: цемент+пластификатор, цемент+модификатор (КОММ). В качестве сравнительного состава принимали базовый бездобавочный цемент.
Анализ рентгенограмм всех прогидратированных цементов (рис. 4.5-4.7) в возрасте 28 сут показал, что присутствие пластификатора в системе особо не влияет на процессы структурообразования и формирование фаз (рис. 4.6), тем не менее, отмечается, что рентгенограммы имеют более сглаженный характер, что, возможно, можно объяснить, большим содержанием плотных субмикрокристаллических скоплений гидросиликатов кальция.
Сравнивая рентгенограммы бездобавочного прогидратированного цемента и цемента с синтезированным КОММ, следует отметить, что интенсивности дифракционных максимумов во втором случае значительнее интенсивнее, что свидетельствует о протекании активных взаимодействий в созданной системе, о чем утвердительно свидетельствуют результаты физико-механических испытаний.
Для установления оптимальной дозировки КОММ в композиционном вяжущем были изучены композиционные вяжущие с различным содержанием КОММ: 10%, 15% и 20% (табл. 4.2).
Изучены реологические характеристики суспензий «композиционное вяжущее с использованием КОММ - вода». Из полученных реологических результатов установлено, что они являются типичными вязкопластичными суспензиями с достаточно высокими значениями предельного напряжения сдвига и зависимостью эффективной вязкости от градиента скорости сдвига, присущей для сильно структурированных дисперсий (рис. 4.8).
Установлено, что эффективная вязкость композиционных вяжущих приготовленных, с различным содержанием КОММ имеет различные реологические характеристики, при увеличении содержания КОММ в количестве с 10% до 20% вязкость снижается. Учитывая, что при приготовлении и использовании ремонтных строительных растворов на основе сухих строительных смесей не требуется высокой вязкости, то в дальнейших исследованиях принимаем за оптимальную дозировку введение добавки в количестве 15%.
Для определения физико-механических характеристик композиционных вяжущих на основе КОММ были заформованы образцы-кубики размером 3x3x3 см. Твердение осуществлялось в воздушно-влажных условиях. Результаты физико-механических испытаний полученных образцов в возрасте 28 суток, представленные в таблице 4.2, свидетельствуют о том что оптимальной дозировкой КОММ является 15%, обеспечивающая максимальный показатель предела прочности при сжатии 83,27 МПа при естественном твердении и 77,14 МПа при ТВО (рис. 4.9).
На основании полученных результатов в последующих экспериментах применяли оптимальную дозировку КОММ в количестве 15%.
Представляло интерес провести сравнительные исследования влияния пластифицирующей добавки Melment, синтезированной КОММ на различные вяжущие: портландцемента и ВНВ. Одновременно с этим, были проведены исследования по влиянию различных заполнителей: местного и Вольского песка на полученные вяжущие композиции.
В связи с этим были заформованы составы 1-18. Результаты физико-механических испытаний представлены в табл. 4.3.
Технико-экономическое обоснование
Сегодня в условиях роста и развития мировой экономики на строительном рынке непрерывно возрастает потребность в новых эффективных экономически выгодных сухих строительных смесях. В тоже время огромное количество отходов горнопромышленного и металлургического производства, в частности отходов добычи и переработки железных руд ежегодно складируется в хвостохранилища и отвалы, тем самым накапливаясь и отравляя окружающую среду. Значительную долю среди них занимают шлаки и отходы ММС. В связи с этим разработанные нами эффективные сухие ремонтные строительные смеси на основе комплексного органоминерального модификатора (КОММ), содержащие в своём составе отходы производства железных руд, являются наиболее экономически выгодными материалами по сравнению с традиционными цементно-песчаными растворами централизованного приготовления.
Сухие ремонтные строительные смеси, приготовленные на КОММ отличаются от традиционных растворных смесей возможностями:
- экономить до 40% и более цемента благодаря введению в состав смесей КООМ;
- экономить до 50% дорогостоящих пластифицирующих добавок;
- эффективно утилизировать шлаки и отходы ММС, образующиеся при переработке железных руд, что позволяет улучшить экологическую ситуацию в регионах;
- гарантировать высокое качество материалов, так как, на заводе осуществляется контроль качества, обеспечивающий заданный состав и сохранение необходимых свойств растворов;
- повысить производительность труда рабочих на 50-60% благодаря механизации и автоматизации процессов;
- резко снизить себестоимость сухих ремонтных смесей благодаря экономии сырьевых материалов и вовлечению в производства отходов переработки железных руд.
Расчеты производились исходя из потребности в лабораторном оборудовании и материалах, а также наличия персонала для выполнения исследований. На основании рекомендаций, используемых для расчета эффективности научных разработок, были проведены следующие расчеты.
Капитальные вложения и предпроизводственные и другие затраты, обусловленные выполнением НИР включают следующее
При проведении НИР использовались: пресс гидравлический, ЭВМ, вибрационная мельница. При проведении НИР использовалась электрическая энергия, расход и сумма затрат приведены в табл. 5.2. Для проведения расчетов использовали формулу (5.5).
Накладные расходы: Снак = 2406,24 -0,12 = 288,75 руб.; Для определения общей величины Снир на выполнение НИР составили смету затрат, представленную в табл. 5.3.
Таким образом, смета затрат на выполнение научно-исследовательских работ составит 26757,39 рублей.
Расчет изменения материальных затрат с учетом ввода в сухие строительные смеси КОММ приведен в таблице 5.4.
Удешевление себестоимости (по статье «материальные затраты») 1 т сухой отделочной строительной смеси на основе КОММ по сравнению с традиционной сухой ремонтной строительной смесью составляет
Удешевление себестоимости (по статьям «материальные затраты» и «затраты на электроэнергию») 1 т сухой ремонтной строительной смеси на основе КОММ по сравнению с традиционной сухой ремонтной строительной смесью составляет
Изменение материальных затрат и затрат на электроэнергию на производство сухой ремонтной строительной смеси на основе КООМ (выпуск продукции 3000 т/год) составило
На основании выполненных расчетов можно сделать выводы, что разработанные составы сухих ремонтных строительных смесей на основе КОММ являются более чем в полтора раза экономичными, по сравнению с традиционными. Следует отметить высокую технико-экономическую и экологическую целесообразность создания и использования КОММ.
