Введение к работе
Актуальность работы. Тротуарная плитка давно и прочно вошла в облик современного города. Отличительной особенностью тротуарных покрытий из брусчатки бетонной являются широкая цветовая гамма и разнообразие конфигураций. При этом первостепенное значение для дорожного покрытия имеют показатели прочности и морозостойкости. Однако тенденция использования изделий из вибропрессованного бетона в местах с интенсивным движением автотранспорта в сочетании с агрессивным воздействием антиобледенителей при попеременном замораживании и оттаивании приводит к снижению этих физико-механических характеристик. Решение данной проблемы возможно за счет использования композиционных вяжущих веществ, многокомпонентность состава которых позволяет не только снизить клинкерную составляющую в смеси, но и эффективно управлять процессами структурообразования, обеспечивая высокое качество получаемых бетонов и изделий на их основе.
В то же время на сегодняшний день актуальными направлениями в строительном материаловедении являются снижение энергоемкости производства строительных материалов и использование при их получении техногенного сырья. С этой точки зрения одним из эффективных материалов в части экономии цемента является тонкомолотый доменный гранулированный шлак. Традиционным преимуществом шлаковых цементов по сравнению с портландцементами является их большая стойкость к химическим воздействиям, низкая теплота гидратации, высокая водонепроницаемость и экономичность. Добавка шлака в портландцемент является эффективным средством борьбы с вредным влиянием щелочных оксидов. Поэтому для производства вибропрессованной тротуарной плитки было предложено применять тонкомолотое композиционное шлако-цементное вяжущее (КШЦВ).
Работа выполнялась в рамках тематического плана г/б НИР № 1.1.07 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» на 2007-2011 гг.
Цель работы: разработка композиционных вяжущих с использованием клинкера, доменных гранулированных шлаков и добавок, с последующим получением на его основе эффективных мелкозернистых бетонов для тротуарной плитки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследование минерального состава и физико-механических свойств
доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК» как компонента компо
зиционного вяжущего и заполнителя для мелкозернистого бетона;
- разработка составов композиционного вяжущего и изучение их
свойств;
проектирование состава мелкозернистого бетона на композиционном вяжущем для вибропрессованной тротуарной плитки;
подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований и промышленная апробация.
Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности мелкозернистого бетона для тротуарной плитки, заключающиеся в использовании тонкомолотого композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков, полученного совместным помолом всех составляющих компонентов и последующим кратковременным домолом с добавкой тонкомолотого шлака в количестве 5% (Sya=700 м2/кг), оказывающих направленное воздействие на формирование структуры бетона, уплотняя и упрочняя его вследствие оптимального гранулометрического состава и повышенной активности шлаковых составляющих.
Установлен характер зависимости процессов структурообразования композиционных шлако -цементных вяжущих от удельной поверхности и количества вводимого шлака. При содержании шлака в КШЦВ свыше 30% помол вяжущего целесообразно осуществлять до удельной поверхности 550 м2/кг, при значении шлака ниже 30 %-до 500 м2/кг.
Получены зависимости предела прочности при сжатии и изгибе композиционного вяжущего от расхода минеральной добавки, показывающие, что при введении добавки 0,5 % от массы клинкера увеличение прочности составило в ряду «КШЦВ 10% шлака - КШЦВ 20% шлака - КШЦВ 50% шлака» 12,5% - 5% - 9,5%; что связано с пластифицирующим эффектом добавки, обусловленным высокой дисперсностью и минеральным составом, благодаря чему при смешивании с водой она образуют коллоидный клей и физически связывают большое количество воды, уплотняя структуру. При этом ее частицы, являясь затравками, подложками и центрами кристаллизации шлакового стекла, оказывают каталитическое воздействие на процессы гидратации и твердения вяжущего.
Установлен характер зависимости величины оптимальной добавки гипса от удельной поверхности вяжущего и расхода клинкерной составляющей. Показано, что добавка гипса должна быть тем выше, чем тоньше его помол. В шлаковых цементах гипс, помимо регулирования скорости схватывания, способствует также более полной гидратации зерен шлака. Кроме того, кристаллы гидросульфоалюмината, армируя гель гидросиликата, создают каркас цементного камня и позволяют значительно увеличить его прочность.
Практическая значимость работы. Определены минеральный состав, активность и физико-механические характеристики доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК», что позволило эффективнее использовать их как при получении мелкозернистых бетонов для вибропрессованной тротуарной плитки на основе композиционных вяжущих, так и непосредственно в составе самих вяжущих.
Разработаны составы композиционных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК», позволяющие снизить расход клинкерной составляющей до 70% при обеспечении активности вяжущего в пределах, рекомендуемых вяжущим для производства тротуарной плитки.
Установлены оптимальные дозировки минеральной добавки, гипса и тонкомолотого шлака при получении композиционных шлако-цементных вяжущих.
Получены составы мелкозернистого бетона для производства тротуарной плитки на основе композиционных вяжущих КШЦВ-50 и КШЦВ-30 с применением в качестве мелкого заполнителя доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК».
Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены при производстве композиционных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков на ЗАО «Белгородский цемент» и при производстве опытной партии вибропрессованной тротуарной плитки на основе композиционных шлако-цементных вяжущих на заводе ООО «Белгородский завод архитектурного бетона» (000 «БЗ АрБет»).
Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве мелкозернистого бетона для вибропрессованных тротуарных плит разработаны следующие нормативные документы:
рекомендации на изготовление вибропрессованной тротуарной плитки с
использованием композиционного вяжущего на основе доменных гра
нулированных шлаков ОАО «НЛМК»;
стандарт организации СТО 02066339-022-2011 «Композиционные вя
жущие на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК».
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспе
риментальных исследований и промышленного внедрения используются в
учебном процессе: при подготовке инженеров по специальности 270106
«Производство строительных, материалов изделий и конструкций»; магист
ров по направлению «Строительство».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены: на: Международной научно-практической конференции «Строительство - 2010» (г. Ростов-на-Дону, 2010 г.); Международной научно-практической Интернет конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (г. Белгород, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов» (г. Белгород, 2011 г.); региональной научно-практической конференции «Молодые ученые - производству» (г. Старый Оскол, 2011 г.); в научно-теоретическом журнале «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова» (г. Белгород, 2011 г.).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в пяти научных публикациях, в том числе, в двух статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России. Получено Ноу-хау № 20110019.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 210