Введение к работе
Актуальность работы. Стержнем научно-технической политики повышения эффективности производства бетона является создание и внедрение энерго- и .ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих высокое качество изделий при максимальном использовании местного, в том числе некондиционного, сырья. Для ресурссобеспечения производства бетона требуется ежегодно 220-230 млн.м^ крупного и 130-140 млн. м^ мелкого заполнителей. Во многих регионах страна мелкий заполнитель представлен мелкозернистыми песками, а крупный заполнитель отсутствует или его запасы ограничены. К числу таких регионов относится, например, Север Западно-Сибирского региона.
Использование мелкозернистых песков в производстве бетонов
из-за их высокой удельной поверхности и повышенного содержания
пылевидных и глинистых частиц приводит к росту водопотребности
бетончой смеси, возрастания вероятности образования дефектов на
контактах взаимодействия зерен заполнителя с цементным камнем и,
как следствие, к снижению прочности и долговечности бетона. Стан
дартами ограничивается использование очень мелких песков в техно
логии бетона, что приводит к перевозкам кондиционного заполните
ля из одних регионов в другие и вызывает большие транспортные
расходы, особенно при отсутствии хорошей инфраструктуры в районах
строительства. Для обеспечения производства бетонов на строитель
ные объекты нефтегазового комплекса Западной Сибири ежегодно за
возят 2,5 млн. гг песка и 10 млн. м^ крупного заполнителя,' что
повышает стоимость I м^ бетона на 8-12 руб. В случае применения «
очень мелких песков в бетоне увеличивается расход цемента в соответ
ствии с типовыми нормами до 12 %. На некоторых заводах перерасход
цемента достигает ЗО %і Все это в совокупности удорожает строи
тельство.
В связи с этим возникает необходимость развития новых путей
регулирования структуры и системных представлений управления качеством бетона на мелкозернистых песках с учетом ограничения потребления в производстве изделий и конструкций крупного заполнителя.
Уровень качества бетона, как правило, прогнозируется на на
чальной стадии организации производства, а именно в процессе под
готовки компонентов, назначения составов и приготовления бетон
ных смесей. Поэтому в качестве основы при управлении структурой .
и качеством бетона могут служить эффективные методы модифициро
вания компонентов и составления рациональных смесей с учетом их
пустотности, а также фактсра взаимодействия зерен заполнителя с
цементной суспензией. При этом для снижения содержания крупного
заполнителя при сохранении каркасноети структуры можно использо
вать монофракцию, а регулирование процесса контактного взаимо
действия между компонентами на разных масштабных уровнях осу
ществлять химической или электрофизической активацией компонен
тов бекона. . ' . ' .
Теоретическое обобщение вопросов, связанных с решением научной проблемы управления технологическими процессами сгруктуро-образования и качеством бетона на мелкозернистых песках является актуальным.
Решение данной проблемы имеет важное народнохозяйственное значение, так как позволяет решать следующие задачи:
рационально использовать минеральное сътоье, в тем числе и очень мелкие пески, что расширит сырьевую базу технологии бетона, уменьшит транспортные расхода;
разработать оптимальные составы бетена с учетом фактора взаимодействия компонентов ч сі язей, формирующихся .в процессе структурооорагования, что позволит при заданием уровне качества сн*?ить расход цемента;
- выявить резервы повышения качества бетона и ресурсосбережения при активационном воздействии на компоненты бетона в процессе их подготовки.
Диссертационная работа выполнялась в. соответствии с планом НИР на 1980-85 гг., утвержденным Госстроем СССР 11.06.80 г., постановлением Госстроя СССР от 20 мая 1987 г. № 14 по комплексной программе "Цемент 90" и програіллой Минвуза- РСФСР "Строительство" на 1986-90 гг. Эти исследования выполнялись автором в Томском и Ленинградском инденерно-строительшх институтах, в Веймарском архитектурно-строительном институте (ГДР).
Результаты диссертационной работы по управлению качеством бетона путем проектирования его состава и активационного воздействия на компоненты при их подготовке, по эффективному использованию сырьевой базы Западно-Сибирского региона'явились основой для формирования научного направления отдела композиционных материалов на минеральном сырье Сибири НИИ строительных материалов, созданного при Томском ИСИ.
Целью работы является разработка и внедрение в практику строительства технологии бетона на мелкозернистых песках, характерных для Западно-Сибирского региона, с пониженным содержанием крупного заполнителя й цемента.
Основное направление работы связано с Созданием пространственного каркаса, формирующегося из зерен крупного заполнителя, и обеспечением прочных долговечных связей между ними. Выявлен характер связей и значимость компонентов, формирующих каркас и заполняющих его пустоты, при организации начальной стругтурн и структур твердения батона. Процесс структурообраяования бетона определяется прежде всего состоянием пространственного каркаса и значением поверхности зерен крупного заполнителя. Мег-озернис-тье пески в совокугности с обводненными цементными частицами, зе.-
полнящие пустоты етого каркаса, обеспечивают условия его эамоно-личивания.
Научная новизна работы. Работы*в области механики зернистых сред с малой пустотностыо'развиты и обобщены с учетом формы зерен, смазки их поверхности цементной суспензией и модификации компонен-тов для улучшения адгезионно-когезионных связей при направленной организации структуры Сетона.
В основу исследований положены системные представления про
цессов формирования структуры и качества бетона, взаимосвязанных
' между собой и с внешними мсдификационными факторами. Это позволи
ло создать научно-технические основы формирования каркасной струк
туры при пониженном содержании крупного заполнителя и улучшения
адгезионно-когезионных связей между компонентами и тем самым до
казать, что выбранные принципы подготовки компонентов и организа
ции структуры обеспечивают приближение уровня качества изделий
и еффективность производства бетона на мелкозернистых песках к
уровню производства изделий на кондиционных материалах. При этом
получены следующие основные научные результаты:
/;_ - выягасты^-услаьил* формирования рационального зернового кар-
i каса оетонаУпозволяющИ| использовать в качестве крупного заполнителя монофракцию, Ф содержание компонентов смеси заполнителя "рассчитывать с учетом-но иопольауоиой ранее величины межзерновой ,,/
ПУСТОТНОСТИ, Определяемой В ВИбрОуПЛОТНеННОМ СОСТОЯНИИ В ЦеМеНТ- ьх;
ной суспензии/гатсг 1404945,-14408&3; положительное репекие по заявке » 44Ь507/;
г'
/4f) - предложены критерии оценки уд-~боукладываемости бетонной
Vt*r- смеси по-значение толщины пленки цементной суспензьи иезру сосед
ними зернами крупного заполнителя, адсорбционио не связанной с
кхии, структ рному коэффициенту вязкостп цеь-ентной суспензии (по
И.Н.Ахвердову) ;" прогнзэирования прочь;ости бетона ^ю_ве-
.лнчю»„мазерновс'а-пустотносїи.смЄуД.запола5теля, определяемой
7 с-учетом-смазки-зерен, й-содержанию цементной суспензии^Члолож. решение по заявке 4455000>;
-(определены особенности гидратации и твердения цемента в присутствии заполнителя различного минерального состава;
- лродложон пошй принцип управления адгезионными связями на контакте гетерогенных структурных элементов бетона.путем регу-лирования-состояния-диффузной-части двойного- электрического ело~ и активных центров на поверхности зерен заполнителя. Установлены закономерности структурообразования и качества бетона при химической, (-ftvc-—I2oo845jra,c»-I5I4744f- положительное-решение по- заявке JP-4426221), .термохимической,(а.с^8І495І,-а.с,—И78740,-а.с. -К37374у-положительное-решение по заявке №4426221) активации заполнителя, электрохимической - воды и цементной суспензии;
-разработаны нряьіе методы испытания компонентов бетонной смеси, с учетом фактора их взаимодействия при приготовлении смесей и—
- , - .- /?"
фврмоваїши нидцлТЇЙ^іілгоритм подбора состава бетона на плотных и 7
пористых заполнителях с обычной и модифицированной поверхностью
с учетом изменения вязкости цементной суспензии при введении
пластифицирующих и тонкодисперсных добавок, -метод яон'ГрВЛй-систа--
,-дв-бетонгой-емеси с мелкозернистыми пвсками~( а^с.-1404945, а.с.
І49395І, а.с. І4І86ІЗ; положительное решение по заявкам № 44І83І2
и » 4455000).
Практическая ценность состоит в создании:
новых методов 'испытания и оценки структурно-технологических характеристик компонентов и на их основе методов расчета составов бетона о заданным уровнем качества на мелкозернистых -зеках;
технологии производства бетонов с использованием компонентов, активированных химическим, электрохимическим, электроимпульс-ньм способами;
критериев управления технологическими процессами производ-
: 8 ;
ства бетонов на стадии подготовки компонентов, назначения составов и приготовления бетонных смесей.
Разработанные в диссертации научно-технические основы модификации компонентов с последующим учетом изменения ііх структур-нбтехнологических характеристик при формировании структуры бетона заданного уровня качества используются при чтении лекций по курсу "Технология бетонных и железобетонных изделий", раздела "Бетон" в курсе "Строительные материалы", а также при подготовке учебно-методической литературы для курсового и дипломного проектирования в Томском ИСИ, Новосибирском ИСИ, Алтайском ПИ, Фрунзенском ПИ. Издано учебное пособие "Основы технологического проектирования заводов сборного железобетона, часть I (1983 г."), часть П (1986 г.) объемом 32 п.л., которое отмечено на всероссийском конкурсе.
Реализация работы. Основные положения и выводы диссертации использованы при составлении нормативных документов:"ВРД 67-10--001-80. Рекомендации по подбору состава тяжелого бетона;"Рекомендации по технологии бетона на очень мелких песках для объектов
. строительства Уренгойской ГРЭС"; "Руководство по подбору состава бетона с пластификаторами"; "Руководство по технологии бетона на Сургутских очень мелкі-х песках применительно к заводским условиям"; "Рекомендации по технологии керамзитозолобетона для монолитного домостроения"; "СЇГі 131683-61-87. Контроль состава бетонной с.ме-
Ї си"; "Рекомендации по приготовлению легкого бетсча для монолитного домостроения на местных материала - Спитакского района, пострадавшего от землетрясения". Подготовлено и утверждено в НИИЖБ Госстроя СССР -ехническое задание на опытно-промь-тленнур ycrai.jB-
- ку для аі -ивации цементной суспензии .
Результаты работы внедрены на предприятиях Минэнерго СССР, Уіпнуралгиі>стгоя СССР, МиннгфтегЕоСтгоя СССР, Государственного
.9-.- кооперативного объединения по строительству РСФСР (в том числе при строительстве объектов Спитакского района Армении), управления строительства "Химстрой" г. Томска.
Экономический эффект, рассчитанный в соответствии с руководством "Методика определения экономического эффекта использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений", Составил один миллион двадцать две тысячи рублей.
На основе результатов диссертационной работы принято решение об использовании в технологии бетона мелкозернистых песков и пес-чано-гравийных смесей (ПТС) четырнадцати месторождений, запасы которых составляют: песка - 55 млн. м^, ПТС - 82 млн. м^.
На защиту выносится: теоретическое обобщение исследований по
управлению качеством бетона на мелкозернистых песках путем регу
лирования структуры на различных масштабных уровнях и в целом с
учетом формирующихся связей на стадии подготовки компонентов (хи
мической, термохимической и электрофизической), назначения соста
вов и приготовления смесей, а также базирующихся на их основе
технологий. ."-..'' ,
В основе развиваемой теории структурообразования бетона лет жат следующие положения:
- для формирования макроструктуры бетона в условиях ограни-"-
ченного использования крупнозернистых материалов в качестве круп
ного заполнителя необходимо брать монофракции при соотношении раз
меров максимального зерна к минимальному в пределах фракций, рав
ному два и менее, а заполнение пустот с минимальной раздвижкой
зерен осуществлять более мелким материалом при обеспе"ении соотношения наименьшего зерна крупного заполнителя к наибольшему зерну мелкого заполнителя в интервале 16 ? с*/&м>4,4;
- для обеспечения заданного уросня качества бетоне его сос
тав следует проектировать с' использованием структурных критериев,
10 учитывающих параыегры компонентов.при их взаимодействии.'Так, удобоукладываемость бетонной сыеси с точностью + 2с (жесткость) и + I см (осадка конуса) прогнозируется с использованием критерия А/я , характеризующего толщину адсорбционно несвязанной цементной суспензии между соседними крупными зернами заполнителя. Для прогнозирования прочности с точностью ±.5$ в развитие известных закономерностей R =/ (активность цемента, В/Ц) используется структурный критерий прочности (Кк), учитывающий значения пус-тотности смеси заполнителя, определяемые с учетом смазки поверхности зерен, и объем цементной суспензии в бетоне;
- для уменьшения структурных неоднородностей и микродефектов
в контактной зоне заполнителя и цементного камня из-за повьшенной
удельной поверхности мелкозернистых песков структуру бетона сле
дует регулировать как при проектировании состава, так и при управ
лении адгезионными связями путем изменения диффузной части двой
ного электрического слоя и состояния активных центров на поверх
ности acjeH заполнителя. Предложен механизм и установлены законо
мерности формирования свойств зерен заполнителя при химической
и термохимической обработке зерен заполнителя, что позволяет по
высить, подвижность бетонной смеси на 2-6 см и прочность бетона на
8-Ю Я; '
- методы оценки структурно-технологических параметров компо
нентов бетона с учетом фактора их взаимодействия (межзерповая
пустотность, водопоглощение, прочность), методы подбора рацио
нальных составов смесей и алгоритм для осуществления коррекции
состава с использованием определяемы., структурно-технологических
парглетров компонентов, технология активации компонентов;
Результаты экспериментальных исследований и промышленных испытаний'подтвердили правильность выбора положений при управлении качеством Cv-тсна на мелкозернистых песклх в целсм и применч-те-ivnc4 к конкретным условиям стоизводства.
Апробация работы: основное содержание диссертации опубликовано в 40 статьях, одной монографии. Получено 12 авторских свидетельств и Ь положительных решений. Результаты работы доложены на трех международных, 12 всесоюзных, 30 региональных и межвузовских конференциях, семинарах и совещаниях. Практические рекомендации по материалам диссертации докладывались на совещаниях Госстроя СССР. Две разработки включены в каталог паспортов "Научно-технические достижения, рекомендуемые для использования в строительстве".
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы - 272 страницы основного текста, 124 рисунка, 81 таблица, список использованной литературы из 387 наименований и приложения.
