Введение к работе
Актуальность работы. Бурный рост объемов строительства в России - по данным официальной статистики, российский строительный рынок растет в среднем на 10 % ежегодно - продолжает увеличивать спрос на цемент.
Основной вклад в развитие строительной области приносит жилищное строительство. Для государства остается приоритетной поставленная Президентом задача в рамках программы «Доступное жилье» строить один квадратный метр жилья на одного россиянина в год. Кроме того, следующими факторами роста строительной отрасли выступают: строительство коммерческой недвижимости (складские и торговые помещения), ремонт дорог и транспортных развязок, строительство промышленных объектов, строительство спортивных сооружений.
Темпы роста возрастают, и ощущается дефицит стройматериалов. В свете сложившихся условий сохраняется высокий спрос на цемент, как один из основных и незаменимых строительных материалов.
В настоящее время отрасль России располагает 50 заводами производства цемента с общей проектной мощностью - 70 млн.т и фактической мощностью -62 млн.т. При сохранении нынешних темпов роста строительства имеющихся сил для обеспечения рынка цементом в полном объеме не хватит. Чтобы удовлетворить потребности строительных производств нередко прибегают к импорту цемента, который также сохраняет высокие темпы роста, что связано с растущим спросом и консолидацией цен, в то время как внутренние цены продолжают рост.
Для обеспечения выполнения национальной программы по строительству доступного жилья необходимо ежегодно выпускать 85-90 млн. тонн цемента. Проблему дефицита цемента можно решать путем применения цементосбере-гающих материалов.
Одним из вариантов экономии при изготовлении цементных композиций является замена части цемента минеральными наполнителями, в частности, такими могут являться кремнесодержащие породы: цеолиты, трепелы, опоки, диатомиты и другие. Неограниченные запасы этих материалов, их дешевизна, высокие адсорбционные и ионообменные свойства делают экономически-целесообразным их применение.
Одним из главных и незаменимых компонентов цементного раствора или бетонной смеси является вода. Без воды невозможно начало химической реакции, превращающей разрозненные компоненты бетонной смеси в единый монолит.
Для приготовления бетонной растворной смеси используют обычную водопроводную воду. Во многих регионах РФ вода из артезианских источников содержит повышенное количество фторид-ионов. Фтор является устойчивым компонентом природных вод. Содержание фтора в речных водах колеблется от 0,05 до 1,9 мг/дм , в атмосферных осадках- от 0,05 до 0,54 мг/дм , в подземных водах-от 0,3 до 4,6 мг/дм . Предельно-допустимая концентрация фтора в питьевой воде (ПДК) равна 1,5 мг/дм . В Республике Мордовия в некоторых случаях содержание фторид-ионов превышает ПДК в 5 раз.
В больших концентрациях фторид-ионы отрицательно влияют на механическую прочность цементных композитов. Очищение воды затворения приводит к дополнительным затратам и удорожанию материалов и изделий.
Поэтому диссертационная работа, направленная на исследование и создание цементосберегающих композиционных материалов с использованием наполнителей на основе местных сырьевых ресурсов, нейтрализующих отрицательное влияние фторид-ионов, является актуальной.
Создание цементосберегающих композиционных материалов предлагается осуществлять с применением цемента Алексеевского завода Республики Мордовия и воды затворения, содержащей повышенную концентрацию фторид-ионов.
Цель и задачи исследования. Разработка научных основ и комплекса методологических и технологических аспектов получения цементосберегающих материалов на базе портландцемента Алексеевского цементного завода Республики Мордовия с использованием кремнеземсодержащих минеральных наполнителей, нейтрализующих отрицательное воздействие фторид-ионов, содержащихся в воде затворения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Подобрать составы наполненных цементных композитов с учетом минеральной сырьевой базы Республики Мордовия.
Разработать топологическую модель влияния фторид-ионов на процессы структурообразования цементных композитов, наполненных цеолитсодержащей породой.
На основе исследования кинетики структурообразования цементных композитов установить закономерности и интервалы формирования структуры с учетом вида и количества наполнителя.
Исследовать влияние минеральных наполнителей на изменение физико-механических свойств цементных композитов, затворенных на воде с повышенным содержанием фторид-ионов.
Установить оптимальное количественное содержание и крупность наполнителя, максимально нейтрализующего отрицательное воздействие фторид-ионов в наполненном цеолитсодержащем цементном композите и позволяющего увеличить коррозионную стойкость арматуры.
Научная новизна работы:
Установлено, что при содержании в воде затворения, не превышающем нормативную предельно-допустимую концентрацию, фторид-ионы являются субмикроскопическими центрами кристаллизации гидросиликатов кальция, которые повышают прочность цементного камня на 9-10 %. При повышенном содержании фторид-ионов прочность снижается.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность использования цеолитсодержащей породы в качестве наполнителя с оптимальной степенью наполнения 20 % для получения ресурсосберегающих технологий цементных композитов.
Установлено, что введение цеолитсодержащих пород нейтрализует отрица-
тельное воздействие повышенного содержания фторид-ионов в воде затворения, что позволяет устранять негативное явление «ложного схватывания».
- Выявлено, что применение цеолитсодержащей породы в качестве наполни
теля в цементном связующем приводит к замедлению процессов коррозии арма
турной стали, что в комбинации с химической добавкой кальция азотнокислого-
замедлителем коррозии стали - усиливает совместное ингибирующее действие.
- Установлено положительное влияние обработки наполненных цеолитсо
держащих цементных композитов растворами солей фтора на повышение прочно
сти и долговечности бетонных конструкций.
Практическая значимость работы заключается в разработке цементосбе-регающих составов композиционных строительных материалов на базе портландцемента Алексеевского цементного завода Республики Мордовия; создание более качественных и долговечных конструкций из цементного бетона в регионах с повышенным содержанием фторид-ионов в воде. Разработаны составы цементных композитов, обладающие повышенной прочностью и твердостью, низкой дефор-мативностью, улучшенным поровым пространством. Предложены минеральные наполнители для цементных вяжущих, снижающие расход цемента и улучшающие технологические свойства смесей.
Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением комплекса стандартных и высокоинформативных методов исследования, их непротиворечивостью известным закономерностям. Выводы и рекомендации работы получили положительную апробацию и внедрение в строительной практике.
На защиту выносятся:
химический анализ основных компонентов цементных композитов, применяемых в исследованиях;
топологическая модель влияния фторид-ионов на процессы структурообразова-ния цементных композитов, наполненных цеолитсодержащей породой;
результаты исследований структурообразования наполненных цементных композитов по данным изменения показателей тепловыделения в процессе твердения и по скорости нарастания ранней прочности;
результаты экспериментальных исследований влияния дисперсных наполнителей, модифицирующих химических добавок и воды затворения с повышенным содержанием фторид-ионов на изменение поровой структуры наполненных цементных композитов;
- сравнительный анализ полученных физико-механических характеристик це
ментных композитов, наполненных цеолитсодержащей породой, модифициро
ванных химическими добавками и затворенных на воде с повышенным содержа
нием фторид-ионов;
- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности
получения цеолитсодержащих цементных бетонов с повышенными показателями
прочности и коррозионной стойкости.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных, российских, региональных и респуб-
ликанских научно-технических конференциях и семинарах: I Академические чтения «Актуальные проблемы бетона и железобетона. Материалы и конструкции, расчет и проектирование» (г. Кисловодск, 2010 год), XV Академические чтения РААСН: Международная научно-техническая конференция «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (г. Казань, 2010 год), X Международная научно-техническая конференция «Актуальные вопросы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2009 год), Актуальные вопросы строительства: Материалы международной научно-технической конференции, (г. Саранск, 2010 год), Фундаментальные и прикладные проблемы науки: Материалы VI международного симпозиума (г. Москва, 2011 год).
Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований были использованы при выпуске опытно-промышленной партии бетонных блоков класса В25 на предприятии ООО "Инжиниринговая конструкторская компания" и устройстве полов ООО "Волговятстрой" (г. Саранск).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 3 статьи - в журналах по Перечню ВАК РФ. Получен патент на полезную модель №102255 от 20.02.2011г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 111 источников и приложений. Содержит 82 рисунка и 30 таблиц. Материал изложен на 190 машинописных страницах.
Работа выполнена на кафедре "Строительные конструкции" архитектурно-строительного факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва".
Автор выражает глубокую благодарность академику РААСН, доктору технических наук, профессору Селяеву Владимиру Павловичу за консультации и помощь при подготовке и выполнении работы.
