Высокофункциональные тяжелые бетоны, модифицированные комплексными добавками, включающими метакаолин Кирсанова Алена Андреевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса

1.1. Высокофункциональные бетоны, основные требования и особенности получения 11

1.2. Механизм гидратации портландцемента, формирование фазового состава и структуры цементного камня 13

1.3. Влияние добавок и их комплексов на гидратацию, и твердение цементного камня, формирование его структуры и свойств

1.3.1. Суперпластификаторы 19

1.3.2. Активные минеральные добавки 21

1.3.3. Опыт применения комплексов на основе активных минеральных добавок и суперпластификаторов 25

1.4. Влияние комплексных добавок на долговечность тяжелого

бетона 27

Выводы по главе 1 30

Цель и задачи работы 31

Рабочая гипотеза 32

Глава 2. Материалы и методы исследования

2.1 Характеристика исходных материалов 33

2.1.1 Портландцемент 33

2.1.2 Заполнители 34

2.1.3 Активные минеральные добавки 36

2.1.4 Суперпластификатор

2.2 Математический метод планирования эксперимента 39

2.3 Методы исследования 44

2.3.1 Физико-механические методы испытаний 44

2.4 Физико-химические методы испытаний

2.4.1 Термический анализ 47

2.4.2 Рентгенофазовый анализ 48

2.4.3 Калориметрический анализ 49

2.4.4 Электронная растровая микроскопия 50

Глава 3. Высокоэффективные комплексные добавки для цементных композиций на основе метакаолина

3.1 Разработка эффективных комплексных добавок на основе метакаолина 52

3.2 Влияние комплексных добавок на структуру и фазовый состав цементных композиций 64

Выводы по главе 3 81

Глава 4. Влияние разработанных комплексных добавок на долговечность бетона

4.1 Исследование физико-механических свойств и структуры тяжелого бетона модифицированного комплексными добавками 84

4.2 Влияние разработанных комплексных добавок на свойства бетона при циклическом «замораживании-оттаивании» 87

4.2.1 Влияние комплексных добавок на морозостойкость бетона 91

4.2.2 Изменение гидратных фаз и структуры модифицированного цементного камня бетона в условиях циклических воздействий «замораживания-оттаивания» 94

4.3 Влияние разработанных комплексных добавок на сульфатостойкость бетона 110

Выводы по главе 4 130

Глава 5. Технико-экомическое обоснование производства комплексных добавок и бетонов с их применением

5.1 Технология производства комплексных добавок с метакаолином 132

5.2. Технология производства тяжелого модифицированного бетона и

опытно-промышленные испытания 134

5.3. Экономический эффект внедрения разработанных комплексных добавок в производство тяжелых бетонов 137

Выводы по главе 5 142

Заключение 143

Список литературы

• Влияние добавок и их комплексов на гидратацию, и твердение цементного камня, формирование его структуры и свойств
• Портландцемент
• Влияние комплексных добавок на структуру и фазовый состав цементных композиций
• Влияние комплексных добавок на морозостойкость бетона

Введение к работе

Актуальность темы исследования

В связи с современными тенденциями строительного производства,
направленными на ускорение его темпа, повышение качества и
долговечности строительной продукции с одновременным снижением затрат
на производство, эксплуатацию зданий и сооружений, наиболее
востребованными являются высокофункциональные бетоны. К таким
материалам относят быстротвердеющие, высокопрочные и

сверхвысокопрочные тяжелые бетоны с низкой проницаемостью, стойкие к воздействию различного рода агрессивных сред.

Существует несколько способов создания таких бетонов,

заключающихся в ускорении гидратации цемента, направленном

формировании фазового состава и модификации структуры цементного камня, при одновременном повышении технологичности бетона и снижении затрат на его производство. Все это возможно за счет применения комплексных добавок, обязательно включающих активные минеральные добавки (АМД), в том числе и метакаолин (МТК).

МТК в отличие от других АМД является алюмосиликатной
пуццолановой добавкой и, согласно многим исследованиям, ускоряет
твердение, повышает класс бетона и его водонепроницаемость. Кроме этого,
МТК имеет постоянный состав и светлый цвет, что расширяет область его
применения, упрощает технологию использования в производстве цементных
материалов. При этом многие вопросы, связанные с возможностью
применения добавки МТК для производства долговечных

высокофункциональных тяжелых бетонов, остаются не выясненными до конца, а разработка и внедрение комплексных добавок с МТК представляет научный, практический интерес и является актуальной проблемой настоящего времени.

Работа выполнялась при поддержке предприятия ЗАО «Пласт-Рифей», г. Пласт.

Степень разработанности темы

Исследованию влияния метакаолина как отдельно, так и в комплексе с другими добавками на свойства тяжелых цементных бетонов посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов, в том числе Глекель Ф.Л., Дворкина Л.И., Кузнецовой Т.В., Малолепши Я., Батракова В.Г., Пустовгара П.П., Рамачандрана В., Ратинова В.Б., Ушерова-Маршака А.В., Бутта Ю.М., Asbridge A.H., Artigues J.C., Dubey A., Justice J.M., Kim Hong – Sam, Courard L., Lee S.T., Wild S. и тд. Известно, что метакаолин позволяет повысить прочность бетона, его водонепроницаемость. Некоторые исследователи говорят об ускорении гидратации цемента в его присутствии. При этом особенности применения метакаолина в производстве тяжелых бетонов, его влияние на формирование фазового состава и долговечность цементных материалов при использовании как отдельно, так и в комплексе с микрокремнеземом и суперпластификатором, ранее основательно не изучали.

Цель работы: получение высокофункциональных тяжелых бетонов, стойких к морозной и сульфатной агрессии, путем модифицирования комплексными добавками, включающими метакаолин.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Изучить особенности влияния МТК как отдельно, так и в комплексе с другими добавками на процессы гидратации цемента и твердения цементного камня, выявить оптимальное соотношение компонентов комплексных добавок.

2. Исследовать влияние комплексных добавок с МТК, на формирование фазового состава, структуры и свойств цементного камня и бетона.

3. Оценить стойкость высокофункционального тяжелого бетона,
модифицированного МТК и комплексными добавками с МТК, к воздействию
морозной и сульфатной агрессии.

4. Установить технологические особенности производства
модифицированных высокофункциональных тяжелых бетонов, определить
оптимальные области применения комплексных добавок в технологии
бетона. Разработать нормативную и технологическую документацию.

Научная новизна

Предложены принципы повышения эффективности тяжелых бетонов нормального твердения, заключающиеся в ускорении гидратации цемента и твердения бетона, модифицировании его структуры, за счет применения комплексных добавок, включающих МТК. В том числе:

3. Установлен механизм влияния МТК на фазообразование цементного камня и показано, что при введении в цемент добавки МТК отдельно и в комплексе с суперпластификатором СП-1 (СП), структура формируется предпочтительно из высокоосновных гидросиликатных и различных гидроалюминатных фаз. Определены оптимальные дозировки МТК (не более 3,5 масс.%), при которых гидроалюминатные фазы в цементном камне представлены преимущественно стабильными гидроалюминатами кальция.

4. Доказано, что для создания стабильной структуры цементного камня из низкоосновных гидратных фаз и гидроалюминатов, его необходимо использовать в комплексе с суперпластификаторами, и силикатными пуццолановыми добавками типа микрокремнезема.

3. Установлено, что применение МТК как самостоятельной добавки,
так и совместно с СП-1, не влияет на стойкость бетона к сульфатной
агрессии, повышая марку по морозостойкости с F₁200 (без применения
добавок) до F₁600 (с комплексом «МТК+СП»), за счет увеличения степени
гидратации модифицированного цемента. Введение в комплекс
дополнительно микрокремнезема повышает стойкость бетона к морозной
(F₁1000) и сульфатной агрессии, что связано с изменением фазового состава
и структуры цементного камня.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Теоретически установлена и практически подтверждена

возможность получения высокофункциональных долговечных тяжелых бетонов, модифицированных комплексами включающими МТК.

2. Выявлен механизм фазообразования цементного камня в присутствии добавки МТК. Установлены оптимальные дозировки МТК в комплексных добавках для получения высокофункциональных бетонов.

3. Разработаны и внедрены в производство эффективные комплексные добавки, включающие метакаолин, микрокремнезем и суперпластификатор, которые позволяют получать быстротвердеющие сульфатостойкие тяжелые бетоны нормального твердения с классом по прочности при сжатии до В 60 и маркой по морозостойкости до F₁1000.

4. Разработаны технические условия и технологический регламент на производство комплексных добавок, включающих МТК и технологический регламент на модифицированные бетоны.

Методология и методы исследования

Методологической основой данной работы являются работы российских и зарубежных ученых в области исследования структуры и свойств модифицированного цементного камня и бетона. Исследования проводили с применением действующих национальных стандартов, математического планирования экспериментов, стандартных и современных методов – рентгенофазового, дифференциально-термического анализов, электронной растровой микроскопии, микрокалориметрии и др.

На защиту выносятся

1. Принципы получения высокофункциональных тяжелых бетонов с помощью комплексных добавок, включающих метакаолин.

2. Обоснование оптимальных соотношений компонентов и разработка комплексных добавок с метакаолином.

3. Роль МТК как ускорителя гидратации основных клинкерных
минералов.

4. Влияние комплексных добавок, включающих МТК на гидратацию цемента, формирование фазового состава, структуру и свойства цементного камня и бетона.

5. Влияние комплексных добавок, включающих МТК на стойкость бетона к сульфатной агрессии и циклическим воздействиям «замораживания-оттаивания».

6. Основные технологические особенности применения комплексных добавок в производстве высокофункциональных тяжелых бетонов, твердеющих в нормальных условиях. Результаты внедрения.

Достоверность результатов научной работы Достоверность

результатов научной работы обеспечивается применением стандартных методов исследования, испытаниями на поверенном оборудовании в аттестованной лаборатории, использованием адекватных математических моделей, необходимым числом образцов в серии для обеспечения доверительной вероятности результатов испытаний – 0,95. Результаты, полученные в лабораторных условиях, подтверждены на производстве.

Апробация работы

Основные положения диссертационных исследований были

представлены и обсуждались на ежегодных научно-технических

конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ЮУрГУ(НИУ) в 2012-2014 гг., на 8 международных конференциях в г. Москве (2012, 2014), Челябинске (2012, 2013), Новосибирске (2012), Уфе (2014), Томске (2014), Омске (2014) и Санкт-Петербурге (2014).

Реализация результатов исследований

Разработаны комплексные добавки различного спектра действия: ускоритель гидратации и твердения бетона (У-ЖЛ), ускорители-модификаторы структуры бетона (УМ-ЖЛ) и (УМД-ЖЛ) позволяющие получать бетоны с высокой морозо- и сульфатостойкостью. Комплексные добавки успешно прошли внедрение в производственных условиях предприятий: ООО «ЖБИ-Восток», ЗАО «Завод ЖБИ Агрострой» и ООО ПО КСМИ в г.Челябинске, ООО «Стройтехника» в г. Златоуст.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач
исследования, выборе методов работы, выявлении оптимальных дозировок
составляющих при разработке комплексных добавок, в планировании и
проведении экспериментов, обобщении результатов и разработке

технологических приемов модифицирования бетонов.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 16 публикациях, в том числе: 4 – в центральных рецензируемых изданиях из перечня рекомендуемого ВАК РФ и 1 статья с международным индексом цитирования Scopus.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 164 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и 7 приложений, содержит 61 рисунок, 27 таблиц.

Влияние добавок и их комплексов на гидратацию, и твердение цементного камня, формирование его структуры и свойств

При взаимодействии портландцемента с водой в результате протекания сложных физико-химических процессов, происходит образование новых гидратных фаз, обусловливающих схватывание и твердение цементных композиций. Вид новообразований определяет химический и минеральный состав цемента, а также условия, при которых происходит его гидратация и твердение цементного камня.

Основные взгляды на процесс гидратации и структурообразования цементных материалов базируются на классических теориях Ле-Шателье, В. Михаэлиса и А.А. Байкова [25, 95]. Многие исследователи в своих работах спорили о преобладающем механизме протекания гидратации – топохимическом или сквозьрастворном, сегодня общепринятым считают смешанный [11, 22, 23, 20, 27, 62, 65, 97, 101, 111, 116]. Исследования многих современных авторов сходятся на ряде основных положений. Основываясь на тепловыделении, гидратация цементного камня включает пять стадий: начальная, индукционная, стадия ускорения, замедления и твердения [11, 22]. Основную прочность цементного камня и бетона обеспечивают ГСК, формирование которых происходит при гидратации двух основных клинкерных минералов – алита (С3S) и белита (-С2S). Содержание минерала С3S в пopтландцeмeнтнoм клинкepе достигает 60-70масс.%, вследствие чего он является наибoлee важным его кoмпoнeнтoм, oтвeтствeнным за бoльшинствo тeхничeских свoйств затвepдeвшeгo цeмeнтнoгo камня [28, 97, 111].

Начальная стадия включает смачивание, которое сопровождается резким скачком тепловыделения и прединдукционный период, при котором происходит снижение выделения тепла. При затворении цемента водой, частицы алита адсорбируют на поверхности воду, и происходит частичная поверхностная гидратация зерна с формированием тонкой полупроницаемой мембраны из первичного геля гидросиликата кальция (ГСК) [28, 97, 111].

Далее наступает вторая стадия – индукционный период, на протяжении которого минерал С3S подвергается медленному гидролизу. Полупроницаемая мембрана способна пропускать к поверхности клинкерного минерала воду, а от него – ионы Ca2+, с формированием и накоплением гидроксилированного геля кремнезема под пленкой, что приводит к увеличению внутреннего давления на поверхности мембраны. Одновременно происходит пресыщение жидкой фазы цементного теста ионами Ca2+. При достижении предельного значения pH12,4 жидкой фазы, начинают формироваться зародыши гидроксида кальция и C-S-H фазы. Все это приводит к повышению проницаемости, а затем и разрушению мембранной пленки, с выделением в жидкую среду высокоактивного геля кремнезема и появлению открытого доступа воды к негидратированной поверхности частиц [22].

Далее наступает третья стадия, при которой выделившийся гель кремнезема активно поглощает свободный гидроксид кальция, снижая рН жидкой фазы. После установления равновесия рН жидкой фазы из пересыщенного ионами кальция геля кремнезема, формируются гидросиликатные фазы разной основности в зависимости от величины рН [22].

Четвертая и пятая стадии гидратации характеризуют процессы кристаллизации геля ГСК. В это же время формируются устойчивые связи в твёрдом теле, отвечающие за его физико-механические свойства и структуру [22]. Минерал белит (-С2S) по сравнению с С3S более инертный, поэтому начинает гидратировать позднее, приблизительно к 7 суткам твердения, при этом гидратация протекает по такому же механизму, как и у алита, но с формированием гидратных фаз пониженной основности и меньшим выделением свободного гидроксида кальция. Значительно ускорить гидратацию минерала -С2S возможно за счет повышения температуры либо за счет применения специальных добавок [23, 106]. Трехкальциевый алюминат C3A при взаимодействии с водой быстро вступает в реакцию с образованием преимущественно кристаллов метастабильных гидроалюминатов кальция, которые со временем перекристаллизуются в стабильные фазы, сопровождающиеся сбросом прочности. Такой переход может осуществляться от нескольких дней до нескольких месяцев в зависимости от условий гидратации – уровня рН среды жидкой фазы, температуры, наличия примесей, количества воды затворения и др. [23, 62, 65]. Кроме этого, повышение количества алюминатов в цементе ускоряет гидратацию цементного камня и ранний набор прочности бетона, а также снижает его коррозионную стойкость. Для регулирования сроков схватывания в цементы вводят двуводный гипс, способствующий формированию на поверхности зерен клинкера эттрингита, прекращающего на некоторое время взаимодействие минерала С3А с водой [71, 80, 97].

Начало реакции гидратации четырехкальциевого алюмоферрита C4AF аналогично алиту и протекает с образованием гидроферритов кальция, и трехкальциевого гидроалюмината. Вносит вклад в прочность цементного камня в более поздние сроки твердения [97]. Фазовый состав цементного камня при гидратации и твердении портландцемента, включает портландит, гидросиликаты (ГСК), гидроалюминаты и гидроалюмоферриты кальция разной степени закристаллизованности и основности, кроме этого могут встречаться образования эттрингита или эттрингитоподобных фаз, и остатки непрореагировавших клинкерных минералов, покрытых оболочкой гидратных фаз [97]. Изменение концентрации ионов Ca2+в жидкой фазе или уровня pH в период гидратации определяет состав формирующихся гидратов, их основность и количество закристаллизованного свободного гидроксида кальция в цементном камне. Так же на основность формирующихся гидратных фаз влияет минералогический состав портландцемента, количество воды затворения, условия твердения и другие факторы, оказывающие влияние на концентрацию ионов кальция в жидкой фазе. Наиболее эффективным способом управления фазовым составом гидратных фаз и их основностью является введение пуццолановых и других добавок.

Портландцемент

Удельную поверхность цементного камня определяли по методу И.А Бугрима, в основу которого входит адсорбционный способ Брунауэра-Эммета-Тейлора (БЭТ) [19]. Образцы-кубы с ребром 20 мм цементного камня, изготовляли из теста нормальной густоты, затем они твердели в нормальных условиях 28 суток. Перед испытанием образцы насыщали водой в течение 4 суток, а затем помещали в эксикатор над раствором серной кислотой с плотностью = 1,375 г/см3. При относительной влажности воздуха (р = 0,4 и температуре 20С образцы выдерживали до тех пор, пока разница между результатами их взвешиваний не превышала 0,1%, затем их высушивали при температуре 105 С [19]. После проведения испытаний, удельную поверхность цементного камня рассчитывали по формуле [19]: Sуд. = 23.63 К U0.4 м2/г (2.16) где К - для цементного камня коэффициент равен 1; U0.4 - масса монослоя воды адсорбированной на цементном камне, м2/г.

Для исследований фазового состава, процесса гидратации и изменений гидратных новообразований цементного камня применяли дифференциально-термический анализ (ДТА). Основная задача ДТА заключается в исследовании по тепловым эффектам фазовых изменений, происходящих в материале при его нагревании.

Дифференциальная кривая ДТА включает эндо- и экзоэффекты. Причиной эндотермических эффектов на дифференциальной кривой могут служить: дегидратация, различные диссоциации, плавление вещества. За появление экзоэффектов отвечают реакции образования новых соединений, перекристаллизация в более устойчивые фазы, кристаллизация вещества. Степень гидратации цемента косвенно можно оценить по содержанию гидроксида кальция. По потере массы в интервале температур 480-550С, на дифференциальной кривой, соответствующему эндоэффекту разложения Са(ОН)2, определяли его содержание в цементном камне по уравнениию: x = 74 100%, (2.18) где х - содержание Са(ОН)2 в цементном камне, %; а - потери массы за счет отщепления воды при разложении Са(ОН)2

Исследования проводили с помощью дериватографа системы “LuxxSTA 409” фирмы “Netsch”. Скорость подъема температуры 10С/мин, с максимальной температурой нагрева 1000С. Для ДТА применяли платиновые тигли, нагрев проводили в среде азота, в качестве эталонного вещества использовали прокаленный при 1400С А12О3. Расшифровку дериватограмм проводили по данным, имеющимся в литературе [27, 28, 82].

Рентгенофазовый анализ (РФА) применяли для исследования фазового состава цементного камня и определения степени его гидратации. Пробы изготовлялись в виде мелкодисперсного порошка.

С помощью РФА определяют минералы, входящие в состав образца. Каждый минерал обладает определенным набором пиков со своей интенсивностью, а гетерогенный образец порошка цементного камня включает в себя сумму рентгенограмм отдельных минералов.

Качественный анализ результатов РФА заключается в сравнении эталонных рентгенограмм минералов, составляющих образец и рентгенограммы образца. Степень гидратации цементного камня определяли согласно методике внутреннего стандарта Ю.С. Малинина [27, 92] по изменению интенсивности аналитических линий минералов клинкера C3S 1,77 и -C2S – 2,86 , а также внутреннего стандарта, в данном случае флюорита СаF2 – 1,64 , с точностью определения 2%. Результаты сравнивали с контрольным образцом без применения добавок. Степень гидратации рассчитывали по формуле: = (1 – I/I0)x100%, (2.19) где I – интенсивность пика в гидратированном цементе; I0 – интенсивность аналитической линии в исходном цементе.

Исследования проводили на дифрактометре ДРОН-3, модернизированном приставкой PDWin. Съемку проводили в интервале углов 6-70, при напряжении 30 кВт, силе тока 20 мА и ширине выходной щели 1 мм. В расшифровке рентгенограмм применяли данные, представленные в источниках [27, 124].

Для установления влияния добавок и их комплексов на гидратацию цементного камня применяли метод калориметрического анализа. Исследование проводили с помощью восьмиканального изотермического калориметра «TAM Air», действующего в милливаттном диапазоне. Технические характеристики прибора приведены в таблице 2. 16. Все восемь калориметрических каналов собраны вместе и образуют блок калориметра, расположенный в воздушном термостате с контролируемой температурой. Регистрация измерений производится непрерывно в масштабе реального времени через восьмиканальный регистратор данных, присоединенный к компьютеру. Замер температуры цементного теста производился автоматически с интервалом в 1 минуту. Длительность анализа составляла 7 суток, при температуре 20 ± 0,02C. Таблица 2.16 Технические характеристики калориметра «TAM Air»

Испытанию подвергали цементный раствор, с постоянным водоцементным отношением В/Ц = 0,3 и количеством вводимой добавки суперпластификатора СП-1 0,9 масс.%. Все исследуемые добавки вводились сверх цемента, учитывалось количество воды, содержащееся в растворе суперпластификатора 5% концентрации. С помощью полученной температурной кривой был произведен расчет скорости и полного тепловыделения цемента [92]. Точность определения полного тепловыделения составляет 4-8 кДж/кг.

Исследование влияния добавок и их комплексов на формирование гидратных фаз и структуры цементного камня. А также влияние добавок на структуру цементного камня бетона при циклических воздействиях «замораживания и оттаивания» и воздействий сульфатной коррозии, проводили с помощью растрового электронного микроскопа фирмы Jeol Interactive Corporation, Japan JSM-700 IF, обладающего высокими техническими характеристиками: - высокое разрешение: 1 нм (при 15 кВ); - ускоряющее напряжение: от 0,1кВ до 30 кВ; - диапазон токов пучка: от 10-12 до 2 10 7А - увеличение: от х 25 до х 1000 000; - система управления прибором: персональный компьютер с ОС Windows XP; - электронная пушка термополевая, типа Шоттки. Образцы цементного камня для испытания скалывались и металлизировались на вакуумном посту напылением слоя платины толщиной 10-20 нм.

В расшифровке микроснимков применяли [27, 82] и данные микрозондирования на рентгеновском микроанализаторе фирмы Oxford, позволяющем определять элементный состав фаз цементного камня с точностью 0,5%.

Влияние комплексных добавок на структуру и фазовый состав цементных композиций

Объем открытых пор бетона определяли по водопоглощению, ГОСТ 12730.4-78 «Бетоны. Методы определения показателей пористости» (глава 2, таблица 2.15). Согласно полученным результатам, бетон без применения добавок имеет открытую пористость, равную 10%. При введении добавки метакаолина в количестве 5% повышается количество воды затворения и образуется дополнительное поровое пространство в результате перекристаллизации метастабильных гидроалюминатных фаз. Однако все это нивелируется повышением гидратации в присутствии добавки МТК и в результате модифицированный бетон имеет открытую пористость, равную бездобавочному, (рис. 4.2). Введение комплекса «2,5%МТК+ 0,6%СП-1» приводит к снижению открытой пористости бетона до 6%. Комплексные добавки «2,5%МТК+5%МК+1,2%СП-1», «2,5%МТК+5%МК+0,6%СП-1» и «2,5%МТК+10%МК+1,2%СП-1» уменьшают открытую пористость до 5% (рис.4.2). Применение всех комплексных добавок приводит к снижению открытой пористости бетона, что связано с ускорением процесса гидратации, уплотнением и направленным формированием структуры.

Изучение водонепроницаемости бетона (глава 2, таблица 2.15) выявило значительное влияние комплексных добавок на уплотнение его структуры и обеспечило бетонам водонепроницаемость марки W18 при введении добавки «2,5%МТК+0,6%СП-1», и более W20 на комплексах «2,5%МТК+5%МК+0,6-1,2%СП-1» и «2,5%МТК+10%МК+1,2%СП-1», тогда как бездобавочный состав имел марку по водонепроницаемости W8 (рис. 4.3). Введение в бетонную смесь 5% МТК позволило получить камень с маркой по водонепроницаемости W8, такой же, как у бездобавочного состава (рис. 4.3). Это связано с высокой дисперсностью метакаолина, при использовании в большом количестве и без суперпластификатора он способствует повышению количества воды затворения бетонной смеси и увеличению открытой пористости камня, которая компенсируется уплотнением его структуры, за счет повышения степени гидратации (глава 3, п.3.2).

Исходя из перечисленного выше, можно сделать вывод об эффективном влиянии разработанных комплексных добавок с МТК, на получение бетона с высокими показателями водонепроницаемости и прочности, при одновременном снижении открытой пористости, что теоретически положительно скажется на стойкости камня к агрессивным воздействиям сред и требует дополнительных исследований.

Для оценки влияния разработанных комплексных добавок на стойкость бетона при циклическом воздействии температур проводили следующие испытания: оценивали влияние добавок на водонепроницаемость, открытую пористость и прочность бетона, морозостойкость определяли третьим ускоренным методом при многократном замораживании и оттаивании, согласно ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости». Влияние ЦЗО на фазовый состав бетона оценивали дериватографическим и рентенофазовым анализами, изменение в структуре фиксировали с помощью растрового электронного микроскопа.

Для исследования изменения фазового состава бетона в процессе циклического замораживания-оттаивания отбор проб цементного камня проводили отсевом и усреднением тонкодисперсной фракции, образовавшейся при разрушении материала в результате испытаний на прочность при сжатии.

Отсеянную фракцию цементного камня высушивали и хранили до испытания при температуре 50С в сушильном шкафу, для исключения карбонизации. Такой отбор проб проводили исходя из предположения, что разрушение материала в результате физико-механических испытаний происходит по более слабой составляющей бетона - цементному камню. Согласно ГОСТ 8267-93 щебень из природного камня, изверженных интрузивных пород гранитного комплекса должен иметь прочность не менее 100 МПа, тогда как прочность бетона класса В 60 составляет 70-80 МПа, таким образом разрушение бетона в данном случае будет происходить по цементному камню.

В соответствии с ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» были изготовлены образцы тяжелого бетона размером 10х10х10см. На основании проведенных в главе 3 исследований, для оценки влияния добавок на морозостойкость бетона были изготовлены составы, приведенные в таблице 4.2, включающие разработанные комплексные добавки и МТК в количестве 5% от массы цемента. Согласно ГОСТ 30459-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Определение и оценка эффективности» образцы бетона изготавливали при фиксированных значениях:

Влияние комплексных добавок на морозостойкость бетона

Комплексные добавки с метакаолином У-ЖЛ, УМ-ЖЛ и УМД-ЖЛ производят с помощью специальной установки (рис.5.1) на заводе изготовителе. Производство включает в себя следующие стадии: – перемешивание и усреднение сухих добавок (метакаолин, микрокремнезем и суперпластификатор) с использованием винтовых конвейеров (шнеки), питателя (содержит ротор с лопастями) и смесителя интенсивного действия; – упаковка и складирование готовой комплексной добавки.

Установка подобного типа для производства комплексных добавок на основе метакаолина нуждается в следующем обслуживающем персонале: оператор установки и упаковщик. Исходное сырье в виде добавок метакаолина, микрокремнезема и суперпластификатора в сухом виде в упаковке изготовителя доставляется на склад, а после в цех, где расположена установка. Метакаолин, микрокремнезем и суперпластификатор поставляются в полипропиленовых мешках или биг-бэгах, в зависимости от количества добавок и изготовителя, в герметично упакованных контейнерах, вследствие их высокой гигроскопичности.

Исходные добавки со склада ленточным питателем загружают в бункеры. Далее оператор установки задает необходимое количество добавок (весовой дозатор). После добавки усредняют с помощью винтового конвейера. Далее они попадают в бункер, а из него через роторный питатель в смеситель интенсивного помола. Далее через винтовой конвейер комплексные добавки попадают в бункер и происходит упаковка готовой продукции.

После упаковки готовую продукцию отправляют на склад. От каждой партии готовой продукции отбирается проба, по которой в лаборатории определяют соответствие комплексных добавок ТУ 5729-099-12615988-2014. Готовые комплексные добавки поставляется в полипропиленовых мешках и биг-бэгах и хранятся в герметично упакованных контейнерах.

Себестоимость готовой продукции в расчете ее экономической эффективности приняли без учета прибыли и косвенных затрат предприятия, в связи с вариативностью данных факторов.

Кроме этого, разработанные комплексные добавки можно применять без изменения технологии, установки дополнительного оборудования или увеличения других затрат, связанных с производством и реализацией продукции. Для этого вводить добавки следует в сухом виде или в качестве водной суспензии на стадии перемешивания компонентов бетонной смеси.

Таким образом, в дальнейшем расчете за себестоимость комплексных добавок была принята сумма прямых затрат на сырье.

Технология производства тяжелого модифицированного бетона и опытно-промышленные испытания

На сегодняшний день, актуальным материалом для строительного производства являются бетоны нового поколения или высокофункциональные тяжелые бетоны, обладающие высокими показателями плотности, прочности и коррозионной стойкости.

Основные затраты при производстве таких бетонов связаны с высокой себестоимостью составляющих материалов и необходимостью использования тепло-влажностной обработки. Применение комплексных добавок с метакаолином У-ЖЛ, УМ-ЖЛ и УМД-ЖЛ позволяет получать быстротвердеющие в нормальных условиях тяжелые бетоны.

Существуют некоторые технологические особенности применения комплексных добавок в производстве бетона: - комплексные добавки следует вводить в предварительно перемешанную сухую бетонную смесь, после чего дополнительно ее перемешать всухую, чтобы избежать налипания добавки на зерна заполнителей; - водоцементное отношение бетона должно быть не более 0,45; - время перемешивания бетонной смеси с водой затворения следует ограничить требованиями ГОСТ 7473 - 2010 «Смеси бетонные. Технические условия» но не более 3 минут, чтобы избежать дополнительного воздухововлечения; - транспортирование модифицированной бетонной смеси необходимо выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 7473 - 2010. Для сравнения эффективности разработанных комплексных добавок, на предприятии ООО ПО КСМИ г. Челябинска, были опробированы добавки У-ЖЛ, УМД-ЖЛ в составах тяжелого бетона с классом по прочности на сжатие 134 В15, В25, В30, В40, В60 и мелкозернистого бетона класса В 40. Результаты приведены в таблице 5.1. Комплексные добавки вводили в сухом виде, на стадии сухого перемешивания бетонной смеси.

Подтверждено, что разработанные комплексные добавки позволяют на различных составах и видах цемента (ЦЕМ I 42,5 Н, ЦЕМ I 32,5 Н) получать быстротвердеющие, при нормальных условиях, или при пониженной температуре ТВО, тяжелые и мелкозернистые бетоны с высокими показателями прочности.