Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в нашей стране и, особенно, в Белгородской области интенсивно развивается программа индивидуального жилищного строительства. Одним из первостепенных условий ее осуществления является наличие внутрипостроечных транспортных сообщений, связанных с местной и региональной сетью автомобильных дорог. Создание и развитие таких сетей должно сопровождаться переходом на применение современных эффективных материалов и конструкций дорожных одежд полифункционального назначения, обеспечивающих высокие транспортно-эксплуатационные свойства автомобильных дорог, их повышенные комфортность и сроки эксплуатации. Такой качественный переход возможен за счет строительства укрепленных конструкций дорожных одежд и использования при этом универсальных материалов как для самого строительства, так и для ремонта.
Наиболее эффективным и перспективным направлением строительства укрепленных оснований автомобильных дорог является использование высокоподвижных проникающих композиций (ВПК), модифицированных высокоэффективными суперпластификаторами (СП) полифункционального действия. Разработке и изучению ВПК, содержащих высокодисперсные минеральные компоненты и поверхностно-активные вещества, посвящены работы многих исследователей.
Вместе с тем задачи повышения эффективности применения таких композиций требуют дальнейшего детального изучения, предметом которого должно являться, в первую очередь, расширение сырьевой базы минеральных компонентов за счет использования местных доступных материалов, исследование влияния природы, дисперсности, характера поверхности минеральных частиц на эксплуатационно-технологические характеристики как самих проникающих композиций, так и в целом дорожных композитов. При этом особая роль отводится возможности их применения при ремонте существующих цементобетонных дорожных покрытий. Для этих целей композиции должны иметь регулируемые реологические параметры и обладать повышенной смачиваемостью и адгезионным сцеплением со старым бетонным основанием.
В связи с этим необходимо получить новые знания о механизме взаимодействия минеральных компонентов различной природы с СП на основе легкой пиролизной смолы (СБ-7).
Была выдвинута рабочая гипотеза, что в качестве минерального компонента, полученного из местного техногенного сырья, при разработке ВПК могут использоваться отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС) КМА, а в качестве пластифицирующей добавки - эффективный СП полифункционального действия СБ-7, получаемый из отходов производства при пиролизе углеводородов и обладающий как
пластифицирующим, так и ускоряющим действием. Предлагается разработать составы и способы приготовления ВПК для укрепления щебеночных оснований при строительстве автомобильных дорог и ремонте эксплуатируемых цементобетонных покрытий. В качестве вяжущего предложено использовать тонкомолотые наполненные цементы (ТМЦ) для увеличения проникающей способности, повышения адгезионных и прочностных свойств и экономии клинкерной составляющей. Актуальной при этом является задача снижения материалоемкости дорожных работ, повышение качества и долговечности ремонтных покрытий, снижение экологической напряженности в регионе путем утилизации отходов.
Данная работа выполнена в рамках направления научных исследований «Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов» по критическим технологиям Российской Федерации, утвержденным Распоряжением Правительства РФ (2008 г.).
Целью диссертационной работы является разработка составов и способов приготовления высокоподвижных проникающих композиций с использованием минеральных компонентов на основе местного сырья -отходов ММС железистых кварцитов и полифункционального суперпластификатора СБ-7 для регулирования реологических свойств и повышения физико-механических показателей дорожных композитов.
Основными задачами работы являются:
изучение влияния минерального наполнителя из отходов ММС и суперпластификатора СБ-7 на изменение фазового состава новообразований при гидратации и твердении тонкомолотых наполненных цементов;
изучение влияния полифункционального СП СБ-7 на коллоидно-химические свойства наполненных цементных суспензий;
исследование влияния СП СБ-7 на смачиваемость и адгезионное сцепление минеральных композиций;
исследование физико-механических свойств составов ВПК с целью выявления их соответствия требованиям европейского стандарта к материалам для ремонта бетонных поверхностей;
разработка составов и способов получения наполненных тонкомолотых цементов на основе отходов ММС и изучение их физико-механических показателей.
Научная новизна работы:
Установлено влияние природы и свойств поверхности минеральных компонентов на процесс адсорбции полифункционального СП СБ-7 на границах жидкой и твердой фаз, заключающееся в уменьшении адсорбционной способности в ряду портландцемент-шлак-отходы ММС при одинаковой удельной поверхности.
Установлены зависимости технологических и физико-механических свойств высокоподвижных проникающих композиций с использованием минерального наполнителя из отходов ММС от удельной поверхности и
количества СП СБ-7. Установлено, что введение до 45% отходов ММС в ТМЦ не приводит к снижению прочности по сравнению с исходными портландцементами, что связано с сокращением водопотребности, механической активацией при совместном помоле ПЦ и отходов ММС, образованием мелкокристаллической структуры.
Выявлено, что увеличение проникающей способности в присутствии СП СБ-7 обусловлено как увеличением смачивания твердых поверхностей при уменьшении поверхностного натяжения на границе раствор-воздух, так и за счет увеличения гидрофильности поверхности при уменьшении поверхностного натяжения на границе твердое тело-раствор.
Показано, что при твердении системы ТМЦ с использованием отходов ММС введение этих отходов незначительно влияет на фазовый состав структуры. При этом наблюдается ускорение процессов гидратации и твердения в ранние сроки, обусловленное большей удельной поверхностью вяжущего, дефектностью структуры минералов отходов ММС и пептезирующим действием СП СБ-7.
Достоверность результатов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных средств и методов измерений; применением современных физико-химических методов; использованием статической обработки результатов экспериментов; полученными данными, не противоречащими известным положениям и результатам других авторов.
Практическая значимость работы. Расширена область применения отходов железорудных месторождений - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и легкой пиролизной смолы - отхода производства пиролиза углеводородов как сырья при получении тонкомолотых наполненных цементов.
Для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, соответствующих требованиям стандартов, разработана технология получения и составы ВПК на основе тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС и полифункционального СП СБ-7.
Получены ВПК с прочностью на сжатие 47-65 МПа повышенной адгезионной и смачивающей способностью, позволяющие использовать их для ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2004); научно-технической студенческой конференции институтов и факультетов БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2008); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (Белгород, 2009).
Внедрение результатов. Проведены опытные испытания высокоподвижных проникающих композиций при устройстве укрепленных дорожных оснований и ремонте цементобетонных автодорожных покрытий, которые подтвердили эффективность данной технологии.
Теоретические положения диссертационной работы, а также методические разработки и результаты работы внедрены в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы», 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров направления «Строительство» по программам «Технология строительных материалов, изделий и конструкций», «Архитектурно-строительное материаловедение», отражены в монографии.
На защиту выносятся:
результаты исследования влияния СП СБ-7 на реологические свойства, адсорбцию, агрегативную устойчивость, адгезионную и смачивающую способность наполненных ТМЦ;
результаты влияния СП-СБ-7 и вида ТМЦ на физико-механические и эксплуатационно-технические свойства ТМЦ и композиций на их основе;
оптимальные составы ВПК для строительства укрепленных оснований и ремонта цементобетонных покрытий автомобильных дорог;
результаты внедрения.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в десяти опубликованных научных работах, в том числе трех изданиях, определенных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, включающего 27 таблиц, 28 рисунков и фотографий, списка литературы из 188 наименований, 2 приложений.
