Высокопрочные бетоны на основе вторичного сырья Муртазаева Тамара Саид-Альвиевна

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Известно, что в России, как и во
многих развитых зарубежных странах, расширяется разработка и внедрение в
производство составов высокопрочных бетонов (R_СЖ 60 МПа), обеспечивая тем
самым становление технологии возведения высотных зданий и сооружений из
монолитного бетона и железобетона основным трендов современного
строительства. Последние десятилетия рецептура монолитного бетона
претерпела существенные изменения: происходит постепенное замещение
обычных традиционных бетонов многокомпонентными бетонными

композитами, в том числе самоуплотняющимися, в которых, как правило, используются многофункциональные химические добавки-модификаторы, имеющие в своих составах до нескольких индивидуальных химических добавок широкого функционального назначения, позволяющие улучшать основные параметры удобоукладываемости бетонных смесей и способствующие повышению его основных физико-механических характеристик. Особую роль в модификации цементной матрицы высокопрочных бетонов не редко уделяют реакционно-активным минеральным компонентам, представляющим собой тонкоизмельченные наполнители различной природы, включая техногенную.

Но зачастую отмеченные изменения в рецептуре бетона не имеют должного научного обоснования, явно недостаточно исследований, которые позволили бы разрабатывать современные эффективные технологии возведения конструктивных элементов зданий и сооружений с использованием монолитного бетона на основе доступного, в сравнении с природным, недорогого вторичного сырья.

Вяжущие высокого качества, мытые, обогащенные и фракционированные
пески, чистые мелкие фракции щебня (3-10; 5-10; 3-12 мм) с маркой по
дробимости в цилиндре М1000-М1400, ультрадисперсные микрокремнеземы
или дегидратированные каолины и добавки супер-, гиперпластификаторы,
необходимые для получения высокопрочных (В60-В90) и особовысокопрочных
бетонов (В100 и выше), как правило, являются привозными

высококачественными материалами, поскольку имеются таковые лишь в определенных регионах страны, что в разы увеличивает себестоимость продукции на их основе.

Решение задачи разработки эффективных технологий получения
высокопрочных монолитных бетонов за счет комплексного использования
техногенного сырья как многофункционального компонента

высококачественного бетона, с одновременным существенным снижением значительного экологического ущерба, является актуальной проблемой современного строительного материаловедения по стране и миру в целом, и для Чеченской Республики, в частности, учитывая наличие строящихся в республике уникальных высотных комплексов типа «Грозный Сити», «Ахмат-Тауэр» и др.

Степень изученности проблемы. Анализ источников отечественной и
зарубежной литературы позволил сделать убедительный вывод о

малоизученности проблемы получения высокопрочных бетонов с

модифицированной химически-активными добавками на основе природных и техногенных отходов.

Исследованиями таких известных ученых в области бетоноведения, как Ю.М. Баженов, B.C. Демьянова, С.С. Каприелов, В.С. Лесовик, В.Т. Перцев, Д.К-С. Батаев, В.И. Калашников, Г.В. Несветаев, О.Я. Берг, Т.А. Хежев, Н.В. Fischer, F. Sybertz, R. Hardtl и многих др. было доказано, что направление разработки и внедрения составов высокопрочных и высококачественных бетонов повышенной сохраняемости и долговечности в современном монолитном строительстве, в том числе и высотном, исключительно актуально. Однако, отсутствие полноценных практических рекомендаций по приготовлению и использованию модифицированных бетонов, слабой изученности их свойств и составов, а также отсутствие экспериментальных данных по срокам службы и долговечности таких бетонов - ограничивают широкое их применение для монолитного строительства. А модифицированные бетоны на основе техногенного сырья современными учеными исследованы весьма слабо.

Таким образом, разработка рецептуры составов и технологии приготовления высокопрочных модифицированных бетонов для высотного монолитного строительства с комплексным использованием техногенного сырья - является актуальной задачей развития теории и практики современного строительного материаловедения.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью данной работы является разработка рецептур и технологии получения высококачественных бетонов (ВКБ) для высотного монолитного строительства на основе комплексного использования местного природного и техногенного сырья.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ местной природной и техногенной сырьевой базы с целью повышения эффективности ее использования для монолитного бетона;

разработать рецептуру наполненных вяжущих (НВ) и ВКБ с комплексным использованием местного природного и техногенного сырья, пригодных для высотного монолитного строительства;

исследовать основные закономерности формирования прочности цементного камня в присутствии химических модификаторов и минеральных наполнителей техногенной природы (МНТП);

исследовать реологические, физико-механические, деформативные и эксплуатационные свойства ВКБ на основе НВ с тонкомолотым МНТП;

предложить технологию приготовления ВКБ для высотного монолитного строительства;

разработать нормативную документацию и осуществить технико-экономическое обоснование получения ВКБ широкого функционального назначения.

Рабочая гипотеза диссертационной работы, раскрывающая возможность разработки эффективных рецептур и технологии приготовления высокопрочных модифицированных бетонов для высотного монолитного строительства, связана с комплексным решением проблемы использования имеющейся местной (вторичной) сырьевой базы с внедрением передовых технологий в области

бетоноведения и основывается на известных достижениях ведущих научных школ страны и мира.

Научная новизна диссертационной работы. Предложены теоретические и технологические принципы улучшения параметров удобоукладываемости и сохраняемости высокоподвижных бетонных смесей и повышения физико-механических и эксплуатационных характеристик бетонов на их основе, получаемых с использованием заполнителей из местного природного и техногенного сырья, отражающие рациональные и эффективные методы получения связной, однородной матричной структуры за счет использования современных минеральных и химических модификаторов.

Обоснована реологическая и водоредуцирующая эффективность супер- и гиперпластификаторов в цементных суспензиях в зависимости от способа введения. Экспериментально доказана эффективность двухстадийного перемешивания бетонной смеси с введением СП на второй стадии с оставшимся 1/3 количеством воды затворения, позволяющим повысить эффективность СП до 20 % в сравнении с традиционной технологией ее введения.

Доказана эффективность использования тонкомолотых МНТП в высокоподвижных бетонных смесях в качестве стабилизатора структуры, предотвращающих водоотделения и расслоения бетонной смеси.

Предложены принципы обеспечения непрерывного монолитного бетонирования конструктивных элементов зданий и сооружений на основе широкого использования химических добавок регуляторов твердения, обеспечивающие наиболее рациональные параметры скорости твердения и сохраняемости коагуляционных систем типа «цемент-вода-заполнитель и химический реагент».

Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что МНТП, располагаясь между частицами вяжущего, заметно упрочняет цементный камень путем снижения дифференциальной пустотности исходной водоцементной пасты в сторону более меньших по размеру пор и пустот, что способствует формированию цементной матрицы с меньшими размерами капиллярных пор. При этом наибольший эффект упрочнения от введения тонкомолотого наполнителя, равный 10-15% от проектной прочности, установлен у МНТП из бетонного лома.

Теоретическая значимость работы отражается тем, что соискателем:

предложены принципы оптимизации цементно-матричной структуры высокопрочного композита за счет использования современных модификаторов, обогащения зернового состава заполнителя и тонко дисперсных МНТП;

установлены наиболее рациональные параметры удобоукладываемости высокоподвижных бетонных смесей с маркой по осадке конуса П5 и сохраняемостью более 8 часов, используемых для получения ВКБ;

получены основные закономерности изменения прочности цементного камня, модифицированного различными наполнителями и химическими добавками - регуляторами формирования его структуры;

установлены особенности формирования деформативных свойств ВКБ на основе местного природного и техногенного сырья. Модуль упругости бетона

предлагаемых составов ВКБ, находится в пределах 40,210³ - 54,510³ МПа в зависимости от прочности бетона и вида заполнителя. При этом чем выше прочность бетона, тем выше его модуль упругости.

Практическая значимость диссертационной работы. Практическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:

разработана рецептура составов высококачественных бетонов, предназначенных для высотного монолитного и сборно-монолитного строительства, характеризующихся повышенной сохраняемостью параметров удобоукладываемости;

исследованы физико-механические и эксплуатационные свойства разработанных рецептур ВКБ на основе химических и минеральных добавок различного генезиса;

предложены оптимальные составы НВ с МНТП для получения ВКБ;

предложена технология приготовления ВКБ для высотного строительства.

Методология и методы исследования, принятые в работе, базируются на теоретических воззрениях проектирования и оптимизации рецептур бетонов, фазо- и структурообразовании клинкерных минералов, математической логики, технологических особенностях композиционных составов, теории автоматизации и управления реологическими процессами и производствами. Все результаты исследований получены с использованием известных методик с учетом действующих государственных стандартов и рекомендаций.

Основные положения, выносимые на защиту:

научное обоснование технологии получения высококачественных бетонных смесей и высокопрочных бетонов с комплексным использованием местного природного и техногенного сырья;

технологические особенности получения НВ на основе МНТП для получения ВКБ широкого функционального назначения;

основные положения, отражающие особенности получения высокоподвижных бетонных смесей и бетонов на основе местного сырья с высокими технологическими, физико-механическими и эксплуатационными свойствами, сопоставимыми с бетонами на дорогих привозных сырьевых материалах;

рекомендации по получению и применению ВКБ на основе местного природного и техногенного сырья;

результаты апробации.

Внедрение результатов работы. Полученные результаты апробированы автором в промышленных условиях на предприятиях ООО «СК Чеченстрой» и ООО «Град» при возведении конструктивных элементов торгово-развлекательного центра «Грозный Молл», расположенному по адресу: Чеченская Республика, г. Грозный, Заводской район, проспект Х.А. Исаева, б/н» с использованием разработанных в рамках диссертации монолитных ВКБ классов по прочности на сжатие В30 и В40 в количестве 88 и 47 м³ соответственно.

Для внедрения результатов работы в строительный и строительно-образовательный процессы разработаны следующие технические документы:

технологический регламент на производство монолитных высококачественных бетонных смесей и бетонов с комплексным использованием местного природного и техногенного сырья;

рекомендации по получению высококачественных бетонных смесей и бетонов для высотного монолитного строительства.

Теоретические и технологические принципы, научные результаты и основные положения диссертационной работы, подтвержденные опытно-промышленной апробацией, отражены в рабочих программах специальных дисциплин для студентов аспирантуры, магистратуры и бакалавриата, обучающихся по направлению «Строительство».

Достоверность результатов. Достоверность полученных в рамках диссертационной работы научных результатов подтверждается применением:

- апробированных методов экспериментальных исследований;

- поверенного испытательного и измерительного оборудования
аккредитованных центров коллективного пользования (ЦКП) вуза;

- современного программного обеспечения (при обработке
экспериментальных данных), включая математический аппарат планирования
эксперимента.

Апробация результатов исследования. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

1. ІІI Всероссийская научно-практическая конференция «Молодежь, наука, инновации», г. Грозный, 2014 г.;

2. Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича, г. Белгород, 2015 г.;

3. Международная научно-практическая конференция «Современные строительные материалы, технологии и конструкции», посвященная 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова», г. Грозный, 2015 г.;

4. Международная научно-практическая конференция «Интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства», посвященная 70-летию заслуженного деятеля науки РФ, члена-корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора В.С. Лесовика, г. Белгород, 2016 г.;

5. Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии и инновации», г. Белгород, 2016 г.;

6. Международный online конгресс «Фундаментальные основы строительного материаловедения», 6 октября 2017 г.;

7. Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современной строительной науки и образования», посвященная 60-летию строительного факультета ФГБОУ ВО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова», г. Грозный, 2017 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 научных статей, из них рецензируемых – 7, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ, 2 статьи в изданиях, индексируемых

в международной базе цитирования (Scopus) и 1 статья в издании, входящей в международные, реферативные базы данных и системы цитирования (Chemical Аbstracts).

Структура и объем работы. Основной текст диссертации изложен на 184 страницах машинописного текста, содержащих 39 таблиц, 63 рисунка и структурно представлена введением, пятью главами, заключением, списком литературы из 141 наименований и 5 приложениями.