Бетоны на мелком песке и наполненном цементе
На правах рукописи
Гаврилов Александр Витальевич БЕТОНЫ НА МЕЛКОМ ПЕСКЕ И НАПОЛНЕННОМ ЦЕМЕНТЕ Специальность 05.23.05- Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ростов – на – Дону 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Курочка Павел Никитович
Официальные оппоненты: Несветаев Григорий Васильевич доктор технических наук, профессор, Ростовский государственный строительный университет, зав. каф. «Технология строительного производства» Коллеганов Алексей Вячеславович кандидат технических наук, Зав. лабораторией ООО «Строительная лаборатория КБ Ивлева»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)»
Защита диссертации состоится «24» мая 2013 года в 1015 часов на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд. 232, тел/факс 8(863)201 90 03 ;
E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru
Автореферат разослан «22» апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат техн. наук, доцент А.В. Налимова
Общая характеристика работы
.
Актуальность работы. Качество бетона в большей степени зависит от используемых материалов, свойства которых должны удовлетворять соответствующим государственным стандартам и техническим условиям, обеспечивать заданный класс прочности, морозостойкости и другие физико механические характеристики бетона.
В тоже время среди общих геологических запасов песка в России достаточно большое количество месторождений мелких песков.
Использование мелкого песка приводит к уменьшению подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси вследствие большой удельной поверхности мелких зерен. Мелкие пески ухудшают структуру бетона и снижают его долговечность. В связи с этим для получения бетонной смеси заданной подвижности и бетона заданного класса требуется повышенный расход цемента. Степень перерасхода цемента изменяется в достаточно широких пределах и может достигать 30-40%. Увеличение расхода цемента неизбежно приводит к росту цен на бетонные и железобетонные изделия и конструкции.
Структурообразующую способность мелких песков предлагается повышать методами: механической активизации, заключающейся в промывке песка с последующей обработкой в дезинтеграторах и на бегунах, виброперемешивании компонентов, поличастотном виброуплотнении бетонных смесей и виброштамповании, дополнительном помоле цемента и др.;
химической активации путем добавления каталитических веществ, увеличивающих активность цемента;
термические, электрические и гидроэлектрические способы активации бетонных смесей на мелких песках.
Однако указанные технологические приемы являются достаточно энергоемкими и зачастую дополнительные затраты на энергоносители превышают по стоимости перерасход цемента.
Наиболее перспективным научным направлением является модификация цементной матрицы путем разбавления цемента дисперсными минеральными порошками. Работа выполнена в направлении повышения экономической деятельности ОАО «РЖД» по разделу «Ресурсосберегающие материалы и технологии».
Целью диссертационной работы является научное обоснование возможности наполнения цемента тонкодисперсными добавками для получения качественных бетонов на мелких песках с нормативным расходом цемента.
Для решения поставленной цели выполнен комплекс следующих научных исследований:
анализ состава и прочностных показателей бетонов на мелком песке, выпускаемых на заводах Ростовской области;
исследован характер воздействия на цементный камень минеральных наполнителей различной природы и дисперсности;
изучены свойства цементного камня, наполненного минеральными тонкодисперсными порошками;
разработана и исследована добавка-наполнитель цемента фулеренного характера;
изучены свойства бетонов на мелких песках и наполненных цементах;
разработаны рекомендации по изготовлению бетонов на мелких песках без увеличения расхода цемента.
Научная новизна работы Математическим анализом моделей двух– и трехкомпонентных дисперсных структур установлено, что при изготовлении бетонных смесей на мелких песках, имеющих большую удельную поверхность, при нормативном расходе цемента эта поверхность остается незаполненной на 15-25%, что приводит к образованию «сухих» контактов между частицами песка и снижению прочности бетона.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность изготовления бетона заданной прочности на мелком песке и с нормативным расходом цемента путем использования тонкодисперсных добавок, увеличивающих объем вяжущего. Установлено, что добавки из тонкодисперсных минеральных частиц кварцевого песка, силикатного кирпича, золы и сажи (в количестве 20% от массы вяжущего) способствуют формированию более плотной мелкопористой структуры цементного камня и бетона, увеличению прочности, водонепроницаемости и морозостойкости.
Предложена добавка фулеренного действия, состоящая из тонкодисперсного кварцевого песка и сажи, которая наиболее эффективно влияет на физико-механические свойства цементного камня и бетона.
Теоретически обоснован механизм действия этой добавки, обусловленный совокупностью физико-химических процессов:
- диссоциация воды на протоны Н+ и гидроксилы ОН-;
- взаимодействие фулеренов сажи С60 с протонами Н+ с образованием гидрированных фулеренов С60Н60 или протонирование с образованием катионов С60Н60+ ;
- углубление реакций гидратации за счет повышения концентрации гидроксилов ОН- в жидкой фазе;
- взаимодействие катионов С60Н60+ с отрицательными активными центрами;
- осаждение фулеренов С60 на поверхности SiO2 с образованием микрокристаллических алмазных пленок.
На защиту выносятся:
- модельно-математическое обоснование количественного наполнения цемента с тонкодисперсной добавкой для получения равноповерхностного соотношения между вяжущим и мелким песком, имеющим большую удельную поверхность;
- теоретическое обоснование выбора для модифицированного вяжущего тонкодисперсных минеральных добавок различного химико-минералогического состава по механизму их влияния на структуру и свойства цементного камня;
- результаты исследования физико-механических свойств цементного камня и бетона, изготовленных на комплексном вяжущем из цемента и тонкодисперсной минеральной добавки;
- состав добавки уплотнителя фулеренного действия из тонкодисперсного песка и сажи с теоретическим обоснованием физико-химических процессов ее воздействия на структуру и прочность цементного камня;
- рекомендации по изготовлению бетонов заданной прочности на мелких песках с нормативным расходом цемента при условии его наполнения тонкодисперсными минеральными добавками.
Практическое значение диссертационной работы заключается: в получении бетона заданной прочности на мелких песках (Мкр 1,0-1,2) при нормативном расходе цемента, наполненном минеральными тонкодисперсными добавками;
улучшении физико-механических свойств бетона бинарной добавкой фулеренного действия;
в рекомендациях по изготовлению бетонов на мелких песках без увеличения расхода цемента.
Достоверность результатов, основных положений и выводов обоснована использованием общепринятых математических и статистических методов, выполнением экспериментов с применением комплекса физико-механических нормативных и научных методик. Выводы диссертации не противоречат, а только дополняют общие теоретические положения строительного материаловедения. Научно-практические рекомендации подтверждены результатами лабораторных и опытно-промышленных испытаний.
Апробация работы Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на Второй международной отраслевой научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов-на-Дону, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Строительство-2001» (Ростов-на-Дону, 2001 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Транспорт 2004, 2005» (Ростов-на-Дону, 2004, 2005 гг.), XV Академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010 г.).
Публикации По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованных 130 наименований литературы и приложений. Включает страниц текста, 29 рисунков и 40 таблиц.
Основное содержание работы
На большинстве заводов Ростовской области используется песок с модулем крупности 1.0-1.3, что требует значительного увеличения расхода вяжущего, составляющего 8-27% по сравнению с нормативным.
Проблеме применения мелких песков в бетоне посвящены глубокие исследования ведущих научных школ России И.Н. Ахвердова, Ю.М. Баженова, В.В. Бабкова, В.И. Калашникова, О.В. Кунцевича, Н.В. Михайлова, В.М.
Москвина, О.П. Мчедлова-Петросяна, П.Г. Комохова, Т.М. Петровой, П.А.
Ребиндера, Б.Г. Скрамтаева, Б.Д. Тринкера, Ю.Д. Чистова, С.В. Шестоперова, А.Е. Шейкина и других российских и зарубежных ученых.
На основании обзора и анализа опубликованных научных работ определена цель диссертационной работы – выполнить исследование и разработать состав и технологию производства бетонов на мелких песках и наполненных цементах.
Одним из наиболее совершенных методов получения прочных бетонов на мелком песке без увеличения расхода цемента является модификация структуры цементной матрицы путем добавления к цементу минеральных тонкодисперсных порошков.
Выбор минеральных добавок-наполнителей был произведен с точки зрения возможных научно обоснованных физико-химических процессов, лежащих в основе механизма их воздействия на цементный камень.
Для исследований приняты тонкодисперсные порошки, полученные из золы, горелой шахтной породы, литьевой керамики, ила шахтных вод, графита, сажи, кварцевого песка, отходов силикатного кирпича.
Согласно положениям Ю.М. Баженова добавки были разделены на уплотнители (частицы 0,05 мм), разбавители (фракция 0,05-0,08 мм) и наполнители (фракция 0,08-0,14 мм).
Комплексное вяжущее получали путем смешивания цемента с дисперсной минеральной добавкой определенной фракции в пневматическом смесителе.
Равноподвижность теста из комплексных вяжущих обеспечивали водотвердым соотношением (рис. 1).
Установлено, что в наибольшей мере увеличивают водотвердое отношение (водопотребность) добавки-уплотнители, имеющие более развитую поверхность, имеющие более развитую поверхность. Однако увеличение водопотребности минеральных добавок-уплотнителей не связано однозначно с их удельной поверхностью. Так, например, кварцевый песок с частицами 0, мм и удельной поверхностью 5900 см2/г увеличивают водотвердое отношение с 27,5% (цемент без добавки) до 31,1% (замена 30% цемента минеральной добавкой), а зола (удельная поверхность 6100 см2/г) даже понижает водотвердое отношение до 26,3% (при том же ее содержании в вяжущем).
Аналогичные результаты получены и для тонкодисперсного порошка из литьевой керамики. Имея удельную поверхность 6100 см2/г (равнозначно кварцевому песку) эта добавка снижает водотвердое отношение до 25,1% (при содержании 30%).
Уплотнители Водотвердое отношение, % ( 0,05 мм) 27, 5 10 15 20 25 Рис. 1 – Влияние тонкодисперсных добавок на водопотребность вяжущего (цемент + добавка) 1 – кварцевый песок;
2 – отходы силикатного кирпича;
3 – литьевая керамика;
4 – горелая шахтная порода;
5 – зола;
6 – ил шахтных вод;
7 – графит;
8 – сажа.
Адсорбция молекул воды на твердых частицах зависит от энергетической способности поверхности, определяемой значениями дифференциальной внутренней энергии.
Согласно известным значениям дифференциальной теплоты адсорбции элементы, входящие в состав добавок-уплотнителей, можно расположить по убывающей степени следующим образом SiMgCaAlFe На основании этих теоретических положений и данных о химическом составе добавок-уплотнителей полученные результаты (рис. 1) можно оценить следующим образом.
Больше всего увеличивает водотвердое отношение добавка-уплотнитель из ила шахтных вод, что объясняется его наибольшей (кроме сажи) удельной поверхностью. И несмотря на то, что он состоит в основном из Fe2O3 (Fe имеет низкое значение теплоты адсорбции), развитость поверхности способствует увеличению водопотребности.
Следующим по значению водотвердого отношения является добавка кварцевого песка. Теплота адсорбции воды на поверхности кварцевых песчинок содержащих 80-90% SiO2, наибольшая и по известным данным составляет 28, ккал/моль. Удельная поверхность этой добавки меньше, чем например золы, однако вследствие высокой энергетической активности происходит формирование полимолекулярных адсорбционных слоев воды.
Добавка тонкомолотого силикатного кирпича имеет наименьшую удельную поверхность (за исключением горелой шахтной породы) и должна была бы иметь низкую водопотребность, однако высокое содержание SiO обеспечивает увеличение расхода воды вследствие высокой адсорбционной активности.
Графит имеет В/Т несколько ниже, чем у порошка из силикатного кирпипча. Его удельная поверхность практически такая же, как и у кварцевого песка. Однако отсутствие активных центров адсорбции уменьшает количество адсорбированной воды, что и приводит к более низкой, чем у кварцевого песка водопотребности.
Горелая шахтная порода имеет самую маленькую удельную поверхность.
Однако большое содержание SiO2 (52%) приводит к формированию адсорбционных слоев воды и достаточно высокому значению В/Т.
Зола, у которой В/Т ниже, чем у горелой шахтной породы, имеет удельную поверхность почти в два раза больше, а содержание SiO2 такое же.
Следовательно, она должна иметь более высокое В/Т. Однако кварц, содержащийся в золе, прокален, что приводит к изменению характера адсорбционного слоя воды, толщина которого близка к молекулярным размерам.
Еще более низкой водопотребностью обладает добавка-уплотнитель из тонкомолотой литьевой керамики. Это объясняется тем, что кварц в ее составе находится в оплавленном состоянии и не обладает адсорбционной активностью.
Наиболее низкой водопотребностью обладает сажа. Ее удельная поверхность велика (5000 см2/г) и поэтому следовало ожидать более высокого расхода воды для получения теста заданной подвижности. Однако микрокристаллическая структура сажи, включающая углеродные волокна, нанотрубки и шарообразные фуллерены, обеспечивает ее пластичность при низком водосодержании.
Указанные закономерности практически сохраняются при уменьшении дисперсности частиц (увеличении размера частиц), т.е. для добавок разбавителей и добавок-наполнителей.
Цементный камень из комплексного вяжущего.
Наиболее эффективное воздействие на прочность цементного камня оказывают добавки-уплотнители (табл. 1).
Молотый кварцевый песок, молотые отходы силикатного кирпича, зола, графит и сажа как добавки-уплотнители повышают прочность цементного камня на 5-20 МПа.
Действие этих добавок заключается в следующем.
Таблица Прочность цементного камня, содержащего 20% минеральных дисперсных добавок Прочность цементного Фракция Содержание камня (МПа) в возрасте Наименование добавки в % от массы 28 суток дисперсной добавки (размер сухой смеси частиц в мм) R Rf Портландцемент - - 64,5 10, ПЦ500Д 0,05 20 82,0 14, Молотый 0,05-0,08 20 72,6 12, кварцевый песок 0,08-0,14 20 66,0 10, Отходы 0,05 20 77,9 13, силикатного 0,05-0,08 20 70,5 10, кирпича 0,08-0,14 20 69,8 8, 0,05 20 64,1 12, Литьевая 0,05-0,08 20 61,8 11, керамика 0,08-0,14 20 54,2 11, 0,05 20 59,8 8, Горелая шахтная 0,05-0,08 20 57,8 8, порода 0,08-0,14 20 54,7 8, 0,05 20 70,1 13, 0,05-0,08 20 65,1 11, Зола 0,08-0,14 20 61,9 12, 0,05 20 58,4 10, Ил шахтных вод 0,05-0,08 20 58,5 9, 0,08 20 51,9 8, 0,05 20 70,2 11, Графит 0,05-0,08 20 69,2 8, 0,08-0,14 20 63,5 8, Сажа - 20 69,2 13, В тонкомолотом кварцевом песке (частицы размером 0,05 мм), реализуется влияние более развитой поверхности (поверхностной энергии) и возрастает количество центров кристаллизации, что способствует существенному повышению прочности цементного камня (на 20 МПа).
Согласно положениям В.В. Бабкова при введении в водовяжущую пасту тонкодисперсного наполнителя образуется мелкопористая структура, способствующая повышению прочности. На наш взгляд упрочнение цементного камня при введении тонкодисперсного кварцевого песка обусловлено еще и тем, что частицы добавки-уплотнителя, обладающие достаточно высокой прочностью, равномерно распределяются в пустотности цемента, а затем, после завершения процесса гидратации, остаются равномерно распределенными в цементном камне, упрочняя его структуру. Наличие большого количества активных центров кристаллизации обеспечивает сцепление кристаллов цементного камня с мелкодисперсными частицами песка.
Подтверждением этому может служить тот факт, что, например, дисперсные частицы такого же размера горелой шахтной породы или ила, не имеющие достаточного количества активных центров и не обладающие высокой механической прочностью, снижают прочность цементного камня.
Уплотнение и упрочнение цементной матрицы должно оказать влияние на усадочные деформации твердеющего цементного камня.
Установлено (рис. 2), что добавка-уплотнитель кварцевого песка снижает усадочные деформации в цементном камне (28 суток твердения, количество добавки 25% от массы вяжущего) с 1,6 мм/м до 1,23 мм/м.
При дроблении кварцевого песка за счет разрыва связей SiO в кремнекислородных тетраэдрах образуются элементы с нескомпенсированной валентностью. Наличие этих элементов способствует образованию низкоосновных гидросиликатов кальция состава CSH(B), которые покрывают поверхность кварца сросшимися игольчато-волокнистыми и трубчатыми кристаллами. Образование прочных эпитаксиальных контактов срастания очевидно и приводит к упрочнению цементного камня как при сжатии, так и при изгибе.
Добавка-уплотнитель из тонкомолотого силикатного кирпича повышает прочность цементного камня при сжатии на 14 МПа, а при изгибе на 3,5 МПа.
О.П. Мчедлов-Петросян установил большое влияние щелочности среды на интенсивность и глубину гидратации цемента. Чем щелочность среды выше (pH больше), тем больше продуктов гидратации цемента образуется в единицу времени. Наличие в тонкомолотом силикатном кирпиче гидроксида кальция способствует повышению щелочности жидкой фазы в водо-вяжущих пастах и способствует повышению прочности цементного камня.
Добавка-уплотнитель из тонкомолотой литьевой керамики при ее содержании более 15% снижает прочность цементного камня при сжатии, и в то же время повышает прочность при изгибе на 2,0-2,5 МПа.
Деформации усадки, мм/м 28 t, сут Рис. 2 - Деформации усадки твердеющего цемента с добавками уплотнителями.
1 – без добавки 2 – кварцевый песок 3 – отходы силикатного кирпича – литьевая керамика 5 – горелая шахтная порода 6 – зола 7 – ил шахтных вод 8 – графит 9 - сажа Основным составляющим литьевой керамики является кварцевый песок и, поэтому, следовало ожидать повышения прочности цементного камня при сжатии. Однако при нагреве формовочной смеси до температур 900-950°С глинозем вступает во взаимодействие с SiO2, образуя муллит 3Al2O3SiO2 и другие кристаллические силикаты. Следовательно при дроблении литьевой керамики образования активных центров за счет разрыва связи SiO не происходит.
Тонкомолотая литьевая керамика обладает некоторым пластифицирующим действием (рис. 1), снижая водотвердое отношение по сравнению с чисто цементной пастой. Именно этим можно объяснить повышение прочности цементного камня на сжатие на 2,0-2,5 МПа.
Добавка-уплотнитель из горелой шахтной породы снижает прочность цементного камня как при сжатии, так и при изгибе.
На первый взгляд химический состав горелых горных пород может привести к их участию в пуццолановых реакциях и способствовать упрочнению цементного камня. Однако происходящие при самообжиге в отвалах дегидратация и аморфизация глинистых минералов, образование остеклованных соединений мелилитового состава, наличие несгоревших частиц угля, слюды и других неактивных малопрочных соединений очевидно приводит к тому, что цементный камень с такими включениями теряет прочность.
Добавки-уплотнители на основе золы ТЭС повышают прочность цементного камня при сжатии на 5,0-6,0 МПа и при изгибе на 2,5-3,0 МПа. Зола содержит как связанные в химические соединения, так и свободные оксиды кремния, алюминия, железа и кальция. Наличие свободных оксидов свидетельствует о пуццолановой активности золы. Высокая развитость поверхности и наличие активных центров обеспечивает сцепление с минералами цементного клинкера.
Добавка-уплотнитель ила шахтных вод в малых количествах (до 10%) несколько повышает прочность цементного камня при сжатии и изгибе. Ил обладает большой водоудерживающей способностью (рис. 1). Частицы ила, расположенные в межзерновом пространстве цемента, как бы запасают воду, обеспечивая в дальнейшем более полную гидратацию цемента. Поэтому усадочные деформации цементного камня, содержащего частицы ила, несколько снижаются (рис. 3). При увеличении содержания ила в вяжущем более 10%, происходит снижение прочности цементного камня. Это вызвано с одной стороны большим водотвердым отношением, а с другой – малым количеством прочных кристаллических соединений и достаточно большим количеством органических примесей.
Добавка-уплотнитель графита повышает прочность бетона при сжатии на 4,5-5,0 МПа и практически не влияет на прочность при растяжении. Графит имеет слоистую кристаллическую структуру. Расстояние между слоями обеспечивает возможность сорбции молекул воды в межплоскостное пространство. Расположенные в пустотности зерен цемента частицы графита, способствуют более полной его гидратации. В то же время кристаллы графита обладают анизотропией, т.е. зависимостью свойств от направления действующих сил. Плоскостные решетки графита достаточно легко смещаются при действии сил, направленных параллельно их поверхности. Очевидно это и приводит к тому, что с увеличением прочности при сжатии прочность при изгибе не возрастает.
Добавка-уплотнитель сажи на 3,0-4,0 МПа увеличивает прочность цементного камня при сжатии и на 1,0-1,5 МПа при изгибе. Механизм воздействия сажи на твердение цементного камня может быть объяснен с позиции свойств фуллеренов, входящих в ее состав.
В процессе твердения цемента с добавкой сажи могут протекать следующие процессы:
диссоциация воды на протоны и гидроксилы;
адсорбция нанотрубками протонов Н+;
протонами Н+ с образованием взаимодействие фуллеренов С60 с гидрированных фуллеренов С60Н60 или протонирование с образованием катионов С60Н60+;
ускорение и углубление реакций гидратации за счет повышения концентрации гидроксилов ОН- в жидкой фазе;
взаимодействие катионов С60Н60+ с отрицательными активными центрами.
Известно, что фуллерены С60 могут осаждаться на поверхности частиц оксида кремния с образованием микрокристаллических алмазных пленок. Это должно привести к упрочнению цементита при содержании в нем гранул SiO2.
Для проверки этого предположения в качестве добавки-уплотнителя была принята смесь сажи и тонкодисперсного кварцевого песка фракции менее 0, мм при соотношении сажа : песок 9:1;
8:2;
7:3;
6:4;
5:5;
4:6;
3:7;
2:8;
1:9. Общее количество добавки в каждом случае составляло 25% от массы вяжущего.
Полученные результаты показали, что комплексная добавка-уплотнитель из сажи и кварцевого песка увеличивает прочность цементного камня по сравнению с добавкой-уплонителем только из кварцевого песка. Наиболее эффективным является соотношение сажа : песок 6:4, при котором прочность цементного камня увеличивается на 6,5-7,0 МПа.
Термическая обработка сажи способствует образованию в ней частиц в виде полых многогранников с хорошо графитизированной углеродной оболочкой, т.е. фуллеренов. В связи с этим сажа была прокалена в муфельной печи ПМ-9 при температуре свыше 900°С и на ее основе было получено комплексное вяжущее.
Цементный камень с добавкой, включающей прокаленную сажу, превосходит по прочности цементный камень с сажей, не подвергавшейся прокаливанию, на 2,5-2,8 МПа при соотношении сажа : песок 4:6;
5:5 и 6:4. Это может быть объяснено увеличением содержания в саже фуллеренов.
Эффективность добавок-разбавителей ниже по сравнению с добавками уплотнителями из одних и тех же исходных веществ.
Еще больше снижается эффективность при переходе к добавкам наполнителям (табл. 1).
Бетоны на комплексном вяжущем.
Исследованы свойства бетона на комплексных вяжущих, полученных из цемента и тонкодисперсных добавок.
В качестве контрольных приняты составы бетонной смеси с расходом компонентов (на 1 м3): I - цемент – 390 кг;
песок (Мкр=1,18) – 620 кг;
щебень (фракция 5-10 мм) – 1180 кг;
вода – 194 л (В/Ц=0,495);
II - аналогичный состав с расходом цемента 312 кг (80% от принятого в первом составе).
Для исследуемых бетонных смесей с тонкодисперсными минеральными добавками был принят такой же расход песка и щебня, а расход вяжущего составлял: цемент – 312 кг (80%);
добавка – 78 кг (20%). Водовяжущее отношение определялось исходя из условия равноподвижности смесей.
При снижении расхода цемента на 20% прочность контрольного бетона при сжатии уменьшается на 20% (с 32,7 МПа до 26,1 МПа), а при изгибе на 32% (с 7,43 МПа до 5,12 МПа) (табл.2). Недостаток цемента в бетонах на мелком песке приводит к появлению контактов между частицами наполнителя и зернами заполнителя без цементной прослойки. Коэффициент трещиностойкости бетона при этом уменьшается на 14%.
При замещении в первом контрольном составе 20% цемента тонкомолотыми минеральными добавками происходит следующее (табл.2).
При этом необходимо отметить, что прочность цементного камня с этой добавкой возрастает на 30%.
Добавка-наполнитель из кварцевого песка увеличивает прочность бетона при сжатии на 10%. Практически на такую же величину с этой добавкой возрастает и прочность цементного камня (13%).
Таблица Прочность и трещиностойкость бетонов на комплексном вяжущем из цемента и минеральных тонкодисперсных добавок Прочность, МПа Характе № ристика Водовяжущее Наименование сос- Вид добавки трещино отношение добавки сжатие изгиб В/(Ц+Д) тава образова ния Rf/R Цемент без добавок, 1 - 0,495 32,7 7,43 0, расход кг/м3 (100%) Цемент без добавок, 2 - 0,506 26,2 5,12 0, расход кг/м3 (80%) 3 Уплотнитель 0,517 38,6 9,10 0, Кварцевый 4 Разбавитель 0,512 36,3 7,76 0, песок 5 Наполнитель 0,513 33,4 6,88 0, 6 Уплотнитель 0,520 34,3 8,02 0, Отходы 7 силикатного Разбавитель 0,520 32,2 7,02 0, кирпича 8 Наполнитель 0,517 31,7 6,46 0, 9 Уплотнитель 0,490 29,0 6,67 0, Литьевая 10 Разбавитель 0,492 28,0 6,55 0, керамика 11 Наполнитель 0,492 26,8 6,49 0, 12 Уплотнитель 0,512 27,9 5,21 0, Горелая 13 шахтная Разбавитель 0,509 25,9 4,94 0, порода 14 Наполнитель 0,508 22,2 4,39 0, 15 Уплотнитель 0,491 33,6 7,63 0, 16 Зола Разбавитель 0,490 31,8 6,58 0, 17 Наполнитель 0,490 31,1 6,56 0, 18 Уплотнитель 0,516 24,7 4,70 0, Ил шахтных 19 Разбавитель 0,515 24,2 4,25 0, вод 20 Наполнитель 0,510 22,8 4,12 0, 21 Уплотнитель 0,510 30,2 5,40 0, 22 Графит Разбавитель 0,505 29,4 5,18 0, 23 Наполнитель 0,506 29,1 4,69 0, 24 Сажа Уплотнитель 0,488 35,0 7,65 0, Песок(40%) 25 Уплотнитель 0,491 37,8 8,85 0, +сажа(60%) Добавка-уплотнитель из кварцевого песка не только обеспечивает прочность бетона со 100%-ным расходом цемента, но и повышает ее на 18%.
Добавка-разбавитель из кварцевого песка обеспечивает прочность бетона практически такую же, как и при 100% расходе цемента.
Для определения возможной причины снижения эффективности добавки уплотнителя в бетоне по сравнению с цементным камнем были определены фактические объемы наполненного цемента. Полученные результаты (табл. 3) сравнивались между собой и объемом цемента массой, равной массе цемента с тонкодисперсной минеральной добавкой.
Таблица Объемы вяжущего из цемента и тонкодисперсного кварцевого песка Мас- Мас- Сум- Получен Объем Вид добавки Объем Vц + д Vц +д са са мар- ный цемен- из добав Vц + Vд Vц це- до- ный объем та Vц, кварцевого ки Vд, мен- бав- Vц+ вяжущего см3 см песка та, г ки, г Vд, см Vц+д Уплотнитель 12,7 74,7 67,2 0,89 0, 80 62,0 Разбавитель 20 13,6 75,6 76,8 1,01 0, Наполнитель 14,2 76,2 78,4 1,03 1, * Vц - объем 100 г цемента, равный 77,4 см Объем цемента массой 100 г составил 77,4 см3. Наполненное вяжущее приготавливалось путем пневматического смешивания 80 г цемента и 20 г добавки уплотнителя, разбавителя или наполнителя из кварцевого песка. Перед смешиванием определялся объем добавки в насыпном состоянии.
При сравнении полученных результатов установлено, что объем вяжущего, полученного из цемента и добавки-уплотнителя составляет 0,87 от объема цемента с такой же массой. Следовательно, такого количества вяжущего недостаточно для получения оптимально плотной структуры. Поэтому получаемая прочность бетона ниже, чем ожидаемая исходя из прочности цементного камня с добавкой-уплотнителем из кварцевого песка (прирост прочности цементного камня составил 20 МПа).
Объемы вяжущего, полученного из цемента и добавок наполнителя и разбавителя практически равны объему цемента соответствующей массы.
Добавка-уплотнитель из тонкодисперсного силикатного кирпича увеличивает прочность бетона на 5% (цементный камень имеет прирост прочности 10,5%), т.е. меньше чем у цементного камня. Это можно объяснить не только недостаточным количеством вяжущего (по аналогии с кварцевым песком), но и более высокой водопотребностью бетонной смеси.
Добавки разбавитель и наполнитель из тонкодисперсного силикатного кирпича обеспечивают заданную прочность бетона.
Тонкомолотая минеральная добавка из литьевой керамики с дисперсностью уплотнителя и разбавителя повышает прочность бетона по сравнению с его прочностью при 80% расходе цемента. Однако заданную прочность (при 100% расходе цемента) она не обеспечивает. Добавка наполнитель из литьевой керамики практически не влияет на прочность бетона.
При введении в вяжущее добавки-уплотнителя из горелой шахтной породы прочность бетона остается практически такой же как и на чистом цементе, при расходе 312 кг/м3 (80%). Добавка-наполнитель и добавка-разбавитель из горелой шахтной породы снижают прочность бетона.
Степень воздействия золы на прочность бетона практически не зависит от дисперсности добавки. Все добавки (уплотнитель, разбавитель, наполнитель) обеспечивают такую же прочность, как и при 100% расходе цемента.
Добавки ила шахтных вод всех гранулометрических фракций снижают прочность бетона как при сжатии, так и при изгибе.
Прочность бетона с добавками графита превышает прочность бетона с 80% расходом цемента, но не достигает прочности бетона со 100% расходом цемента.
Добавка сажи увеличивает прочность бетона практически на столько, на сколько возрастает прочность цементного камня.
Было изучено влияние на прочность бетона комплексной добавки уплотнителя фулеренного действия состоящей из кварцевого песка (40%) и сажи (60%). Общее количество добавки составило 20% от массы вяжущего.
Полученные результаты показали (табл.2), что по сравнению с сажей, обеспечивающей прочность бетона при сжатии 35,0 МПа, комплексная добавка повышает прочность бетона до 37,8 МПа.
Анализируя полученные результаты, все изученные добавки можно разбить на три группы (рис. 3).
- упрочняющие добавки, которые могут заменить 20% цемента при обеспечении заданной прочности бетона.
- стабилизирующие добавки, которые могут быть добавлены в количестве 20% к нормативному расходу цемента для гарантийного обеспечения требуемой прочности бетона.
Rсж, МПа Упрочнители.
Могут заменить 20% цемента.
32, Стабилизаторы.
Повышают вероятность получения бетона заданной прочности при заданном расходе 26, Добавки, снижающие прочность бетона.
Не рекомендуется к применению.
уплотнители разбавители наполнители Рис. 3 – Влияние вяжущего из цемента и тонкодисперсной минеральной добавки (20% от массы вяжущего) на прочность при сжатии бетонных образцов (32,7 МПа – прочность бетона без добавок с количеством цемента 390 кг на 1 м3, 26,1 МПа – 312 кг на 1 м3) 1 – кварцевый песок;
2 – силикатный кирпич;
3 – литьевая керамика;
4 – горелая шахтная порода;
5 – зола;
6 – ил шахтных вод;
7 – графит;
8 – сажа;
9 – кварцевый песок (40%) + сажа (60%).
- тонкомолотые минеральные добавки, снижающие прочность бетона и не рекомендуемые к практическому применению.
Добавки, снижающие прочность бетона, были исключены из дальнейших исследований.
Изучена структура, водонепроницаемость и морозостойкость бетонов, изготовленных на комплексном вяжущем, содержащим цемент и тонкодисперсные минеральные добавки. результаты исследований показали следующее.
Упрочняющие добавки, заменяя 20% расхода цемента, способствуют формированию мелкопористой структуры бетона. При этом его водонепроницаемость возрастает до значений В8-В10, а морозостойкость в два и более раз (табл.4).
Таблица Физико-механические свойства бетонов на основе вяжущего из цемента и тонкодисперсной минеральной добавки, увеличивающей прочность бетона (добавки-упрочнители) Прочность в Параметры № Водопог- Водоне- Морозо состава возрасте 28 сут, поровой лощение, проницае- стойкость, МПа структуры по табл.
% мость цикл 2 сжатие изгиб 1 32,7 7,43 1,22 0,52 6,59 В4 F 2 26,2 5,12 1,95 0,51 7,87 В2 F 3 38,6 9,10 0,85 0,47 4,98 В10 F 4 36,3 7,76 1,09 0,52 5,71 В8 F 5 33,4 6,88 1,21 0,49 6,02 В6 F 6 34,3 8,02 0,93 0,45 5,26 В8 F 15 33,6 7,63 1,04 0,56 6,43 В6 F 24 35,0 7,65 0,76 0,64 4,82 В8 F 25 37,8 8,85 0,71 0,69 4,16 В10 F Добавление к нормативному расходу цемента 20% стабилизирующих добавок обеспечивает 100%-ую вероятность получения бетона заданной прочности (табл.5).
Таблица Физико-механические свойства бетонов на основе вяжущего из цемента и тонкодисперсной минеральной добавки, стабилизирующей прочность бетона (добавки-стабилизаторы) Прочность в Параметры возрасте 28 сут, поровой Водопогло № состава МПа структуры В/Ц В/В щение по по табл. массе, % При При сжатии изгибе 2 0,506 0,506 26,2 5,12 1,95 0,51 7, 7 0,650 0,520 32,2 7,02 1,41 0,58 7, 8 0,646 0,517 31,7 6,46 1,27 0,52 7, 9 0,612 0,490 29,0 6,67 1,04 0,56 5, 10 0,615 0,492 28,0 6,55 1,21 0,56 6, 11 0,615 0,492 26,8 6,49 1,26 0,52 6, 12 0,640 0,512 27,9 5,21 2,06 0,49 8, 16 0,612 0,490 31,8 6,58 1,81 0,59 7, 17 0,612 0,490 31,1 6,56 2,12 0,64 8, 21 0,637 0,510 30,2 5,40 1,09 0,60 6, 22 0,631 0,505 29,4 5,18 1,07 0,66 7, 23 0,632 0,506 29,1 4,69 1,19 0,64 7, Лабораторные и опытно-производственные испытания подтвердили возможность изготовления бетонов заданной прочности на мелких песках без увеличения расхода цемента.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Статистический анализ прочностных показателей бетонов на мелком песке, выпускаемых на заводах Ростовской области, показал, что при обеспечении заданной прочности бетона, расход цемента на 8-27% превышает значения, рекомендуемые СНиП 82.02-95. После тепловлажностной обработки от 6% до 16% выпускаемых изделий не набирают отпускную прочность бетона.
2. Методом расчета двух- и трехмерных полидисперсных структур установлено, что для мелких песков, имеющих большую удельную поверхность, при нормативном расходе цемента остается незаполненной 15 25% этой поверхности, что приводит к появлению «сухих» контактов между частицами песка и снижению прочности бетона.
3. Исследовано влияние на прочность цементного камня тонкодисперсных минеральных добавок различного минералогического и химического состава. Установлено, что добавки-уплотнители из кварцевого песка, силикатного кирпича, золы и сажи повышают прочность цементного камня на 5-25МПа при содержании 15-30% от массы вяжущего.
4. Предложена добавка-уплотнитель фулеренного действия, состоящая из тонкодисперсного кварцевого песка (40%) и сажи (60%), повышающая прочность цементного камня на 15-27МПа. Механизм действия добавки обусловлен повышением концентрации гидроксилов ОН- в жидкой фазе за счет образования соединений типа С60Н60+, взаимодействующих с отрицательными активными центрами, а также осаждением фулеренов С на поверхности кварцевых частиц с образование микрокристаллических алмазных пленок.
5. Эффективность дисперсных минеральных добавок возрастает при уменьшении размера их частиц: наполнители разбавители уплотнители.
6. Теоретически и экспериментально обоснована возможность получения бетона заданной прочности при нормативном расходе цемента увеличением количества вяжущего путем добавления к цементу тонкодисперсных минеральных добавок различного фракционного состава – уплотнителей ( 0,05 мм), разбавителей (0,05-0,08 мм) и наполнителей (0,08-0,14 мм).
7. Добавки-уплотнители из кварцевого песка, силикатного кирпича, золы и сажи способствуют формированию более плотной мелкопористой структуры бетона, увеличивают прочность, снижают водопоглощение и повышают морозостойкость. Наибольшей эффективностью обладает добавка уплотнитель фулеренного действия, повышающая прочность бетона на 15%, снижающая водопоглощение до 4,16%, показатель среднего размера пор до 0,71, формирующая более однородную мелкопористую структуру (=0,69) и обеспечивающая высокую морозостойкость и водонепроницаемость (В10).
Опытное внедрение полученных результатов подтвердило эффективность выполненных исследований.
Автором опубликовано 14 работ в том числе 12 по теме диссертации, из которых 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Гаврилов А.В. Экспериментально-теоретические предпосылки повышения прочности цементного камня тонкодисперсными минеральными добавками и добавкой, содержащей фулерены /П.Н. Курочка, А.В. Гаврилов// «Вестник РГУПС». - Ростов-на-Дону. 2013 г. №1.
2. Гаврилов А.В. Бетоны на комплексном вяжущем и мелком песке. /П.Н.
Курочка, А.В. Гаврилов// [Электронный ресурс] Инженерный вестник Дона, 2013 №1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/ (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
3. Гаврилов А.В. Соотношение размера частиц в полидисперсных структурах как первый шаг к оптимизации составов композиционных вяжущих.
/П.Н. Курочка, А.В. Гаврилов// [Электронный ресурс] Инженерный вестник Дона, 2013 №2. – http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1596 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
4. Гаврилов А.В. Использование техногенных отходов в строительстве. // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении: Труды второй международной отраслевой научно технической конференции. – Ростов н/Д: РГУПС, 2000.
5. Гаврилов А.В. Прогнозирование эксплуатационных свойств бетона с помощью структурно-технологических характеристик. // Технологии и системы управления на транспорте: Сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и докторантов. Ростов н/Д: РГУПС, 2001.
6. Гаврилов А.В. Влияние мелкого заполнителя на свойства бетона. // Технологии и системы управления на транспорте: Сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и докторантов. Ростов н/Д: РГУПС, 2001.
7. Гаврилов А.В. Подбор составов бетонных смесей оптимальной структуры методом линейного программирования. // Структура и свойства искусственных конгломератов: Международный сборник научных трудов – Новосибирск, 2003. – С. 55-56.
8. Гаврилов А.В. Влияние мелкодисперсных песков на прочностные характеристики бетона. /Курочка П.Н., Гаврилов А.В.// Структура и свойства искусственных конгломератов: Международный сборник научных трудов.
Новосибирск, 2003. – С. 90-93.
9. Гаврилов А.В. Подбор составов искусственных строительных конгломератов. /Курочка П.Н., Гаврилов А.В.// Структура и свойства искусственных конгломератов: Международный сборник научных трудов.
Новосибирск, 2003. – С. 47-50.
10. Гаврилов А.В. Влияние мелкодисперсных добавок на цементную матрицу. /Курочка П.Н., Пахрутдинов И.П., Гаврилов А.В.// Современные материалы и технологии в строительстве: Международный сборник научных трудов. Новосибирск, 2003. – С. 77-80.
11. Гаврилов А.В. Cтруктурообразование бетонов с мелкодисперсными добавками. /Курочка П.Н., Гаврилов А.В.// Вестник одесской государственной академии строительства и архитектуры. Выпуск 23. Одесса, 2006. С. 146-152.
12. Гаврилов А.В. Прочность бетона на мелких песках с тонкодисперсными добавками. /Курочка П.Н., Гаврилов А.В.// Материалы XV академических чтений РААСН – международной научно-практической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». Казань. 2010. Т.1. С. 243-247.
Гаврилов Александр Витальевич БЕТОНЫ НА МЕЛКОМ ПЕСКЕ И НАПОЛНЕННОМ ЦЕМЕНТЕ Специальность:05.23.05 – Строительные материалы и изделия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати 18.04.2013г. Формат бумаги 60х84/16.
Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,16.
Тираж 100. Заказ №.
Ростовский государственный университет путей сообщения Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС.
Адрес университета: 344038, г. Ростов-н/Д, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.