ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА

ТА АРХІТЕКТУРИ

БАБІЙ ІГОР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 666.965.4.

МЕХАНОАКТИВОВАНІ ЦЕМЕНТНІ СУСПЕНЗІЇ

ТА БЕТОНИ НА ЇХ ОСНОВІ

05.23.05 – БУДІВЕЛЬНІ МАТЕРІАЛИ ТА ВИРОБИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОДЕСА - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА), Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Барабаш Іван Васильович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, декан будівельно-технологічного факультету, член-кореспондент академії будівництва України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Федоркін Сергій Іванович, Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва, завідуючий кафедрою технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів, місто Сімферополь;

кандидат технічних наук, доцент Коваль Сергій Володимирович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри процесів та апаратів в технології будівельних матеріалів, місто Одеса.

Провідна установа:

Донбаська державна академія будівництва та архітектури ДонДАБА, кафедра технології будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг, Міністерство освіти і науки України, місто Макіївка.

Захист відбудеться “ 13 ” червня 2002 р. о 13 00 годині на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д 41.085.01 Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона,4.

Автореферат розісланий “_13__”_травня__2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент С.С. Макарова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дисертаційної роботи. На даний період становлення України і виходу її на міжнародний ринок в галузі будівельних матеріалів необхідно приділяти особливу увагу технології, якості і номенклатурі виготовлених виробів.

Важливою характеристикою композиційних будівельних матеріалів на основі портландцементу і його різновидів, використовуваних при будівництві, виготовленню виробів, експлуатації і реконструкції споруджень, є швидкий набір міцності. Використання для цих цілей швидкотверднучих цементів (ШТЦ) з ряду причин, зокрема через їхню високу вартість і знижену корозійну стійкість, є дуже обмеженим. Практично неможлива, в умовах будівельного майданчика, інтенсифікація процесів твердіння розчинних і бетонних сумішей за допомогою тепловологої обробки. Тому, на сьогоднішній день, особливо актуальним є пошук технологічних прийомів, що дозволяють різко прискорювати процеси структуроутворення композитів на рядових портландцементах і здатних у короткий термін набирати високу міцність при нормальних умовах твердіння. У цьому змісті перспективною, з погляду економічної ефективності, представляється роздільна технологія (РТ) приготування бетонних сумішей. Використання оптимальних по дисперсності і кількості мінеральних наповнювачів, ефективних добавок ПАР в процесі швидкісного гідродинамічного змішування цементних суспензій забезпечує різке прискорення процесів твердіння цементу, що дозволяє наближати по швидкості набору міцності звичайні портландцементи до швидкотверднучих. Це, в свою чергу, дає можливість скоротити режими ТВО, а у деяких випадках взагалі відмовитися від неї, а також розширити номенклатуру виробів.

Зв’язок роботи з науковими програмами: Робота виконувалася на кафедрі “Будівельні матеріали” Одеської державної академії будівництва та архітектури по держбюджетній темі № 78 “Аналіз механізмів формування технологічної спадковості та її вплив на основні властивості будівельних матеріалів та конструкцій”.

Мета і задачі дослідження:

Метою даної роботи є підвищення ефективності використання цементу в бетонах за рахунок реалізації трибоефектів і оптимізації дисперсності і кількості кварцового наповнювача в присутності добавок ПАР.

Для виконання поставленої мети були визначені наступні задачі досліджень:

- вивчити вплив режимів активації на зміну ефективної в'язкості цементвміщуючих суспензій в умовах швидкісного змішування;

- оцінити вплив дисперсності і кількості кварцового наповнювача, на зміну ефективної в'язкості суспензій;

- оцінити вплив трибохімічної активації на кінетику структуроутворення цементних композицій;

- вивчити вплив дисперсності і кількості кварцового наповнювача, на міцностні властивості цементного каменю;

- дослідити вплив рецептурно-технологічних факторів на фізико-механічні характеристики бетонів;

- розробити рекомендації і впровадити результати досліджень у виробництво.

Об’єкт досліджень – цементні суспензії з кремнеземистим наповнювачем (молотий кварцовий пісок) виготовлені в умовах швидкісного змішування.

Предмет досліджень – вплив швидкісного змішування на основні фізико-механічні властивості цементних суспензій з наповнювачем, цементного каменю та бетонів.

Методи дослідження. Оцінка реологічних параметрів технологічних сумішей по кривих ефективної в’язкості. Проведення багатофакторних експериментів для одержання ЕС – моделей, які описують зв’язок між факторами складу композита, технологією приготування і його властивостями. Експериментальне визначення загальнобудівельних показників. Обчислювальні експерименти з комплексом експериментально-статистичних моделей цих показників.

Наукова новизна одержаних результатів:

- виявлено вплив швидкісного змішування на зміну ефективної в'язкості цементовміщуючих суспензій із кремнеземистим наповнювачем в присутності добавки ПАР;

- виявлено вплив механо-хімічної активації на швидкість гідратації цементу.

- встановлено закономірності впливу кількості і дисперсності кремнеземистого наповнювача на зміну міцності активованих цементних композитів;

- виявлено посилення ефекту активації часток в'яжучого при введенні в технологічну суміш кварцового піску грубого помелу (Sпит = 200 м2/кг) ;

Практичне значення одержаних результатів.

- встановлено режими швидкісного змішування цементних композицій із кремнеземистим наповнювачем;

- на підставі аналізу комплексу експериментально-статистичних моделей здійснена оптимізація бетонів і режимів термічної обробки з урахуванням економії енергоносіїв;

- визначено можливість одержання швидкотверднучих в'яжучих на основі рядових цементів;

- отримано можливість використовувати дану технологію для виробництва дрібноштучних виробів, для монолітного будівництва, а також для реконструкції будинків і споруд внаслідок значного набору міцності в початкові періоди твердіння,

- здійснено впровадження лабораторних досліджень у виробництво шляхом випуску дослідно-промислової партії бетонної бруківки на ПП “Барко” об’ємом 800 м2.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем були отримані:

- експериментальні дані про реологічні, технологічні, загальнобудівельні властивості активованих цементних композицій з кварцовим наповнювачем.

- склади бетонів виготовлених по роздільній технології, твердіючих як в нормальних умовах, так і при ТВО.

- на ротаційному віскозиметрі проведено комплекс експериментальних дослідів по вивченню впливу дисперсності і вмісту кремнеземистого наповнювача в присутності добавок ПАР на зміну ефективної в’язкості цементних суспензій.

- результати по вивченню впливу дисперсності і вмісту кремнеземистого наповнювача на міцностні властивості цементного каменю і фізико-механічні властивості бетонів.

Апробація дисертаційної роботи:

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних семінарах: “Раціональний експеримент у матеріалознавстві” (Одеса, 2000); “Композиційні матеріали для будівництва” (Макіївка, 2000); “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць Випуск №4 і №5” (Рівне, 2000); “Моделювання й оптимізація в матеріалознавстві” (Одеса, 2001).

Публікації:

За результатами дисертаційної роботи опубліковано 5 друкованих праць, у тому числі 3 статті у наукових фахових виданнях і 2 статті у матеріалах доповідей у збірниках міжнародних конференцій і семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з введення, основної частини (5 розділів), висновків, а також списку використаних джерел і 1 додатку. Загальний обсяг роботи складає _147_сторінок, з яких_100_ сторінок основного тексту, _32_ рисунка на _31_ сторінці, _11_ таблиць на _8_ сторінках, список використаної літератури з _155_ найменувань на _13_ сторінках, _2_ сторінки додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи - відзначені, зокрема, її ціль і задачі, основні наукові і практичні результати, апробація.

У першому розділі проведений аналіз публікацій, що дозволив сформулювати мету і задачі роботи, вибрати методику.

Будівельні матеріали на даний період мають потребу в пошуку і впровадженні інженерних рішень поліпшення їхньої технології і якості, спрямованих на задоволення запитів сучасного ринку будівельних матеріалів.

Тому, одна з актуальних проблем сучасної технології різноманітної гами будівельних матеріалів і виробів полягає в інтенсифікації технологічних процесів і поліпшенні якості продукції.

Складові будівельних виробів та матеріалів характеризуються низкою загальних ознак, які визначають тотожність умов і закономірностей їх отримання. До них відносяться гетерогенність і багатофазність системи. Ці ознаки будівельних матеріалів дозволяють віднести їх до розділу фізико-хімії висококонцентрованих дисперсних систем. Великий внесок в вивчення поведінки таких систем на різних етапах технологічної переробки, дослідження кінетики їх структуроутворення внесли роботи П.О. Ребіндера, М.М. Круглицького, В.М. Вирового. Основні технологічні та експлуатаційні властивості визначаються, зокрема, реологічними характеристиками технологічних сумішей (М.Г. Ур’єв, Г.В. Виноградов, Я. Іванов), міцністю структури та сукупністю структурно-механічних властивостей системи (В.І. Соломатов, В.В. Рєзник, Ю.Б. Потапов). В значній мірі кінетику структуроутворення в системі і кінцеві властивості матеріалу визначає міжчасткова взаємодія на початковій стадії формування мікроструктури композита. До факторів, які змінюють умови переорганізації структури відносяться: рецептурні – вид, дисперсність, вміст наповнювача і в’яжучого, вид і кількість ПАР, а також технологічні – умови змішування, режими тепловологої обробки.

Перемішування матеріалів являється однією з головних операцій, особливо при приготуванні бетонних сумішей. В процесі змішування складові суміші рівномірно розповсюджуються по об’єму, змочуються водою, в результаті чого повинна сформуватися однорідна маса. В необхідній мірі це можна вирішити з допомогою роздільної технології (РТ). Таке ділення технологічних операцій припускає формування оптимальної мікроструктури здійснювати шляхом інтенсивних гідродинамічних впливів на складові в швидкісних трибозмішувачах-активаторах, які сприяють активації в’яжучого, наповнювача і рівномірному розподіленню їх по всьому об’єму. Задовільна якість макроструктури досягається простим поєднанням активованого цементного тіста з заповнювачами в традиційних бетонозмішувачах.

В процесі швидкісного змішування суспензій, завдяки підведенню значної кількості механічної енергії, здійснюється руйнування просторових агрегатів, змінюються умови контактування часток, що приведе до зниження в’язкості дисперсної системи. Це, в свою чергу, дозволяє збільшити вміст дисперсної фази при умові отримання рівнов’язких суспензій. Тому, критерієм ефективності рецептурно-технологічних впливів на концентровані дисперсні системи була прийнята ступінь руйнування їх початкової структури, яка визначається відносною зміною ефективної в’язкості.

В другому розділі приведена загальна блок-схема досліджень, методика виконання експериментів, та характеристики використаних матеріалів.

При проведенні експериментів використаний портландцемент Одеського цементного заводу ВАТ “Югцемент”; кварцовий пісок Олександрівського кар’єру Миколаївської області з Мкр = 2.2, а як наповнювач – молотий пісок з величиною питомої поверхні Sпит= 350±150 м2/кг. Як поверхнево-активна речовина використовувався суперпластифікатор С-3.

В третьому розділі було визначено оптимальну швидкість і час при яких буде проходити змішування компонентів в’яжучого. Ступінь наповнення цементного в’яжучого молотим кварцовим піском складала 25 %, В/Т=0.25. Швидкість обертання ротора змішувача змінювалася в діапазоні 2800±1000 об/хв.

Було встановлено, що з збільшенням кількості обертів ротора змішувача відбувається зниження мінімально-досягаємої в’язкості суспензії. Але надмірне збільшення обертів (вище 2800 об/хв) робочого органу змішувача є малоефективним. Так, якщо при збільшені швидкості обертів з 1800 до 2800 об/хв. мінімальна в’язкість суспензії знижується з зэф.min = 0.18 Па?с до ?эф.min = 0.11 Па?с, тобто на 38 %, то подальше збільшення швидкості обертання з 2800 об/хв до 3800 об/хв. знижує цей показник з зэф.min = 0.11 Па?с до ?эф.min = 0.095 Па?с, тобто лише на 13.6 %. Крім того підвищення швидкості обертання робочого органу змішувача пропорційно квадрату частоти виходу їх з ладу. Тому для подальших досліджень оптимальною була прийнята швидкість обертання ротора змішувача 2800 об/хв.

Відомо, що збільшення питомої поверхні дисперсних матеріалів призводить до збільшення в’язкості дисперсних систем, виготовлених традиційним способом. В той же час встановлено, що обробка аналогічних суспензій в'яжучого в умовах швидкісного гідродинамічного змішування дозволяє отримати меншу в’язкість при більшій величині питомої поверхні молотого кварцового піску (рис.1.а.), що відкриває нові можливості для використання високодисперсних наповнювачів. Так, якщо в’язкість суспензії наповненої кремнеземом з Sпит= 200 м2/кг досягає свого мінімального значення через 2 хв. швидкісної обробки, то при введені в цементну суспензію молотого піску з Sпит= 500 м2/кг для досягнення мінімальної в’язкості суспензію необхідно змішувати на протязі 3-4 хв. Це, ймовірно, можливо пояснити підвищеною схильністю високодисперсних порошків до утворення просторових агрегатів, і внаслідок цього необхідністю підведення більшої кількості енергії для їхнього руйнування.

В свою чергу заміна частини цементу на молотий кварцовий пісок призводить до значного зниження (в 1.75 рази) ефективної в’язкості системи (рис.1.б.).

Використання інтенсивного гідродинамічного змішування без введення добавок ПАР чи малої їх кількості (до 0.5 %) є малоефективним із-за швидкого зросту ефективної в’язкості в першу хвилину змішування.

Таким чином, змінюючи кількість і дисперсність наповнювачів, вміст добавки ПАР, режими швидкісного змішування можливо ефективно управляти реологічними характеристиками цементних суспензій.

Досліди показують, що вплив швидкісного змішування на ефективну в’язкість суспензій неоднозначний в часі. Так після початкового розрідження і досягнення мінімальної в’язкості суміш починає знову загустівати.

Для того, щоб встановити причини таких змін, при обробці суспензій в швидкісних змішувачах контролювались одночасно три вихідні параметри:

- ефективна в’язкість;

- температура суміші;

- водовідділення.

Встановлено (рис.2.а,б), що початкове зниження в’язкості супроводжується зменшенням кількості вільної води в системі. І в той час, коли в’язкість досягає свого мінімального значення, водовідділення практично повністю припиняється. В цей час спостерігається більш

інтенсивний приріст температури суміші, що є свідченням про збільшення сил тертя між частками в'яжучого і наповнювача.

Таким чином, вільна вода і пластифікатор адсорбуючись на заново утворених поверхнях, поступово переходять в зв’язаний стан і перестають виконувати роль “змазки”, що призводить до збільшення сил тертя, і як наслідок, більш інтенсивному розігріву і загустіванню системи.

Про швидкість процесів тужавлення посередньо можливо судити по тепловиділенню твердіючої суміші, по кількості хімічно зв’язаної води, а також по термінам тужавлення.

Встановлено, що активовані цементні суспензії характеризуються більш інтенсивним тепловиділенням за весь досліджуваний період. Так через 1 час тужавлення різниця в температурі активованих цементних суспензіях і звичайних становила лише 1 0С, а через 6-7 годин тужавлення ця різниця складала вже 21 0С. Пік температури активованої суміші (через 7 годин) складав 48 0С, а неактивованої лише через 12 годин досягнув позначки 42 0С.

В цементному камені на активованому в’яжучому спостерігається значний приріст кількості хімічно зв’язаної води в порівнянні з звичайним цементом. Через одну добу різниця в кількості зв’язаної води сягає 70 % (табл.1).

Таблиця 1

Вміст хімічно зв’язаної води в цементному камені

Засіб виготовлення | Вміст хімічно зв’язаної води , %, в віці, діб

1 | 3 | 7 | 28

Швидкісне

змішування | 10,2 | 14,1 | 17,2 | 17,9

Традиційне

змішування | 6,2 | 10,3 | 12,9 | 13,1

Як наслідок більш інтенсивного проходження хімічних реакцій гідратації клінкерних мінералів є скорочення термінів тужавлення. Встановлено, що при порівняно невеликому збільшенню питомої поверхні в'яжучого механохімічна активація призводить до значних змін періодів формування структури цементних композицій. Так початок тужавлення трибоактивованих дисперсій скорочується з 6 год. 45 хв. до 2 год. 30 хв. і кінець тужавлення – з 8 год. 05 хв., для композицій виготовлених традиційним методом, до 3 год. 25 хв. – для активованих.

Приведені вище результати досліджень підтвердили можливість прискорення процесів структуроутворення завдяки механоактивації в'яжучого.

Встановлено, що цементний розчин отриманий на в’яжучому, підданому обробці в швидкісному змішувачі, через дві доби твердіння в нормальних умовах набирає міцність 16 МПа, що є сумірним показником по міцності для швидкотверднучих цементів (ШТЦ), в яких цей показник на другу добу тверднення по ДСТУ Б В.2.7-46-96 повинен складати не менш як 15 МПа.

В четвертому розділі для з’ясування впливу рецептурно-технологічних факторів на фізико-механічні властивості затвердівших суспензій був реалізований 5-ти факторний експеримент по насиченому D-оптимальному плану типу MTQ – “Трикутники на квадраті”, синтезованому Т.В. Ляшенко. В якості варійованих факторів були прийняті:

- сумішеві – питома поверхня молотого кварцового піску (v1, v2, v3 = 350±150 м2/кг);

- незалежні рецептурні – вміст С-3 (х4 = 1,0±0,5 %), і кількість кварцового наповнювача в в’яжучому (х5 = 25±20 %).

Суспензії готувались як з застосуванням швидкісного змішування, так і по традиційній технології (звичайне змішування). Кількість води для розчину вибиралася з умови отримання в швидкісному змішувачі рівнов’язких суспензій з з = 2.5 Па?с і являлась одним з відкликів експерименту.

При введенні аналогічної кількості води в технологічну суміш не підвержену швидкісній обробці, її в’язкість приблизно в 10-15 разів вища в’язкості суспензій, оброблених в швидкісному змішувачі. Тому, для отримання рівнощільних сумішей формування зразків здійснювалось з застосуванням віброущільнення на протязі 120 с.

В результаті реалізації експерименту був отриманий комплекс ЕС-моделей, які відображують якісні показники активованих цементних композитів.

Встановлено, що при застосуванні традиційної технології міцність при стиску композитів збільшується зі збільшенням питомої поверхні кремнеземистого наповнювача. Для механоактивованих суспензій, оптимальною являється суміш двох дисперсностей молотого кварцового піску мінімальної (Sпит= 200 м2/кг) і максимальної (Sпит= 500 м2/кг) дисперсності в співвідношенні близькому до 1: 1.

Середня питома поверхня суміші мінімальної і максимальної дисперсності v1 = v3 = 0.5 складає 350 м2/кг, є аналогічною питомої поверхні дисперсності v2 = 1. Але міцність затвердівших суспензій наповнених сумішшю дисперсностей v1 = v3 = 0.5, перевищує міцність композитів з дисперсністю v2 = 1, в 1.4-2.3 рази. Встановлено, що роль дисперсності наповнювача зростає як при збільшенні ступеня наповнення, так і з підвищенням кількості С-3.

Критерієм оцінки ефективності попередньої активації суспензій в’яжучого в швидкісних трибозмішувачах був прийнятий безрозмірний коефіцієнт К, який визначався відношенням міцності матеріалів виготовлених при швидкісному змішуванні (RШЗ) і по традиційній технології (RТТ) К=RШЗ/RТТ.

Цей приріст неоднозначний в досліджуваному факторному просторі. Так він різко зростає з збільшенням ступеня наповнення цементного в'яжучого. Коефіцієнт К на першу добу тверднення при цьому зростає з 5-9 при Н=5 % до 5-18 при Н=30-45 % рис.3.

На наш погляд це можливо пояснити створюванням твердими частками кварцового піску “абразивного середовища”, яке спричинює інтенсивне виведення з поверхні зерен в’яжучого продуктів новоутворень в дисперсійне середовище. У свою чергу, виникаючі при зіткненні часток викривлення кристалічних решіток, локальні процеси зміни температури і поява мікродефектів, змінюють швидкість дифузії рідкої фази всередину зерен в’яжучого. Це веде до поглиблення фронту реакцій, що втягує в обмінні процеси більшу кількість мінералів цементу. При цьому максимальне підвищення міцності спостерігається при введені в дисперсну систему молотого кварцового піску мінімальної дисперсності v1. Ця обставина дозволяє отримувати швидкотверднучі композити, які вміщують грубо дисперсний наповнювач, що особливо актуально враховуючи високу енергоємність процесу подрібнення кварцового піску. В подальшому приріст міцності уповільнюється і на сьому добу значення коефіцієнта К складає вже 1,2-1,7, а в віці 28-ми діб міцність композитів виготовлених по роздільній технології перевищує міцність контрольних зразків не більш як на 10-40 %.

При довготривалому зберіганні молотих компонентів в'яжучого на повітрі, із-за появи на їх поверхні гідратних плівок новоутворень, міцність затверднувших суспензій значно знижується (міцність композитів виготовлених по традиційній технології, при кількості наповнювача Н=45 % через 6 місяців складає 40-50 % від міцності матеріалів виготовлених на свіжемелених компонентах). Виникаюча в швидкісних змішувачах фізико-хімічна активація дозволяє в значній мірі відновити хімічну активність цементних в’яжучих з наповнювачем (зниження міцності не більш ніж на 10 %) при різних термінах зберігання дисперсних матеріалів в повітряному середовищі рис.4.

В п’ятому розділі приведені результати досліджень по визначенню впливу витрати в'яжучого, ступеня його наповнення і режимів ТВО на фізико-механічні характеристики важких бетонів.

Дослідження проводилися по 4-х факторному плану.

Рівні варіювання факторів були прийняті наступні:

1. Витрата в'яжучого на 1м3 бетонній суміші 250, 350, 450 кг (Х1).

2. Вміст наповнювача у в'яжучому 0, 20, 40 % (Х2).

3. Температура ізотермічної витримки 40, 65, 90 0С (Х3).

4. Тривалість ізотермічної витримки 4, 7, 10 годин (Х4).

В якості ПАР використовувався розріджувач С-3 у кількості 1 % від маси в’яжучого.

Бетонні суміші готувалися як за роздільною технологією з попередньою обробкою наповненого в'яжучого у швидкісному змішувачі, так і традиційним способом.

Рухливість бетонних сумішей приймалася постійною (ОК=2...3 см), що досягалося зміною витрати води замішування. Час вібрації 120 с.

Встановлено, що максимальна ефективність застосування роздільної технології забезпечується при температурі ТВО 40 0С, а також при твердінні в нормальних умовах. При температурі ТВО 40 0С міцність зразків, виготовлених за роздільною технологією, в віці однієї доби у 6-9 разів перевищує міцність контрольних. Підвищення температури ТВО призводить до зниження різниці між міцностями і при температурі ізотермічної витримки 90 0С вона не перевищує

50 - 90 %.

За умови одержання рівноміцних бетонів застосування роздільної технології дозволяє знизити температуру ТВО на 40-50 0С, що дозволяє зменшити витрату теплової енергії на ТВО виробів з 445 МДж/м3 до 207 МДж/м3, тобто в 2.2 рази (розрахунок здійснено згідно з ДБН Г.1-6-96).

Також для одержання рівноміцних бетонів за нормальних умов твердіння механохімічна активація в’яжучого дозволяє вводити в технологічну суміш взамін цементу до 40 % меленого кварцового піску, рис.5.

Попередня обробка в'яжучого у швидкісному змішувачі дозволяє значно прискорити ріст міцності в перші 2-3 доби твердіння в нормальних умовах, а також ефективніше використовувати потенційні можливості в’яжучого, що дозволяє рекомендувати дану технологію для застосування в монолітному будівництві.

При використанні швидкісного змішування знімання міцності з 1 кг цементу складає у випадку застосування наповнювачів 0.18 – 0.22 МПа, в той час як при традиційному змішуванні цей показник складає лише 0.09 – 0.11 МПа. Цей показник при РТ збільшується з збільшенням кількості наповнювача.

На підставі результатів експериментального-статистичного моделювання та оптимізації було запропоновано ряд складів бетону, які доцільно використовувати як при термічній обробці, так і для бетонів твердіючих в нормальних умовах.

Результати дослідження пройшли дослідно-промислову перевірку при виробництві тротуарної плитки в об’ємі 800 м2 на ПП “Барко”. Фізико-механічні властивості плитки бетонної тротуарної при витраті в'яжучого 400 кг/м3 наступні:

- міцність бетонів при стиску в віці 28 діб – 550 кгс/см2 (55 МПа);

- стираємість – не більш 0,6 г/см2;

- морозостійкість – 300 циклів заморожування і відтаювання.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Виявлено, що швидкісне змішування цементвміщуючих суспензій в присутності розріджувача С-3 приводить до руйнування структури, супроводжуване значним зниженням ефективної в’язкості в 15-25 разів.

Оптимізовані режими швидкісного змішування, які забезпечують гранично можливе руйнування початкової структури суспензій:

- лінійна швидкість на кінцях лопаток змішувача 15.5 м/с

- час змішування 120 –180 с.

2. Збільшення питомої поверхні кварцового піску, для цементних суспензій приготовлених традиційним способом, призводить до підвищення ефективної в’язкості в 1.5-2 рази. В умовах швидкісного змішування збільшення питомої поверхні не приводить до збільшення ефективної в’язкості, що дозволяє використовувати ультрадисперсні наповнювачі.

3. Трибохімічна активація в'яжучого у швидкісних змішувачах сприяє інтенсифікації процесів структуроутворення в порівнянні з традиційно виготовленими цементними супензіями, що підтверджується скороченням термінів тужавлення (початок з 6 год. 45 хв. до 2 год. 30 хв., кінець з 8 год. 05 хв. до 3 год. 25 хв.), більш інтенсивним тепловиділенням при гідратації цементу, збільшенням кількості хімічно зв’язаної води (в 1.7 рази на 1-у добу; в 1.4 рази – через 28 діб тверднення в нормальних умовах).

4. Виявлено вплив питомої поверхні кварцового наповнювача (Sпит від 200 до 500 м2/кг) на зміну міцності цементного каменю. Оптимальним, з точки зору ефективності застосування швидкісного змішування при отриманні максимальної міцності є наповнення цементу меленим кварцовим піском питомої поверхні 200 м2/кг і 500 м2/кг в співвідношенні 1:1. Вміст добавки С-3 при цьому знаходиться в межах від 0.8 до 1 %.

5. Встановлено, що роздільна технологія дозволяє отримувати рівноміцні бетони з традиційною технологією при значно меншій температурі ізотермічної витримки. Так, бетон на механоактивованому в’яжучому, твердіючи при t=40 oC, досягає тієї ж міцності, що і бетон виготовлений традиційним способом і твердіючого той же час при t=90 oC. Це дозволяє знизити витрату теплової енергії на ТВО виробів в 2.2 рази.

Механохімічна активація в’яжучого дозволяє одержувати рівноміцні бетони при 40 %-ій заміні портландцементу на молотий кварцовий пісок.

6. За результатами досліджень оптимізовані склади і режими ТВО виробів, а також здійснений випуск дослідно-промислової партії тротуарної плитки (V = 800 м2, міцність при стиску 550 кг/см2, стиранність 0.6 г/см2).

Основні положення роботи опубліковані в наступних працях:

1. Бабий И.Н. Влияние дисперсности и концентрации кремнезёмистого наполнителя на эффективную вязкость цементных суспензий // Материалы к 39 международному семинару “Рациональный эксперимент в материаловедении”. – Одесса: Изд-во “Астропринт”. – 2000. –С.122-123.

2. Выровой В.Н., Барабаш И. В., Арроб А., Сильченко С.В., Бабий И.Н. Механизмы организации структуры механоактивированных грубодисперсных систем // Вісник Донбаської державної академії будівництва та архітектури: “Композиційні матеріали для будівництва”. – Макіївка: Вид-во ДонДАБА.-2000.-№ 2.-С.12-15.

Внесок здобувача – проведення експериментальних робіт, а також аналіз впливу мінерального наповнювача на процеси структуроутворення КБМ.

3. Щербина С.Н., Бабий И.Н., Панкратов Ю.Г., Зубченко Н. А. Влияние механохимической активации на реологические характеристики и кинетику набора прочности бетонов // Збірник наукових праць “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” – Рівне: Вид-во РДТУ.- 2000.-№ 4.-С.81-84.

Внесок здобувача – виконання експериментальних робіт та теоретичне обґрунтування ефективності використання наповнювачів при гідродинамічній активацій цементних суспензій.

4. Барабаш И.В., Щербина С.Н., Бабий И.Н., Матковский В.Д. Влияние физико-химической активации на кинетику набора прочности КСМ на основе портландцементов // Збірник наукових праць “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” – Рівне: Вид-во РДТУ.- 2000.-№ 5.-С. 3-10.

Внесок здобувача – виконання експерименту та проведення математичного аналізу отриманих моделей впливу наповнювачів та добавок ПАР в умовах швидкісного змішування на кінетику структуроутворення КБМ.

5. Бабий И.Н. Влияние механоактивации наполненных суспензий вяжущего на свойства цементного камня и бетона // Материалы к 40 международному семинару “Моделирование и оптимизация в материаловедении”. – Одесса: Изд-во “Астропринт”. -2001. -С.71-72.

АНОТАЦІЯ

Бабій І.М. Механоактивовані цементні суспензії та бетони на їх основі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби. – Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2002.

В дисертаційній роботі розкриваються теоретичні дослідження способів управління структуроутворенням композиційних будівельних матеріалів на основі портландцементу та результати експериментальних досліджень.

Доведена можливість підвищення хімічної активності цементних в’яжучих з наповнювачем, та інтенсифікації процесів структуроутворення КБМ на їх основі шляхом обробки суспензій в'яжучого в умовах швидкісного змішування в присутності добавки ПАР.

В результаті проведених досліджень оптимізовані склади цементних бетонів марок 200-800, виготовлених по роздільній технології. При цьому, в порівнянні з традиційною технологією, РТ забезпечує можливість знизити температури ТВО на 40-50 оС.

Ключові слова: цементний камінь, механоактивація, швидкісне змішування, суспензія, ефективна в’язкість, міцність, дисперсність.

АННОТАЦИЯ

Бабий И.Н. Механоактивированные цементные суспензии и бетоны на их основе. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. – Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2002.

Диссертационная работа направлена на поиск и внедрение технологических приемов позволяющих ускорять процессы структурообразования, а также на исследование процессов происходящих при механоактивации зерен вяжущего и наполнителя.

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.

В первом разделе приведен анализ концептуальных подходов и теоретических предпосылок, направленных на возможность управления структурообразования композиционных строительных материалов.

Проанализирована возможность применения наполнителей и добавок ПАВ, раздельного приготовления цементных суспензий, как одного из эффективных способов воздействия на структуру. Проанализированы существующие теории механохимических процессов.

Во втором разделе работы приведены методология проведения исследований, а также характеристики применяемых материалов. Приведена общая блок-схема исследований.

В третьем разделе работы проведены исследования по выбору оптимальных режимов приготовления цементных суспензий в скоростных трибосмесителях-активаторах. Установлено влияние молотого кварцевого песка на изменение эффективной вязкости цементных суспензий. Проанализировано влияние механохимической активации и ее проявление в физических свойствах цементного камня таких как, количество химически связанной воды, температура гидратации, сроки схватывания.

В четвертом разделе приведены результаты влияния на основные физико-механические характеристики цементного камня дисперсности и количества молотого кварцевого песка, содержание С-3. Установлено оптимальное содержание и дисперсность молотого кварцевого песка и количество С-3 для суспензий приготовленных на активированном вяжущем. Предварительная активация вяжущего позволяет в значительной мере компенсировать снижение активности вяжущих при их длительном хранении. Материалы, полученные на предварительно активированном вяжущем, отличаются более высоким коэффициентом интенсивности напряжений независимо от концентрации и дисперсности введенного наполнителя по сравнению с материалами, приготовленными традиционным способом.

Доказана возможность повышения химической активности цементных вяжущих с наполнителем и интенсификации процессов структурообразования КСМ на их основе путем обработки суспензий вяжущего в условиях скоростного смешивания в присутствия добавки ПАВ.

В пятом разделе изучалось влияние расхода вяжущего, степени его наполнения и режимы ТВО на физико-механические характеристики тяжелых бетонов. Раздельная технология приготовления бетонных смесей дает возможность получать бетоны с высокими показателями по прочности (до 80 МПа), истираемости, морозостойкости как при тепловлажностной обработке, так и при хранении в нормальных условиях.

В результате проведенных исследований оптимизированы составы цементных бетонов марок 200-800, изготовленных по раздельной технологии. При этом, в сравнении с традиционной технологией, РТ позволяет снизить температуру ТВО на 40-50 оС.

Ключевые слова: цементный камень, механоактивация, скоростное смешение, суспензия, эффективная вязкость, прочность, дисперсность.

SUMMARY

Babiy I.N. . Mechanoactivazed cement suspension and concrete on their basis – Manuscript.

A thesis for the candidate of technical sciences degree in the speciality 05.23.05. – “Building materials and products”. – Odessa State Academy of Building and Architecture, Odessa, 2002.

The thesis reveals the theoretical investigations of the composite buildings materials (CBM) cement based structure formation as well es the results of experimental investigations.

The possibility of the cement binders chemical activity increasing has been proved as well as the intensification of the process of structure formation of the cement content composite building material by means of treating them with high-concentrated binder suspension in conditions of intensive hydrodynamic action will surfactant admixtures.

As a result of investigations there the cement based concretes 200-800 brands produced as a separate process (SP) were optimized. Thus, in comparison with the traditional separate process, it provides the possibility of reducing the temperature of heat-humidified treatment (HHT) on 40-50 oC.

Keywords: Cement block, mechanoactivation, high-speed mixing, suspension, effective viscosity, strength, dispersity.