ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

БЕТОНИ НА ЦЕМЕНТАХ, МОДИФІКОВАНИХ

КОМПЛЕКСНОЮ ДОБАВКОЮ

05.23.05 – Будівельні матеріали і вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса –2003

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва

і архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент

Коваль Сергій Володимирович

(ОДАБА), доцент кафедри процесів і апаратів

в технології будівельних матеріалів

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Чистяков Валерій Васильович

Київський Національний Університет

будівництва і архітектури,

професор кафедри будівельних матеріалів

- кандидат технічних наук, доцент

Дворкін Олег Леонідович

Український державний університет водного

господарства і природокористування

доцент кафедри будівельних виробів

та матеріалознавства

Провідна установа - Придніпровська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій,

м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 06.05.2003 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.085.01 Одеської державної академії будівництва і архітектури за адресою:

65029, м.Одеса, вул.Дідріхсона, 4. ОДАБА, ауд.210

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці ОДАБА

за адресою 65029, м.Одеса, вул.Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий 05.04.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради

канд.техн.наук, доцент С.В.Макарова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Реальним способом вирішення задач ресурсозбереження в технології виробництва монолітних і збірних залізобетонних конструкцій є інтенсифікація процесів твердіння бетону за рахунок введення хімічних добавок. Традиційно добавки вводяться в бетону суміш, але як показує вітчизняний і закордоний досвід, іх введення на стадії помелу цементу дозволяє забезпечити ряд ефектів, спрямованих на інтенсифікацію твердіння бетону (підвищення дисперсності в'яжучого, зниження водопотреби сумішей, прискорення хімічних реакцій).

Разом з тим, потенційні можливості модифікування цементу для підвищення рівнів властивостей бетону реалізовані не достатньо, визначається необхідність пошуку ефективних добавок з врахуванням мінерального складу цементу і розробки бетонів заданної якості з зниженою матеріалоємністю. При цьому в умовах масового виробництва цементу і бетону необхідні доступні для споживача добавки на основі відходів промисловості, що не тільки економічно доцільно, але і сприяє вирішенню задач утилізації відходів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках реалізації регіональної програми по використанню відходів виробництва і споживання, розробленої і затвердженої Запорізькою облдержадміністрацією відповідно до загальнодержавної постанови №668 від 28.06.97 р.

Метою досліджень є інтенсифікація твердіння бетонів за рахунок уведення при помелі цементу комплексної добавки на основі ПАР і прискорювача у виді побічних продуктів промисловості.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити задачі.

1.Визначити шляхи прискорення твердіння цементів і бетонів, обґрунтувати вибір добавки і спосіб її уведення на стадії помелу цементу.

2.Розробити раціональну організацію експериментів для оцінки ефективності добавки при зміні складу цементу і бетону.

3.Встановити особливості впливу складу модифікатора на кінетику твердіння цементу на ранніх стадях.

4.Оцінити ефективність впливу добавки, введеної в цемент, на властивості бетону при зміні параметрів його складу і технології.

5.Провести дослідно-промислову перевірку бетонів на цементах, модифікованих комплексною добавкою.

Об'єкт дослідження -бетон на цементі з комплексною добавкою, що складається з пластифікатора і прискорювача твердіння.

Предмет досліджень -закономірності впливу на властивості бетону комплексної добавки, введеної при помелі цементу.

Методи досліджень. При оцінці впливу добавки на гідратацію і структуроутворення цементу використовувалися методи пластометрії, калориметрії, диференційно-термічного аналізу й електронної мікроскопії, на стадії пошуку рецептурних рішень - експериментально-статистичні моделі (ЕС-моделі).

Наукова новизна роботи. Експериментально доведена можливість інтенсифікації твердіння бетонів за рахунок введення в цемент на стадії помелу комплексної добавки, що складається з ПАВ і прискорювача у виді солей роданідів і тіосульфатів натрію. Позитивний вплив добавки полягає в поліпшенні зернового складу цементу, пластифікації і водоредукції суміші, прискоренні процесів гідратації і структуроутворення і, у підсумку, в підвищенні ранньої міцності цементного каменю і прискоренні твердіння бетону, а також у компенсації втрати міцності цементу в ранній термін твердіння при заміні частини клінкеру шлаком.

Встановлено закономірності зміни міцності бетону і його експлуатаційних властивостей під впливом комплексної добавки в цементі. Отримані кількісні залежності між основними технологічними факторами (кількість добавки в цементі, витрата цементу, рухливість суміші, температура тепловологісної обробки, кількість циклів впливу агресивного середовища) і показниками ефективності бетону (відносний приріст міцності, скорочення витрати цементу і температури ТВО, підвищення коефіцієнту стійкості) визначають раціональну область складів бетону на модифікованому цементі.

Практичне значення роботи. У монолітному будівництві застосування бетонів, що містять цементи з комплексною добавкою, дозволяє скоротити терміни розпалубки конструкцій, а в заводській технології -зменшити енерговитрати на теплову обробку. Бетон оптимального складу на цементі з комплексною добавкою використаний при будівництві торгового центру. Економічний ефект досягнуто за рахунок зменшення витрат цементу й електроенергії на підігрів суміші в зимовий період при скороченні термінів розпалубки конструкцій. Комплексна добавка оптимального складу, що дозволяє більш ніж у 1,5 рази збільшити ранню міцність цементу, використовується цементним заводом.

Особистий внесок здобувача полягає в:

- обґрунтуванні способу введення комплексної добавки з метою підвищення міцності бетону на ранніх стадіях твердіння;

-одержанні нової матеріалознавчої та технологічної інформації про вплив добавки на властивості цементів, розчинів і бетонів;

-розробці складів модифікатора для підвищення міцності цементу в ранній період твердіння з врахуванням вмісту добавки шлаку;

-побудові залежностей для оцінки впливу добавки в цементі на властивості бетону при зміні параметрів його технології й експлуатації.

Апробація роботи. Результати досліджень представлені на міжнародних конференціях і семінарах по хімічних і мінеральних добавках (Запоріжжя, 2000-2002 рр), технології бетону (Київ, Москва, Ольштин-Польща, 2002 г), моделюванню в матеріалознавстві (Одеса, 2002).

Публікації. Основні положення роботи опубліковані в 4 статтях у спеціалізованих виданнях і 2 в матеріалах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, основної частини (5 розділів), висновків, списку джерел (151 найменування) і додатків (8 сторінок). Загальний обсяг- 180 сторінок, з яких 100 сторінок основного тексту, 40 малюнків на 32 сторінках і 20 таблиць на 10 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено актуальність і ресурсозберігаючу спрямованість дослідження, дана загальна характеристика роботи.

У першому розділі аналізуються шляхи активізації твердіння бетонів, обґрунтовано склад комплексної добавки і спосіб її введення.

Інтенсифікація твердіння бетонів визначається цілеспрямованим впливом на кінетику гідратації і структуроутворення цементу. Прискорення твердіння особливо важливо для бетонів на портландцементі з добавками шлаку і ШПЦ, оскільки введення шлаків в цементи обумовлює зниження їхньої гідравлічної активності й уповільнення темпів набору міцності в ранній термін твердіння (В.І.Сатарін, Ю.М.Бутт, В.В.Тімашов).

Прискорення твердіння досягається введенням хімічних добавок на стадії приготування бетонних сумішей, чи на стадії помелу в'яжучого. Механохімічні впливи поліпшують якість цементу і додають йому ряд принципово нових властивостей (С.В.Шестоперов, М.І.Хігерович, Т.Ш.Бабаєв, В.Р.Фалікман).

Введення ПАР дозволяє підвищити тонкість помелу цементу і знизити водовміст сумішей, а добавки прискорювачів -електролітів активізують процеси гідратації як клінкерної, так і шлакової складової цементу (В.І.Тарнаруцький, А.П.Нікифоров).

Переваги мають комплексні добавки, в основі яких лежить принцип адитивності дії компонентів з різним фізико-хімічним механізмом впливу на цементну систему (В.Г.Батраков, В.Б.Ратінов). Використання традиційних добавок у масовому виробництві цементів і бетонів не завжди ефективно, зокрема, через високу вартість чи обмеження іх застосування. Ряду необхідних вимог (відповідність складу, сумісність компонентів, відносно низька вартість і ін.) відповідають комплексні добавки системи “Релаксол”, що виробляються на основі ПАР і прискорювачів у виді тіосульфатів і роданідів натрію– крупнотоннажних відходів коксохімічної промисловості, які також використовують деякі західні фірми (“Hedelberg Cement” та ін.).

В другому розділі приведена загальна схема досліджень, наведені дані про матеріали і методи випробування, визначені характеристики порошків отриманих цементів.

Методика передбачає побудову й аналіз багатофакторних експериментально-статистичних моделей і пошук по ЕСМ раціональних умов модифікування матеріалів (В.А.Вознесенський, Т.В.Ляшенко, С.В. Коваль). В ході аналізу ЕСМ визначаються такі області заданого простору факторів (рецептурних, технологічних, експлуатаційних), де досліджувані добавки забезпечують задані рівні якості матеріалів, а також максимальне підвищення абсолютних і відносних показників –приростів властивостей модифікованих цементів і бетонів до еталонних бездобавочних складів. Розроблена блок-схема ( рис.1) формалізує пошук рецептурно-технологічних рішень і вказує на методичні особливості досліджень, що складаються з двох етапів (“Цементи” і “Бетони”).

Вплив складу добавки “Релаксол” на властивості цементів, виготовлених із клінкеру Одеського заводу, моделювався при зміні концентрацій технічного лігносульфонату (ДЛСТ=Х2=0,0750,075 % маси цементу) і прискорювача (ДПТ= Х3=0,4250,425 %) у виді суміші солей натрію тіосульфату Na2S203 і роданіду NaCNS. Концентрації добавок обмежені вимогами ДСТУ Б.В.2.7-46-96 “Цементи загальнобудівельного призначення”. Вміст шлаку варіювався в діапазоні (Дш=Х1=1515%) для портландцементу, чи фіксувався на постійному рівні ДШ=60% для шлакопортландцементу. Це дозволяло для однієї ЕСМ досліджувати вплив інгредієнтів добавки на властивості “чистоклінкерного” цементу (типу ПЦ-1) і цементів зі шлаком ( типу ПЦ 11/А-Ш і ПЦ 11/Б-Ш), а по окремих моделях -на ШПЦ 111/А. Тривалість помелу еталонних цементів (0, 15, 30 і 60% шлаку) без хімічних добавок визначалася досягненням питомої поверхні Sпит=320 5 м2/кг, характерної для заводських цементів.

Крім стандартних параметрів оцінювалися ефективна в'язкість і пластична міцність цементних паст (залежності Pm() описані поліномами п'ятого ступеня), тепловиділення -максимуми екзоефектів dQ/d, час їхньої появи. Аналізувалася кількість зв'язаної води і мікроструктура цементного каменю за допомогою ДТА й електронної мікроскопії. Гранулометричний склад цементів визначений аналітично за даними ситового аналізу, а також лазерним аналізатором зернистості LAU-14.

Після первинного аналізу результатів, що включав оцінку середніх, помилок експерименту, кореляції між властивостями, розраховані в системі СОМРЕХ (ОДАБА) моделі прямих і відносних показників, котрі відображалися у виді квадратних і об'ємних діаграм.

Кореляційний зв'язок між двома показниками тонкості помелу цементу: питомою поверхнею Sпит і вмістом G “кондиційних” зерен (по проходу через сито № 008) поліпшується з ростом дозировки шлаку. Підвищення Sпит відбувається в основному зі збільшенням концентрації ПАР, параметр G зростає на 3-7% (щодо нормованого рівня Gнорм 15%) і при сполученні ПАР та електроліту, що може свідчити про поліпшення якості помелу. Аналіз комулятивних кривих показав, що комплексна добавка не змінює характер розподілу частинок, але її вплив відбивається на рості питомої поверхні (Sпит= 30...50 м2/кг), зменшенні середнього розміру зерен, збільшенні вмісту тонких частинок (1...10 мкм) за рахунок зменшення кількості великих (середній розмір – 60 мкм).

В третьому розділі досліджений вплив складу добавки на параметри гідратації та міцність цементних паст і розчинів. Основний обсяг інформації про добавки системи “Релаксол” відноситься до їхнього введення в бетонну суміш з водою замішування. Однак відомі передумови введення добавки в цемент на стадії помелу для підвищення ефекту за рахунок посилення дії компонентів в умовах механохімічної активації цементу.

У складі комплексу дія ПАР виявляється в зниженні поверхневого натягу на границях розподілу і, як наслідок, у зменшенні водовмісту цементної пасти, що характеризується нормальною густотою (НГ). Зменшення ефективної в'язкості (при =1 с-1) у випадку зниження НГ вказує на посилення пластифікації суміші при ії деформації, що відбувається в умовах віброобробки, перекачування насосами і т.п.

Вплив прискорювача характеризується скороченням термінів тужавіння і зменшенням індукційного періоду (кінець якого може відповідати часу 1 появи перегину на кінетичних кривих Pm), а також прискоренням утворення структур з переважно кристалізаційними типами контактів (визначено за часом 2, що характеризує значно більшу пластичну міцность цементної пасти, зокрема, Pm=1,5х10-1 МПа, рис.2.а).

Так як роль кожного інгредієнта визначається власним механізмом впливу на “елементарні” стадії гідратації (змочування, зародкоутворення, кристалізацію і т.д.), то і їхній вплив на тепловиділення, як “інтегральної” характеристики цих процесів, також виявляється по-різному. У порівнянні з контрольним цементом (крива 1, рис.2.б), введення прискорювача (крива 2) збільшує величину першого екзоефекту на 81%, а другого – на 53%. Практично на 2 години раніше спостерігається основний екзоефект і на 10 % збільшується значення теплоти гідратації.

При моделюванні параметрів інтенсивності процесів гідратації визначені концентрації компонентів, що забезпечують значення максимумів і мінімумів цих показників у досліджуваному концентраційному просторі “ПАР-прискорювач” (табл.1).

Сповільнююча дія ПАР на ранніх стадіях гідратації відбивається в збільшенні часу 1 та 2 і зменшенні основного екзоефекту (у цьому випадку його концентрації в області максимумів показників дорівнюють нулю). Другий компонент (суміш тіосульфату і роданіду), будучи активізатором гідратації, у концентраціях ДПТ=0,85% максимально збільшує параметри тепловиділення.

Таблиця1

Вплив добавок на показники інтенсивності гідратації (Дш=15%)

Показники |

Зона мінімуму Y | Зона максимуму Y

Ymin | Длст | ДПТ | Ymax | Длст | ДПТ

Поява перегину на кривій Pm(), 1,хв | 145 | 0 | 0,85 | 310 | 0,15 | 0,63

Час досягнення Pm=1,5х10-1 МПа ,1,хв | 208 | 0,06 | 0,45 | 365 | 0 | 0

Перший максимум тепловиділення,d/d, кал/г,год | 4,06 | 0 | 0 | 7,57 | 0 | 0,85

Другий максимум тепловиділення,d/d, кал/г, год | 1,70 | 0,15 | 0 | 2,32 | 0 | 0,85

Час появи 2 максимума, год. | 6,06 | 0 | 0,85 | 8,06 | 0 | 0

Індукційний період, год. | 2,51 | 0 | 0,34 | 3,89 | 0,08 | 0

Загальна теплота гідратації, Q, кал/г | 25,4 | 0,15 | 0 | 33,4 | 0 | 0,85

Міцність цементного каменю, Rцк,МПа, 2 доби | 25,2 | 0 | 0 | 40,9 | 0,15 | 0,51

Разом з тим, регулювання концентрацієї ПАР багато в чому визначає збільшення міцності цементного каменю, що є результатом поліпшення зернового складу цементу і зменшення водовмісту цементних паст.

За даними електронної мікроскопії найбільший приріст міцності модифікованого цементного каменю через дві доби (Rцк{2}=40,9 МПа, ДЛСТ=0,15%, ДПТ=0,51%), відносно бездобавочного, пов’язаний з більш щільною, закристалізованою структурою. Аналіз характерних піків на термограмах визначає вже через 3 доби зниження вмісту в каменю етрингіту і Са(ОН)2, що також свідчить про інтенсифікацію гідратації на початкових стадіях. Зниження втрат при прожарюванні на 2-5% вказує на зменшення гелевої води в адсорбційних шарах і мікропорах.

Тому що добавка активізує твердіння в ранній термін, для основного аналізу використана ЕСМ міцності розчину, випробуваного у 2 доби (Ц:П=1:3, рівнорухомі суміші):

Із аналізу моделі (1) і однофакторних залежностей, побудованих (рис.3.а) з умов досягнення максимуму і мінімуму R{2}, випливає, що кожний з інгредієнтів добавки може частково компенсувати зниження міцності в ранній період при підвищенні кількості шлаку в цементі. Той факт, що оптимальна концентрація прискорювача менше, ніж максимальна в експерименті, пояснюється деяким зниженням при ДПТ 0,7% процентної кількості зерен цементу 30 мкм (встановлено, що підвищений вміст цих фракцій забезпечується тільки добавкою ПАР).

Ефективність комплексної добавки, індивідуальних ПАР (х2) і прискорювача (х3) у заданому діапазоні вмісту шлаку в цементі (-1< х1 <+1) досліджена при моделюванні відносного показника приросту міцності:

На діаграмі критерію К1 (рис.3.б) виділені області складів добавки, що забезпечили підвищення міцності розчину в 1,6...2,1 раз, у порівнянні з контрольними розчинами на рядовому цементі. Встановлено, що оптимальна концентрація прискорювача складає 0,45...0,65% для цементів з вмістом шлаку від 0 до 30% і зростає до 0,85% для шлакопортландцементу.

Однією з головних причин ефективності добавки в шлакомістких цементах можна вважати активізацію шлакової складової за рахунок більш швидкої появи гідроксида кальцію в результаті прискорення гідролізу алітової фази. З іншого боку, сульфатні сполуки натрію в добавці можуть прискорити переведення гелеподібних продуктів гідратації на поверхні зерен шлаку в кристалічні, і тим самим, активізувати гідратацію шлаку.

В результаті форсування ранніх стадій твердіння ефективність добавки надалі знижується, хоча міцність розчинів на модифікованих цементах в 28 діб залишилася вище на 10…40%, ніж у контрольних.

Аналіз ЕСМ вказав на ряд важливих технічних ефектів, що досягаються за рахунок введення добавки. Так, розчини на модифікованих цементах типу ПЦ 11/А-Ш і ПЦ 11/Б-Ш по міцності в ранній термін порівняно з розчином на рядовому цементі типу ПЦ 1. Ефект модифікування цементу виражається й у компенсації втрати його міцності при заміні частини клінкеру шлаком.

Для виготовлення бетонів були використано цемент з 25 %-ним вмістом шлаку (аналогічним одеському цементу ПЦ II/Б-Ш-400). Перший зразок був контрольним. В другому містилося 0,6% добавки при ДЛСТ= 0,10% і ДПТ = 0,50%. Таке дозування і дане співвідношення компонентів забезпечили підвищений приріст К1{2}=1,7. У третьому дозування було зменшено вдвічі для оцінки можливого зниження витрати добавки. Після року твердіння зразки з добавкою мали міцність на рівні рядового цементу. Після року збереження цементу в поліетиленових пакуваннях міцність знову виготовлених і випробуваних зразків відрізнялася незначно.

В четвертому розділі проведена оцінка впливу добавки, введеної при помелі цементу, на властивості важкого бетону.

За планом експерименту виготовлені 15 бетонів, з яких 5 - без добавки і 10 - на цементі з перемінним вмістом модифікатора (тому що на цементних заводах він може вводитися в різних концентраціях). У дослідженнях використовувався пісок Мкр=1,8 і щебінь фракції 5-20 мм.

Аналіз кінетики росту міцності показав, що бетони на цементі з добавкою через 3 доби аналогічні по міцності бетонам на рядовому цементі в 4-5 доби. Це свідчить про ефективність модифікованого цементу для монолітного бетону, тому що темп його твердіння визначає терміни розпалубки конструкцій і швидкість зведення об'єктів. Міцність у 28 діб закономірно корелює з Ц/В. Однак для бетону 3 діб взаємозв'язок між Rc і Ц/В дуже малий (r=0,57). Це свідчить про переважаючий вплив в ранній термін твердіння добавки, а не співвідношення цементу і води.

Зміна міцності бетону у віці 3 доби при варіюванні концентрації добавки (Дц=Х1=0,3±0,3%), вмісту цементу (Ц=Х2=450±100 кг/м3) і зручноукладальності бетонної суміші (ОК=Х3=9±6 см) описує модель:

Прискорююча і водоредукційна дія добавки (водовміст сумішей зменшено на 5...10%) дозволяє істотно збільшити міцність бетону М300...500 в ранній термін твердіння.

На моделях типу (3) досліджувалися можливі технологічні ситуації виробництва бетону на цементах з добавкою. Так, введення в цемент добавки в кількості 0,3% (такій концентрації відповідає площина, позначена точками на рис.4.а) дозволяє збільшити ранню міцність бетону на 4...8 МПа в порівнянні з бетонами на рядовому цементі (цим бетонам відповідає нижня площина куба на рис.4.а). При забезпеченні “марочної” міцності й істотному прискоренні твердіння в ранньому віці модифікування цементу дозволяє підвищити зручноукладальність суміші та (чи) знизити витрату в'яжучого (табл.2, склади відповідають точкам на рис.4.а).

Таблиця 2

Порівняльний аналіз бетонів на модифікованому цементі (Дц=0,3%)

Точка

(склад) | ОК, см | Вміст компонентів, кг/м3 | Міцність, МПа, діб

Цемент | Вода | Пісок | Щебінь | 3 | 7 | 28

A (Дц=0) | 3 | 550 | 195 | 655 | 983 | 3,3 | 32,3 | 48,0

B | 3 | 470 | 190 | 697 | 1046 | 8,0 | 31,5 | 48,0

C | 7 | 550 | 200 | 650 | 975 | 9,4 | 33,0 | 48,0

D | 3 | 550 | 185 | 665 | 998 | 10,4 | 37,0 | 52,0

На етапі аналізу ресурсозберігаючих рішень в ЕСМ додатково включався фактор температури ізотермічної витримки тепловологісної обробки бетону (Тіз=Х4=6020 0С). Визначено, що у випадку рівноміцних бетонів введення добавки в цемент у кількості 0,3...0,4% дозволяє знизити температуру ТВО на 15-20 0С. Найбільший приріст R{ТВО} бетону на цементі з добавкою забезпечують м'які режими температурного твердіння (рис.4.б), коли створюються сприятливі умови для формування міцної структури цементного каменю.

Зміну приросту міцності бетону на модифікованому цементі в залежності від рівнів факторів технології досліджено за допомогою моделей відносного критерію:

Крім оцінки ефективності добавок “на безлічі технологічних ситуацій”, моделі типу (4) застосовано і для визначення величин емпіричних коефіцієнтів, що використовуються у відомих формулах розрахунку складу бетону, і характеризують особливості даної технології. Так встановлено, що при використанні цементу з 0,3% добавки найбільшим приростом міцності у віці 3 доби характеризуються бетони із сумішей ОК=15 см, що містять 350...450 кг/м3 цементу (високі значення К2=2...3 зв'язано і з відносно низькою міцністю складів без добавки). Для бетонів зі суміші ОК=3 см і витратою цементу 450...550 кг/м3 міцність збільшена в 1,5...2 рази.

З метою порівняння способів введення добавки паралельно досліджувалися бетони, в які добавка введена з водою замішування. У цьому випадку верхня границя її робочої концентрації була розширена до Д max=1,0% відповідно до технологічних рекомендацій по застосуванню добавок “Релаксол”, а еталонним прийнятий отриманий у першому експерименті бетон на цементі без добавки.

Для оцінки ефективності способів введення добавки моделювався порівняльний критерій К3. Цей критерій розрахований як відношення міцності бетону з добавкою в цементі (Дц) до міцності бетону з добавкою (Дв), введеної з водою затвору:

К3= R{Дц} /R{Дв},% (5)

При аналізі моделей, що включають параметри режиму ТВО, встановлено, що бетони на цементі з добавкою при ізотермічній витримці Тіз=45...65 0С мають міцність на 10...20% вище, ніж бетони з добавкою, введеної традиційним способом, що підтверджує ефективність використання модифікованого цементу в заводській технології. Слід зазначити, що введення добавки при помелі цементу спрощує схему приготування бетонних сумішей, так як відсутня необхідність ії збереження і дозування.

На заключному етапі досліджувалася зміна властивостей бетону під впливом зовнішнього середовища. Методом низькотемпературної дилатометрії встановлена здатність добавки знижувати вплив від'ємних температур завдяки зниженню температури замерзання води в бетонній суміші. Дослідженнями НДІБК встановлено, що добавка не викликає корозії сталевої арматури.

Так як будівельні конструкції піддаються експлуатаційним впливам, досліджена стійкість бетону на контрольному цементі і на цементі з добавкою (0,3 і 0,6%) в умовах циклічного заморожування і відтавання, а також водопоглинення і висушування. Для підсилення жорсткості випробувань зразки насичувалися 5%-ним розчином NaCl, після чого одна серія піддавалася циклічному заморожуванню при t=-200C протягом 4 годин, інша – висушуванню при t=700C такий же період.

За допомогою ЕСМ досліджувався вплив добавки і кількості циклів N впливу середовища на зміну властивостей бетону, що відображається коефіцієнтом стійкості kc=R0 –RN/R0.

Зокрема встановлено, що контрольний бетон після 200 циклів випробувань на морозостійкість чи корозійну стійкість знизив міцність на 6…15%, однак міцність бетону на модифікованому цементі залишалася на 1...10% вище, ніж початкова. Менша відкрита пористість (по оцінці водопоглинення) визначає зниження кількості замерзаючої води в бетоні, тим самим сприяє більш повільній втраті його властивостей в умовах зволоження і заморожування. Підвищення стійкості забезпечує добавка в цементі в кількості не менш 0,3%.

В п'ятому розділі приведені результати виробничої апробації.

Виробнику добавки представлені діаграми для визначення оптимальних складів модифікатора і дані про його ефективність при введенні в цемент. Одеський цементний завод ВАТ “Цемент” випустив опитну партію цементів з добавкою (0,3%) в кількості 400 т. Тести заводської лабораторії підтверджують підвищення в 1,5-2 рази міцності ряду цементів через 2 і 7 діб. У 2003 році заводом планується випуск 10 тис.т. модифікованого портландцементу з добавками шлаку і ШПЦ.

На основі отриманих даних і позитивного досвіду цементних заводів (Дніпродзержинський, Бахчисарайський і ін.) комплексна добавка з оптимальним співвідношенням компонентів включена як інтенсифікатор помелу й активізатор твердіння цементу у фірмовий каталог продукції, що випускається ТОВ “Будіндустрія”.

Для Одеського БМУ “Монолітбуд” розроблені діаграми для приготування складів товарного бетону класів В15-В30 на цементах Одеського заводу. Бетон на цементі ПЦ 11/Б-Ш-400 з комплексною добавкою використаний при зведенні монолітних стін торгового центру. Економічний ефект (5 грн/м3) досягнутий за рахунок економії цементу (10%) і електроенергії для підігріву суміші в зимовий період при прискоренні темпів твердіння бетону.

ВИСНОВКИ

1.Встановлено можливість інтенсифікації твердіння бетону за рахунок використання цементу, модифікованого на стадії помелу комплексною добавкою, що складається з лігносульфонату технічного, суміші тіосульфатів і роданідів натрію – крупнотоннажних відходів коксохімічної промисловості.

2. Розроблено та проаналізовано комплекс моделей властивостей цементу, а також відносних критерієв-приростів міцності (відносно бездобавочних складів), що визначають вплив добавки в цементі в залежності від концентрацій її інгредієнтів і вмісту доменного шлаку, у бетоні – від витрати цементу, зручноукладальності суміші і температури теплової обробки. При моделюванні абсолютних і відносних показників визначені закономірності впливу добавки на властивості цементів, розчинів і бетонів, в тому числі в умовах експлуатаційних впливів.

3. Визначено, що добавка сприяє поліпшенню тонкості помелу і гранулометрії цементу (у тому числі збільшується вміст зерен розміром 3...30 мкм), в основному за рахунок поверхнево-активної дії ПАР, ефективність якої підвищується з ростом вмісту шлаку.

4. При моделюванні параметрів кінетики структуроутворення цементних паст і тепловиділення цементу встановлені особливості впливу інгредієнтів, що в комплексі забезпечують істотне підвищення міцності цементного каменю. Встановлено підвищення ступеня кристалізації продуктів твердіння цементу в присутності комплексної добавки.

5. Встановлено, що введення добавки в цемент дозволяє не менш ніж у 1,5 рази підвищити міцність цементного каменю і цементно-піщаного розчину в 2-7 діб твердіння. Модифіковані цементи зі шлаком до 30% по міцності в ранній термін порівнянні з рядовим цементом без мінеральних добавок. Ефект модифікування цементу виражається в компенсації втрати його міцності при заміні частини клінкеру шлаком.

6. Отримані математичні моделі дозволили оцінити ефективність модифікованого цементу щодо підвищення зручнооукладальності бетонної суміші і зменшенні витрати в'яжучого без втрати міцності бетону. Ефект інтенсифікації твердіння на ранніх стадіях, що досягається, дозволяє скоротити терміни розпалубки бетонних конструкцій. Ефективність впливу добавки в цементі підвищується при “м'яких” режимах температурної витримки бетону. Її введення в цемент визначає можливість зниження температури ТВО на 15...20 0С при одержанні рівної міцності з бетонами на рядовому цементі.

7. Встановлено, що міцність бетонів з добавкою, введеної при помелі цементу, може бути на 20% вище, ніж міцність бетонів з добавкою, введеної з водою затвору. При рівній міцності досягається зменшення в 1,3…1,5 рази її концентрації. По ЕСМ приросту міцності бетону в залежності від концентрації добавки, витрати цементу й зручноукладальності суміші проведена порівняльна оцінка двох способів введення модифікатора (при помелі цементу чи з водою замішування) і визначений пріоритет кожного зі способів в залежності від технологічних факторів виготовлення бетону.

8. Показано, що введення комплексної добавки сприяє твердінню бетону при від'ємних температурах і уповільнює втрату його міцності під впливом заморожування- відтавання і водопоглинення - висушування.

9. Бетон на модифікованому цементі використаний у монолітних конструкціях з економічним ефектом 5 грн/м3 за рахунок скорочення часу твердіння, економії цементу й електроенергії для обігріву суміші в зимовий період. Пропозиції щодо оптимальних складів модифікатора передані виробнику добавок ТОВ “Будіндустрія” і реалізовані на Одеському цементному заводі.

Основні положення дисертації викладено в працях

1. Бабаевская Т.В., Коваль С.В., Ушеров-Маршак А.В. Моделирование влияния комплексной добавки- активатора твердения шлакосодержащего цемента /Строительные материалы и изделия. 2002. №5.- С.23-27.

2.Бабаевская Т.В., Коваль С.В. Моделирование влияния на прочность бетона комплексной добавки, введенной при помоле цемента /Вісник ПДАБА. -Днепропетровськ:ПДАБА. 2002.-С.41-46.

3.Синякин А.Г., Бабаевская Т.В. Выбор составов многокомпонентных добавок по данным калориметрии /Строительные материалы и изделия. 2001. №2.-С.33-35.

4.Коваль С.В., Савченко С.В., Бабаевская Т.В. Особенности влияния комплексной добавки- модификатора цемента в условиях тепловлажностной обработки бетона /Вісник ОДАБА. №8. -Одеса: ОДАБА, 2002. -С.35-39

5.Бетони, модифіковані комплексними поліфункціональними додатками, для будівельних робіт в зимових умовах / М.А.Саницький, У.Д.Марущак, Г.Я.Шевчук, Т.В.Бабаєвська //Мат-лы межд.конф. “Химические и минеральные добавки в цементы и бетоны”.-Запорожье:Будиндустрия, 2002.-С.130-134.

6.Бабаевская Т.В. Моделирование влияния состава комплексной добавки на показатели качества цемента // Мат-лы межд. сем. “Прогнозирование в материаловедении”(МОК-41).- Одесса: “Астропринт”, 2002, с.58-59.

Внесок здобувача: [1] – встановлення закономірностей зміни властивостей цементу; [2] – обгрунтування режимів тепповологісної обробки бетону; [3] - визначення складу добавки; [4] - оцінка ефективності добавок по даним калориметріі; [5] – встановлення антифризного ефекту

АНОТАЦІЯ

Бабаєвська Т.В. Бетони на цементах, модифікованих комплексною добавкою. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 –Будівельні матеріали та вироби. –Одеська державна академія будівництва і архітектури, Одеса, 2003.

Виявлено доцільність введення добавки на основі ПАР і відходів коксохімічної промисловості (суміш солей тіосульфату та радоніду натрію) на заключному етапі одержання цементу для прискорення твердіння бетону. Досліджений вплив комплексної добавки, введеної при помелі цементу, на комплекс властивостей бетону, що твердіє, і параметри інтенсивності його гідратації і структуроутворення. Для оцінки ефективності добавки використалися експериментально-статистичні моделі виміряних та відносних показників властивостей цементних паст, розчинів та бетонів.

Оптимальні співвідношення компонентів забезпечують в ранній термін твердіння приріст міцності розчинів і бетонів при забезпеченні заданої міцності у віці 28 доби. Ефект, що досягається, дозволяє скоротити терміни розпалубки конструкцій монолітного бетонування, підвищити зручноукладальність суміші і зменшити витрати цементу без втрати міцності бетону.

За рахунок зниження температури ізотермічної витримки при використанні модифікованого цементу зменшуються енерговитрати в заводській технології. Дослідження морозостікості і корозійної стійкості бетону показали позитивній вплив добавки на збереження його властивостей під впливом агресивного середовища.

Ключові слова: модифікування цементу, комплексна добавка, бетон, приріст міцності.

АННОТАЦИЯ

Бабаевская Т.В. Бетоны на цементах, модифицированных комплексной добавкой.- 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, 2003.

В диссертационной работе показано, что введение при помоле цементов комплексной добавки, состоящей из лигносульфоната и ускорителя в виде смеси роданидов и тиосульфатов натрия - крупнотоннажных отходов коксохимической промышленности, позволяет существенно ускорить твердение бетонов в ранний период.

Для поиска оптимальных добавок-модификаторов на стадии разработки эффективных материалов использованы экспериментально-статистические модели (ЭСМ), позволившие при минимизации опытов максимально извлечь полезную технологическую информацию о влиянии добавок. С использованием ЭС-моделей, описывающих изменение абсолютных и относительных (к бездобавочным составам) показателей качества, установлены закономерности модифицирующего влияния добавки в цементах и бетонах.

По полученным ЭСМ исследовались свойства “чистоклинкерного” цемента и цементов с добавкой шлака. При изменении концентраций лигносульфоната и ускорителя моделировалось влияние на эти цементы компонентов добавки. Установлено, что введение добавки на стадии помола определяет улучшение дисперсности и гранулометрии цемента за счет снижения среднего размера зерен и увеличения количества мелких зерен (этот эффект обеспечивается присутствием ПАВ).

Индивидуально компоненты, входящие в состав модификатора, по-разному влияют на физико-химические процессы (ПАВ-снижение поверхностного натяжения на границах фаз, ускоритель –интенсификация обменных реакций), но в комплексе аддитивно дополняя друг друга, определяют ускорение гидратации и структурообразования, повышение плотности и прочности цементного камня.

Анализ ЭСМ указал на особые преимущества комплексной добавки для модифицирования шлакосодержащих цементов. Оптимальные сочетания компонентов добавки обеспечивают в ранние сроки твердения (2-7 сут) прирост прочности растворов на шлакосодержащем цементе в 1,5-2 раза при обеспечении заданной прочности на уровне цемента без добавок в возрасте 28 сут. Это приближает шлакосодержащие цементы по свойствам к цементам без шлака и дает возможность уменьшать содержание клинкера в вяжущем без ухудшения прочности цемента в ранний период.

Прирост прочности со временем снижается, что связано с основной реализацией физико-химических процессов в присутствии добавки на ранних стадиях твердения. Выявлена возможность существенного повышения прочности бетона в ранние сроки его твердения за счет использования модифицированного цемента с оптимальной добавкой. Достигаемый эффект позволяет сократить сроки распалубки конструкции, повысить удобоукладываемость смеси и уменьшить расход цемента без потери прочности бетона в ранние сроки. За счет снижения температуры изотермической выдержки на 15…20 0С при использовании модифицированного цемента уменьшаются энергозатраты в заводской технологии.

Влияние на прочность бетона добавки, введенной в цемент, отличается от влияния добавки, введенной с водой затворения. Прочность бетонов на модифицированном цементе может быть на 20 % выше, чем прочность бетона, в который добавка введена с водой затворения, или при равной прочности бетона уменьшена в 1,5 раза концентрация модификатора.

С помощью моделей относительных критериев проведена сравнительная оценка двух способов введения добавки (при помоле цемента или с водой затворения) и определен приоритет каждого из способов в возможных технологических ситуациях. Эффективность добавки зависит от содержания вяжущего в бетоне и режимов тепловлажностной обработки. Введение на стадии помола цемента комплексной добавки, содержащей роданиды и тиосульфаты натрия, способствует твердению бетона при отрицательных температурах (за счет понижения температуры замерзания воды) и его стойкости к попеременному замораживанию –оттаиванию и увлажнение-высушивание (за счет уменьшения пористости).

Добавка изготавливается промышленным способом и рекомендована для получении модифицированного цемента на Одесском заводе. Завод выпустил опытную партию шлакосодержащего цемента в размере 400 т. Производителю добавки (ООО “Будиндустрия”) представлены оптимальные составы модификатора и данные о его эффективности. Для строительной организациии (СМУ “Монолитстрой”) разработаны оптимальные составы товарного бетона классов В15…В30 на цементе с добавкой. Они использованы при возведении монолитных стен строящегося торгового центра. Экономический эффект (5 грн/м3) достигается за счет ускорения твердения бетона, экономии цемента и электроэнергии.

Ключевые слова: модифицирование цемента, комплексная добавка, бетон, прирост прочности.

ANNOTATION

Babaevskaj T.V. Concretes on cements, modified with complex аdditives.- Manuscript.

The thesis for competing the candidates degree on speciality 05.23.05-Building materials and products. Odessa State Building and Architecture Academy, Odessa, 2000.

With useing experimentally - statistical models is investigated the influence of the comlex additive containing superficially-active substances and the accelerator of solidfication as salts of thiosulfates and radionum Na.

The additive is entered at a grinding of cement and it is investigated the complex of properties of hardening concrete and operation factors of its structuizations. It is revealed the expediency of introduction of the additive at the final stage of reception of slag-containing cement for acceleration soliddification of concrete.

Optimum parities of components of the additive provide terms of solidification (3-7 day) a gain of durability of solutions and concrete on soliddification cement in 1,5-2 times. The achievable effect allows to reduce terms striking of construction. To increase casting characteristic and to reduce expenses of cement without loss of durability of concrete in early terms.

Кеуwords: modified cements, comlex additives, concretes, increase of strength.