ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ЖИТКОВСЬКИЙ Вадим Володимирович

УДК 691.3 : 666.972.2

ВІБРОПРЕСОВАНИЙ ДРІБНОЗЕРНИСТИЙ БЕТОН

З ВИКОРИСТАННЯМ ВІДСІВІВ ПОДРІБНЕННЯ ГРАНІТУ

05.23.05 – будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Дворкін Леонід Йосипович,

Український державний університет водного господарства та природокористування,

завідувач кафедри технології будівельних виробів та матеріалознавства.

Офіційні опоненти: –

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Щербак Святослав Андрійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, начальник науково-дослідної частини; –

кандидат технічних наук Гнип Ольга Павлівна, ВАТ"Силікат", заступник директора по виробництву.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра автомобільних доріг і аеродромів, Міністерство освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “ 6 “ травня 2003 р.о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 41.085.01 при Одеській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона 4.

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

Автореферат розісланий “ 5 “ квітня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради

к.т.н., доцент Макарова С.С.ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В деяких регіонах України підприємства мають особливі труднощі з забезпеченням кондиційним дрібним заповнювачем для виготовлення бетонних та залізобетонних виробів, поклади якого недостатні. Поряд з цим промисловість нерудних матеріалів кожного року утворює десятки мільйонів тон відходів у вигляді відсіву. Скопичуючись на кар’єрах, кам’яні відсіви погіршують екологічний стан навколишньої місцевості, тому питання утилізації цих відходів є важливим.

Не зважаючи на наявність практичних розробок, пов’язаних з використанням гранітного відсіву при виробництві будівельних матеріалів, відкритою лишається проблема їх утилізації в цементних бетонах і, зокрема, у якості основного заповнювача дрібнозернистих вібропресованих бетонів. Досить мало уваги в науковій літературі приділено впливу мінеральних наповнювачів у бетонах з наджорстких сумішей, ущільнених силовими способами, а також можливості використання пилу гранітного відсіву в ролі такого наповнювача.

Практично не дослідженими залишаються властивості наджорстких бетонних сумішей, особливості вібропресування таких сумішей та їх взаємозв’язок з властивостями бетону.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, викладені в даній роботі, були виконані у відповідності до науково-дослідної № І–46 “Розробка нових в’яжучих, композиційних матеріалів на їх основі та малоцементних бетонів із застосуванням техногенної сировини” (програма №22 Міністерства науки і освіти України, № ДР 0198U002422).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка оптимальних технологічних параметрів виготовлення виробів з вібропресованого дрібнозернистого бетону з використанням в якості основного заповнювача гранітного відсіву.

Для реалізації поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об’єкт досліджень: наджорсткі бетонні суміші на основі відсіву подрібнення граніту та бетон, виготовлений із них способом вібропресування.

Предмет досліджень: властивості наджорстких бетонних сумішей, особливості гідратації та формування структури вібропресованого бетону з гранітним мікронаповнювачем, фізико-механічні властивості бетону залежно від технологічних факторів.

Методи досліджень: Основні дослідження та встановлення багатофакторних залежностей здійснювалось із застосуванням методів математичного планування експерименту. Процеси гідратації та формування структури вібропресованих бетонів досліджувались із використанням методів встановлення кінетики проходження електричного струму та ультразвукових хвиль, хімічного визначення кількості зв’язаної води. Параметри порової структури визначались за допомогою методу водопоглинання. Будівельно-технічні властивості досліджуваних бетонів вивчались за допомогою стандартних та інших достатньо апробованих методик.

Наукова новизна отриманих результатів. Обгрунтовано закономірності розподілу води в бетонних сумішах для вібропресування, отримано і експериментально підтверджено розрахункову залежність для визначення їх оптимального водовмісту. Встановлено кореляційний зв’язок між оптимальним водовмістом, міцністю ВДБ та електричним опором ущільненої бетонної суміші.

Встановлено позитивний вплив пилуватої фракції гранітного відсіву на кінетику структуроутворення вібропресованого бетону і степінь гідратації портландцементу в умовах недостатньої кількості води.

Визначені оптимальні кількість, гранулометричний склад гранітного пилу, а також параметри вібропресування, що забезпечують максимальне підвищення міцності та покращення інших будівельно-технічних властивостей.

Встановлено ефективність пластифікуючих та повітрявтягувальних добавок в дискретному середовищі наджорстких бетонних сумішей з метою підвищення їх ущільнюваності.

Отримано комплекс рівнянь регресії, що виражають зв’язок властивостей бетонних сумішей та ВДБ зі складом бетону та технологічними факторами.

Практичне значення наукових результатів. Запропоновано методи оцінки формувальності наджорстких бетонних сумішей та коефіцієнта змочування заповнювачів у вібропресованих бетонах.

Досліджено ефективність добавок-прискорювачів у ВДБ. Встановлені оптимальні параметри тепловологісної обробки і концентрації добавок, що дозволяють максимально знизити температуру ізотермічної витримки.

Розроблені методи проектування складів ВДБ та дрібнозернистого бетону, встановлено оптимальні склади бетону на гранітному відсіві.

Впроваджена технологія виготовлення вібропресованих стінових блоків і тротуарних плит на гранітному відсіві.

Економічний ефект від впровадження розробленої технології на УКСП “Орія-Вест” складає близько 20 грн. на 1м3 бетону.

Особистий внесок здобувача. Запропоновано робочу гіпотезу, котра полягає в тому, що для ВДБ з недостатньою для утворення щільної структури кількістю цементного тіста повинно бути ефективним використання мінеральних наповнювачів, в тому числі у тих, що містяться у відсівах подрібнення граніту. Виконано експериментальні дослідження, проведено теоретичний аналіз отриманих результатів, виконані необхідні технологічні обгрунтування. Розроблено технологію виготовлення виробів із ВДБ на основі гранітного відсіву і впроваджено її у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення роботи оприлюднені: на міжнародних конференціях “Композиционные строительные материалы. Теория и практика.” (м. Пенза, Росія, 2000 р.), “Современные проблемы строительного материаловедения. Седьмые академические чтения РААСН” (м.Бєлгород, Росія, 2001 р.), “Создание и применение высокоэффективных наукоемких ресурсосберегающих технологий, машин и комплексов” (м. Могільов, Бєларусь, 2001 р.), “Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві” (м. Київ, 2001 р.), “Сучасні проблеми бетону і його технологій” (м. Київ, 2002 р.), всеукраїнській конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (м. Рівне, 1999 р.), науковому семінарі “Структура, свойства и состав бетона. Вопросы теории бетоноведения и технологической практики” (м. Рівне, 2002 р.), науково-практичних конференціях УДУВГП (м. Рівне, 1998-2002 рр.)

Публікації. По темі дисертації опубліковано 15 робіт, в тому числі 2 статті в наукових журналах, 6 – в збірниках наукових праць та 7 – в матеріалах наукових конференцій і семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел з 157 найменувань і додатку. Загальний обсяг дисертації 200 сторінок, в тому числі 158 сторінок основного тексту, 34 таблиці на 8 сторінках, 53 рисунки на 17 сторінках, перелік використаних джерел на 13 сторінках і додатки на 4 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність, стан наукової проблеми і передумови, що визначають актуальність даної роботи, наведено підстави та вихідні дані для розробки теми, виділено основні наукові результати та показано їх практичне значення.

У першому розділі наведений аналітичний огляд наукових робіт, присвячених особливостям ефективного виготовлення дрібнозернистого бетону (ДЗБ).

Дослідження технології виготовлення ДЗБ проводились багатьма дослідниками (Ахвердов І.М., Баженов Ю.М., Красний І.М., Малініна Л.А., Михайлов М.В., Саталкін А.В. та ін.). Відзначено, що виробництво ДЗБ з базовими властивостями, аналогічними бетону з крупним заповнювачем при застосуванні звичайної технології (використання пластичних сумішей та ущільнення на вібромайданчику), вимагає перевитрати цементу на 15…40%. Основними причинами перевитрати цементу в ДЗБ є висока водопотреба та пустотність заповнювача.

Ефективним засобом зниження водопотреби бетонних сумішей при виготовленні дрібнорозмірних виробів є застосування силових методів ущільнення, з яких найбільш простим в технічному відношенні є вібропресування. Даний метод формування бетонних виробів має два принципових різновиди: ущільнення одночасною дією вібрації і пресуючого тиску (вібрування з привантаженням) та сполучення вібраційного ущільнення з подальшим статичним пресуванням. Застосування вібрування з привантаженням дозволяє використовувати бетонні суміші із пониженою витратою води – жорсткі та наджорсткі, за рахунок чого значно знижується В/Ц та утворюється контактна структура бетону, при якій великий вплив на характеристики матеріалу створює кам’яний скелет заповнювача.

Пресування під високим тиском попередньо ущільненої вібруванням бетонної суміші сприяє подоланню сил відштовхування в цементному тісті та значному зростанню концентрації продуктів гідратації в процесі твердіння, що веде до зниження пористості цементного каменю (досягається щільна кристалогідратна структура).

Зниження витрати цементу в ДЗБ можливо за рахунок введення до складу в’яжучого активних чи інертних наповнювачів. В роботах Бутта Ю.М., Вирового В.Н., Вознесенського В.А., Волженского А.В., Дворкіна Л.Й., Комара А.Г., Пантелєєва А.С., Риб’єва І.А., Соломатова В.І., Юнга В.Н. та ін. доведено можливість використання в якості наповнювачів, поряд з кварцовим піском, інших порід (граніти, сієніти, вапняки, магнезити, глини), та відходів промисловості (шлаків, зол-виносу, пилу електрофільтрів), а також отримані кількісні залежності та математичні моделі властивостей бетонів з наповнювачами. Аналіз фізико-хімічних механізмів структуроутворення цементного каменю з наповнювачами вказує на доцільність використання тут силових методів ущільнення, що експериментально було підтверджено Ахвердовим І.М. та іншими дослідниками.

Викладені вище міркування дали змогу визначити напрямок досліджень та запропонувати робочу гіпотезу.

У другому розділі наведено характеристику матеріалів, котрі використовувались в експериментах та методику проведення досліджень.

В якості основного заповнювача вібропресованого дрібнозернистого бетону був використаний відсів подрібнення граніту на щебінь Вирівського кар’єру Рівненської області. Даний відсів являє собою крупний пісок з Мкр=3,1…3,4 і, згідно діючих нормативних документів, не задовольняє вимогам щодо використання його як заповнювача цементного бетону через значний вміст крупних зерен та недостатній дрібних (що спричиняє нераціональну форму кривої зернового складу), а також велику кількість (до 20%) пилуватих домішок.

Пилуваті домішки гранітного відсіву (частинки менші 0,16 мм) являють собою дисперсну фракцію вихідної породи (граніту) з питомою поверхнею 2200…2400 см2/г (за ПСХ-2). Вони переважно складаються з крупних частинок (0,16…0,13 мм), котрі можуть виступати в якості інертного наповнювача цементних бетонів, а дисперсні частинки можуть містити значну кількість активних центрів, що сприятимуть прискоренню зародження кристалів новоутворень. Вміст глинистих частинок знаходиться в межах встановленим стандартом.

Для визначення оптимальної кількості води у бетонній суміші для вібропресування використовувався метод електропровідності бетонних зразків із застосування реохордного мосту Р-38 та спеціально виготовленої комірки-струбцини.

Особливості формування структури ВДБ при їх твердінні вивчались за зміною електропровідності свіжовідформованих зразків та швидкості проходження крізь них ультразвукових хвиль.

Для визначення параметрів порової структури бетону використовували метод дослідження кінетики поглинання води.

При визначенні будівельно-технічних властивостей використовувались стандартні, а також інші, достатньо апробовані, методики.

Для ефективної реалізації експериментів, формалізації експериментальних даних, технологічного аналізу і вибору оптимізаційних рішень в роботі широко використовувався метод експериментально-статистичного моделювання.

Третій розділ присвячений дослідженню властивостей бетонних сумішей для вібропресування та вибору оптимальних параметрів їх ущільнення.

Бетонна суміш для вібропресування (наджорстка бетонна суміш (НБС)) вміщує недостатню кількість води для повного обводнення твердих частинок і являє собою незв’язну масу. Основною технологічною властивістю такої суміші є формувальність – здатність зберігати надану в результаті ущільнення форму і не руйнуватись під час технологічних переміщень при деякому оптимальному В/Ц – (В/Ц)опт. При певній витраті цементу (В/Ц)опт повинне забезпечувати достатнє значення формувальної міцності та максимальну проектну міцність.

Розподіл води у НБС при (В/Ц)опт можна представити у вигляді виразу:

,

де – залишкове В/Ц цементного тіста, після дії на нього вібропресуючого зусилля; Кзм – коефіцієнт змочування заповнювача; З – витрата заповнювача, кг/м3; Ц – витрата цементу, кг/м3.

Шляхом теоретичного аналізу процесів, що відбуваються при вібропресуванні НБС отриманий вираз для визначення залишкового В/Ц цементного тіста:

,

де rц – середня густина “сухого” цементу, ущільненого до стикання частинок, г/см3; та – густина сольватних оболонок рідини навколо частинок цементу до і після ущільнення, відповідно, г/см3; Р0 – опір цементного тіста стисканню, МПа; Рпр – величина привантаження, МПа; Рст – величина тиску статичного пресування, МПа; m – маса тіл, що коливаються вібромаданчиком, кг; S – поверхня виробу, м2; А, щ, t – амплітуда (см), частота (Гц), тривалість вібрування (с), відповідно.

Розроблена методика визначення Кзм заповнювача у вібропресованому бетоні, котра враховує параметри ущільнення.

Контролювати (В/Ц)опт доцільно за оптимальним питомим електричним опором ущільненого зразка бетону, котрий характеризує утворення неперервних плівок цементного тіста на зернах заповнювача, що, в свою чергу є умовою отримання ВДБ максимальної міцності при певній витраті цементу. Оптимальна величина питомого електричного опору rеопт в меншій мірі залежить від параметрів ущільнення НБС, від водопотреби та зернового складу заповнювача, однак на неї сильно впливає витрата цементу та його водопотреба.

При певних параметрах ущільнення НБС та використанні матеріалів постійної якості, (В/Ц)опт, а тому і міцність вібропресованого бетону, визначається співвідношенням З/Ц.

У випадку ущільнення НБС одночасною дією вібрування і пресування (тобто вібрування з привантаженням) збільшення інтенсивності силової дії до оптимальних значень (амплітуда – 0,5…0,65 мм, тривалість – 15…20 с, привантаження – 0,06…0,1 МПа) сприяє зниженню водовмісту, а також викликає зниження кількості затисненого повітря у вібропресованому бетоні у 2…2,5 рази. При цьому міцність ВДБ підвищується у 1,5…2,1 рази.

При вібруванні з подальшим статичним пресуванням – підвищення середньої густини бетону не супроводжувалось однозначним підвищенням міцності: застосування до ВДБ ущільненого під динамічним навантаженням статичного пресування величиною 10…15 МПа викликало руйнування присутніх у гранітному відсіві голчатих зерен.

Збільшення кількості пилуватих частинок у гранітному відсіві підвищує водопотребу НБС із розрахунку 1…1,5 л/м3, при цьому нівелюється вплив більш крупних фракцій. Водопотреба НБС при деякій витраті цементу кореляційно пов’язана з модулем ефективності (Ме) заповнювача (введеного В.І.Сорокером).

В НБС, що ущільнюються вібропресуванням зі зміною Ц/В в’язкість цементного тіста зростає в більшій мірі, ніж в звичайних сумішах, а товщина його плівки практично не змінюється, тому область стабільності в’язкості, характерна для звичайних бетонних сумішей (правило постійної водопотреби), в даному випадку не виражена.

Збільшення вмісту пилуватої фракції у гранітному відсіві до певної межі (15…25%) сприяє підвищенню середньої густини бетону, причому ефективна кількість пилуватих зростає зі збільшенням вмісту крупних фракції (10…2,5 мм). При оптимальному підборі зернового складу піщаної складової відсіву (10…0,16 мм) з позиції мінімальної пустотності, пилувата фракція на середню густину бетону практично не впливає. Оптимальний зерновий склад гранітного відсіву: фракція 10…2,5 мм – 25…35%, 2,5…0,63 мм –30…40%, 0,63…0,16 мм – 35…45%, <0,16 мм – 20%.

При постійному водовмісті введення в НБС оптимальної кількості добавки С-3 сприяє підвищенню здатності суміші до ущільнення. При цьому кількість затисненого повітря, що лишається у ВДБ, знижується до 30…40 л/м3. Водопотребу дана добавка знижує всього на 2…8%.

Ефект підвищення середньої густини ВДБ (кількість затисненого повітря знижується на 30…35%) отримали при введенні повітрявтягувальної добавки СДО. Повітряні бульбашки, що втягуються в бетонну суміш під час перемішування, виступають у ролі мікрокульок, які, знижуючи тертя між частинками, сприяють більш компактному їх розташуванню.

У четвертому розділі наведені результати досліджень процесу структуроутворення і твердіння ВДБ з гранітним наповнювачем.

Підвищення дисперсності наповнювача до максимально варійованої приводить до збільшення міцності при стиску на 33…35%, незважаючи на підвищення В/Ц (25…27%). При цьому спостерігається зниження відкритої пористості, а також покращення її параметрів. Оптимальне поєднання максимальної міцності та доцільної витрати цементу отримується в результаті використання суміші фракцій: <0,08 мм – 35…50%, 0,16…0,08 – 10…40%, 0,315…0,16 – 40…60%.

Як показали проведені дослідження кінетики електропровідності, у вібропресованому бетоні з НБС при недостатній кількості води (В/Ц цементного тіста – 0,12…0,18) введення гранітного наповнювача (пилу) призводить до збільшення терміну проходження процесу гідролізу мінералів клінкеру та насичення іонами дифузного шару, причому у присутності наповнювача процес іде в більшій мірі.

Темп наростання швидкості повздовжніх ультразвукових хвиль зростає при введенні 18…20% гранітного пилу при В/Ц бетону 0,4 – на 8…9%, а при В/Ц=0,67 – на 38…40%. Для ВДБ початкова горизонтальна ділянка, що характеризує утворення коагуляційних структур непомітна – зміна швидкості проходження ультразвукових хвиль відбувається плавно – після вібропресування НБС утворюється щільна початкова структура бетону, і тому утворення коагуляційних контактів у “тісних” умовах призводить до наростання швидкості ультразвукових хвиль.

Вібропресований цементний камінь (В/Цц.к.=0,12), гідратує в меншій мірі ніж цементний камінь, отриманий після твердіння тіста нормальної густоти: на 3-тю добу степінь гідратації () – 34%, на 7-му – 42%, на 28-му – 55%. Заміна 50% цементу гранітним пилом збільшує В/Ц (В/Ц=0,17) і степінь гідратації: у 3 доби на 47% (=50%), у 7 діб на 59% (=67%) і на 28 діб на 32% (=71%).

При високих В/Ц бетону (В/Ц=0,67) гранітний наповнювач спричиняє більш інтенсивне зростання міцності ВДБ, особливо на 3-тю та 7-му добу. В пізні строки більш суттєве наростання міцності у наповнених бетонах з низьким В/Ц: вода, адсорбована наповнювачем є додатковим джерелом, що перешкоджає зневодненню бетону і сприяє більш повному проходженню процесів гідратації (табл. 1).

Використання добавок “Релаксол” і Na24 в бетонах з НБС не дало відчутного прискорюючого ефекту: підвищення міцності у віці 3 доби – 40…60%. Найбільш ефективним прискорювачем твердіння ВДБ є хлорид кальцію (у 3 доби підвищення міцності на 80…90%).

Збільшення вмісту пилуватої фракції у гранітному відсіві позитивно впливає і на міцність пропареного ВДБ, причому введення гранітного мікронаповнювача ефективне і при низьких значеннях В/Ц. Позитивний вплив гранітного пилу збільшується при одночасному підвищенні температури ізотермічної витримки. Добавки “релаксол” і хлорид кальцію при введенні їх в оптимальній кількості (1…1,8 %-Ц) інтенсифікують структуроутворення ВДБ при пропарюванні і дозволяють знизити температуру ізотермічної витримки з 800С до 40…500С без втрати міцності. Збільшення оптимальної кількості добавок спостерігається при підвищенні температури та зниженні В/Ц.

Таблиця 1

Кінетика наростання міцності вібропресованого дрібнозернистого бетону

В/Ц | Вміст пилуватої фракції у відсіві, % | Міцність на стиск (МПа),

у віці (діб) | Інтенсивність наростання міцності (%), у віці (діб) | 3 | 7 | 28 | 360 | 3 | 7 | 28 | 360

0,4 | 18 | 13,8 | 19,3 | 33 | 55,8 | 42 | 59 | 100 | 169 | 0,4 | 0 | 10,4 | 15,8 | 26,8 | 40,1 | 39 | 59 | 100 | 150 | 0,67 | 18 | 8,3 | 12,9 | 20,7 | 21,4 | 40 | 62 | 100 | 103 | 0,67 | 0 | 4,5 | 5,9 | 12 | 13,2 | 37 | 49 | 100 | 110 |

У п’ятому розділі наведені результати досліджень будівельно-технічних властивостей ВДБ на гранітному відсіві.

Встановлено, що збільшення вмісту пилуватої фракції в гранітному відсіві до 15…18% сприяє зростанню міцності при стиску на 37…48%, при згині (Rзг) – 52…60%. Максимальна кількість гранітного пилу визначається В/Ц і пустотністю заповнювача: якщо при В/Ц=0,4 міцність на стиск збільшується на 13...14% (Rзг на 18...20%), то при В/Ц=0,7 – у 2,4...2,7 рази (Rзг у 2,9…3,9 рази). Найбільший вплив пилувата фракція виявляє при недостатньому вмісті цементного тіста для заповнення пустот заповнювача вібропресування бетону. При В/Ц=0,33…0,4 оптимальний вміст пилуватих 10…12% – міцність бетону починає знижуватись, коли наповнене цементне тісто розсуває зерна заповнювача, і навантаження в більшій мірі сприймає наповнений цементний камінь.

Отримано рівняння регресії міцності ВДБ при стиску і при згині від зернового складу відсіву. Оптимальний зерновий склад з умови максимізації міцнісних характеристик практично співпадає з зерновим складом при якому досягається максимальна середня густина бетону, а також мінімальна відкрита пористість.

Зростання середньої густини бетону за рахунок введення суперпластифікатора С-3, відмічене вище, викликає підвищення міцності при стиску на 30…34%, за рахунок введення добавки СДО – 17…21%. Зростання міцності за рахунок зниження В/Ц, викликаного дією С-3 – незначне (8…16%).

Комплексна дія добавок С-3 та СДО викликає адитивне підвищення середньої густини – міцність при цьому зростає на 36…41%, а водопоглинання знижується на 60…68%. Оптимальна кількість СДО (0,06…0,075%-Ц) дозволяє знизити вміст С-3 до 0,4…0,5%-Ц при збереженні міцності і водопоглинання.

Присутність у ВДБ гранітного наповнювача знижує усадку незважаючи на збільшення В/Ц. Внаслідок зменшення прошарків цементного тіста між зернами заповнювача та формування більш щільної структури бетону викликаного дією суперпластифікатора С-3 та додаткового ущільнення під статичним тиском (7 МПа) – деформації усадки знижуються до 3…4,5•10-5 (180 діб).

У віці 28 діб загальна пористість ВДБ на гранітному відсіві знаходиться в межах 14,5… 26%, відкрита пористість – 10…24%. Підвищення кількості пилуватих частинок у гранітному відсіві знижує загальну пористість на 22%, а відкриту на 38…40%.

Параметри порового простору для ВДБ знаходяться в межах: показник середнього розміру пор (л) – 2…2,6, показник однорідності розмірів пор (б) – 0,3…0,6. При збільшенні кількості гранітного пилу л знижується в середньому з 2,12 до 2,0, а б підвищується з 0,55 до 0,61.

Випробувані зразки мають морозостійкість в межах від 20 до 230 циклів. Використання суперпластифікатора підвищує морозостійкість до 190…200, а комплексу С–3 і СДО – до 220…230 циклів. Найбільш впливовими факторами, що підвищують морозостійкість ВДБ, є збільшення середньої густини бетону (в тому числі і за рахунок введення гранітного наповнювача) та реорганізація затисненого повітря за допомогою повітрявтягувальних добавок. Ці ж фактори підвищують водонепроникність та сульфатостійкість ВДБ.

Шостий розділ присвячений розробці методів проектування оптимального складу та особливостям технології виробництва ВДБ на гранітному відсіві.

Отримані теоретичні та експериментальні результати дозволили розробити ряд методів проектування складів бетону:

1.

2.

3.

Перший метод базується на отриманих емпіричних залежностях та математичних моделях. Основою другого методу є рівняння розподілу води в НБС для вібропресування. Використовуючи даний метод, крім проектування складу бетону із забезпеченням потрібної міцності та інших характеристик можна вирішувати обернену задачу: при заданих витраті цементу та на матеріалах певної якості підібрати оптимальні параметри вібропресування, котрі забезпечать отримання бетону певної міцності. Третій метод є загальним випадком вищезгаданих, він дозволяє розраховувати склад дрібнозернистих бетонів, що ущільнюються різними способами, а також враховує основні принципи формування щільної структури бетону.

Таблиця 2

Склади бетону впроваджені на УКСП “Орія-Вест” та результати випробувань

Марки блоків | Клас

бетону плит | Склад бетону | Властивості матеріалів | Цем., кг/м3 | Відсів, кг/м3Пісок, кг/м3Вода, л/м3Добав-ка | Rст, МПа | Wm,

% | rо,

кг/м3 | F, цикли | М100 | 200 | 1820– | 142– | 11,7 | 9,2 | 1181 | 25 | М250 | 270 | 1780– | 146– | 25,6 | 6,8 | 2168 | 25 | В22,5 | 450 | 1210 | 400 | 158– | 30,7 | 5,4 | 2221 | 200 | В30 | 510 | 1150 | 370 | 165 | + | 43,7 | 3,7 | 2283 | 200 | Примітка: Склад комплексної добавки: С-3 – 0,4%-Ц, СДО – 0,06%-Ц.

Для можливості ефективного промислового використання гранітного відсіву як заповнювача ВДБ розроблена система вхідного лабораторного контролю сировинного матеріалу такого типу, що дозволяє оперативно реагувати на зміну якості.

Технологія виготовлення вібропресованих стінових блоків і тротуарних плит на гранітному відсіві, а також оптимальні склади бетону впроваджені і виробляються на україно-канадському спільному підприємстві “Орія-Вест”. Склади бетону і властивості виробів виготовлених у виробничих умовах наведені у табл. 2.

ВИСНОВКИ

Дисертація містить теоретичне обгрунтування і практичне вирішення задачі розробки оптимальної технології виготовлення вібропресованих бетонних виробів з використанням як основного заповнювача відсіву подрібнення граніту зі значним вмістом пилуватих частинок, котрі виступають в ролі мінерального наповнювача цементного тіста. Виконані дослідження дають змогу зробити такі висновки:

1. Встановлено, що при певній витраті цементу достатня формувальна міцність вібропресованого бетону та максимальна проектна міцність забезпечується при деякому (В/Ц)опт, котре залежить від властивостей цементу, водопотреби заповнювача, параметрів ущільнення. Отримане рівняння розподілу води в наджорстких бетонних сумішах (НБС) для вібропресування при (В/Ц)опт.

Контролювати (В/Ц)опт доцільно за оптимальним питомим електричним опором ущільненого зразка бетону, котрий характеризує утворення неперервних плівок цементного тіста на зернах заповнювача.

2. У вібропресованому дрібнозернистому бетоні (ВДБ) кількість затисненого повітря знаходиться в межах від 200 до 100 л/м3. Ущільнення при встановлених оптимальних параметрах (амплітуда – 0,5…0,65 мм, тривалість – 15…20 с., привантаження – 0,06…0,1 МПа) дозволяє знизити об’єм повітря у ВДБ до 60…70 л/м3. Міцність при цьому збільшується у 1,5…2,1 рази. При підвищенні інтенсивності силового впливу за рахунок статичного пресування, з підвищенням густини бетону міцність практично не змінюється внаслідок руйнування голчатих зерен відсіву.

3. Водопотреба НБС залежить від коефіцієнта змочування заповнювача (Кзм), а при певній витраті цементу від його модуля ефективності (Ме). Встановлено кореляційну залежність між водопотребою та Ме. Розроблена методика визначення Кзм заповнювача у ВДБ, яка полягає у визначенні оптимального В/Ц наджорсткої суміші з заповнювачем і без нього, при певних параметрах ущільнення.

Водопотреба НБС зростає у всьому діапазоні зростання Ц/В: на такі суміші правило постійності водопотреби, відоме для звичайних бетонів, не розповсюджується внаслідок різкого зростання в’язкості цементного тіста і практично незмінної (мінімальної) товщини його плівок на зернах заповнювача. Отримано математичну модель водопотреби НБС, що враховує Ц/В і особливості заповнювача.

4. В дискретному середовищі, яке являють собою НБС суперпластифікатор і повітрявтягувальні добавки не впливають на консистенцію. Лише під час дії динамічного навантаження, що викликає звільнення частини адсорбційно-зв’язаної цементом води і утворення неперервних плівок, проявляється мастильний ефект макромолекул С-3 і бульбашок повітря втягнутих в суміш добавкою СДО. В результаті введення оптимальної кількості добавки С-3 кількість затисненого повітря до знижується до 30…40 л/м3 (міцність підвищується на 30…34%), добавки СДО – міцність зростає на 17…21%.

5. Збільшення кількості гранітного пилу (наповнювача) у відсіві до 15...18% в середньому підвищує міцність при стиску на 37…48%, міцність на розтяг при згині на 52…60%. Найбільший приріст міцності спостерігається у бетонах з високими значеннями В/Ц, коли цементного тіста недостатньо для заповнення пустот заповнювача.

6. Присутність гранітного пилу у відсіві приводить до збільшення тривалості індукційного періоду (періоду тужавлення та зародження кристалогідратів). Це викликано збільшенням кількості води, яка приймає участь у реакціях за рахунок адсорбованої на поверхні заповнювача, а також розширенням вільного простору між зернами цементу. В присутності гранітного пилу підвищується степінь гідратації портландцементу.

Позитивна дія гранітного наповнювача у ВДБ проявляється на двох рівнях: дисперсні частинки приймають активну участь у кристалоутворенні цементного каменю, а крупні зерна (до 0,315 мм), збільшуючи кількість в’яжучого, сприяють підвищенню щільності бетону. Встановлено оптимальний зерновий склад наповнювача, що забезпечує максимальну міцність при ефективному використанні цементу.

7. Присутність гранітного пилу у відсіві сприяє підвищенню кінетики зниження пористості ВДБ у часі і викликає збільшення частки умовно-замкнених пор. При цьому показник середнього розміру пор () знижується в середньому з 2,12 до 2,0, а показник однорідності пор за розміром () підвищується з 0,55 до 0,61.

Найбільш впливовими факторами, що підвищують морозостійкість ВДБ, є збільшення середньої густини (в тому числі і за рахунок введення гранітного наповнювача) та реорганізація затисненого повітря за допомогою повітрявтягувальних добавок. Введення С-3 підвищує морозостійкість до 190…200, а комплексу С–3 і СДО – до 220…230 циклів.

8. Розроблено методи проектування складу ВДБ, що дозволяють проектувати бетон з заданою міцністю, враховувати спосіб і параметри ущільнення, а також характеристики заповнювача (зерновий склад, пустотність, питому поверхню) і його вид.

9. Технологія виготовлення вібропресованих стінових блоків і тротуарних плит на гранітному відсіві, а також оптимальні склади бетону впроваджені у виробництво на УКСП “Орія-Вест”, що дозволило підприємству повністю замінити кондиційні заповнювачі гранітним відсівом.

Основні положення дисертаційної роботи викладено в таких публікаціях:

1. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л., Житковский В.В. Вибропрессованый бетон с использованием отсевов камнедробления.// Проблеми науки. – 1998.– №3.– С.53-55. (автором виконані експериментальні дослідження і встановлено ефект позитивної дії гранітного пилу на властивості ВДБ)

2. Дворкін Л.Й., Житковський В.В., Дворкін О.Л. Розрахунок складу дрібнозернистого бетону для дорожніх покрить. //Автошляховик України №3, 2001.–С.43-46. (автором встановлені залежності для розрахунку умовної товщини плівки цементного тіста на зернах заповнювача)

3. Житковський В.В. Прискорення твердіння дрібнозернистого вібропресованого бетону на гранітному відсіві.// Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. Зб. наук. праць. Вип.3.– Рівне: РДТУ, 1999.– С.34-37.

4. Житковский В.В., Скрыпник И.Г. Влияние минерального наполнителя на кинетику твердения мелкозернистого вибропрессованного бетона.// Композиционные строительные материалы. Теория и практика.Сб. науч. тр.– Пенза, 2000.– С. 94-96. (автором проведені дослідження кінетики проходження ультразвукових хвиль крізь вібропресований бетон, що твердіє)

5. Житковский В.В., Скрыпник И.Г. Свойства вибропрессуемых мелкозернистых бетонных смесей на гранитном отсеве.// Современные проблемы строительного материаловедения: Сб. науч. тр. – Белгород: БелГАСА, 2001.–С.25-29. (автором проведені експериметальні дослідження і встановлений кореляційний зв'язок між міцністю та питомою електропровідністю вібропресованої бетонної суміші)

6. Дворкін Л.Й., Житковський В.В. Бруківка з вібропресованого бетону на гранітному відсіві.// Автомобільні дороги і дорожнє будівництво.– вип.69 Київ, 2001.–С.102-107. (автором проведені експериментальні дослідження і встановлено вплив повітрявтягувальних добавок на властивості ВДБ)

7. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л., Житковский В.В. Метод проектирования состава мелкозернистого бетона. // Создание и применение высокоэффективных наукоемких ресурсосберегающих технологий, машин и комплексов: Сб. науч. тр.– Могилев: МГТУ, 2001.– С.284-285. (автором експериментально отримані рівняння регресії використані для розрахунку дрібнозернистих бетонів ущільнених вібропресуванням)

8. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л., Житковский В.В. Элементы теории проектирования составов бетона.// Будівельні конструкції. Н-т збірник, вип. 56.– К.:2002.– С.70-81. (автором проведений теоретичний аналіз умов і меж справедливості правила постійності водопотреби)

9. Житковський В.В. Структура порового простору і властивості вібропресованого дрібнозернистого бетону на гранітному відсіві.// Структура свойства и состав бетона: Сб. науч. тр. – Ровно, 2002.– С.93-96.

10. Дворкін О.Л., Житковський В.В., Доманський Г.В. Гранітні відсіви – заповнювач для вібропресованого бетону.// Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. Зб. наук. праць. Вип.2.– Рівне: РДТУ, 1999.– С. 19-24. (автором розроблена методика проектування складу ВДБ на гранітному відсіві).

11. Дворкін Л.Й., Житковський В.В. Особливості підрахунку складу вібропресованого дрібнозернистого бетону на гранітному відсіві.// Вісник РДТУ: Зб. наук. праць. Вип. 5(7).– Рівне, 2000.– С. 141-148. (автором експериментально отримані регресійні залежності і математичні моделі, що дозволяють проектувати склад ВДБ з гранітним наповнювачем).

12. Дворкін Л.Й., Житковський В.В. Оптимізація параметрів ущільнення вібропресованого дрібнозернистого бетону з використанням гранітного відсіву.// Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. Зб. наук. праць. Вип.5.– Рівне: РДТУ, 2000.– С. 52-59. (автором проведені дослідження, отримані математичні моделі властивостей ВДБ і визначені оптимальні параметри ущільнення).

13. Житковський В.В. Вплив зернового складу заповнювача на властивості вібропресованого дрібнозернистого бетону.// Ресурсоекономні матеріали, будівлі і споруди. Вип.6. – Рівне, 2001.– С. 15-20.

14. Дворкін Л.Й., Житковський В.В. Особливості структуроутворення вібропресованого бетону з гранітним мікронаповнювачем.// Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Вип.26.– Рівне, 2001.– С.200-209. (автором виконані експериментальні дослідження впливу дисперсності гранітного наповнювача на властивості ВДБ та кінетики електропровідності бетону, що твердіє)

15. Дворкін Л.Й., Житковський В.В.Водопотреба сипких бетонних сумішей.// Вісник УДУВГП. Вип. 3 (16) – Рівне, 2002.– С. 149-157. (автором проведене аналітичне дослідження особливостей розподілу води в бетонних сумішах для вібропресування, запропонована методика визначення коефіцієнта змочування заповнювачів).

АНОТАЦІЯ

Житковський В.В. Вібропресований дрібнозернистий бетон (ВДБ) з використанням відсівів подрібнення граніту. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали і вироби. – Одеська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Одеса, 2003.

Дисертація присвячена теоретичному узагальненню і практичному вирішенню задачі розробки технології виготовлення вібропресованого бетону з використанням, у якості основного заповнювача, гранітного відсіву. Вивчено особливості розподілу води у наджорстких сумішах для вібропресування і формування їх водопотреби. Пилуваті частинки, що містяться в гранітному відсіві в кількості до 20% виступають у ролі наповнювача, що підвищує міцність і інші будівельно-технічні властивості вібропресованого бетону внаслідок збільшення середньої густини бетону й інтенсифікації процесів структуроутворення при недостатній кількості води.

Розроблено метод проектування оптимальних складів ВДБ, а також загальний метод проектування складів дрібнозернистих бетонів з урахуванням способу формування виробів.

Ключові слова: дрібнозернистий бетон, наджорсткі бетонні суміші, вібропресування, гранітний відсів, зерновий склад, наповнювач.

АННОТАЦИЯ

Житковский В.В. Вибропрессованный мелкозернистый бетон (ВМБ) с использованием отсевов дробления гранита. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Одесская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Одесса, 2003.

Диссертация посвящена теоретическому обобщению и практическому решению задачи разработки технологии изготовления вибропрессованного бетона с использованием в качестве основного заполнителя гранитного отсева.

Установлено, что при вибропрессовании сверхжестких бетонных смесей прочность и другие, связанные с ней свойства бетона определяются оптимальным В/Ц ((В/Ц)опт), при котором происходит образование непрерывных пленок цементного теста на зернах заполнителя. Изучены особенности распределения воды в сверхжестких смесях для вибропрессования и получено уравнение, связывающее (В/Ц)опт с основными технологическими факторами (параметры уплотнения, водопотребность цемента и заполнителя, их соотношением). Водопотребность сверхжесткой бетонной смеси снижается во всем диапазоне возрастания В/Ц: правило постоянства водопотребности для таких смесей не действует вследствие высокой вязкости цементного теста и практически неизменной толщины его пленки на зернах заполнителя. Разработан способ экспериментального определения и контроля (В/Ц)опт- по электропроводности уплотненных образцов, а также коэффициента смачивания заполнителя в вибропрессованном бетоне.

Исследовано влияние способов вибропрессования на водосодержание, уплотняемость бетонных смесей и прочность бетона. Установлены оптимальные параметры уплотнения сверхжестких бетонных смесей на гранитном отсеве.

Показано влияние зернового состава гранитного отсева на водопотребность сверхжестких бетонных смесей. Установлена корреляционная зависимость водопотребности с показателями, характеризующими зерновой состав заполнителя ВМБ. Определено соотношение фракций отсева, обеспечивающее максимальную плотность и прочность ВМБ.

Установлено, что эффект от введения в сверхжесткую бетонную смесь суперпластификатора С-3 проявляется при неизменном водосодержании: снижение вязкости цементного теста способствует увеличению уплотняемости и прочности ВМБ. Также как эффективный пластификатор смесей такого типа, проявляет себя воздухововлекающая добавка СДО, причем совместное введение добавок позволяет уменьшить необходимое количество С-3 без снижения прочности.

Пылеватые частицы, содержащиеся в гранитном отсеве в количестве 15…20%, проявляют себя как наполнитель, повышающий прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, снижающего пористость и усадку ВМБ. Гранитный наполнитель, увеличивает недостаточное для образования плотной структуры вибропрессованного бетона количество вяжущего, а также способствует более полному прохождению процессов гидролиза и гидратации цемента в условиях недостаточного количества воды, расширяет свободное пространство для осаждения продуктов гидратации. Экспериментально установлено оптимальное количество гранитного наполнителя, изучено влияние его дисперсности на свойства бетона и определен наиболее эффективный гранулометрический состав.

Изучено влияние тепловлажностной обработки и добавок-ускорителей на кинетику набора прочности ВМБ. Установлены оптимальные параметры пропаривания и концентрации добавок, позволяющие максимально снизить температуру изотермической выдержки.

Получен комплекс адекватных уравнений регрессии, связывающих свойства сверхжестких бетонных смесей и ВМБ технологическими факторами. Теоретически изученные особенности формирования свойств ВМБ и полученные численные зависимости позволили разработать метод проектирования оптимальных составов бетона: с использованием гранитного отсева и на обычных заполнителях.

На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов, а также с использованием данных других авторов, разработан общий метод проектирования составов мелкозернистых бетонов с учетом типа способа формования изделий.

Разработана технология изготовления вибропрессованных бетонных изделий (стеновые блоки и тротуарные плиты) на гранитном отсеве и оптимальные составы бетона, которые внедрены в производство на украино-канадском совместном предприятии “Ория-Вест” (г. Костополь, Ровенской обл.).

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, сверхжесткие бетонные смеси, вибропрессование, гранитный отсев, зерновой состав, наполнитель.

ANNOTATION

Zhitkovsky V.V. Vibropressed fine-grained concrete with application of granite crushing wastes. – Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.05 - building materials and products. - Odessa state academy of civil engineering and architecture of Ministry of education and