ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Попов Сергій Володимирович

УДК 666. 973. 2

ДРІБНОЗЕРНИСТІ ЩІЛЬНІ БЕТОНИ ЗІ СПЕЦІАЛЬНИМИ

ВЛАСТИВОСТЯМИ НА ЗАПОВНЮВАЧАХ ІЗ КАМ'ЯНОВУГІЛЬНИХ І

АНТРАЦИТОВИХ ЗОЛОШЛАКОВИХ МАТЕРІАЛІВ ТЕС ДОНБАСУ

05. 23.05. - Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України та у державному проектному і науково-дослідному інституті промислового будівництва ?Донецький ПромбудНДІпроект? Української державної будівельної корпорації Укрбуд.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Братчун Валерій Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Вировий Валерій Миколайович, Одеська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри ?Виробництво будівельних виробів і конструкцій?;

кандидат технічних наук Рідкозубов Олександр Олексійович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, доцент кафедри будівництва і експлуатації автомобільних доріг.

Провідна установа: Придніпровська державна академія будівництва і архітектури (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України (кафедра ?Технологія будівельних матеріалів, виробів і конструкцій?).

Захист дисертації відбудеться 18 вересня 2003 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.085.01 Донбаської державної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус №1, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий 14 серпня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Югов А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При згорянні вугілля на теплових електростанціях утворюються золи та шлаки, вихід яких в Україні щорічно складає 7-9 млн. тонн (50 - 200 грамів золи на 1 кВт·г вироблюваної електроенергії). Відвали золошлакових сумішей (ЗШС) є джерелами інтенсивного забруднення біо- і гідросфери. Особливо гостро шкідливий вплив золошлакових відвалів виявляється в такому промисловому і густозаселеному регіоні України, як Донбас, де розміщено шість великих електростанцій.

Ефективним напрямком використання мінеральних паливних відходів ТЕС є застосування ЗШС як заповнювачів бетону. Донецький регіон є найбільшим в Україні споживачем бетонів зі спеціальними властивостями, серед яких - підвищені температурна і корозійна стійкість, адгезійно-когезійна міцність. Під час реконструкції промислових підприємств Донбасу виконуються роботи з посилення і відновлення конструкцій. Бетони для посилення конструкцій повинні забезпечувати надійне зчеплення зі старим бетоном. Для виготовлення таких бетонів використовуються високоякісні природні заповнювачі. Заміна цих матеріалів техногенною сировиною сприятиме значному скороченню матеріало- і енергоємності виробництва будівельних матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру було виконано в рамках державної ?Програми використання відходів виробництва і споживання на період до 2005 року? (затверджено Постановою КМУ від 28 червня 1997 р., №668); при виконанні кафедральної науково-дослідної теми ДО-2-5-96 ?Композиційні будівельні матеріали підвищеної довговічності на основі відходів промисловості й енергозберігаючих технологій їх виробництва? та державної науково-дослідної теми №0102U005641 ?Дослідження властивостей дрібнозернистих щільних бетонів на основі паливних відходів ТЕС Донбасу? (замовник - Українська державна корпорація ?Укрбуд?, 2002 – 2003 р., код тематичної рубрики 67.09.33).

Мета роботи: теоретичне й експериментальне обґрунтування одержання дрібнозернистих щільних бетонів зі спеціальними властивостями (підвищені морозостійкість, водонепроникність, адгезійно-когезійна міцність, температурна і корозійна стійкість) з використанням як заповнювачів кам'яновугільних і антрацитових ЗШС ТЕС Донбасу поточного виходу на основі встановлення закономірностей формування міжфазного контактного шару ?цементний камінь-зола? і ?цементний камінь-шлак?.

Задачі досліджень:

- вивчити фізико-хімічні властивості кам'яновугільних і антрацитових ЗШС Зуєвської, Старобешевської і Вуглегірської ТЕС поточного виходу як сировини для виробництва бетонів зі спеціальними властивостями;

- дослідити процеси, що відбуваються на поверхні розподілу фаз: ?цементний камінь-зола?, Ѕ?ементний камінь-шлак ТЕС?;

- розробити оптимальні склади золошлакобетонів зі спеціальними властивостями;

- обґрунтувати параметри технологічних режимів виробництва виробів і конструкцій із використанням золошлакових дрібнозернистих бетонних сумішей;

- виконати порівняльні дослідження міцнісних, деформативних і експлуатаційних властивостей золошлакобетонів і бетонів на природних заповнювачах;

- дослідити морозостійкість, водонепроникність, температурну і корозійну стійкість золошлакобетонів, вплив хімічних домішок на зазначені властивості; здійснити пошук раціональних галузей використання кам'яновугільних і антрацитових ЗШС у бетонах різного призначення;

- обґрунтувати економічну доцільність застосування дрібнозернистих щільних бетонів з використанням кам'яновугільних і антрацитових ЗШС ТЕС;

- розробити технологічну інструкцію щодо виробництва дрібнозернистих щільних золошлакобетонів і конструкцій на їх основі та виконати виробничу перевірку результатів досліджень.

Об'єкт досліджень. Дрібнозернисті щільні конструкційні бетони зі спеціальними властивостями з використанням кам'яновугільних і антрацитових ЗШС поточного виходу Зуєвської, Вуглегірської і Старобешевської ТЕС (Донецька обл.).

Предмет досліджень. Закономірності формування структури і властивостей дрібнозернистих щільних конструкційних золошлакобетонів зі спеціальними властивостями.

Методи досліджень. Дослідження порової структури, фазового складу і властивостей ЗШС, експлуатаційно-деформативних властивостей бетонів здійснювалося з використанням стандартних і спеціальних методів досліджень, а саме: оптичної мікроскопії, ІЧ - спектроскопії, термографічними і рентгенофазовими методами. При оптимізації складів бетону використано методи експериментально-статистичного моделювання. Дослідні партії залізобетонних конструкцій пройшли випробування відповідно до вимог ДСТУ Б В.2.6-7-95.

Наукова новизна отриманих результатів:

- теоретично й експериментально обґрунтовано можливість використання кам'яновугільних і антрацитових ЗШС ТЕС Донбасу поточного виходу із широким діапазоном складу і властивостей у дрібнозернистих щільних бетонах зі спеціальними властивостями;

- вивчено закономірності формування міжфазного контактного шару ?цементний камінь-зола?, Ѕ?ементний камінь-шлак?;

- оптимізовано склади бетонів на кам'яновугільних і антрацитових золошлакових відходах поточного виходу Зуєвської, Вуглегірської і Старобешевської ТЕС;

- встановлено оптимальні технологічні параметри виробництва бетонних сумішей на кам'яновугільних і антрацитових ЗШС ТЕС Донбасу;

- визначено міцнісні і деформативні властивості дрібнозернистих щільних бетонів на основі кам'яновугільних і антрацитових ЗШС;

- досліджено спеціальні властивості і встановлено раціональні напрямки використання дрібнозернистих щільних бетонів на заповнювачах із ЗШС ТЕС Донбасу, а саме: для виготовлення елементів шахтного кріплення, що працюють в умовах агресивних вод; для конструкцій теплових агрегатів, що експлуатуються при високих температурах; для ремонту і відновлення будівель і споруд.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблено склади дрібнозернистих щільних бетонів зі спеціальними властивостями;

- складено ?Технологічну інструкцію щодо виготовлення дрібнозернистих щільних бетонів на заповнювачах із золошлакових сумішей Зуєвської ТЕС і конструкцій на їх основі? для заводу ?Буддеталь? ВАТ ДХК ?Донбасшахтобуд?;

- впроваджено результати досліджень на підприємствах будівельної індустрії Донбасу: заводі Буддеталь ВАТ ДХК ?Донбасшахтобуд? (м.Макіївка); ТОВ ВФ ?Гідрозалізобетон? (м.Часів Яр); заводі ?Буддеталь? ВАТ ?Донбасенергобуд? (м.Старобешево);

- дано техніко-економічну оцінку ефективності застосування золошлакобетонів зі спеціальними властивостями.

Особистий внесок здобувача

- вивчено хімічний склад та здобуті експериментальні дані щодо текстурно-структурних і фізико-механічних властивостей ЗШС ТЕС Донбасу поточного виходу;

- оптимізовано склади бетонів з використанням кам'яновугільних і антрацитових золошлакових відходів поточного виходу ТЕС Донбасу;

- вивчено спеціальні властивості дрібнозернистих щільних бетонів на заповнювачах із ЗШС ТЕС Донбасу і встановлено раціональні галузі їх використання.

- розроблено ?Технологічну інструкцію на виготовлення дрібнозернистих щільних бетонів на заповнювачах із золошлакових сумішей Зуєвської ТЕС і конструкцій на їх основі? для заводу ?Буддеталь? ВАТ ДХК ?Донбасшахтобуд?.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлено на: Всеукраїнській науково-технічній конференції ?Сучасні проблеми бетону та його технологій? (м. Київ, 2002 р.); ІІ-му науково-технічному семінарі за темою Ѕ?труктура, властивості та склад бетону (питання теорії бетонознавства і технологічної практики)? (м. Рівне, 2002 р.); I-му міжнародному науково-практичному семінарі ?Теорія і практика виробництва і застосування ніздрюватого бетону в будівництві (м. Дніпропетровськ, 2003 р.); науково-технічній конференції творчої молоді ?Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ? (м. Київ, 2003 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 14 статей (10 - у збірках наукових праць і 4 - у матеріалах науково-технічних конференцій).

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку літератури з 166 найменувань на 14 сторінках і трьох додатків на 33 сторінках. Роботу викладено на 184 сторінках. Містить 137 сторінки основного тексту, серед них 43 малюнки, 62 таблиці, 19 повних сторінок з малюнками і таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення і галузь реалізації.

У першому розділі проаналізовано сучасні тенденції використання золи-виносу, шлаку, ЗШС як активної мінеральної добавки і заповнювачів дрібнозернистих бетонів загальбудівельного і спеціального призначення.

Аналіз робіт П.І. Баженова, В.Г. Брагинського, А.В. Волженського, Б.Н. Виноградова, В.М. Вирового, Л.Й. Дворкіна, І.О. Іванова, О.Г. Ольгинського, В.В. Попова, О.О. Рідкозубова, Р.Ф. Рунової, В.І. Романова, Ю.П. Чернишова та інших дослідників дозволяє дійти висновку про те, що альтернативою заповнювачам з гірських порід можуть бути ЗШС ТЕС, насамперед у тих випадках, коли бетони за умов експлуатації повинні мати спеціальні властивості. Широкому впровадженню таких бетонів заважає недостатній обсяг експериментальних даних про властивості ЗШС ТЕС поточного виходу і золошлакобетонів зі спеціальними властивостями.

Досвід вивчення цементнозольних бетонів свідчить про те, що зола, заміщуючи частину цементу, призводить до зменшення усадкових деформацій через зниження водопотреби бетонної суміші (І.О. Іванов). Сорбуючи з гідратованого цементу розчинні луги, зола бере участь в утворенні стійких, водонерозчинних гідроалюмосилікатів (А.М. Сергєєв). Використання золи як активної мінеральної домішки сприяє підвищенню хімічної стійкості цементних бетонів. Зокрема, бетон підводних конструкцій, що містить домішку золи, є більш стійким до впливу морської води порівняно з бетоном на шлакопортландцементі (М. Кокубу, Д. Ямада). Помірний вміст золи в суміші підвищує водонепроникність бетону, що обумовлено гідравлічними властивостями золи, поліпшенням гранулометричного складу бетонної суміші і зменшенням відкритої пористості бетону (Л.Й. Дворкін). Таким чином, при використанні ЗШС ТЕС як активної мінеральної домішки і заповнювача, дрібнозернистий щільний бетон буде мати задані спеціальні властивості.

У другому розділі на підставі робіт В.І. Бабушкіна, Ю.М. Баженова, В.Д. Глуховського, К.В. Гладких, В.С. Горшкова, В.Б. Ратінова та інших, присвячених дослідженню механізму гідратації цементного каменю за наявності активних мінеральних домішок, сформульовано наступні гіпотези дослідження:

- Тонкодісперсна частина ЗШС повинна знижувати концентрацію Ca(ОН)2 у цементному камені, що твердіє, в результаті взаємодії Ca(ОН)2 і аморфного кремнезему золи з утворенням стабільних вторинних гідросилікатів, які забезпечать більш щільну і міцну структуру дрібнозернистого бетону. За рахунок ущільнюючого ефекту варто очікувати підвищення водонепроникності і сульфатостійкості композиції, а також близькості показників деформативно-міцнісних властивостей золошлакобетонів і бетонів на природних заповнювачах. Рівність цих показників забезпечить міцність зчеплення і високу щільність сполучних стиків між важкими бетонами на природних заповнювачах та дрібнозернистими щільними золошлакобетонами.

- ЗШС не зазнають модифікаційних перетворень при нагріванні до 8000С, що супроводжуються нерівномірною зміною лінійних розмірів і обсягу. Вплив підвищених температур на бетон виявляється у зміні властивостей контактного шару. Нагрівання до завершення структуроутворення повинне призводити до порушення хімічних зв'язків розчинної частини з заповнювачем. Можна припустити, що при поступовому зміцненні структурних зв'язків, додатковій гідратації цементного каменю й ущільненні бетону при витримці від 28 до 90 діб залишкова міцність після нагрівання до 8000С виявиться достатньою для використання отриманих бетонів на кам'яновугільних і антрацитових ЗШС при температурі до 8000С.

У третьому розділі наведено характеристики об'єктів та методик досліджень.

Як вихідні компоненти при порівняльних випробуваннях фізичних і механічних властивостей бетонів на основі антрацитових і кам'яновугільних ЗШС з властивостями піщаних бетонів, важких бетонів на природних заповнювачах і бетонів на природних заповнювачах з домішкою золи-виносу, використані: в'яжучі - портландцемент ПЦII/A-Ш-500, портландцемент ПЦII/A-Ш-400, що виробляються ВАТ ?Краматорським цементно-шиферним комбінатом-Пушка?; заповнювачі з мінеральних відходів - кам'яновугільні ЗШС Зуєвської і Вуглегірської ТЕС, антрацитові ЗШС Старобешевської ТЕС, зола-виносу Кураховської ТЕС; природні заповнювачі - кварцовий пісок Просянівського каолінового комбінату (Дніпропетровська обл.) із МК=2,66, кварцовий пісок Краснолиманського кар'єру (Донецька обл.) із МК=1,03, гранітний щебінь (фракція 5-20 мм) Каранського кар'єру. Пластифікацію бетонних сумішей виконано домішками: С-3, ?Дофен?, ПФС (пластифікатор форміатно–спиртовий), ВЛР (вуглелужний реагент). Для прискорення твердіння бетонів застосовувалися Na2SO4, Na2NO3, CaCl2, Ca(NO3)2.

Визначення показників якості бетону виконано за методиками, викладеними у ГОСТ 10180, ГОСТ 12730.1, ГОСТ 12730.2, ГОСТ 12730.3, ГОСТ 12730.4, ГОСТ 12730.5, ГОСТ 22452. Загальні вимоги до цих випробувань приведено у ГОСТ 12730.0.

Відносні деформації вимірялися із похибкою не більше 0,001% (?=1?10-5) з використанням індикаторів годинного типу з ціною розподілу 0,01 мм. Вимір поперечних деформацій виконувався датчиками опору, відлік з яких здійснювався цифровим тензометричним комплексом ЦТК – 1.

При визначенні фазового складу компонентів ЗШС використовувалися методи ІЧ-спектроскопії, термографічного і рентгенофазового аналізів. Рентгенівська дифрактометрія проводилася порошковим методом на рентгенівському дифрактометрі УРС-50ИМ з гоніометричною приставкою ГУР-3 при напрузі 42,5кV і силі струму 10mА. ІЧ-спектри знімали на двопроменевому спектрометрі Спекорд-75ИР у діапазоні 400 - 4000 см-1. Характер взаємодії в'яжучого компонента із золошлаковим заповнювачем визначався за допомогою дериватографа Q=1500 системи МОМ.

Структурні особливості золошлакових матеріалів і золошлакобетонів досліджували оптико-мікроскопічним методом. Мікрознімання тонкодісперсних об'єктів у прохідному світлі здійснювалося за допомогою поляризаційного мікроскопа МІН-8 при збільшенні 8?10х і фотокамери Зеніт Е. Мікрофотознімання ЗШС і окремих її складових виконувалося за допомогою бінокулярного мікроскопа МБС-9 при змінній кратності об'єктива 1х, 2х, і 4х мікрофотонасадки МФН-20.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень параметрів технологічного процесу виробництва бетонних сумішей на ЗШС і оптимізації складів золошлакобетонів. Подано результати порівняльних випробувань фізико-механічних властивостей золошлакобетонів з фізичними і механічними властивостями різних видів бетонів.

Хімічний і рентгенівський аналіз, ІЧ-спектроскопічні й оптико-мікроскопічні дослідження показали, що переважною складовою в ЗШС є кисле алюмосилікатне скло, вміст якого в золах досягає 65%, а у шлаках 90-95%. Вміст сірчаних і сірчанокислих сполук у перерахуванні на SО3 перебуває у межах 0,3-1,6%, а СаО не перевищує 5%. Вапно у вільному вигляді відсутнє. ЗШС, що отримані від спалювання донецького вугілля, за показниками якості, відповідають вимогам ГОСТ 25592 і можуть бути використані для виробництва бетонних сумішей. Дані гранулометрії і фізичних властивостей ЗШС дозволяють забезпечити підвищену щільність бетону на основі золошлакового заповнювача.

Встановлено, що тривалість перемішування бетонних сумішей на золошлаковому заповнювачі з осіданням конуса 1-3 см повинна складати близько 1 хв, більш жорстких сумішей – від 3-4 хв і більше. Залежно від легкоукладальності сумішей оптимальна тривалість вібраційного впливу при амплітуді коливань 0,35 мм і частоті коливань 50 Гц перебуває у межах від 60 до 120 с.

Бетонні суміші на заповнювачах із ЗШС у порівнянні зі звичайними важкими бетонними сумішами відрізняються кращою легкоукладальністю, тому їх можна застосовувати з більш низькою рухливістю. Використання бетонних сумішей із жорсткістю 5-10 с замість сумішей з осіданням конуса на 1-4 см дозволяє знизити витрати цементу на 8 – 10%, а при жорсткості суміші 11 – 20 с на 16 – 18%.

Межа міцності при стиску пропарених золошлакобетонів складає в середньому 0,83 від міцності пропарених зразків у 28-добовій витримці. Середнє значення відношення міцності пропарених золошлакобетонів у 28-добовій витримці до міцності золошлакобетонів, що зберігалися в нормальних умовах у віці витримці до 28 діб, склало 1,21. Середнє значення відношення міцності пропарених зразків і зразків, що зберігалися в нормальних умовах, у віці витримці до 180 діб дорівнює 1,05. При однаковій витраті цементу міцність бетону на антрацитовій ЗШС на 7 – 15% нижче, ніж на кам'яновугільній ЗШС. За витратою цементу бетон на золошлаковому заповнювачі має проміжне значення між важким і дрібнозернистим бетоном на природних заповнювачах.

Максимальна міцність при стиску бетону на ЗШС досягається при вмісті зольної фракції у складі ЗШС в межах 20-30%. Припустимий вміст зольної фракції - до 50%. Подальше збільшення частки зольної частини в складі ЗШС призводить до зніження міцності золошлакобетону до 30-40%.

З використанням методу математичного планування експерименту оптимізовано склади бетону на заповнювачах із ЗШС ТЕС. Отримано математичні моделі залежності міцності дрібнозернистих щільних бетонів від витрати цементу (Х1), рухливості бетонної суміші (Х2) і змісту зольної фракції 0,001 - 0,315мм (Х3):—

для бетону нормального твердіння з витримкою у 28 діб

R28 н.х. = 23,9+8,9·Х1 – 3,18·Х2 – 1,4·Х3 – 1·Х1·Х3+0,89·Х2·Х3+1,07·Х1·Х2·Х3 (1);—

для пропареного бетону

R п.п. = 25,61+9,49·Х1 – 2,71·Х2 – 1,8·Х3 – 1,23·Х1·Х3+0,315·Х2·Х3 (2);—

для пропареного бетону з витримкою 28 діб

R28 п.п. = 30,71+11,38·Х1 – 3,25·Х2 – 2,16·Х3 – 1,47·Х1·Х3 (3).

На рис. 1 наведено геометричну інтерпретацію рівняння регресії для бетону нормального твердіння у 28-добовому віці.

Рис. 1. Лінії рівних значень межі міцності при стиску бетону нормального твердіння з витримкою до 28 діб на кам'яновугільній ЗШС при рухливості суміші: а) ОК=2см; б) ОК=8см.

Мікроскопічні дослідження виявили, що золошлакобетони характеризуються щільною структурою з відносно малою пористістю, яка поділяється на: повітряні пори і раковини, що виникли внаслідок затягнення повітря при формуванні; пори і раковини, що виникли внаслідок усадок; щілинні пори і негустості, що утворюються на контакті великих зерен заповнювача з розчинною частиною бетону. Макрокапілярні пори характеризуються ефективним діаметром 0,10-0,15 мм і розміщені на контактних нещільностях на межі ?цементний камінь – зерна шлаку?. Щільовидні зазори і порожнини (завдовжки до 1,5 см, завширшки 0,1-0,15 мм) спостерігаються на контакті слабких і зруйнованих зерен шлаку. Більша частина пор жужільних зерен має закритий характер. Цементний камінь щільно заповнює всі нерівності поверхні зерен шлаку. Щільний контакт між зернами шлаку і розчинною частиною спостерігається переважно повсюдно порівняно із відзначеними нещільностями. Лінія контакту чітко окреслюється з поступовим переходом у цементний камінь, що свідчить про хімічну взаємодію в'яжучого зі шлаком.

Термографічні дослідження золошлакобетонів показують, що при температурах понад 8000С чітко спостерігаються зміни структури золошлакобетонів. Екзотермічні ефекти при температурах 800 - 10000С свідчать про перетворення алюмосилікатного скла (при 830-8600С - кристалізується воластоніт CaО?SiО2; при 920-9600С і 960-9800С відбувається розкладання алюмосилікатного скла з утворенням ?-Al2O3 і муліту 3Al2O3?2SiО2 відповідно). Ендотермічні ефекти при 9000С пов'язані, імовірно, з початком плавлення алюмосилікатного скла. На підставі отриманих результатів можна дійти висновку про імовірне використання золошлакобетонів із граничною температурою застосування до 8000С.

Для розширення області застосування золошлакобетонів вивчено можливості їх модифікації хімічними добавками. Встановлено, що бетони на ЗШС із добавкою Ca(NO3)2 та СНВ можуть застосовуватися для конструкцій, до яких висуваються підвищені вимоги за міцністю, морозостійкістю і водонепроникністю, - для споруд гідротехнічного і водогосподарчого будівництва. До складу золошлакобетону, що твердіє за нормальних умов, вводилися пластифікатори: С-3, Дофен, ПФС, УЩР. Найбільший ефект забезпечують пластифікатори С-3, ДФ і ПФС, які дозволяють зменшити водопотребу рівнорухливих сумішей на 10–30% та підвищити міцність на 40–45%, що відповідає зниженню витрат цементу на 20–25%.

Досліджено міцнісні і деформативні властивості дрібнозернистих щільних бетонів на заповнювачах із ЗШС ТЕС Донбасу. При міцності золошлакобетонів від 25 до 45 МПа міцність на осьовий розтяг бетонів складає 2,1 - 3,0 МПа. Бетони на ЗШС краще працюють на розтягання, ніж бетони на гранітному щебені. Міцність на розтягання при вигині бетонів на ЗШС складає від 3,9 до 5,1 МПа при класах бетону від В20 до В35. Відносна міцність бетонів на ЗШС змінюється від 0,112 до 0,156, збільшуючись зі зменшенням міцності бетону на стиск. Коефіцієнт вигину (RРВ/RР) бетонів на ЗШС перебуває в межах 1,68 - 1,86. Міцність на розтягання при вигині бетонів на ЗШС наближається до нормативних значень і узгоджується з формулою RРВ=0,8·R2/3, встановленою О.Я. Бергом. Початкові модулі пружності бетонів на ЗШС близькі до нормованих СНиП 2.03.01-84* для важких бетонів відповідних марок. Відхилення у бік збільшення складає у середньому 10,7% при коливаннях від 8,3 до 13,7%. Незважаючи на те, що золошлакобетони відносяться до дрібнозернистих бетонів, вони мають початковий модуль пружності на 35-42% вищий, ніж піщані бетони.

За значеннями пластичних деформацій золошлакобетони займають посереднє положення між піщаними бетонами і бетонами на гранітному щебені. Граничні деформації усадки і повзучості за часом їх загасання для золошлакобетонів перебувають у межах нормативних значень для важкого бетону на природних заповнювачах. Гранична стисливість золошлакобетонів класів В20-В40 складає 1,420-1,925 мм/м, тобто відповідає граничній стисливості звичайних важких бетонів. Значення коефіцієнта Пуассона для золошлакобетонів дорівнюють 0,17 - 0,23 і дещо відрізняються від нормованої величини - 0,2, встановленої СНиП 2.03.01-84* для усіх видів бетонів.

Міцність зчеплення арматури з бетоном на ЗШС та на гранітному щебені з домішкою золи не поступається міцності зчеплення арматури з важким бетоном на природних заповнювачах. Відношення RЗЧ/RСТ для бетонів на ЗШС, на гранітному щебені з домішкою золи і просто на гранітному щебені склали відповідно: 0,104 - 0,138, 0,077 - 0,096 і 0,040 - 0,047.

Встановлено, що бетони на кам'яновугільній ЗШС витримують 250-300 циклів навперемінного заморожування і розморожування, на антрацитовій ЗШС – до 200 циклів. Під час введення домішки СНВ і рухливості бетонної суміші 5-7 см морозостійкість бетонів з витратою цементу 340-420 кг/м3 досягає марок F300-350.

Зі золошлакобетонної суміші з ОК=5-7 см при зниженій, порівнянно з нормативною, витраті цементу (ПЦ500?269-432 кг/м3) та з застосуванням ТВО отримано особливо щільні бетони марок W12-W20, що перевершують за водонепроникністю аналогічні бетони на природних заповнювачах (рис. 2).

У залежності від умов твердіння запропоновано норми витрат цементу для водонепроникних бетонів (марка W6-W12) на кам'яновугільних ЗШС ТЕС .

Водонепроникність бетонів на антрацитових ЗШС дорівнює W6-W12. Їх фільтраційна щільність виявилася значно меншою, ніж у бетонів на кам'яновугільних ЗШС, що пояснюється меншою насипною щільністю антрацитових ЗШС і підвищеним вмістом у них вуглистих залишків.

У п'ятому розділі наведено результати досліджень спеціальних властивостей бетонів на заповнювачах із кам'яновугільних і антрацитових ЗШС, що дозволяють раціонально використовувати їх при виготовленні елементів конструкцій теплових агрегатів, які працюють за умов високих температур; при ремонті і відновленні будівель та споруд, виготовленні елементів шахтного кріплення, працюючого в умовах впливу сульфатної агресії шахтних вод Донбасу.

Показники деформативності бетонів на кам'яновугільних ЗШС під навантаженням при дії високих температур визначаються такими значеннями: під навантаженням 0,2 МПа температура початку розм'якшення складає 760-7800С; температура, що відповідає 4% деформації, близько 8000С; а 40% деформації - 10500С. Відповідно до ГОСТ 20910 за показниками, які визначають граничну температуру застосування, розроблені бетони відносяться до класу И8 і можуть використовуватися при нагріванні до температури 8000С. Досліджений бетон на кам'яновугільній ЗШС можна класифікувати як полегшений жаростійкий бетон щільної структури класу И8 на гідравлічних в'яжучих із заповнювачем із кам'яновугільної ЗШС ТЕС.

Необхідно відзначити високу залишкову міцність маломіцнісних бетонів (співвідношення між зольною і жужільною складовими 70% до 30%) особливо після нагрівання до температури 600-7000С (рис. 3).

Після нагрівання і витримування при температурі 9000С зразки мають краплинні виплавки чорного кольору склоподібної структури, тобто починається плавлення жужільного скла. Не можна вважати за позитивний результат збільшення залишкової міцності бетону після нагрівання його до 900 - 10000С, тому що це зростання обумовлюється сплавленням жужільних зерен після нагрівання.

Результати випробувань бетонів на антрацитовій ЗШС у стандартний термін за ГОСТ 20910 свідчать про те, що вони не відповідають вимогам за величиною залишкової міцності і термостійкості. Зі збільшенням термінів витримування в повітряно-сухих умовах до 60-90 діб розглянуті бетони задовольняють вимогам, пропонованим для жаростійких бетонів (рис. 4).

Залишкова міцність пропарених бетонів на антрацитових ЗШС після нагрівання до 8000С склала від 30% до 40%, що відповідає класу бетону И8 за гранично припустимою температурою застосування.

На підставі отриманих результатів за визначенням гранично припустимої температури застосування бетонів на кам'яновугільних й антрацитових ЗШС ТЕС Донбасу визначено імовірні галузі використання досліджуваних бетонів.

З метою вивчення можливостей застосування золошлакобетонів для ремонту і посилення конструкцій досліджено міцність їх зчеплення (RЗЧ) з різними видами бетонів і щільність стиків між цими бетонами. Встановлено, що при добетонуванні зразків дрібнозернистих бетонів на ЗШС звичайним бетоном показник зчеплення між ними зменшується на 10% порівняно з важкими бетонами на природних заповнювачах (табл. 1).

Таблиця 1

Зчеплення між різними видами бетонів

Види основного і добетонованого бетонів | Межа міцності бетону при стиску, МПа | RЗЧ,

МПа | Коеф-т

зчеплення

основного | добетонованого

Важкий бетон на природних заповнювачах і важкий бетон на природних заповнювачах. | 42,0 | 40,3 | 1,41 | 1

Важкий бетон на природних заповнювачах і бетон на заповнювачах із ЗШС | 42,0 | 38,6 | 1,27 | 0,90

Важкий бетон на природних заповнювачах і піщаний бетон з добавкою золи-виносу | 42,0 | 38,9 | 1,05 | 0,75

Вивчено щільність стиків між бетоном на природних заповнювачах і бетоном на ЗШС із використанням методики визначення водонепроникності бетону. Результати випробувань показали, що максимальний тиск, при якому не спостерігалося просочування води через стики наступних сполучень бетонів, склав таке: важкий бетон на природних заповнювачах з домішкою золи-виносу + піщаний бетон з домішкою золи-виносу - 0,6 МПа; важкий бетон на природних заповнювачах з домішкою золи-виносу + важкий бетон на природних заповнювачах з домішкою золи-виносу - 0,3 МПа; важкий бетон на природних заповнювачах з домішкою золи-виносу + дрібнозернистий бетон на ЗШС - 0,8 МПа.

З огляду на високі показники міцності зчеплення і щільності у стиках зі звичайними бетонами можна стверджувати, що золошлакові бетони доцільно застосовувати для ремонту і відновлення будівель і споруд.

Досліджено вплив хімічно агресивних шахтних вод на динаміку набору міцності ЗШС у часі. Як агресивне середовище використовувалися шахтні води АП ?Шахта ім. О.Ф. Засядька? (м. Донецьк). Загальна жорсткість шахтних вод дорівнює 19,6 мг-екв/л (карбонатна – 15,5 мг-екв/л, постійна – 4,1 мг-екв/л). Згідно СНиП 2.03.11-85 табл.6 Захист будівельних конструкцій від корозії, води АП Шахта ім. А.Ф. Засядька є сульфатно - агресивними стосовно бетонів на несульфатостійкому портландцементі. Міцність бетонів на кам'яновугільних ЗШС зростає у часі і практично не знижується при дії сульфатної агресії шахтних вод для бетонів з витратою цементу більше 255 кг/м3 (рис. 5). При витраті цементу менше ніж 255 кг/м3 відзначається 8-9%-ний недобір міцності зразків 180-добової витримці.

Незалежно від умов твердіння міцність бетонів на заповнювачах з кам'яновугільної і антрацитової ЗШС зростає у часі. Порівняно з пропареними зразками, що зберігалися поза шахтними водами, недобір міцності складає: у бетонах на кам'яновугільних ЗШС при витратах цементу 255, 330 і 400 кг/м3 відповідно 8,1, 3,9 і 2,3%; у бетонах на антрацитових ЗШС із витратою цементу 268, 339 і 414 кг/м3 відповідно на 17,2, 15,2 і 8,6%. В усіх випадках з підвищенням витрат цементу недобір міцності знижується.

У бетонах на кам'яновугільних ЗШС недобір міцності в порівнянні з бетоном на антрацитових ЗШС значно нижчий і при витратах цементу понад 255 кг/м3 у бетонній суміші практично не впливає на експлуатаційні властивості бетону.

За отриманими результатами можна рекомендувати бетони на кам'яновугільних ЗШС з витратою цементу від 255 кг/м3 і вище для виготовлення елементів шахтного кріплення, що забезпечуватимуть високу стійкість при експлуатації їх у шахтних умовах.

У шостому розділі наведено дані про дослідно-промислове впровадження розроблених складів бетонів на будівельних підприємствах Донецької області, а саме:

- заводі Буддеталь ВАТ ДХК Донбасшахтобуд (м.Макіївка). При фактичному випуску товарного бетону класу В15 на кам'яновугільних ЗШС Зуєвської ТЕС за термін з 1 січня 2001 року до 1 червня 2002 року обсягом 2985 м3 економічний ефект склав 111818 гривень;

- ТОВ ВФ Гідрозалізобетон (м.Часів Яр). При фактичному випуску перемичок і фундаментних блоків ФБС із використанням кам'яновугільних ЗШС Вуглегірської ТЕС за період з червня 2001 року до вересня 2002 року в обсязі 72 м3 і 2382 м3 відповідно сумарний економічний ефект склав 77518 гривень;

- заводі Буддеталь ВАТ Донбасенергобуд (м.Старобешево). При фактичному випуску товарного бетону класу В15, фундаментних блоків ФБС і залізобетонних кілець з використанням антрацитових ЗШС Старобешевської ТЕС за період з лютого 2002 року до березня 2003 року в обсязі 985 м3, 89 м3 і 130 м3 відповідно сумарний економічний ефект склав 56835 гривень.

У додатках надано: Технологічну інструкцію на виготовлення дрібнозернистих щільних бетонів на заповнювачах із золошлакової суміші Зуєвської ТЕС і конструкцій на їх основі, що розроблена для заводу Буддеталь ВАТ ДХК Донбасшахтобуд (м.Макіївка, Донецька обл.); акти і розрахунок фактичної економічної ефективності впровадження результатів НДР; протоколи фізико-механічних і сертифікаційних випробувань впроваджених матеріалів і виробів (Додатки А, Б, В).

ВИСНОВКИ

1. Теоретично й експериментально доведено ефективність використання кам'яновугільних і антрацитових ЗШС Зуєвської, Старобешевської і Углегорської ТЕС поточного виходу як заповнювачів при виготовленні дрібнозернистих щільних бетонів зі спеціальними властивостями, такими як підвищена водонепроникність (марка W6-W20), морозостійкість (F250-350), температуростійкість (до 8000С), сульфатостійкість, адгезійно-когезійна міцність.

2. За фізико-механічними, оптико-мікроскопічним, термографічним, рентгенофазовим методами, а також за методом ІЧ-спектроскопії встановлено, що середньостатистичні проби ЗШС характеризуються безперервною гранулометрією (при розмірі часток від 20 мм до 1 мкм), насипною щільністю - до 1670 кг/м3, міжзернинною пустотністю - менше 45%, маркою за подрібнюваністю – 1000; переважною складовою в ЗШС є кисле алюмосилікатне скло (65-95%). ЗШС за показниками якості відповідають вимогам ГОСТ 25592, що дає змогу одержувати бетони підвищеної щільності з малою кількістю сполучених пор.

3. Щільний контакт на межі ?цементний камінь-зола? і ?цементний камінь-шлак? визначається утворенням низькоосновних гідросилікатів і гідроалюмосилікатів кальцію. Цементний камінь щільно заповнює нерівності поверхні зерен шлаку. Основна частина пор жужільних зерен має закритий характер. Макрокапілярні пори в золошлакових бетонах дрібні d = 0,10-0,15 мм і розташовані на контактних нещільностях на межі міжфазного контактного шару ?розчинна частина – зерна шлаку?. Щільовидні порожнини на контакті жужільних зерен з розчинною частиною, переходять у щільовидний зазор (довжиною до 1,5 см, завширшки 0,1-0,15 мм), що спостерігається на межі контакту розчинної частини зі слабкими і зруйнованими зернами шлаку. Щільний контакт між зернами шлаку і розчинною частиною спостерігається переважно повсюдно. Щільний контакт на межі фаз переходить у повну хімічну взаємодію.

4. З використанням експериментально-статистичного моделювання визначено, що найбільшу міцність (найменша витрата цементу в рівноміцнісному бетоні) отримано при вмісті 20% зольної фракції у складі ЗШС. При вмісті зольної фракції від 20 до 40% у складі ЗШС різниця між найменшою і найбільшою витратами цементу в рівноміцнісних бетонах з межею міцності при стиску менше 30 МПа складає до 50 кг/м3, що дозволяє використовувати ЗШС безпосередньо з відвалу без її збагачення. У бетонах з межею міцності при стиску більше 30 МПа різниця між найбільшою і найменшою витратами цементу значно збільшується.

5. Визначено вид суперпластифікатора (С-3, ДФ), що дозволяє зменшити водопотребу рівнорухливих золошлакобетонів на 10–30% і підвищити їх міцність на 40–45%, що відповідає зниженню витрати цементу на 20–25%. Для інтенсифікації процесу твердіння бетону в нормальних умовах ефективним є сполучення Са(NO3)2 з повітропоглинаючою домішкою СНВ, що зменшує витрату цементу до 20%.

6. За основними характеристиками (залишкова міцність при стиску після нагрівання є не менше 30%, термічна стійкість 8 – 12 теплозмін, температурна усадка 0,33 – 0,42%) бетони на кам'яновугільній ЗШС задовольняють вимогам до бетонів при температурі їх експлуатації до 8000С (И8 по ГОСТ 20910). При збільшенні термінів витримування в повітряно-сухих умовах до 60-90 діб бетони на антрацитових ЗШС за величиною залишкової міцності при стиску також задовольняють цим вимогам.

7. Величина зчеплення між бетоном на ЗШС і важким бетоном на 10% менше, ніж між важкими бетонами на природних заповнювачах. Максимальний тиск води, при якому не спостерігається її просочування між сполучними зонами важкого бетону на природних заповнювачах і бетоном на ЗШС дорівнює 0,8 МПа. Наведене сполучення бетонів є найбільш доцільним під час ремонтів і відновлення будівель і споруд, що експлуатуються тривалий час.

8. Визначено високу міру стійкості бетонів на кам'яновугільних ЗШС при експлуатації їх у шахтних умовах. Встановлено, що міцність бетонів на кам'яновугільних ЗШС (витрата цементу більше 255 кг/м3) зростає у часі і практично не знижується при дії агресивних шахтних вод. Для бетонів з витратою цементу менше ніж 255 кг/м3 відзначається недобір міцності у 180-добовому віці до 8-9%. Рівень недобору міцності бетонів на антрацитових ЗШС 180-добової витримки складає до 17%.

9. Розроблено Технологічну інструкцію на виготовлення дрібнозернистих щільних бетонів на заповнювачах із золошлакової суміші Зуєвскої ТЕС і конструкцій на їх основі для заводу Буддеталь ВАТ ДХК Донбасшахтобуд.

Результати досліджень впроваджено у виробництво на ряді підприємств будіндустрії Донецької області: заводі Буддеталь ВАТ ДХК Донбасшахтобуд, ТОВ ВФ Гідрозалізобетон, заводі Буддеталь ВАТ Донбасенергобуд. Зниження собівартості виготовлення 1 м3 бетонної суміші склало від 15 грн. до 48,4 грн.

Основні положення дисертації викладені у наступних публікаціях:

1. Давиденко В.П., Попов С.В. Оптимизация составов легкобетонных смесей на основе золошлаков Донбасса //Ежегодный научно-технический сборник Донецкого ПромстройНИИпроекта Современные проблемы строительства. – Донецк. – 2001. – С.143-147.

2. Попов В.В., Брагинский В.Г., Попов С.В. Бетоны естественного твердения на заполнителе из золошлаковых смесей ТЭС//Композиційні матеріали для будівництва. Вісник Дон ДАБА. – Макіївка. – 2002. – Вип.2002–1(32). – С.76-80.

3. Братчун В.И., Попов С.В., Брагинский В.Г. Исследование водонепроницаемости мелкозернистых бетонов на золошлаковых заполнителях//Композиційні матеріали для будівництва. Вісник Дон ДАБА. – Макіївка. – 2002. – Вип.2002-1(32). – С.164-168.

4. Попов С.В. Применение мелкозернистых бетонов на золошлаковых заполнителях для ремонта железобетонных конструкций//Композиційні матеріали для будівництва. Вісник Дон ДАБА. – Макіївка. – 2002. – Вип.2002-1(32). – С.160-163.

5. Брагинский В.Г., Попов С.В. Мелкозернистые бетоны на основе минеральных топливных отходов тепловых электростанций Донбасса//Будівельні конструкції Міжвідомчий науково-технічний збірник НДІБК. Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції Сучасні проблеми бетону та його технологій. – Київ. – 2002. – Вип.56. – С.97-103.

6. Попов С.В. Особенности набора прочности бетонов на основе топливных отходов ТЭС Донбасса, твердеющих без тепловой обработки//Материалы II научно-практического семинара Структура, свойства и состав бетона, вопросы теории бетоноведения и технологической практики. – Ровно. – 2002. – С.110-115.

7. Карпенко И.С., Попов С.В., Недосекина Н.Н. Кислотоупорный порошок из шлаков тепловых электростанций//Ежегодный научно-технический сборник Донецкого ПромстройНИИпроекта Современные проблемы строительства. – Донецк, – 2003. – С.166-170.

8. Братчун В.И., Попов С.В., Брагинский В.Г. Оптимизация составов мелкозернистых бетонов на основе золошлаковых отходов ТЭС Донбасса//Ежегодный научно-технический сборник Донецкого ПромстройНИИпроекта Современные проблемы строительства. – Донецк. - 2003. – С.158-163.

9. Попов С.В. Применение золошлаковых смесей Славянской ТЭС в строительстве//Будівельні конструкції Міжвідомчий науково-технічний збірник НДІБК. – Київ. – 2003. – Вип.57. – С.460-464.

10. Братчун В.И., Попов С.В., Брагинский В.Г. Влияние химических добавок-ускорителей твердения Na2SO4, Na2NO3, CaCl2, Сa(NO3)2 на прочность золошлакобетонов на золошлаковых смесях ТЭС Донбасса//Композиційні матеріали для будівництва. Вісник Дон ДАБА. – Макіївка. – 2003. – Вип.2003-1(38). – С.110-112.

11. Попов С.В. Исследование морозостойкости мелкозернистых бетонов с использованием золошлаковой смеси Зуевской и Старобешевской ТЭС//Композиційні матеріали для будівництва. Вісник Дон ДАБА. – Макіївка, – 2003. – Вип.2003-1(38). – С.113-116.

12. Попов С.В., Давиденко В.П. Ячеистые бетоны с применением золошлаковых отходов Кураховской ТЭС//Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – Дніпропетровськ: ПДАБА. – 2003. – №3-5. – С.115-120.

13. Попов С.В., Брагинский В.Г. Изготовление элементов шахтной крепи из плотных мелкозернистых золошлакобетонов, работающих в условиях воздействия агрессивных шахтных вод Донбасса//Бетон и железобетон в Украине Научно-технический и производственный журнал. – Полтава. – 2003. – Вып.2 – С.13-16.

14. Попов С.В., Брагинский В.Г. Мелкозернистые плотные бетоны на золошлаковых смесях ТЭС Донбасса, работающие при повышенных и высоких температурах//Будівельні конструкції Міжвідомчий науково-технічний збірник НДІБК. – Київ. – 2003. – Вип.58. – С.273-277.

Особиста участь здобувача в цих роботах. У публікаціях автором висвітлено: фізико-хімічні властивості кам'яновугільних і антрацитових ЗШС Зуєвської, Старобешевської і Вуглегірської ТЕС, золи-виносу Кураховської ТЕС поточного виходу як мінеральної сировини для виробництва бетонів [5, 7, 9, 12]; оптимізовано склади бетонів на основі ЗШС ТЕС Донбасу [1, 8]; узагальнено результати досліджень залежності міцності бетонів на ЗШС від умов твердіння [6]; досліджено вплив умов твердіння і різновидів ЗШС на водонепроникність і морозостійкість золошлакобетонів [3, 11]; розроблено склади бетонів на кам'яновугільних ЗШС ТЕС для монолітного домобудівництва, з підвищеними морозостійкістю і водонепроникністю [2]; досліджено вплив домішок-прискорювачів твердіння на динаміку набирання міцності золошлакобетонів