Автореферат ПОЛІПШЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ АКТИВОВАНИХ ДРІБНОЗЕРНИСТИХ БЕТОНІВ

Автореферат - ПОЛІПШЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ АКТИВОВАНИХ ДРІБНОЗЕРНИСТИХ БЕТОНІВ

Загрузка...

Одеська державна академія

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА

ТА АРХІТЕКТУРИ

БАРАБАШ ТЕТЯНА ІВАНІВНА

УДК 666.965.4

ПОЛІПШЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ АКТИВОВАНИХ ДРІБНОЗЕРНИСТИХ БЕТОНІВ

05.23.05 – БУДІВЕЛЬНІ МАТЕРІАЛИ ТА ВИРОБИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОДЕСА-2006

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА), Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Вировий Валерій Миколайович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідуючий кафедрою “Виробництво будівельних виробів і конструкцій”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Федоркін Сергій Іванович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, м. Симферопіль, завідувач кафедри технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів;

кандидат технічних наук, доцент Щербина Сергій Миколайович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, м. Одеса, доцент кафедри міського будівництва та господарства.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва та архітектури, кафедра будівельних матеріалів,

Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “13” червня 2006 р о 13 годині на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д 41.085.01. Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

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

Автореферат розісланий “10” травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент С.С. Макарова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Раціональне використання цементів в виробництві будівельних матеріалів при одночасному підвищенні їх механічних властивостей дозволяє вирішувати технічні і економічні задачі сучасного будівництва. Узагальнюючи значний накопичений досвід слід відзначити, що вирішення цієї комплексної задачі лежить в площині цілеспрямованого розкриття потенційних можливостей цементів. Одним із найбільш ефективних засобів виявлення можливостей в’яжучих являється їх механохімічна активація. Не менш ефективним методом організації структури цементних композицій слід рахувати використання наповнювачів необхідної кількості і дисперсного складу. Перспективним напрямком слід вважати активацію поверхні часток дисперсної фази без їх руйнування. Одночасне використання наповнювачів та ефектів модифікації поверхні твердих складових дають можливість регулювати фізико-хімічними явищами гідратоутворення та фізико-механічними процесами організації структури. Це повинно вплинути на зміну властивостей тужавіючих та затверділих цементних композицій та будівельних матеріалів на їх основі. При цьому реалізується вплив початкового складу і технологічних умов виробництва на структурні особливості цементних композицій і, через зміну структури, на механічні властивості, включаючи тріщиностійкість будівельних матеріалів та виробів. Таким чином, сумісне використання наповнювачів потрібних кількостей і складу та ефектів механохімічної активації, дозволить вирішувати актуальні задачі підвищення якості і зниження матеріалоємності будівельних матеріалів та виробів.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дослідження виконувалися відповідно до держбюджетної науково-дослідної теми Міністерства освіти і науки України “Аналіз механізмів формування технологічної спадковості та її вплив на основні властивості будівельних матеріалів та конструкцій” (рег. № 0100U002702)(2000-2002 р.р.).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення міцності та тріщиностійкості цементних композицій за рахунок направленої організації їх структури шляхом сумісного використання раціональних наповнювачів та механохімічної активації.

Для досягнення мети було необхідно вирішити наступні задачі:

- вивчити сумісний вплив механоактивації та наповнювачів на зміну кінетики структуроутворення цементних композицій;

- проаналізувати вплив механохімічної активації і наповнювачів на процеси і явища, які супроводжують тужавіння цементних композицій (Тє, ?V, кількість хімічно зв’язаної води, степені гідратації);

- дослідити сумісний вплив наповнювачів та механоактивації на зміну міцностних характеристик цементних композицій;

- вивчити вплив модифікованих в’яжучих на зміну міцностних властивостей дрібнозернистого бетону;

- дослідити тріщиностійкість цементного каменю і бетону на механоактивованому в’яжучому;

- оптимізувати склади і розробити технологічні схеми механоактивації в’яжучих і одержання матеріалів на їх основі.

Об’єкт досліджень – цементні механоактивовані композиції з раціональними складами наповнювачів.

Предмет досліджень – вплив сумісної дії механохімічної активації та наповнювачів на основні властивості твердіючих і затверділих цементних систем.

Методи досліджень. Об’ємні деформації тужавіючих цементних композицій визначалися по зміні величини об’єму зразків в вигляді кільця з використанням спеціальних датчиків. Періоди формування структури, зміна структурної міцності і зміна температури твердіючих композицій, міцностні характеристики і тріщиностійкість визначали згідно з діючими методиками. Статистична обробка результатів проводилась з використовуванням апарату математичного планування експерименту (кафедра ПАТБМ ОДАБА).

Наукова новизна отриманих результатів полягає у такому:

- розкриті закономірності сумісної дії наповнювачів і механоактивації на зміну температури твердіючих цементних систем, їх початкові об'ємні деформації, періоди формування структури і зміну структурної міцності;

- вивчений вплив механоактивації і кварцових наповнювачів на кількість хімічно зв’язаної води і степінь гідратації цементу;

- визначено вплив сумісної дії наповнювачів і механоактивації на зміну міцності в часі цементного каменю і дрібнозернистого бетону;

- розкрита сумісна дія складу (наповнювачі) і технології (механоактивація) на тріщиностійкість цементного каменю і бетону;

- одержано комплекс експериментально-статистичних моделей, які дозволяють визначити раціональне використання цементу в бетонах в залежності від вимог по міцності і тріщиностійкості.

Практичне значення отриманих результатів. Показана доцільність механоактивації портландцементу з раціонально підібраними наповнювачами для виготовлення дрібнозернистих бетонів підвищеної тріщиностійкості. З урахуванням аналізу комплексу експериментально-статистичних моделей проведена оптимізація складів дрібнозернистих бетонів на механоактивованому в’яжучому з урахуванням економії портландцементу. Визначені рецептурні і технологічні фактори, впливаючи на кінетику зростання міцності цементного каменю і дрібнозернистого бетону. Випущена промислова партія бруківки і дрібнозернистого бетону для обладнання трамвайного переїзду загальною площею 600 м2.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем отримані:

- масив експериментальних даних по впливу наповнювачів та механохімічної активації на властивості тужавіючих цементних композицій різних складів з кварцовими наповнювачами;

- результати по виявленню впливу питомої поверхні кварцових наповнювачів і їх вмісту на механічні властивості та тріщиностійкість цементного каменю і дрібнозернистого бетону;

- визначення оптимальних складів дрібнозернистих бетонів на активованому в’яжучому з підвищеними експлуатаційними характеристиками.

Апробація дисертаційної роботи. Основні результати досліджень представлені на міжнародних семінарах по: Моделюванню і оптимізації композитів (МОК-41; МОК-42; МОК-43; МОК-44; Одеса, 2002-2005р.р.; Структуроутворенню та руйнуванню будівельних композитів; Рівне, 2002р., Одеса, 2003р.

Публікації. Положення дисертації викладені в 8 друкованих працях, у тому числі 4 статті в наукових спеціалізованих виданнях і 4 в збірниках міжнародних семінарів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з введення, основної частини (4 розділи), висновків, списку літературних джерел і додатка. Загальний обсяг роботи складає 180 сторінок, з яких 96 сторінок основного тексту, 53 рисунків, 34 таблиць, список літератури із 180 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи, приведені її мета і задачі, наукова новизна і практичне значення результатів.

У першому розділі проведено аналітичний огляд стану проблеми та обґрунтування напрямку досліджень. При вивченні фізико-хімічних процесів взаємодії мінеральних в’яжучих з водою окремі дослідники та науковий колектив приймають інколи якісно різні моделі, які описують механізм гідратації. Не дивлячись на принципово різні моделі твердіння в’яжучих, звертає на себе увагу єдиний погляд дослідників на роль міжфазної поверхні розподілу на гідратацію окремих часток в’яжучого і структуроутворення системи в цілому. Значна кількість проаналізованих робіт присвячена різним способам обробки (активації) як окремих складових, так і всієї цементно-водної системи. Як правило, прийняті способи активації призводять, в першу чергу, до модифікації поверхонь часток дисперсної фази або зміну властивостей дисперсійного середовища, що відображається на її активності на границі розподілу фаз. Аналіз літературних джерел дозволив виділити спосіб механохімічної активації як один із достатньо ефективних методів зміни енергетичного стану поверхні часток твердої фази і зміни властивостей дисперсійного середовища. При цьому модифікація поверхні протікає як в зернах в’яжучого, так і в наповнювачах, що повинно відобразиться на активності всієї системи і вплинути на властивості твердіючих і затверділих композицій. Виконаний аналіз літературних джерел дозволив установити, що перспективним методом розкриття потенційних можливостей мінеральних в’яжучих можна рахувати активацію (модифікацію) їх поверхні механічними впливами. Виникаючий при цьому комплекс трибоефектів реалізується при механічній активації часток цементу в середовищі, з яким вони взаємодіють. Крім цього, механічні впливи на частки наповнювачів приводять до зміни їх поверхневої активності, що повинно привести до зміни організації структури, що, в свою чергу, повинно викликати зміну властивостей тужавіючих і затверділих композицій. Приведені положення дозволяють висунути слідуючу гіпотезу. Організація структури цементних композицій, як висококонцентрованих грубодисперсних ліофобних систем з ліофільною границею розподілу фаз реалізується шляхом створення структурних агрегатів через міжчасткові взаємодії. В свою чергу, взаємодія часток дисперсної фази в значній мірі залежить від їх поверхневої енергії і співвідношення розмірів взаємодіючих часток. Змінювати стан поверхні часток дисперсної фази можна шляхом їх механічної обробки, що повинно інтенсифікувати як процес кооперації часток в структурні агрегати (виявлення ліофобних властивостей), так і фізико-хімічних процесів і явищ взаємодії активованих мінералів з водою змішування (виявлення ліофільних властивостей). Так як виникнення структурних блоків зв’язано із спонтанним виділенням в системі структуроутворюючих центрів, то, застосовуючи наповнювачі з різним розміром часток можна змінювати умови структуроутворення, якісний склад кластерних структур і кількість структурних блоків. Застосування методів механохімічної активації з одночасним використанням наповнювачів раціонального складу дозволить покращити властивості твердіючих і затверділих композицій на основі мінеральних в’яжучих.

У другому розділі наведені характеристики компонентів дрібнозернистого бетону, методи досліджень, а також технологія виготовлення дослідних зразків.

Для виготовлення в’яжучого використався клінкер виробництва Одеського цементного заводу ВАТ “Південь цемент”. В’яжуче приготовлялось шляхом сумісного помелу цементного клінкеру з природним гіпсовим каменем в кількості 3 % по масі в лабораторному кульовому млині до питомої поверхні 300 м2/кг.

В якості мінерального наповнювача в цементному в’яжучому використався мелений кварцовий пісок в кількості від 6 до 54 % по масі різних питомих поверхонь. При виготовленні бетонних зразків використовувався кварцовий пісок з Мкр=2,2. Для пластифікації суміші застосовувався суперпластифікатор С-3 в кількості 1 % від маси в’яжучого. Механоактивація (МА) цементного в’яжучого виконувалась в лабораторному трибозмішувачі протягом 180 с. Швидкість обертання ротора трибозмішувача складала 2800 об/хв. Для контрольних зразків приготування суспензії в’яжучого виконувалось по традиційній технології (ТТ).

Для вивчення впливу наповнювачів та активації на властивості тужавіючих цементних композицій контролювали строки тужавлення (фп, фк); структурну міцність (Rm); зміну температури (ДТ?) та об’ємні зміни (ДV); кількість хімічно зв’язаної води (Кх.в.) та степінь гідратації. Крім того, оцінювали вплив прийнятих факторів на механічні характеристики (Rbt, Rbtb) зразків із цементного каменю та розчину в різні терміни твердіння та їх тріщиностійкість (К1с).

Досліди проводились по методиках експериментально-статистичного моделювання. В якості незалежних перемінних прийняті кількість наповнювачів (Х1=30±24 % від маси цементу) та їх питома поверхня Sпит (Х2=300±200 м2/кг).

Для кожної точки плану експерименту виготовлялось по 28 зразків. Rbt і Rbtb визначались в 1-о, 3-х, 7-и, 28-и і 360-и денному терміну твердіння зразків в нормальних умовах. Визначення К1с проводилося шляхом випробування зразків-балок з надрізом.

Побудова і статистичний аналіз експериментально-статистичних моделей виконувались по стандартним методикам з застосуванням діалогової системи COMPEX, розробленої на кафедрі ПАТБМ ОДАБА. Всі моделі побудовані із ступіню ризику б=0,2.

У третьому розділі аналізується вплив наповнювачів та механоактивації на властивості тужавіючих цементних композицій.

Проведений аналіз робіт по механохімічній активації мінеральних в’яжучих як полімінеральних та полідисперсних систем в трибоактиваторах показав, що на стадії механічних дій відбувається модифікація стану поверхні в зоні дії, що супроводжується локальним підвищенням температури, появою дефектів в кристалічних структурах, виникненням систем мікротріщин, вибиванням іонів і їх перехід в дисперсійне середовище.

Збуджений стан модифікованих ділянок поверхні більш проявляє хімічну активність, що інтенсифікує реакції гідратації. При цьому достатня частина часток нової фази здатна відриватись від базової поверхні в турбулентних потоках. Таким чином, після обробки в трибоактиваторах в системі виникають якісно нові складові структури у вигляді часток новоутворень, а поверхня вихідних часток знаходиться в збудженому стані. Це дає можливість дійти висновку, що подальша організація структури активованих в’яжучих водночас повинна проходити на рівні взаємодії іонів з виникненням зародків нової фази як на поверхні базових часток, так і в об’ємі дисперсійного середовища, а також на рівні взаємодії збуджених зерен в’яжучого. Відомо, що наповнювачі слід розглядати як рівноправні та самостійні частки, які спроможні, брати участь в організації структур полімінеральних в’яжучих. В нашому випадку, в якості наповнювача прийнятий молотий кварцовий пісок. Це обумовлено тим, що, як показали наші дослідження і дослідження інших авторів, частки кварцу практично не вступають в хімічні взаємодії з мінералами цементу і продуктами новоутворень. При цьому вони спроможні брати участь в організації структур грубодисперсних систем через міжчасткові взаємодії. Кількість і дисперсний склад часток наповнювачів в значній мірі впливають на утворення змішаних по якісному складу структурних блоків. В свою чергу, різноманіття структурних блоків повинно впливати на розподіл зерен цементу і на кінетику їх взаємодії як між собою, так і з дисперсійним середовищем.

Після механоактивації організація структури системи типу “частки нової фази – активовані зерна цементу – частки наповнювача” реалізується через міжчасткові взаємодії на рівні “зерна цементу – зерна цементу”, “зерна цементу – частки наповнювачів”, а також на рівні взаємодії продуктів новоутворень. Це повинно привести до збільшення кількості хімічно зв’язаної води за рахунок прояву ефектів механоактивації, більш інтенсивному процесу структуроутворення за рахунок взаємодій часток з модифікованою поверхнею, що повинно позначитись на властивостях тужавіючих в’яжучих.

Експериментальні роботи підтвердили, що кількість хімічно зв’язаної води в механоактивованих цементних композиціях через 24 години твердіння на 36 % більше, ніж в аналогічних композиціях, але отриманих за традиційною технологією. Через 28 діб твердіння в нормальних умовах різниця досягає 22 %, рис.1.

В подальших дослідах порівнювались між собою ідентичні склади в’яжучих систем, відмінність полягала лише в різних технологічних умовах їх приготування; - в трибоактиваторах, забезпечуючи механохімічну активацію; - в традиційних сферичних чашах. Це дозволило вивчати вплив початкового складу та технологічних умов переробки на зміну властивостей тужавіючих та затверділих цементних композицій та матеріалів на їх основі.

Використання наповнювачів різних кількостей та питомої поверхні приводить до структурних змін композицій, що позначається на фізико-хімічних процесах гідратації.

Для оцінки ефективності механоактивації був прийнятий коефіцієнт Кх.в., який відображає відношення кількості хімічно зв’язаної води в цементному камені після механоактивації в’яжучого Кх.в.мА до кількості хімічно зв’язаної води в камені на немеханоактивованому в’яжучому Кх.в.тт, Кх.в.=Кх.в.мА/Кх.в.тт експериментальні данні свідчать, що величина коефіцієнту Кх.в. для цементного каменю в одноденному віці зростає з 1,3 при Н=6 % до Н=1, 5...1,6 при Н=54 %-ому вмісту наповнювача з Sпит=100 м2/кг. В трьохденному віці зростання кількості наповнювача з 6 до 54 % приводить до зростання кількості хімічно зв’язаної води з 9 до 13,8 %. В більш пізньому віці (7, 28 днів) область максимальних значень Кх.в. переміщається в зону підвищеного вмісту наповнювача з питомою поверхнею 500 м2/кг.

В традиційно приготовлених суспензіях спостережуться аналогічний вплив концентрації і питомої поверхні наповнювача на зміну кількості хімічно зв’язаної води. Таким чином, варіюючи кількістю і дисперсністю наповнювача, можна в широкому діапазоні керувати кількістю хімічно зв'язаної води в цементному камені як на механоактивованому в’яжучому, так і на в’яжучому, яке не підлягало механоактивації.

Результати експериментів показали, що механоактивація приводить до підвищення степені гідратації цементу. В 28-денному віці твердіння в нормальних умовах степінь гідратації механоактивованого цементу в 1,3...1,5 раз перевищує степінь гідратації немеханоактивованого в’яжучого.

При вивченні строків тужавлення виявлено, що, керуючи заданими кількістю і питомою поверхнею наповнювачів можливо в широкому діапазоні регулювати данними показниками механоактивованих цементних суспензій (від 0,5 до 2,5 год).

Кількість і питома поверхня наповнювача в механоактивованому в’яжучому впливають на зміну структурної міцності (Рm), об’ємних деформацій (ДV) та теплоти екзотермії (ДТ?), рис. 2.

Механоактивовані суспензії характеризуються підвищеною інтенсивністю виділення тепла екзотермії. Максимальна температура досягалась через 6 год 30 хв і складала 98 ?С, в той час як в контрольних зразках максимальна температура (75 єС) досягалась після 12-ти годин твердіння. Введення наповнювачів призводе до зменшення як величини розігріву, так і інтенсивності її зміни. Так, підвищення вмісту в механоактивованому в’яжучому наповнювача з 6 до 54 % приводе до зниження температури розігріву з 98 до 57 ?С. Виявлено, що зростання питомої поверхні наповнювача приводе до більш інтенсивного виділення тепла екзотермії. Так, при Н=54 % з Sпит=100 м2/кг саморозігрів з 25 до 50 ?С досягається через 13 год, в той час як введення тієї ж кількості наповнювача з Sпит= 500 м2/кг забезпечує задане підвищення температури через 11 год.

Вплив механохімічної активації відображується і на кінетиці зміни об’єму тужавіючої системи. Проведені дослідження показали, що механоактивація викликає збільшення швидкості об'ємних змін твердіючих цементних композицій. При цьому в активованій цементній суспензії без наповнювачів, максимальна зміна об’єму в процесі твердіння досягається на 1 год 30 хв раніше ніж в немеханоактивованій суспензії. Введення наповнювачів приводе до змін як по максимальній величині об'ємних деформацій, так і по терміну їх досягнення. Механоактивовані композиції з досліджуваною кількістю наповнювача характеризуються меншими (в середньому на 10-13 %) об'ємними змінами в порівнянні з ненаповненими системами. Зростає термін досягнення максимальної зміни об’єму з 12 год – для ненаповненої суспензії до 14 год 30 хв для суспензії з 54 %-им вмістом наповнювача. Питома поверхня наповнювачів в середньому на 5-8 % впливає на об’ємні зміни твердіючих композицій.

Кількість і питома поверхня наповнювача в механоактивованому в’яжучому впливають на кінетику наростання структурної міцності цементних суспензій, рис. 3.

Виявлено, що у всьому діапазоні наповнення в’яжучого (Н=6...54 %) зростання його питомої поверхні приводить до прискорення набору структурної міцності твердіючих композицій.

Проведені дослідження показали, що сумісна дія наповнювачів та механоактивації приводить до зміни кількості хімічно зв’язаної води, періодів тужавлення, набору структурної міцності, об’ємних деформацій та температури екзотермії тужавіючих цементних композицій. Таким чином підтверджується висунута гіпотеза про вплив механоактивації на реакційну здатність зерен цементу та про вплив складу наповнювачів на структуроутворення цементних систем.

Зміна властивостей тужавіючих в’яжучих систем повинна викликати зміну властивостей затверділого матеріалу.

У четвертому розділі проаналізовано вплив механоактивації наповнених в’яжучих на міцність і тріщиностійкість цементного каменю і дрібнозернистого бетону на його основі.

Вплив активації та наповнювачів позначається на структурних змінах тужавіючих систем, що повинно викликати зміну структури затверділого матеріалу, що, в свою чергу, повинно позначитись на його міцностних властивостях.

При проведенні експериментальних робіт були прийняти ті самі склади в’яжучого, що і в дослідах по вивченню властивостей тужавіючих систем (розділ 3).

Досліди показали, що за рахунок механоактивації (фізико-хімічна складова) міцність при стиску цементного каменю в різний час твердіння в середньому на 38 % більше, ніж в цементних композиціях без активації. При цьому найбільших значень різниця сягає в ранньому віці (до 3-х днів). В 28-и денному віці різниця складає 15-20 %, а через один рік не перевищує 10 %.

Реалізація фізико-механічних ефектів організації початкової і послідуючих структур за рахунок використання наповнювачів приводе до підвищення міцності цементного каменю як в початкові (1, 3, 7 добу), так і в наступні (28, 360 діб) періоди твердіння, рис. 4.

Реалізація фізико-механічних ефектів організації початкової і послідуючих структур за рахунок використання наповнювачів веде до підвищення міцності цементного каменю. Так, введення в цемент наповнювача з Sпит= 500 м2/кг в кількості 6 % приводе до підвищення міцності цементного каменю більш як на 25 % по відношенню до механоактивованого цементного каменю без наповнювачів. Введення 30 % наповнювачів з Sпит=500 м2/кг дозволяє отримувати цементний камінь з міцністю при стиску не нижче міцності каменю на клінкерному механоактивованому цементі без домішок. Таким чином, механоактивація цементних композицій з раціонально підібраними наповнювачами дозволяє в 28-ми денному віці підвищити міцність цементного каменю з 70 до 108 МПа, тобто більш ніж на 50 %. Подібна залежність зберігається після 360 діб твердіння.

Виявлені закономірності впливу кількості і питомої поверхні наповнювачів на механічні характеристики цементного каменю можливо віднести тільки до самого в’яжучого, так як введення заповнювачів обумовлює виникнення нової структурної неоднорідності типу “матричний матеріал-заповнювач”. Якщо на рівні в’яжучого організація структури зв’язана, як правило, з міжчастковими взаємодіями, то на рівні бетону структуроутворення системи реалізується через взаємодію твердіючого матеріалу з заповнювачами. Зміна механізмів організації структури при переході на другий рівень структурної неоднорідності передумовлює, що оптимальні рішення для рівня в’яжучого можуть не відповідати оптимальним співвідношенням для матричних композитів. В той же час відомо, що організація макроструктури визначається як кількістю і орієнтацією заповнювачів, так і властивостями матричного матеріалу. Це дозволило припустити, що змінювати характер організації на рівні неоднорідності “матриця-заповнювач” можливо за рахунок зміни якісного і кількісного складу матричного матеріалу.

Для одержання розчинів було прийняте співвідношення між цементом і піском Ц:П=1:3. Це дозволило оцінити споживчі властивості цементів через їх активність. Аналіз експериментальних даних дозволяє стверджувати, що механоактивація прискорює процес набору міцності дрібнозернистих бетонів. Особливо це характерно для ранніх термінів твердіння. Так, в одноденному віці міцність дрібнозернистих бетонів на стиск на механоактивованому в’яжучому в 1,9 раз перевищує міцність контрольних зразків. Використання наповнювачів в кількості 6 % по масі з питомою поверхнею 300 м2/кг дозволяє підвищити міцність бетонів на механоактивованому в’яжучому ще на 20 %.

В більш пізньому віці (3, 7 днів) максимальна міцність при стиску спостерігається для дрібнозернистого бетону, в в’яжуче якого вводився наповнювач з Sпит= 500м2/кг. В 28-денному віці введення в механоактивоване в’яжуче 6 %-ів наповнювача з Sпит=500 м2/кг дає можливість підвищити міцність при стиску бетону з 48 до 59,5 МПа, тобто більш ніж на 20 %. Результати експериментів свідчать про те, що дрібнозернисті бетони на механоактивованому в’яжучому з раціонально підібраним складом наповнювачів в середньому набирають за 24 години твердіння до 40 % марочної міцності.

Однією з важливих характеристик, яка визначає експлуатаційні властивості будівельних матеріалів, є тріщиностійкість. Кількісно тріщиностійкість оцінювалась через коефіцієнт інтенсивності напруги К1с. Експерименти проводились на зразках розміром 4416 см з центральним надрізом. Визначення К1с проводилось через 400 діб твердіння зразків. Тріщиностійкість визначали для цементного каменю і дрібнозернистого бетону на активованому і неактивованому в’яжучому. Експерименти показали, що в’язкість руйнування цементного каменю на механоактивованому в’яжучому на 30 % більше тріщиностійкості контрольних зразків (К1с=0,70). В’язкість руйнування механоактивованих цементних композицій залежить як від кількості, так і від питомої поверхні кварцових наповнювачів. Максимальну тріщиностійкість має цементний камінь з 6 %-им вмістом наповнювача (Sпит=500 м2/кг) в в’яжучому, рис.5.

При цьому можна виділити цілу гаму якіс-ного і кількісного складу наповнювачів, які задовільняють умові К1с?0,9.

Для механоактивованих композицій виконання цієї умови дозволяє використовувати наповнювачі з мінімальною питомою поверхнею (Sпит=100 м2/кг) або максимально використати наповнювач з Sпит=200 м2/кг.

Тріщиностійкість дрібнозернистого бетону підвищується в порівнянні з цементним каменем на 16...17 %. Це може бути пов’язано з впливом ма-кроструктурних параметрів на умови розвитку тріщин в грубогетерогенному середовищі. Максимальне значення К1с (К1с=1,27) для бетонів на активованому в’яжучому досягається при кількості наповнювачів Н=27 % по масі з Sпит=500 м2/кг. Мінімальна тріщиностійкість (К1с=0,91) характерна для складів з максимальною кількістю наповнювача з Sпит=100 м2/кг. Аналіз показує, що в’язкість руйнування бетону на активованому в’яжучому при вмісту наповнювача 35 % практично не залежить від його питомої поверхні (різниця між максимальним і мінімальним значенням К1с не перевищує 5 %).

Зростання кількості наповнювачів від Н=35 до 54 % веде до підсилення впливу їх питомої поверхні на тріщиностійкість бетону. Зміна питомої поверхні наповнювачів від Sпит=100 до 500 м2/кг приводе до підвищення в’язкості руйнування більш ніж на 20 %.

Проведені дослідження підтвердили припущення, що вплив механоактивації та наповнювачів на структурні зміни властивостей тужавіючих цементних композицій повинен викликати зміну властивостей затверділих систем. Сумісна дія фізико-хімічної складової, пов’язана з проявом ефектів механоактивації, з фізико-механічною складовою, викликаною явищами міжчасткових взаємодій, дозволяє отримувати наповнені цементні композиції і розчини на їх основі з підвищеними міцністю та тріщиностійкістю. По результатам експериментальних досліджень і побудованим на їх основі діаграмам були визначені оптимальні по кількості і питомій поверхні кварцових наповнювачів склади цементних в’яжучих, які дозволяють отримувати матеріали з підвищеними, в порівнянні з немеханоактивованими системами, тріщиностійкістю і фізико-механічними властивостями. При цьому досягається зниження витрат портландцементу на 28 % при забезпеченні заданої міцності дрібнозернистого бетону при стиску в 60 МПа. Оптимізовані склади дрібнозернистих бетонів були використані на підприємстві при виготовленні бруківки в кількості 600 м2 для експлуатації в умовах інтенсивних динамічних впливів – трамвайних переїздах. Економічний ефект від впровадження механохімічної активації портландцементу з раціонально підібраним складом кварцових наповнювачів складає 3 грн. 16 коп. на 1 м2 бруківки.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Проведений комплекс експериментально-теоретичних досліджень підтвердив висунуту гіпотезу про можливість поліпшення властивостей твердіючих і затверділих цементного каменю і дрібнозернистого бетону за рахунок механохімічної активації в’яжучого і використання раціональних складів наповнювачів. За рахунок призначення початкового складу (цемент + раціональний склад наповнювачів + вода) і технології виготовлення в’яжучих з реалізацією виявлення трибоефектів, можна створювати умови формування структур, які змінюють властивості твердіючих і підвищують механічні характеристики і тріщиностійкість затверділих композицій на основі цементу.

2. Механохімічна активація в’яжучого сприяє інтенсифікації процесів його структуроутворення в порівнянні з традиційно виготовленими композиціями, що підтверджується скороченням термінів тужавлення цементу – в середньому на 1 год 30 хв, а також різким прискоренням набору структурної міцності.

3. Інтенсифікація фізико-хімічних процесів гідратації за рахунок механоактивації цементно-водних композицій та введення наповнювачів різних складів дозволяє регулювати об’ємні деформації, кількість хімічно зв’язаної води, ступень гідратації та пов’язані з ними температурні зміни тужавіючих систем.

4. Виявлено, що міцність при стиску цементного каменю на механоактивованому в’яжучому на 20...50 % вища в порівнянні з традиційно виготовленим в’яжучим. Встановлена підсилююча дія на ефект активації цементу кварцового наповнювача раціонального складу. Так, введення в цемент наповнювача з питомою поверхнею 100 м2/кг в кількості 30 % дозволяє в 28-и денному віці одержати цементний камінь з міцністю при стиску, рівній міцності цементного каменю на бездобавочному немеханоактивованому цементі.

5. Механохімічна активація в’яжучого прискорює зростання міцності дрібнозернистого бетону, особливо в ранньому віці. Так, в одноденному віці Rbt бетону на механоактивованому в’яжучому в 1,9 раз перевищує міцність контрольних зразків. З часом різниця між міцностями зменшується, досягаючи в 14-ти денному віці 25 %. Механохімічна активація цементу з раціонально підібраним складом наповнювачів дозволяє підвищити активність цементу з 48 МПа до 59,5 МПа.

6. Максимальною тріщиностійкістю характеризується дрібнозернистий бетон на механоактивованому цементі з вмістом наповнювача 6 % питомої поверхні 500 м2/кг. Зміна Sпит наповнювача від 100 до 500 м2/кг приводе до підвищення в’язкості руйнування більш ніж на 20 %.

7. По результатам виконаних експериментальних досліджень з використанням ідей і методів математичного планування експериментів були визначені склади цементних в’яжучих з оптимальними по кількості і питомої поверхні наповнювачами, які дозволяють одержувати дрібнозернисті бетони з підвищеними фізико-механічними властивостями і тріщиностійкістю. Дослідно-промисловий випуск бетонної бруківки в кількості 600 м2 для експлуатації її в умовах інтенсивних динамічних впливів – трамвайного переїзду, дозволив одержати економічний ефект 3 грн. 16 коп на 1 м2 бруківки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Барабаш Т.И., Выровой В.Н., Барабаш И.В. Свойства твердеющих механоактивированных цементных композиций / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Зб. наук. праць РДТУ, Рівне.-2002.-вип. 7.-с.3-7.