Міністерство освіти України

Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури

УДК 691.3

КОСТЮК Тетяна Олександрівна

ЦЕМЕНТНО-ПІЩАНІ БЕТОНИ ТА ВИРОБИ,

ОТРИМУВАНІ НАПІВСУХИМ ПРЕСУВАННЯМ

БЕЗ ТЕПЛОВОЛОГОВОЇ ОБРОБКИ

05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі будівельних матеріалів та виробів

Харківського державного технічного університету

будівництва та архітектури (ХДТУБА)

Науковий керівник –

заслужений діяч науки і техніки України,

лауреат Державних премій України і СРСР,

доктор технічних наук, професор

БАБУШКІН Володимир Іванович,

завідувач кафедри будівельних матеріалів та виробів ХДТУБА

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор

ПЛУГІН Аркадій Миколайович,

завідувач кафедри будівельних матеріалів, конструкцій та споруд

Харківської державної академії залізничного транспорту

кандидат технічних наук

СПІРІН Юрій Олександрович,

завідувач лабораторії технології магнезіальних вогнетривів,

хіміко-аналітичних та структурно-фазових досліджень

Українського науково-дослідного інституту вогнетривів ім.О.С.Бережного

Провідна установа –

Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет

Захист відбудеться 26 жовтня 1999 р. о 12 годині

на засіданні cпеціалізованої вченої ради Д 64.056.04

при Харківському державному технічному університеті

будівництва та архітектури

за адресою вул.Сумська 40, Харків 310002

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ХДТУБА

Автореферат розісланий 21 вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04

кандидат технічних наук, доцент М.Г.Ємельяненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В останнє десятиріччя в Україні та інших країнах колишнього СРСР відзначений спад будівельного виробництва, зумовлений економічними труднощями. У цей період масова забудівля різко скоротилася, а крупно-панельне домобудівництво виявилося нерентабельним. У таких умовах змогли продовжити свою діяльність в основному невеликі будівельні фірми, які здійснюють здебільшого престижну забудівлю та ремонтно-буді-вельні роботи, а також підприємства-виготівники матеріалів та виробів для цих цілей.

Найбільш широко застосовуваними стіновими матеріалами для озна-чених будівельних робіт виявилися дрібноштучні вироби - цегла і камені кера-мічні та силікатні. Однак, виробництво цих виробів пов'язане з істот-ними енерговитратами на випал керамічних чи автоклавування силікатних виробів. Крім того, кера-міч-на цегла вітчизняного виробництва з ряду при-чин має незадовільний зовнішній вигляд, а силікатна - обмежену водо-стій-кість, що знижує їх конкурентоздатність. Тому підприємства-виготів-ни-ки проявляють значний ін-те-рес до розробок, спрямованих на зниження енер-го-витрат при виготовленні дрібноштучних стінових виробів, зниження їх собівартості та підви-щен-ня конкурентоздатності.

Знизити енерговитрати на виготовлення даних виробів дозволяє їх виготовлення з піщаного бетону на основі портландцементу. Зниження енерговитрат досягається застосуванням природного твердіння виробів, прискореного додатками-прискорювачами, замість їх випалу чи автоклаву-вання. Такі вироби мають добрі, як у силікатної цегли, показники зовніш-нього вигляду і високу, як у керамічної цегли, водостійкість.

При цьому застосування вібраційного формування цементно-піщаних стінових виробів не виправдовує себе у зв'язку з високими витратами це-менту. Це зумовлене необхідністю призначення високих витрат води для забезпечення необхідної зручноукладальності формувальної суміші навіть при застосуванні пластифікуючих додатків.

Знизити витрати цементу дозволяє виготовлення цементно-піщаних виробів напівсухим пресуванням на обладнанні з виробництва силікатної цегли. Однак цементно-піщані вироби відразу після пресування мають низьку у порівнянні з силікатною цеглою міцність, що робить неможливим передбачене у цій технології знімання таких виробів з пресу після пресу-вання. Тому можливість виготовлення цементно-піщаних виробів за техно-ло-гією напівсухого пресування до нинішнього часу реалізована не була, а питання підвищення їх міцності відразу після формування і прискорення природного твердіння - не вивчені.

У зв'язку з викладеним виготовлення цементно-піщаних виробів за тех-нологією напівсухого пресування до нинішнього часу являло собою не-ви-рішену технічну проблему, а підвищення міцності виробів одразу після формування та прискорення їх природного твердіння – недостатньо вивче-ну наукову проблему.

Практична і наукова значущість рішення цих проблем підтверджується як за-гально-державним значенням питань економії паливно-енергетичних ре-сур-сів та підвищення конкурентоздатності продукції вітчизняного то-варо--ви-роб-ника в сучасних економічних умовах, так і чималим інтересом до цих питань підприємств-виготівників.

Актуальність теми обумовлена потребою сучасного будівництва у це-ментно-піщаних дрібноштучних стінових виробах, конкурентоздатних у по-рів-нянні з керамічною та силікатною цеглою за рахунок відсутності потріб-ності у випалі чи автоклавуванні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у складі держбюджетної НДР Міністерства освіти України №0035 “Створення нових ефективних безавтоклавних ніздрюватих бетонів на ос-но-ві портландцементу тонкого та надтонкого помелу” (№ДР 01-97U 009988), а також держбюджетної НДР кафедри будівельних матеріалів та виробів ХДТУБА на 1995-2000 рр. “Дослідження штучних будівельних кон-гло-мератів з метою оптимізації їх властивостей”, затвердженої рішен-ням Науково-експертної ради ХДТУБА за спеціальністю “Будівництво” “Встановлення закономірностей синтезу заданих властивос-тей будівельних матеріалів” (протокол № 11 від 01.12.1994 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є економія паливно-енер-гетичних ресурсів та конкурентоздатність продукції при розробці це-мент-но-піщаних бетонів та виробів з них, отримуваних напівсухим пре-су-ванням без тепловологової обробки. Для досягнення поставленої мети сфор--мульовані такі задачі:

- вибір методик дослідження електроповерхневих та інших властивостей складових цементно-піщаного бетону;

- дослідження електроповерхневих властивостей та їх впливу на міцність одразу після формування та швидкість зростання міцності при природному твердінні;

- обгрунтування і вибір додатків, що підвищують міцність одразу після пре-сування та при-ско-рюють природне твердіння;

- оптимізація складу для отримання цементно-піщаних дрібноштучних ви-ро-бів;

- виготовлення дослідно-промислової партії виробів і дослідження їх влас-тивостей.

Наукова новизна отриманих результатів:

- відомі дані про інтегральні негативні знаки поверхневих зарядів кварцу та портландцементу і позитивних - кальциту та гіпсу, підтверджені за допо-могою оцінки знаку поверхневого заряду в електричному полі та дос--

лід-ження їх кислотно-основних властивостей за адсорбцією кольорних індикаторів;

- за допомогою термодинамічних розрахунків та фізико-хімічних дослід-жень встановлено, що додаток сульфату алюмінію у портландцементну сис-тему, що містить напівгідрат сульфату кальцію, може призводити до утворення додаткової кількості алюмінатних продуктів гідратації, при цьо-му при додаванні тільки сульфату алюмінію можуть створюватися як кристалогідратні продукти гідратації – гідросульфоалюмінатні і гідроалю-мінатні, так і гель гідроксиду алюмінію, а при спільному додаванні суль-фату алю-мінію та гідроксиду натрію утворюються здебільшого кристало-гідрат-ні продукти в період до кінця утворення структури, що склалася.

- встановлено, що мінеральний додаток двогідрату сульфату кальцію під-вищує міцність цементно-піщаного бетону одразу після формування, а хі-міч-ний дода-ток сульфату алюмінію та гідроксиду натрію прискорює процес набору їх міцності.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці це-мент-но-піщаних бетонів, що дозволять знизити енерговитрати на вироб-ництво дрібноштучних цементно-піщаних виробів, знизити їх собівартість та підвищити конкурентоздатність. Практична значущість підтверджена ви-готовленням дослідно-промислової партії цементно-піщаної цегли на АТ “Завод ЗБК” (колишньому Харківському ЗЗБК-3) та її використанням за призначенням.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримані здобувачем самостійно: огляд та аналіз літературних джерел, розробка ме-то-дик досліджень, проведення експериментальних досліджень та аналіз їх результатів, впровадження результатів досліджень у виробництво. Особис-тий внесок в зроблені у співавторстві публікації наведений після списку опублікованих робіт на стор.15.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на 51-54 науково-технічних конференціях Харківського дер-жав-ного технічного університету будівництва та архітектури у 1996-1999 рр., а також на II Міжнародній конференції “Розвиток технічної хімії в Україні”, проведеної Українським хімічним товариством і Харківською державною академією залізничного транспорту в 1997 р. у Харкові.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковане 10 дру-ко-ваних праць [1-10], у тому числі 5 - в наукових збірках, що входять до переліку ВАК [5;6;7;9;10] та одержаний патент України на винахід [11].

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яті роз-ді-лів, загальних висновків, списку літератури з 127 найменувань, трьох до-дат--ків та містить 110 сторінок друкованого тексту, 24 рисунки і 26 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми та її значущість, наведено підстави та вихідні дані для розробки теми, виконано обгрун-тування необхідності проведення досліджень, подано загальну характе-рис-тику дисертації.

У першому розділі виконаний аналітичний огляд досліджень, спрямо-ваних на отримання дрібнозернистих і цементно-піщаних бетонів з пев-ними властивостями.

Виконаний аналіз уявлень про твердіння цементу і бетону та управління їх властивостями, викладених у роботах П.О.Ребіндера, П.П.Буднікова, О.В.Волженського, В.І.Бабушкіна, О.П.Мчедлова-Петросяна, Ю.М.Баже-но-ва, А.М.Плугіна та інших авторів.

Розглянута роль поверхневих та електроповерхневих властивостей і взаємодій, зумовлених наявністю поверхневого заряду у дисперсних час-ток, що складають структуру в’яжучого при твердінні. У зв'язку з цим проаналізовані роботи Й.М.Ахвердова, Є.І.Ведя, В.І.Бабушкіна, А.М.Плу-гіна, В.А.Матвієнка та ін.

Встановлено, що структура і властивості цементного каменю формую-ться внаслідок утворення і розвитку контактів між частками – від коагу-ляційних крізь тонкі водні прошарки до кристалізаційних – точкових і фазових (П.О.Ребіндер). Перехід контактів від коагуляційних до кристаліза-ційних здійснюється внаслідок створення стиснених умов (М.М.Сичов).

Важлива роль у формуванні властивостей цементного каменю і бетону належить електрогетерогенним контактам між частками з різнойменними поверхневими зарядами (А.М.Плугін). Електрогетерогенні контакти є міц-ними навіть через тонкі водні прошарки та сприяють швидкому утворенню кристалізаційних контактів. Електрогомогенні контакти між частками з од-но-йменно зарядженими поверхнями перетворюються у кристалізаційні знач-но важче, переборюючи потенційний бар'єр.

Встановлено, що перспективним напрямком регулювання властивостей цементних матеріалів є врахування знаку поверхневого заряду та дисперс-ності часток (В.І.Бабушкін, В.А.Матвієнко, А.М.Плугін, М.М.Сичов, Л.Б. Сватовська, П.Г.Комохов, Н.М.Шангіна, Ч.К.Тахіров). При цьому од-ним з технологічно можливих способів регулювання властивостями є пере-заряд-ження поверхні заповнювачів за допомогою додатку електролітів (О.Г. Ольгінський, Ю.О.Спірін).

Проаналізовані об'ємні зміни як результат розклинюючої дії осмотич-ного тиску, посиленого електроповерхневими явищами у колоїдних гідрат-них новоутвореннях (В.І.Бабушкін, С.П.Новікова, В.І.Кон-дра-щенко).

Означені напрямки лягли в основу цих досліджень, дозволили сфор-му-лю-вати робочу гіпотезу і задачі досліджень.

Як робочу гіпотезу висунуто припущення про можливість підвищення міцності цементно-піщаного бетону одразу після пресування та приско-рення його природного твердіння за рахунок введення комплексу міне-ральних та хімічних додатків, що забезпечують на всіх стадіях твердіння оптимальне кількісне співвідношення між позитивно та негативно зарядже-ними поверхнями часток заповнювачів, в'яжучого і продуктів гідратації в об'ємі бетону.

У другому розділі здійснений вибір матеріалів і методів досліджень. Об'єктом досліджень є цементно-піщаний бетон та його складові - пісок, портландцемент і продукти його гідратації, вода, мінеральні та хімічні до-дат-ки. У дослідженнях використовували стандартні пісок кварцовий з мо-ду-лем крупності 1,31 і портландцемент марки 400. Як мінеральний дода-ток, що підвищує міцність бетону відразу після пресування, викорис-тали напівгідрат сульфату кальцію у вигляді гіпсу будівельного марки Г-3, част-ки якого і продукти його гідратації мають позитивний поверхне-вий заряд. Як хімічні додатки, що прискорюють природне твердіння, використали суль-фат алюмінію та гідроксид натрію.

Дослідження виконували за допомогою стандартних і оригінальних ме-то-дик. Електроповерхневі властивості дисперсних матеріалів визначали за допомогою електромагнітного поля та із застосуванням адсорбційно-індикаторного методу. Продукти гідратації цементу з мінеральним та хіміч-ними додатками досліджували за допомогою термодинамічного аналізу і фізико-хімічних досліджень – інфрачервоної спектроскопії та рентгенівсь-кої дифрактометрії. Зразки та вироби з цементно-піщаного бе-то-ну виробля-ли напівсухим пресуванням і піддавали природному твердін-ню. Фізико-механічні та гидрофізичні властивості цементно-піщаного бето-ну досліджу-вали у відповідності зі стандартними методами випробувань. Оптимізацію складу бетону виконували методом математичного плану-ван-ня експери-мен-ту. Всі одержані результати піддавали статистичному ана-лізу.

У третьому розділі надано теоретичне обгрунтування одержання це-мен-т-но-піщаного бетону та виробів з нього напівсухим пресуванням без тепловологової обробки.

Цементно-піщаний бетон подано у вигляді матричного композиту із багаторівневою структурою. На мезорівні матрицею є цементний камінь, наповнювачем – зерна піску, на мікрорівні матрицею є продукти гідратації цементу, наповнювачем – клінкерні релікти, на субмікрорівні матрицею є гідросилікатний гель, наповнювачем – кристалогідрати. Міцність бетону залежить від міцності матриці та міцності її зчеплення із наповнювачем на кожному рівні структури. У кінцевому рахунку міцність визначається кіль-кістю в одиниці перерізу електрогетерогенних контактів між кристалогід-рат-ними продуктами гідратації, що мають позитивний поверхневий заряд –

портландитом, етрінгітом, і зернами кварцового піску, клінкерними релік-тами та гідросилікатним гелем, що мають негативний поверхневий заряд.

Запропоновано управляти властивостями цементно-піщаного бетону окре--мо за рівнями, оптимізуючи склад з метою одержання заданої порис-тості (середньої густини) та максимальної міцності. Задана пористість забезпечується на мезорівні призначенням оптимального відношення ви-тра-ти піску до витрати цементу, максимальна міцність – на мікро- та суб-мікрорівні призначенням оптимальних значень водоцементного відношен-ня і витрат мінерального та хімічних додатків. Оптимальні значення В/Ц і витрат додатків забезпечують оптимальне кількісне співвідношення між різнойменно поверхнево зарядженими фазами та максимальну кількість електрогетерогенних контактів.

Обгрунтовано вибір мінерального додатку - напівводного гіпсу, і хі-міч-них додатків – сульфату алюмінію та гідроксиду натрію.

Мінеральний додаток напівводного гіпсу збільшує вміст часток із пози-тивним поверхневим зарядом у бетонній суміші, що призводить до утво-рення деякої кількості електрогетерогенних контактів одразу після замі-шуван-ня і формування.

Виконані розрахунки взаємодій між частками порт-ланд-цементних сис-тем у відповідності з уявленнями А.М.Плугіна та теорією стійкості дис-перс-них сис-тем ДЛФО. За цією теорією енергія взаємодії між частками визначається двома основ-ними складовими – молекулярною і електроста-тич-ною. Підставлення зна-чень електроповерхневого потенціалу гіпсу і характе-ристик електроліту цемент-них систем у математичні вирази теорії ДЛФО дає таку залежність енергії взаємодії поверхонь двох часток гіпсу U від відстані між ними x, м (товщини прошарку електроліту):

, Дж/м2 (1)

Аналогічні вирази отримані і для інших часток цементних систем. Вста-нов-лено, що при взаємодії часток гіпсу енергетичний бар'єр відсутній і енергія їх притягання у порівнянні з іншими част-ками портландцементних систем максимальна (рис.1). Це зумовлює те, що міцність електрогомо-генних контактів між частками гіпсу у порівнянні з іншими частками також максимальна. Викладене обумовлює вибір напів-водного гіпсу як мінераль-ного додатку, що підвищує міцність бетону одразу після формування.

Хімічні додатки сульфату алюмінію та гідроксиду натрію призводять до утворення на ранніх стадіях твердіння додаткової кількості гідросульфо-алюмінату кальцію, що має позитивний поверхневий заряд. Це обумовлює збільшення на ранніх стадіях кількості електрогетерогенних контактів і прискорення набору міцності.

Виконані термодинамічні розрахунки іонних рівноваг у системах Ca(OH)2 - H2O, Al(OH)3 - H2O, CaSO4 - H2O показали мож-ли-вість утворення гідросульфоалюмінату кальцію при введенні додатків Al2(SO4)3 і NaOH. При цьому встановлено, що додаток тільки Al2(SO4)3 призводить до утворення гелю Al(OH)3. Для утворення гідро-сульфоалюмінату кальцію необхідним є переведення іону Al3+ у іон Al(OH)4-, що досягається при введенні NaOH або КОН.

Рис. 1. Залежність енергії взаємодії U поверхонь часток

різних речовин від відстані х між ними

Обгрунтоване застосування адсорбції кольорних індикаторів для оцінки поверхневого заряду дисперсних матеріалів. За допомогою кольорних індикаторів визначають концентрацію у дисперсних матеріалах поверх-невих активних центрів – кислих, помірно кислих, слабокислих та лужних, які є, відповідно, льюісівськими основними та бренстедівськими кислими, нейтраль-ними та основними. Схема таких центрів на поверхні кремнезему за А.П.Нечипоренком наведена на рис.2.

Рис.2. Схема активних центрів на поверхні кремнезему:

I - основних льюісівських (кислих); II - кислотних бренстедівських

(помірно кислих); III - нейтральних бренстедівських (слабокислих);

IV - основних бренстедівських (лужних)

Як видно з рис.2, основні льюісівські та кислотні бренстедівські центри утворюються в місцях виходу на поверхню вершин кремнійкисневих тетраедрів (І та ІІ на рис. 2). Нейтральні бренстедівські центри - на ребрах (ІІІ на рис. 2), а основні бренстедівські - на гранях (IV на рис.2) тетраедрів, що виходять на поверхню. Оскільки в оксидах ковалентний зв'язок має ознаки й іонного, валентно ненасичені поверхневі атоми О та Si можна уявити у вигляді координаційно ненасичених іонів О2– та Si4+. На електричні властивості поверхні суттєвий вплив виявляє чотирьох-валент-ний катіон Si4+. Цей вплив можна оцінити розрахунком напруженості елек-трич-ного поля у точці, що знаходиться над активним центром на відстані від поверхні, на яку до неї може максимально наблизитися іон кальцію - типовий протиіон для негативно заряджених поверхонь у портландцемент-них системах (рис.3).

Рис. 3. Схема для розрахунку напруженості електричного поля над активним

центром: а – вільним основним льюісівським; б – кислотним бренстедівським

Напруженість електричного поля над вільним основним льюісівським центром (I) орієнтовно може бути прийнята рівною:

-1,731010 Н/Кл, (2)

а над кислотним бренстедівським центром (II) (або основним льюісів-ським центром з адсорбованим водневим іоном, I):

+0,651010 Н/Кл, (3)

де е – елементарний заряд, 1,610-19 Кл; - відносна діелектрична проник-ність дисперсійного середовища, 1 (для міжіонних взаємодій – ваку-уму); 0- електрична стала, 8,8510-12 Ф/м; rCa2+, rO2-, rSi4+, rOН- - радіуси іонів,1,010-10; 1,410-10; 0,410-10; 1,5310-10 м, відповідно.

Аналогічні розрахунки для нейтральних (III) та основних брен-стедів-ських (IV) центрів дають негативні значення напруженості елек-трич-ного поля. Таким чином, розглянуті активні центри можна уявити у вигляді зосереджених електричних зарядів на поверхні: вільні льюісівські центри

на гідратованій поверхні: основні – з негативним знаком, кислі – з позитив-ним знаком; на гідратованій поверхні: льюісівські основні (I) та бренсте-дівські кислі (II) – з позитивним знаком, бренстедівські нейтральні (III) та основні (IV) – з негативним знаком. Тобто поверхневі активні центри, що визна-чаються за адсорбцією кольорних індикаторів, в цемент-них системах є: кислі та помірно кислі - позитивними, слабокислі та основ-ні – негатив-ними. Кількісне співвідношення означених центрів визначає інтегральний поверхневий заряд часток дисперсного матеріалу.

Розроблена методика визначення складу цементно-піщаного бетону із заданою густиною і максимальними міцністю одразу після формування та швид-кістю набору міцності. Методика включає експериментальне визна-чен-ня оптимальних значень В/Ц і витрат мінерального М/Ц та хімічних Х/Ц додатків, що забезпечують максимальну міцність цементного каменю, а після цього розрахунок складу на 1 м3 за формулами:

П = пн; ; ; , (4)

де П, Ц, М, Х і В – витрати піску, цементу, мінеральної та хімічних додатків і води, відповідно, кг на 1 м3 бетону; спр і нп – проектна середня густина бетону і насипна густина піску, відповідно, кг/м3.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних дослід-жень, спрямованих на отримання цементно-піщаних бетонів та виробів на-пів--сухим пресуванням без тепловологової обробки.

Виконані дослідження знаку поверхневого заряду складових цементно-піщаного бетону в електричному полі. Підтверджене, що кварцовий пісок і портландцемент мають інтегральний негативний поверхневий заряд, а вап-няк та гіпс – позитивний. Вперше експериментально встановлене, що горі-ла земля, керамзитовий пил, паливний та ваграночний шлак мають нега-тив-ний поверхневий заряд, а шлак алюмінієвого литва – позитивний.

Отримані дані підтверджені дослідженням адсорбції кольорних інди-каторів. Встановлено, що у кварцовому піску та портландцементі пере-важають основні активні центри, що є зосередженими електричними заря-дами з негативним знаком, а у гіпсі – кислі, з позитивним знаком. Стосовно до конкретного складу бетону розрахована кількість негативно і позитивно заряджених активних центрів у 1 м3 бетону з різним вмістом гіпсу. Вста-нов--лена кореляційна залежність міцності бетону одразу після формування від вмісту активних центрів, у відповідності з якою зі зменшенням різниці між кількістю негативно і позитивно заряджених активних центрів міцність зростає (рис.4), що обумовлене збільшенням кількості електрогетерогенних контактів.

Рис. 4. Залежності об'ємних концентрацій позитивно та негативно заряджених

активних центрів no+ і no-, відповідно, різниці між їх значеннями Dnо та міцності бетону при стиску одразу після формування R0, МПа, від вмісту додатку гіпсу М/Ц,%

Виконано дослідження залежності міцності бетону одразу після форму-ван-ня від вмісту різних мінеральних додатків (рис.5) та міцності від строку твердіння при різному вмісті мінерального та хімічних додатків (рис.6). Аналіз рис.5 і 6 підтверджує гіпотезу про найбільшу ефективність гіпсу як мінерального додатку, що підвищує міцність бетону одразу після форму-вання (рис.5), і про прискорення твердіння за рахунок хімічних додатків сульфату алюмінію та гідроксиду натрію (рис.6).

Рис. 5. Залежність міцності при стиску цементно-піщаного бетону одразу після формування R0 від вмісту різних мінеральних додатків М/Ц

Рис. 6. Залежність міцності при стиску цементно-піщаного бетону R, МПа,

від часу твердіння , діб, при різному вмісті мінерального додатку гіпсу (відношення витрати гіпсу до витрати цементу вказане цифрою), без хімічних додатків

чи з хімічними додатками сульфату алюмінію та гідроксиду натрію (+ХД)

Оптимальні значення витрат мінерального і хімічних додатків та В/Ц були уточнені за допомогою математичного планування експери-менту. В результаті обробки експериментальних даних отримали моделі міцності бетону одразу після формування R0, на третю R3 і на 28 добу твердіння R28:

R0 = 6,3 +0,2x1 +0,4x2 – 0,02x3 – 0,08x4 – x12 – x22 – x32 – x42 ––

0,1x1x2 + 0,08x1x3 + 0,2x1x4 + 0,4x2x3 – 0,2x2x4 – 0,2x3x4 , (5)

R3 = 113 - 6x1 + 16x2 + 4x3 – 2x12 + 7x22 – 9x32 – 17x42 -

- 2x1x2 + x1x3 + 7x2x3 – 7x2x4 + x3x4 , (6)

R28 = 182 – 13x1 +11x2 +2x3 +6x4 –20x12 +2x22 –22x32 –25x42 +

+ 3x1x2 + 3x1x3 – 3x1x4 + 23x2x3 – 15x2x4 – 5x3x4 , (7)

де x1 – витрата гіпсу М/Ц, % від маси цементу; x2 – відношення витрати цементу до витрати піску Ц/П; x3 – водоцементне відношення В/Ц; x4 – витрата хімічних додатків Х/Ц, % від маси цементу.

Моделі адекватні у границях значень: П/Ц- 4,8-6,7; В/Ц- 0,27-0,40; М/Ц - 0,025-0,15; Х/Ц - 0,0075-0,0225. Відповідні даним моделям залеж-ності міц-нос-ті бетону від В/Ц, М/Ц та Х/Ц наведені на рис.7.

Аналіз отриманих залежностей показав, що максимальна міцність бетону досягається при В/Ц=0,37, Г/Ц=0,15 і Х/Ц=0,015. Означені величини використані при визначенні складу бетону за (4). Для виробничого впро-вад-ження прийнятий склад: піску – 1525, цементу – 192, гіпсу – 19, води – 71, хімічних додатків – 2,88 кг на 1 м3. Для цього складу були отримані такі властивості бетону і виробів: міцність при

стиску – 15 МПа, морозостійкість – 50 циклів, водопоглинання за масою – 9%, коефі-цієнт розм'якшення – 0,98.

Дослідження усадки зразків показали, що бетон з мінеральною та хімічними додатками піддається значно меншій усадці (0,01 мм/м на 28 до-бу твердіння), ніж бездодатковий бетон (0,3 мм/м). Однак при введенні тіль-ки сульфату алюмінію без гідроксиду натрію відмічене збільшення об'є-му і розтріскування через 1,5 роки зберігання у змінному рівні води.

Рис. 7. Залежність міцності цементно-піщаного бетону одразу після формування R0, після 3 R3 і 28 діб R28 твердіння, кгс/см2: від водоцементного відношення В/Ц при Ц/П=0,18, М/Ц=0,1, Х/Ц=1,5 %; від витрати мінерального додатку гіпсу М/Ц, %, при Ц/П=0,18, В/Ц=0,37, Х/Ц=1,5; від витрати хімічних додатків Х/Ц, %, при Ц/П=0,18, В/Ц=0,37, М/Ц=0,1

Виконані фізико-хімічні дослідження продуктів гідратації цементу з мінеральним додатком гіпсу та хімічними додатками сульфату алюмінію та гідроксиду натрію. За допомогою аналізу інфрачервоних спектрів погли-нан-ня і рентгенограм підтверджена гіпотеза про утворення гелю гідроксиду алюмінію при введенні у бетон тільки сульфату алюмінію та про утворення здебільшого гідросульфоалюмінату кальцію і відсутність гідроксиду алю-мінію при спільному введенні суль-фату алюмінію та гідроксиду натрію.

У п'ятому розділі наведені результати впровадження цементно-пі-щаного бетону та дрібноштучних виробів з нього у виробничих умовах. Була розроблена технологія виготовлення цегли на стандартному облад-нанні з виробництва силікатної цегли. Технологічна схема включає такі операції: у змішувач подають поперед отдозовані воду й хімічні до-датки, в іншому змішувачі змішують сухі компоненти - пісок, цемент, гіпс будівель-ний. У суху суміш подають воду замішування із додатками і вико-нують перемішування готової суміші протягом 5 хвилин. Після цього су-міш пере-вантажують у мішалку преса, де її додатково перемішують, і пода-ють у прес-форми стола преса. Відпресовану цеглу-сирець знімають із пре-су за допомогою автоукладальника, включаючого механізм зйому, кон-вейєр-накопичувач і візок переносу. Далі цеглу перевантажують на вагонетки, що протягом від однієї доби до трьох діб (в залежності від необхідної відпускної міцності) витримують у приміщенні чи під полімерною плівкою.

Розроблена технологія була відлагоджена на АТ “Завод ЗБК” (колиш-ньому Харківському ЗЗБК-3) для формувальної суміші складу: піску - 1525, порт-ландцементу - 192, гіпсу будівельного - 19, води - 71, хімічного до-датку - 2,88 кг на 1 м3 суміші. В результаті відлагодження були одержані такі технологічні параметри: глибина засипання суміші до прес-форми: для одинарної цегли - 115, для потовщеної - 155 мм; тиск пресування: для оди-нар-ної цегли - 25, для потовщеної - 35 МПа. Був одержаний сирець зі ста-більною міцністю одразу після формування 0,8 МПа, що дозволяє застосо-вувати механічні пристрої для зняття цегли з пресу. За геометричними розмірами сирець відповідає вимогам ГОСТ 379. Готова цегла відповідала марці за міцностю - 150, марці за морозостійкістю – 50, мала водо-погли-нання понад 8 % і середню густину - 1800 кг/м3. Роз-рахований за резуль-татами відлагодження технології економічний ефект від впровад-ження цементно-піщаної цегли склав 17,34 грн. на 1 тис.шт або 17340 грн. у рік при річному об'ємі продукції 1 млн.шт.

В АТ «Завод ЗБК» була випущена дослідно-промислова партія це-мен-т-но-піщаної потовщеної цегли в кількості 4000 шт. Ця партія цегли була укладена в конструкцію стрічкуватого фундамента будинку сто-ляр-

ного цеху, який зводиться. За фундаментом встановлене спосте-режен-ня. Про--тя-гом од-но-го року видимих змін не відзначалося.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що звичайний цементно-піщаний бетон, що фор-му-ється напівсухим пресуванням, не забезпечує необхідної міцності сирця через недостатню міцність контактів між зернами кварцового піску і частками портландцементу та продуктів його гідратації. Для рішення цієї проблеми запропоновано застосувати новий підхід, оснований на враху-ванні коло-їдно-хімічних явищ у системі в'яжуче-заповнювач.

2. Методами адсорбції кольорних індикаторів і дослідження в еле-ктрич--ному полі підтверджено, що частки кварцового піску, портланд-цементу та гелевої складової цементного каменю мають сумарний нега-тивний поверх-невий заряд, а частки гідроксиду кальцію, напівводного і двоводного гіпсу та карбонату кальцію – позитивний. Вперше отримані експериментальні дані про позитивний поверхневий заряд часток шлаку алюмінієвого лиття і негативний – горілої землі, керамзитового пилу, паливного та ваграночного шлаків.

3. Встановлено, що при введенні у цементно-піщаний бетон мінераль-них додатків, частки яких мають позитивний поверхневий заряд, відбува-ється зменшення різниці між об'ємними концентраціями позитивно і негативно заряджених активних центрів на поверхнях у всіх компонентів. Це зумовлює виникнення електрогетерогенних контактів і підвищення міцності бетону одразу після пресування.

4. Найбільш ефективним додатком для підвищення міцності цементно-піщаного бетону одразу після пресування виявлений напівводний гіпс, 5% якого від маси цементу підвищують міцність у три рази, а 15-20% - у 8 разів (до 0,8 МПа). Це пояснюється тим, що електрогомогенні контакти між част-ками гіпсу за рахунок відсутності енергетичного бар'єру найбільш тривкі у порів-нянні з іншими частками цементних систем.

5. За допомогою термодинамічних розрахунків іонних рівноваг у сис-темах цемент-вода обгрунтована необхідність модифікування додатку в бетон сульфату алюмінію гідроксидом натрію чи калію (до рН понад 10), що пов'язане з необхідністю переведення іону алюмінію, що уводиться, у іон Al(OH) 41 -.

6. За допомогою термодинамічних розрахунків, а також аналізу інфра-червоних спектрів поглинання та рентгенівських дифрактограм встанов-лено, що у портландцементних системах при введенні суль-фату алюмінію та гідроксиду натрію, на ранніх стадіях твердіння утво-рюється додаткова кількість гідросульфоалюмінату кальцію, що суттєво прискорює природне твердіння за рахунок утворення електрогетерогенних контактів на більш ранніх стадіях твердіння. При цьому при додаванні суль-фату алюмінію без

гідроксиду натрію можуть створюватися як кристалогідраті продукти гід-ратації - гідросульфоалюмінати та гідроалюмінати каль-цію, так і гель гідро--

ксиду алюмінію, що небажано, а при їх спільному додаванні утво-рюються здебільшого кристалогідратні продукти.

7. Встановлено, що максимальне підвищення міцності цементно-пі-ща-ного бетону одразу після пресування (до 0,8 МПа) і швидкості набору міц-ності при природному твердінні (досягнення міцності при стиску: на 3 добу твердіння (відпускної) – 12 МПа і на 28 добу - 18 МПа) забезпечують оптимальні значення водоцементного відношення – 0,37, кількість міне-раль--ного додатку напівводного гіпсу - 10% від маси цементу та хімічних до---дат--ків сульфату алюмінію і гідроксиду натрію – до 1,5% від маси цементу.

8. Розроблена методика визначення складу цементно-піщаного бетону із заданою густиною та максимальною міцністю для отримання стінових виробів напівсухим пресуванням без тепловологісної обробки. Рекомен-довані склади запатентовані (патент України № 25231А від 30.10.1998) і забезпечують одержання цементно-піщаної цегли марки 100-150, яка відпо-відає вимогам стандартів.

9. Розроблена технологія одержання цементно-піщаної цегли без засто-сування тепловологової обробки.

10. Встановлено, що цементно-піщаний бетон із мінеральним додатком напівводного гіпсу та хімічними додатками сульфату алюмінію та гідрокси-ду натрію у меншому ступені піддається усадці, ніж бездодатковий. Проте хімічний додаток тільки сульфату алюмінію може призвести до розширен-ня та розтріскування бетону і тільки додаток сульфату алюмінію та гідро-ксиду натрію спільно не призводить до розширення бетону в часі.

11. Встановлено, що цементно-піщаний бетон із додатками напіввод-ного гіпсу, сульфату алюмінію та гідроксиду натрію має марку з морозо-стійкості 50, водопоглинання понад 8 % та є водостійким.

12. Розроблений склад цементно-піщаного бетону, з якого на АТ «Завод ЗБК» випущена дослідно-промислова партія цегли у кількості 4 тис.шт. Цег-лу укладено в конструкцію стрічкуватого фундаменту будинку, що зво-диться. Економічний ефект від випуску цементно-піщаної цегли склав для підприємства-виготівника 17,34 грн./тис.шт. або 17340 грн./рік.

Основні результати дисертації опубликовані у таких роботах:

1. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Жалкина С.З., Зеленский Д.Ю., Костюк Т.А., Стародуб Т.К. Применение бетонных изделий кольцевого сечения в индивидуальном строительстве // Капитальное строительство Министерства обороны Украины. Бюллетень технической информации.- 1995.- №1.-С.17-19.

2. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Кострюков К.Б., Жалкина С.З., Зеленский Д.Ю., Костюк Т.А. Изделия кольцевого сечения для транспортного

строительства // Межвуз. сб. науч. тр. «Создание новых композиционных материалов и повышение эксплуатационной надежности и сроков службы конструкций и сооружений на железнодорожном транспорте».- Харьков: ХарГАЖТ, 1996.-Вып.26.-Т.2.-С.3-12.

3. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В., Костюк Т.А., Момот В.И. Коллоидно-химические аспекты повышения активности цемента для получения ячеистых и плотных бетонов и растворов без тепловой обработки // Цемент України.- 1997.- №1. - С.20-24.

4. Бабушкин В.И., Костюк Т.А., Кондращенко Е.В. Роль коллоидно-химических явлений в процессах формирования структурной и конечной прочности цементно-песчаных прессованных изделий // Сборник трудов по технической химии.- Киев: УкрХО, 1997.-С.264-267.

5. Бабушкин В.И., Костюк Т.А., Кондращенко Е.В., Салия Г.Ш. Теоретические и прикладные аспекты обоснования способов повышения прочности цементно-песчаных изделий на ранних стадиях твердения // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ, 1998.- Вип.2.- С.10-16.

6. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Костюк Т.А. Особенности подбора состава формовочной смеси для цементно-песчаных стеновых материалов заданной плотности // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ, 1998.- Вип.4.- С.61-63.

7. Костюк Т.А. Особенности получения прессованных изделий из цементно-песчаных бетонов по беспропарочной технологии // Науковий віс-ник будівництва.- Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ, 1998.- Вип.4.- С.63-65.

8. Особенности подбора состава формовочной смеси для цементно-пес-ча-ных стеновых материалов заданной плотности / Бабушкин В.И., Плугин А.А., Костюк Т.А. // Информационный листок.- Харьков: ХАРПНТЭИ, 1998.- №106-98.- 4 с.

9. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Костюк Т.А., Матвиенко В.А. Влияние активных поверхностных центров на прочность свежеотформованных мелкозернистых бетонов // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ, 1998.- Вип.5.- С.85-88.

10. Бабушкин В.І., Плугін А.А., Костюк Т.О., Кондращенко О.В. Фі-зи-ко-хімічні дослідження цементних композицій для безавтоклавних виро-бів// Збірка наукових праць “Проблеми надійності та довговічності інже-нер-них споруд та буді-вель на за-ліз-ничному транспорті”.- Харків: ХарДАЗТ, 1999.- Вип.37. -С.53-59.

11. Цементно-піщана сировинна суміш напівсухого формування / Ба-буш-кін В.І., Костюк Т.О., Кондращенко О.В. // Патент України № 25231А.-Заявл.1997.- Опубл. 30.10.1998.

Особистий внесок пошукувача: у [2] – виконано експериментальні дослід-ження впливу складу дрібно-зернистого бетону на середню густину і

водопоглинання бетонних виробів (15%); у [5] – виконано термодинамічні розрахунки і проаналізовано їх результати (30%); у [6] – розроблено порядок розрахунку складу цементно-піщаного бетону з мінеральним до-дат-ком для виробів заданої густини, виконано експериментальні дослід-ження впливу складу на середню густину і проаналізовано їх результати (30%); у [9] – виконано експериментальні дослідження електроповерх-невих властивостей складових цементно-піщаного бетону за допомогою адсорбції кольорних індикаторів і в електричному полі та проаналізовано їх результати (25%), у [10] – проаналізовано рентгенограми та інфра-червоні спектри поглинання зразків в’яжучого з додатками (25%), в [11] – виконано експериментальні дослідження впливу мінеральних та хімічних додатків на властивості виробів, розроблено формулу винаходу (30%).

АНОТАЦІЯ

Костюк Тетяна Олександрівна. Цементно-піщані бетони та вироби, отримувані напівсухим пресуванням без тепловологової обробки.- Руко-пис.

Дисер-тація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціаль-ністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. Харківський дер-жав-ний тех-ніч-ний університет будівництва та архітектури, 1999.

Робота присвячена розробці цементно-піщаного бетону з мінеральним та хімічними додатками і технології виготовлення з нього дрібноштучних стіно-вих виробів. Мінеральний додаток напівводного гіпсу дозволив підви-щити міцність бетону одразу після формування та одержати вироби напів-сухим пресуванням, хімічні додатки сульфату алюмінію та гідрокси-ду натрію – прискорити природне твердіння і відмовитися від тепло-вологової обробки. Дослідження базуються на уявленнях про цементний камінь і бетон як дисперсні системи, що мають електроповерхневі властивості. Міц-ність таких систем визначається електрогетерогенними вза-ємодіями між дисперсними частками. В результаті виконаних дос-ліджень розроблений спо-сіб визначення складу цементно-піщаного бетону із заданою густиною та максимальною міцністю, розроблені склади бетону і технологія виготовлення дрібноштучних стінових виробів, виготовлена дос-лід-но-промислова партія виробів.

Ключові слова: цементно-піщаний бетон, напівсухе пре--су--ван-ня, дис-персна система, електроповерхневі властивості, електро-гетеро--генні кон-такти

АННОТАЦИЯ

Костюк Татьяна Александровна. Цементно-песчаные бетоны и изделия, получаемые полусухим прессованием без тепловлажностной обработки.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, 1999.

Работа посвящена разработке цементно-песчаного бетона с минеральной и химическими добавками и технологии изготовления из него мелкоштучных стеновых изделий. Минеральная добавка полуводного гипса позволила повысить прочность бетона сразу после формования и получать изделия полусухим прессованием, химические добавки сульфата алюминия и гидроксида натрия – ускорить естественное твердение и отказаться от тепловлажностной обработки. Это обусловило существенное снижение металлоемкости и энергоемкости производства по сравнению с существующими технологиями изготовления мелкоштучных стеновых изделий.

Исследования базировались на представлениях о цементном камне и бе-тоне как дисперсных системах, обладающих электроповерхностными свойствами. Прочность таких систем определяется электрогетерогенными контактами между дисперсными частицами с разноименными поверхностными зарядами.

В результате анализа существующих представлений о твердении цемента и бетона и экспериментальных данных установлено, что обычный цементно-песчаный бетон, подвергнутый полусухому прессованию, не обеспечивает требуемую в данной технологии проч-ность сразу после формования. Это обусловлено недостаточной прочностью контактов между зернами кварцевого песка и частицами портландцемента, имеющими отрицательный поверхностный заряд. Для повышения прочности бетона сразу после формования предложено вводить минеральные добавки, частицы которых обладают положительным поверхностным зарядом.

С помощью исследования адсорбции цветовых индикаторов на активных поверхностных центрах и исследований в электрическом поле подтверждено, что частицы кварцевого песка, портландцемента и гелевой составляющей цементного камня имеют суммарный отрицательный поверхностный заряд, а частицы гидроксида кальция, полуводного и двуводного гипса и карбоната кальция - положительный. Впервые получены экспериментальные данные о положительном поверхностном заряде частиц шлака алюминиевого литья и отрицательном – горелой земли, керамзитовой пыли, топливного и ваграночного шлаков.

Установлено, что при введении в цементно-песчаный бетон минеральных добавок, частицы которых имеют положительный поверх-ностный заряд, происходит уменьшение разницы между объемными концентрациями положительно и отрицательно заряженных активных центров на поверхностях всех компонентов. Это обусловливает появление электрогетеро-

генных контактов и повышение прочности бетона сразу после прессования.

Установлено, что наиболее эффективной из таких минеральных добавок является полуводный гипс, 5 % которого от массы цемента повышают проч-ность в три раза, а 15 % - в 8 раз (от 0,1 до 0,8 МПа). Это объяснено тем, что электрогомогенные контакты между частицами гипса с одинаковым поверхностным зарядом за счет отсутствия энергетического барьера между ними наиболее прочны по сравнению с остальными частицами цементных систем.

С помощью термодинамических расчетов ионных равновесий обоснована необходимость модифицирования добавки сульфата алюминия (ускорителя твердения) гидроксидом натрия или калия (до рН более 10), что связано с необходимостью перевода иона алюминия, в ион Аl(OH)41-. С помощью термодинамических расчетов, а также анализа инфракрасных спектров поглощения и рентгеновских дифрактограмм установлено, что в портландцементных системах при введении сульфата алюминия и гидроксида натрия на ранних стадиях твердения образуется дополнительное количество гидросульфоалюмината кальция, что существенно ускоряет естественное твердение за счет более раннего образования электрогетерогенных контактов. При введении сульфата алюминия без гидроксида натрия могут образовываться как кристаллогидраты – гидросульфоалюминаты, так и гель гидроксида алюминия, что нежелательно. При совместном введении сульфата алюминия и гидроксида натрия образуются кристаллогидратные продукты.

В результате выполненных исследований разработан способ определения состава цементно-песчаного бетона с заданной плотностью и максимальной прочностью и морозостойкостью, разработаны составы бетона и технология изготовления мелкоштучных стеновых изделий, изготовлена опытно-промышленная партия изделий, дана экономическая оценка полученных результатов.

Ключевые слова: цементно-песчаный бетон, полусухое прессование, дисперсная система, электроповерхностные свойства, электрогетерогенные контакты

THE SUMMARY

Kostyuk Tatyana A. The Cement-Sandy Concrete and Products Received by Half-Dry Pressing without Steam of Processing.- The manuscript.

The dissertation on competition