КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Тимошенко Сергій Анатолійович

УДК 691.32

Удосконалення ТЕХНОЛОГії виготовлення ОГоРоДжувальних залізобетонних КОНСТРУКЦіЙ з покращеними теплотехнічними характеристиками

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології будівельних конструкцій і виробів Київського національного університету будівництва і архітектури.

Науковий керівник | кандидат технічних наук, професор Гоц Володимир Іванович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедрою технології будівельних конструкцій і виробів

Офіційні опоненти |

доктор технічних наук, професор Саницький Мирослав Андрійович, національний університет “Львівська політехніка”,

завідувач кафедрою автомобільних шляхів

| кандидат технічних наук, с.н.с., Гірштель Генріх Борисович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України, м. Київ, завідувач лабораторією будівельних матеріалів і конструкцій

Захист відбудеться “06” червня 2008 р. о 1300 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 “Основи і фундаменти. Будівельні матеріали та вироби.  Екологічна безпека” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд.466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий “05” травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к. т. н. Суханевич М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні об'єктивні світові тенденції зменшення матеріалоємності і посилення ресурсозбереження на усіх технологічних ділянках будівельного виробництва потребують підвищення використання супутніх продуктів виробництв у складі цементів і бетонів і застосування при зведенні різноманітних об'єктів, насамперед у галузі житлово-цивільного будівництва, будівельних матеріалів і виробів з покраще-ними теплофізичними та експлуатаційними властивостями.

Це обумовлює широкий розвиток технологій, здатних зменшити використання долі цементу в бетонах, а також впровадження у будівництві бетонів з високими теплофізичними характеристиками, середня густина яких не перевищує 1000 кг/м3.

У зв'язку з наведеним вище, набуває актуальності проведення комплексу теоретичних та прикладних досліджень, спрямованих на вирішення проблеми економії цементної складової в бетонах за рахунок використання золи ТЕС при одночасному підвищенні експлуатаційних і теплофізичних характеристик огороджувальних залізобетонних конструкцій, виготовлених на їх основі, за рахунок впровадження нових технологічних рішень направленого формування структури і властивостей легких бетонів.

Передумовою для виконання роботи є відомі напрямки управління процесами структуроутворення бетону, яким присвячено багато робіт сучасних вітчизняних і закордонних дослідників. Загальний підхід в цих дослідженнях обумовлює використання різної природи мікронаповнювачів і частіше всього штучних пуцоланів (золи-винесення), добавок ПАР і технологічних прийомів втручання в процеси формування структури бетонів на мікро- і макрорівнях, як для бетонів щільної, так і ніздрюватої структури. Особливе місце займають дослідження використання в технології бетонів добавок пуцоланового типу. Так, широко розкрита можливість регулювання структури бетонів направленим формуванням порового простору бетонів за рахунок підвищеної повітрявтягувальної дії розчинів, що вміщують золи. Особливо цей ефект підсилюється введенням пластифікаторів. При цьому негативні впливи золи-винесення на кінетику початкового структуроутворення і набору ранньої міцності підлягають управлінню і усовуються за рахунок використання різних хімічних добавок, у тому числі таких, які підвищують лужну реакцію, а також впровадження різних технологічних прийомів приготування бетонів, найбільш ефективними з яких є активація цементуючої фази за рахунок використання спеціальних швидкообертових змішувачів.

Вищезазначене, а саме, використання методів технологічного впливу на процеси формування структури і властивостей цементуючих речовин і бетонів доводить можливість проведення робіт з удосконалення технології виробництва бетонів огороджувальних конструкцій у напрямку зниження їх матеріалоємності і підвищення теплофізичних властивостей за рахунок розробки нових ефективних методів технологічного впливу і формування композиційного складу пуцоланового цементу, здатних забезпечити інтенсивне протікання процесів направленого формування пористої структури і синтезу міцності легких бетонів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки, визначені в Законі України від 11 липня 2001 р. №2623-ІІІ „Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” напрямок № 6 “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” та держбюджетною темою Міністерства освіти і науки України 4ДБ-2005 “Встановлення фізико-хімічних основ створення енергозберігаючих технологій лужних портландцементів, високонаповнених домішками штучного, природного та техногенного походження” (2005-2007 рр., № державної реєстрації 0105U001335). В зазначених напрямках робіт автор виконував експериментальні дослідження з розробки і оптимізації складів лужних цементів, що вміщують золи-винесення.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення теплофізичних властивостей огороджувальних конструкцій без погіршення їх експлуатаційних характеристик за рахунок удосконалення технологічних рішень виготовлення бетонних сумішей, спрямованих на використання новітніх методів впливу на процеси структуроутворення складових бетону, насамперед цементуючої матриці на основі пуцоланових цементів, і методів направленого формування мікро- і макроструктури бетонів.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені такі задачі:

- дослідити вплив вмісту золи при формуванні структури і міцності полегшених керамзитобетонів;

- дослідити вплив добавок, вибраних з групи активізаторів, пластифікаторів і поризаторів та їх сумісної дії на формування структури і властивостей поризованих керамзитобетонів;

- дослідити вплив лужного компоненту на процеси структуроутворення цементуючої матриці і бетону залежно від складу цементу і технології отримання порової структури керамзитобетону;

- розробити рекомендації з технології виготовлення теплоефективних бетонів;

- дослідити основні експлуатаційні властивості і довговічність бетонів, виготовлених за розробленою технологією і виконати дослідно-промислове впровадження розробки.

Об’єктом досліджень є бетони на легких заповнювачах з використанням активованих пуцоланових цементів для виробництва огороджувальних конструкцій з високими теплофізичними характеристиками.

Предметом досліджень є кінетика процесів структуроутворення і формування фазового складу ніздрюватої цементуючої матриці, які забезпечують виготовлення легких бетонів з підвищеними теплофізичними і експлуатаційними властивостями.

Методи досліджень: традиційні методики за діючими нормативними документами для вивчення структурних, фізико-механічних, теплофізичних і експлуатаційних властивостей отриманих матеріалів; методи математичної статистики та планування експерименту при оптимізації складів і технології виготовлення бетонів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено механізм направленого формування структури і властивостей поризованих керамзито- і перлітобетонів з використанням пуцоланового цементу, який характеризується інтенсифікацією процесу гідратації та прискореним утворенням колоїдних структур за рахунок попереднього швидкісного змішування складових системи “портландцемент зола-винесення – пластифікатор поризатор лужний компонент вода”. Це сприяє підвищенню вязкості системи, в якій внаслідок дії поризатора утворюється дрібнопориста мікроструктура бетону з рівномірно розподіленими капілярними порами ефективного діаметру 0,8...1,5 мкм, що змінює характер процесу масопереносу в напрямку формування контактної зони в системі “поризована матриця – пористий заповнювач” з мікротвердістю 2302...2350 МПа;

- визначено синергетику дії добавок в системі “пластифікатор – поризатор” в умовах лужного середовища на формування структури і міцності поризованого керамзитобетону і встановлено, що стабільність і однорідність порової структури цементуючої матриці, а також міцність бетону підвищуються при зміні хімічного складу пластифікатора в системі з поризатором алкіланіонової групи в ряду: нафталінформальдегіди поліакрилати лігносульфонати, а при зміні групи поризатору, незалежно від типу пластифікуючої добавки, в ряду: алюмосолфонафтенова група алкиланіонова група;

- встановлено взаємозв’язок процесів структуроутворення цементуючої матриці і синтезу міцності поризованих бетонів та доведено, що підвищення ступеню гідратації системи на 15...43і модифікування складу структуроутворюючих фаз гідросилікатного складу з С/S = 0,8...1,2 сполуками реакції взаємодії золи-винесення і лужного компоненту, які представлені цеолітоподібними структурами складу натроліту, жисмондіну і вайракіту, сприяє синтезу міцності бетону у межах 7,5...14 МПа при зміні середньої густини бетону у межах 680...900 кг/м3 відповідно.

Практичне значення отриманих результатів:

- удосконалено технологічні процеси двохстадійної технології виготовлення керамзитобетонів за рахунок впровадження попереднього приготування у швидкісному змішувачі золо-цементно-водної суспензії у присутності комплексної добавки на основі пластифікатора, поризатора і лужного компоненту, що дозволяє збільшити вміст золи в цементно-зольному в'яжучому до 30...50% без зміни міцності цементуючої матриці бетону і отримувати поризовані керамзитобетони з міцністю 8...14,1 МПа при середній густині 757…910 кг/м3;

- показано принципову можливість зниження середньої густини легкого бетону, виготовленого за розробленою технологією, за рахунок заміни частини або повної заміни керамзитового заповнювача на заповнювач із спученого перліту, що дозволяє отримувати бетони з середньою густиною 680...805 кг/м3 і міцністю при стиску 7,6...10,5 МПа.

- проведено за участю автора технологічні нововведення на заводі ЗБВ ВАТ „ДБК-4” при виробництві бетонних сумішей для огороджувальних конструкцій з використанням золи винесення, які стали передумовою зменшення собівартості бетонів за рахунок підвищення вмісту золи винесення при виробництві бетонів і зменшення витрати добавок модифікаторів структури бетону.

- економічний ефект від впровадження розробки в системі ВАТ „ДБК-4” становить 29400 грн при об’ємі впровадження 1500 м3 бетону.

Особистий внесок здобувача в наукові праці полягає у виконанні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів і впровадженні результатів роботи у виробництво. Особистий внесок здобувача в науковій праці:

- досліджено вплив добавок-модифікаторів і визначено особливості дії комплексної добавки в системі “пластифікаторпоризаторлужний компонент” на процеси структуроутворення золовміщуючої цементуючої матриці керамзитобетонів, приготованої у швидкісному змішувачі [1];

- встановлено закономірності синтезу міцності і порової структури керамзитобетонів залежно від вмісту золи винесення у складі цементу, технології приготування і умов твердіння бетону [2];

- вивчено ефективність дії лужного компоненту у складі комплексної добавки при механо-хімічній активації золовміщуючої цементуючої матриці, направленої на підвищення її міцності і формування дрібнокристалічної і дрібнопористої структури [3];

- визначено основні експлуатаційні властивості керамзитобетонів, виготовлених за двостадійною технологією в присутності комплексної добавки, яка вміщує пластифікатор, поризатор і активізатор лужного складу [4];

- проведено оцінку характеристики комфортності бетонних конструкції залежно від технології виготовлення і характеристики пористості бетонів [5];

- досліджено вплив технологій активації цементів на характер формування пористої структури і міцності керамзитобетонів [6];

- досліджено особливості процесів структуроутворення пуцоланових цементів в присутності добавки лужного компоненту [7];

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були висвітлені в доповіді на 67-й науково-практичній конференції КНУБА (2006 р.), Всеросійській науково-практичній конференції (Москва, 2006 р.), III-й Міжнародній конференції “Лужно-активовані матеріали дослідження, виробництво і використання”, (Прага , 2007 р.) .

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 друкованих робіт, у тому числі 5 у фахових виданнях, 2 – у матеріалах та тезах доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 112 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку літературних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації становить 136 сторінок і включає 32 рисунки, 27 таблиць, список використаних джерел зі 143 найменувань та 3 додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертації, сформульовані основна мета і задачі досліджень, зазначено найбільш важливі положення, закономірності, що отримані автором і мають наукову і практичну цінність.

У першому розділі на основі аналізу відомих праць Ю.М.Баженова, І.Штарка, V.M.Malhotra, В.Г.Батракова, А.Я.Вайнера, П.В.Кривенка,  В.Н.Вирового, В.І.Мартиненко, В.В.Опєкунова, І.В.Барабаша та ін. показано, що технології які забезпечують формування направленої структури і міцності бетонів передбачають, перш за все, виготовлення бетонів з пониженим В/Ц відношенням за рахунок використання добавок водоредукуючої дії, представлених різними видами суперпластифікаторів. При цьому ефективність використання водо-редукуючих добавок залежить від їх вмісту і хімічного складу, а також від складу цементу. Питання ефективності дії пластифікаторів при виготовленні теплоефективних бетонних виробів і конструкцій залишаються недостатньо освітленими.

Можливим і ефективним регулятором показника легкоукладальності бетонної суміші і структурних характеристик бетонів на мікрорівні можна вважати активні мінеральні добавки, серед яких найбільший пріоритет можна віддати золам видалення, але можливі проблеми при їх застосуванні потребують удосконалення технологічних рішень у напрямку підвищення їх структуроутворюючої здатності .

Загальною рисою технологій виготовлення бетонів для виробництва огороджувальних конструкцій є забезпечення зменшення їх середньої густини і регульованої порової структури без втрати міцностних і експлуатаційних характеристик за рахунок впровадження різних технологічних рішень активації складових бетонів (вяжучих, наповнювачів і заповнювачів), введення до складу бетонів добавок водоредукуючої дії і регуляторів структури і властивостей.

Перспективним, але не досить дослідженим напрямком вирішення задачі підвищення теплофізичних властивостей огороджувальних конструкцій без зниження їх експлуатаційних характеристик, є поєднання використання у складі цементу і бетонів золи видалення, технологічних рішень з активації складових цементу і бетону і технологічними рішеннями направленого регулювання структурними характеристиками бетону за допомогою не тільки добавок пластифікуючої і повітрявтягуючої дії, але і поєднанні їх з ефективною дією лугів на процеси формування структури і властивостей речовин алюмосилікатного складу, до яких відносяться і золи видалення.

Врахування впливу золи видалення на підвищення повітрявтягування бетонних сумішей, позитивні впливи різних інтенсивних технологій на підвищення пуцоланової активності золи і міцностних характеристик цементів, особливості процесів структуроутворення і синтезу міцності зололужних цементів, а також відомі напрямки управління поровою структурою бетонів за рахунок використання добавок-модифікаторів (пластифікуючої і повітрявтягуючої дії) дозволило висунути гіпотезу про можливість отримання поризованих керамзито- і перлітобетонів на основі пуцоланових цементів з високими міцностними і теплофізичними характеристиками за рахунок впливу на процеси гідратації і структуроутворення цементуючої матриці на стадії приготування золо-цементного розчину у швидкообертовому змішувачі у напрямку синтезу зміцненої дрібнопористої структури бетону, шляхом додаткового введення комплексної добавки, що вміщує пластифікатор, поризатор і лужний компонент.

У другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів, використаних для виконання поставленої мети і задач досліджень.

В якості цементуючої складової бетонів використано портландцемент М400 цементного заводу ВАТ “Балцемент” з додаванням золи винесення Ладиженської ГРЕС. Питома поверхня портландцементу М400 складала 3062 см2/г, а золи винесення 3720 см2/г по Блейну.

В якості крупного заповнювача при виготовленні і вивченні бетонів використано керамзит з насипною густиною 330...420 кг/м3, дрібного керамзитовий пісок з насипною густиною 460...730 кг/м3 та річковий кварцовий пісок з Мк = 1,2.

З метою оптимізації структури бетонів і поліпшення їх теплофізичних і міцностних характеристик в роботі використано пластифікуючі і повітрявтягуючі добавки: суперпластифікатори “С-3” (тип “НФ” сульфовані нафталінформальдегіди), “Dynamon SP3” (тип “ПА” модифіковані акрилові полімери); модифіковані суперпластифікатори “К-2” і “К-6” (МІСТІМ), основа яких представлена лігносульфонатом кальцію; повітрявтягувальні добавки “ПБ-2000” і “К-4” (алкиланіонова група), ПОСТ (алюмосульфонафтенова група).

Постановку експериментів і обробку їх результатів виконано з застосуванням математично-статистичних методів, в тому числі повного факторного експерименту з одержанням в якості математичної моделі експерименту рівняння регресії.

Бетонні суміші і зразки затверділого бетону випробовували відповідно до вимог ГОСТ 10181.0-81…ГОСТ 10181.4-81.

Сорбційну здатність, відкриту пористість і радіус пор цементуючої матриці і бетону визначено методом ізотерм десорбції і капілярного насичення за методикою, розробленою на кафедрі фізики КНУБА для капілярно-пористих будівельних матеріалів.

Визначення фазового складу вихідних речовин і продуктів гідратації здійснено за допомогою комплексу фізико-хімічних методів досліджень: рентгенофазового аналізу і ДТА, електронної мікроскопії.

Дослідження структури контактної зони і розподіл в них хімічних елементів виконано за допомогою методу рентгенометричного локального електроннозондового мікроаналізу на мікроаналізаторі JXA-5 “Jeol” (Японія).

Дослідження процесів структуроутворення цементуючої матриці, виготовленої за різними технологіями виконано за методикою УралНДІбудпроекту (м. Челябінськ, Росія) і ультразвукового імпульсного методу, запропонованого І. Г. Гранковським.

У третьому розділі представлено дослідження впливу золи винесення у складі вяжучої системи на процеси формування структури і міцності керамзитобетону, сумісної роботи добавок пластифікуючої і поризуючої дії при використанні різних технологічних рішеннях втручання у процеси структуроутворення і синтезу міцності бетону, ефективності дії комплексної добавки в системі “пластифікатор  поризатор  лужний компонент” при виготовленні керамзитобетонів з попереднім приготуванням цементно-зольної суспензії у швидкообертовому змішувачі, дослідження механізму направленого формування структури і міцності поризованих керамзито- і перлітобетонів з характеристикою середньої густини бетонів у сухому стані 680...900 кг/м3 і міцності при стиску 7,5...14 МПа.

Аналіз результатів дослідження дозволив визначити, що як при використанні традиційної технології виготовлення керамзитобетонів, так і за двостадійною технологією з попереднім приготуванням цементно-зольної суспензії у швидкообертовому змішувачі з використанням добавок пластифікуючої і повітрявтягувальної дії, в умовах досягнення ефективної зміни міцностних характеристик керамзитобетону (7,5...10 МПа) при середній густині 1000 кг/м3, вміст золи у складі цементу залежно від умов твердіння бетону складає:

- при умовах нормального твердіння при 20ос 18...19%;

- при ТВО (режим 3+6+3) з температурою ізотермічної витримки 50ос і подальшім твердінням 28 діб 28...29%;

- при ТВО (режим 3+6+3) з температурою ізотермічної витримки 80ос і подальшім твердінням 28 діб 37...38% .

Отримані характеристики бетонів позначили ефективність впливу золи винесення (у межах вмісту 20...40на формування керамзитобетонів з пониженою середньою густиною на 2...15,7і підвищеною міцністю на 35...60у порівнянні з бетонами, що не вміщують золу винесення. Особливо цей ефект підсилюється при використанні двостадійної технології. При цьому оптимальним вмістом золи винесення можна вважати 30від маси цементу, що визначило склад бетону для подальших досліджень.

З метою вивчення сумісної дії добавок і їх придатності для роботи в умовах лужного середовища останні комбінували в системі “пластифікатор - повітрявтягувач” у порядку: (К-6К-4); (SP3К4); (SP3ПБ-2000); (К-2К-4); (С-3К-4); (К-6ПБ-2000); (С-3ПБ-2000); (SP3ПОСТ); (С-3ПОСТ).

В якості лужного компоненту використовували кальциновану соду у кількості 1% від маси вяжучої композиції.

Для посилення ефекту повітрявтягувальної дії бетонну суміш базового складу готували за двостадійною технологією. Так, на початку використовували попереднє швидкісне (швидкість обертання валу примусового лопатевого змішувача 120 об/хв.) змішування водно-цементно-зольної суспензії з добавками і послідуючим введенням до звичайного бетонозмішувача примусової дії (швидкість обертання валу примусового лопатевого змішувача 30 об/хв.) поризованої цементуючої суспензії і керамзитового заповнювача.

Виготовлену таким чином бетонну суміш заливали у форми і віброущільнювали. Після тужавлення бетону зразки у формах пропарювали за режимом 3  , відповідно, підйом температури, ізотермічне витримування, охолодження, при температурі ізотермічного витримування 50оС.

Результати впливу добавок на міцності характеристики і середню густину дозволяє розподілити їх сумісну дію за ефективністю в ряду: (К-6 К-4) (SP3 К4) (SP3 ПБ-2000) (К-2 К-4) (С-3 К-4) (К-6 ПБ-2000) (С-3 ПБ-2000) (SP3 ПОСТ) (С-3  ПОСТ) (К-6 ПОСТ) (К-2 ПОСТ), тобто при зміні хімічного складу пластифікатору в системі з поризатором алкіланіонової групи в ряду: нафталінформальдегіди поліакрилати лігносульфонати, а при зміні групи поризатора, незалежно від типу платифікуючої добавки, в ряду: алюмосолфонафтенова група алкиланіонова група.

Відмічено, що найбільшим синергетичним ефектом характеризуються комбінації добавок складу “пластифікатор – поризатор”, які вміщують у якості поризатора добавку К-4 (алкіланіонова група), а у якості пластифікатора добавки К-6 (лігносульфонатна група) і SP-3 (група модифікованих акрилових полімерів). При цьому, залежно від типу пластифікатора міцність бетону змінюється в межах 8,2...9,25 МПа при середній густині бетонів у сухому стані 870...910 кг/м3 з максимумом міцності і мінімальній густині у бетонів, виготовлених з використанням комплексної добавки складу “К-6 – К-4” (“лігносульфонат – алкіланіоновий пори затор”).

Розглянуто вплив технологічних параметрів приготування бетонної суміші на властивості бетонів.

На рис.1 показані результати, отримані при виготовлені бетонів за традиційною одностадійною технологією (склади № 1 і № 2), технологією, яка передбачає попередню активацію води затворювання за допомогою введення і розчинення, при інтенсивному перемішуванні (швидкість обертового валу 240 об./хв., час активації 3 хв.), портландцементу (0,5 % від загального вмісту) і золи винесення (0,5від загального вмісту) (склад № ), двостадійною технологією, за якою попередньо готується суспензія з використанням швидкообертового змішувача примусової дії, яка складається з цементу, золи, води та добавок (склади № 4 № 6). При цьому відбувається активація і поризація суспензії. На другій стадії, приготовану поризовану суспензію вводили у звичайний змішувач, до якого також додавали заповнювачі, і готували бетонну суміш при звичайних обертах валу примусового змішувача.

Рис.1 Міцність керамзитобетону в залежності від технології приготування бетонної суміші:

1,  традиційні способи; 3 з активацією води замішування; 4 з використанням швидкообертового змішування цементно-зольної суспензії у присутності добавок при швидкості змішування 120 об/хв. без лужного компоненту; 5 теж саме і при швидкості змішування 240 об/хв.; 6 теж саме і при швидкості змішування 120 об/хв. і додатковим введенням Na2CO3 (2,0 %).

При проведені досліджень, розглянуті склади бетонів з використанням портландцементу М400 без добавки золи (склад № 1) і з використанням цементно-зольної в’яжучої композиції з вмістом золи в ній 30(склади №2№6).

Твердіння бетонів здійснювалось в умовах ТВО при режимі 3 + 6 + 3 і температурі ізотермічного витримування 50оС.

Визначено, що на відміну від традиційної технології, а також технології з попередньою активацією води затворювання, використання двостадійної технології з додатковим введенням кальцинованої соди у кількості 2% від цементно-зольної складової при приготуванні поризованої цементуючої матриці бетону дозволило підвищити міцність бетону до 14,1 МПа, при середній густині бетону у сухому стані 890 кг/м3, тобто збільшити міцність на 27у порівнянні з бетонами, виготовленими за двостадійною технологієї у відсутності лужного компоненту, і на 45...150у порівнянні з бетонами, виготовленими за традиційною технологією. Порівняння процесів структуроутворення цементуючої матриці за методикою УралНДІбудпроекту і І.Г. Гранковського при використанні різних технологій виготовлення (рис.2) показує, що попереднє швидкісне перемішування цементно-зольного розчину (рис. поз. № ) у присутності добавки пластифікатора значно інтенсифікує стадію коагуяційно-дисперсійних процесів, у порівнянні з характеристикою процесу структуроутворення композиції № , суттєво скорочується індукційний період, який характеризує прискорення розвитку колоїдних структур.

Додаткове введення кальцинованої соди (рис. 2 поз. № ) позначається значним підвищенням на початковій стадії гідратації резонансної частоти, що вказує на прискорення процесів, пов’язаних з гідратацією і розвитком колоїдних структур, з одночасним збільшенням вязкості розчину. Подальший характер розвитку процесів характеризує поглиблений і прискорений розвиток конденсаційно-кристалізаційних процесів у порівнянні з композиціями № 2 і № 4.

Рис. 2 Резонансні криві структуроутворення :

2 традиційний спосіб приготування суміші; 4 швидкісне перемішування без лужного компоненту; 6  швидкісне перемішування у присутності кальцинованої соди

Напрямок такого розвитку процесів структуроутворення підтверджуються дослідженнями тепловиділення і характеристикою складу новоутворень твердіючих систем.

Відмічено, що фазовий склад новоутворень у розглянутих цементуючих композицій, виготовлених з добавкою лужного компоненту, представлений, головним чином, низькоосновними слабо закристалізованими гідросилікатами кальцію (ГСК) структури CSH(I) і гідросилікатами з співвідношенням C/S=0,8...1,2 з високим ступенем організації структури, факт наявності яких і рівень їх організації підтверджується наявністю на рентгенограмах чітких дифракційних максимумів з d = 0,304; 0,299; 0,281; 0,203; 0,183 нм.

З певним ступенем достовірності, внаслідок невисокої інтенсивності дифракційних піків, можна констатувати наявність у твердіючих системах, які вміщують лужний компонент, цеолітних новоутворень, близьких за структурою до натроліту Na2Al2Si3O102H2O (d ,590; 0,428; 0,286; 0,219 нм), жисмондіну CaAl2Si2O84H2O (d ,49; 0,326; 0,274 нм) і вайракіту CaAl2Si4O122H2O (d ,5504; 0,339; 0,247 нм).

Результати електронно-мікроскопічного аналізу і дослідження пористості структури цементуючої матриці підтверджують данні РФА, які відмічають утворення у цементуючій матриці, яка синтезована у присутності лужного компоненту, щільної структури на основі низькоосновних кристалічних гідросилікатів і кріптокристалічних цеолітоподібних сполук.

Таким чином, встановлено взаємозв’язок процесів структуроутворення цементуючої матриці і синтезу міцності поризованих бетонів, та доведено, що підвищення ступеню гідратації системи на 15...43% і модифікування складу структуроутворюючих фаз гідросилікатного складу з С/S = 0,8...1,2 сполуками реакції взаємодії золи винесення і лужного компоненту, які представлені цеолітоподібними структурами складу натроліту, жисмондіну і вайракіту, сприяє синтезу міцності бетону 11,5...14,1 МПа при зміні середньої густини бетону у межах 820...890 кг/м3 відповідно.

Четвертий розділ присвячений оптимізації складу і технології поризованих легких бетонів, дослідженню їх структурних характеристик, властивостей і довговічності.

Базовий склад бетону, прийнятий у дослідженнях наведено у табл.1.

Таблиця 1

Склад бетону, прийнятий у дослідженнях

Вміст складових бетону, кг/м3

цементно-зольна складова | заповнювачі | комплексна добавка | Сода кальци-нована,

кг | Вода,

л

цемент

М 400 | зола вине-сення | пісок керамзи-товий | керамзит фракцій, мм | пласти-фікатор

(К-6) | пориза-тор

(К-4)

2,510 | 1020

245 | 105 | 165 | 100 | 230 | 3,5 | 2,5 | 7,0 | 180

Оптимізацію складу і технології поризованого керамзитобетону проводили з використанням двохфакторного трьохрівневого плану постановки експериментів, в якості змінюваних факторів якого вибрані вміст добавки поризатора і час попереднього інтенсивного змішування цементно-зольної суспензії при використанні швидкості змішування 120 об/хв. і 240 об/хв.

За результатами отриманих даних визначено, що в умовах виконаних експериментів, при прийнятих факторах і значень їх варіювання, характеристики бетонів змінюються за середньою густиною в межах 771…980 кг/м3 при використанні швидкості 120 об/хв. та 730…942 кг/м3 при використанні швидкості 240 об/хв. При цьому оптимальна кількість добавки-поризатора, при формуванні максимальної міцності бетону, знаходиться в межах 0,75…0,8% від цементуючої складової при використанні швидкості змішування 120 об/хв. і 0,5…0,65% при використанні швидкості 240 об./хв.

Результати експериментальних даних при використанні оптимальної швидкості змішування цементно-зольної суспензії при 240 об/хв. представлені на рис.3.

Рис.3 Рівняння регресії, ізоповерхня та ізолінії рівної міцності керамзитобетону в залежності від кількості добавки, часу та інтенсивності перемішування бетонної суміші.

Оптимальним часом швидкісного змішування при попереднім приготуванні поризованого цементуючого розчину, незалежно від швидкості змішування, можна вважати 1...2 хвилини. При таких значеннях технологічних параметрів розрахунки, за отриманими рівняннями регресії, дозволяють визначити, що бетони будуть характеризуватись середньою густиною 850...900 кг/м3 і міцністю при стиску після ТВО діб 10...11,8 МПа, що є метою даної роботи.

Відмічено, що фактором контролю технологічного процесу виготовлення бетонів з вищевказаними характеристиками є показник середньої густини поризованої цементно-зольної суспензії, оптимальна область зміни якої варіюється у межах 947...1180 кг/м3.

З метою поліпшення теплофізичних характеристик бетонів в роботі розглянута можливість введення до складу бетону в якості дрібного заповнювача спученого перлітового піску фр. 0...2,5 мм і насипною густиною 125 кг/м3.

Характеристика розглянутих бетонів і вплив заміни дрібного заповнювача на перлітовий пісок показані в табл. 2.

Таблиця 2

Характеристики бетонів, отриманих з використанням перлітового піску

№ складу | Склад бетону на 1 м3 | ВВ/Ц | Міцність при стиску,

МПа | Середня густина у

сухому стані, кг/м3

Цемент М400, кг | Зола винесення, кг | Керамзит, кг | Пісок керамзи-

товий, кг | Пісок перлітовий,

кг | Вода, л | Добавки

КК 6

лл

л | КК 4

лл

л | Сода, кг

1 | 245 | 105 | 330 | 165 | 195 | 3,5 | 2,5 | 7,0 | 0,56 | 12,1 | 846

2 | 245 | 105 | 330 | 83 | 30 | 205 | 3,5 | 2,5 | 7,0 | 0,59 | 10,5 | 805

3 | 245 | 105 | 330 | 61 | 215 | 3,5 | 2,5 | 7,0 | 0,61 | 9,7 | 750

Примітка. Режим твердіння зразків 3+6+3, при температурі ізотермічного витримування 50оС.

Вивчення структурно-фізичних характеристик поризованих керамзитобетонів проводили з застосуванням методу капілярного просочення. Згідно розрахунків відмічено, що цементуюча матриця бетонів, виготовлених за двостадійною технологією, представлена рівномірно розподіленою пористістю з розміром пор 0,8...1,5 мкм.

Відомо, що огороджувальні матеріали, які використовуються для будівництва житлових приміщень повинні задовольняти цілому комплексу вимог. При цьому крім міцностних характеристик основні вимоги відносяться до теплофізичних характеристик і ступеня комфортності матеріалів і приміщень.

З огляду на те, що неорганічні матеріали однакової щільності мають практично однакові теплоємність і теплопровідність, проведені порівняння показників комфортності зразків поризованих бетонів, виготовлених за двостадійною технологією з контрольним зразком за формулою:

Отриманні значення показників 106 і 8106, дозволяють відмітити високу ступінь комфортності бетонів, отриманих за розробленою технологією.

Дослідження контактної зони в системі “цементуюча матриця – заповнювач” показало, що мікротвердість безпосередньо в контактній зоні в’яжучого з керамзитовим гравієм бетону виготовленого за традиційною технологією дорівнює 2110 МПа, а при використанні двохстадійної технології міцностні характеристики контактної зони збільшуються до значень 2302...2351 МПа.

Перевірка поведінки розроблених бетонів у часі показало, що впродовж 3 років твердіння спостерігається плавний і зростаючий набір міцності бетонів, спадів міцності не зафіксовано. Останнє може бути пояснено достатньо високою міцністю і стабільністю гідратних новоутворень модифікованого цементного каменю.

Визначено, що коефіцієнт морозостійкості розроблених бетонів після 75 циклів перемінного заморожування і відтавання дорівнює 0,88...0,91, що достатньо, щоб визнати їх такими, які успішно пройшли випробування на морозостійкість.

Випробування на атмосферостійкість показали, що після 50 циклів впливу спостерігається зниження міцності при стиску на 4% бетону без добавки лужного компоненту, а з добавкою кальцинованої соди на 2%. Після 100 циклів на 7% та 5% відповідно. Таким чином, відповідно до існуючих рекомендацій, якщо після 100 циклів матеріал втрачає не більш 25% від вихідної міцності, розроблені бетони вважаються атмосферостійкими.

На основі узагальнення отриманих результатів досліджень розроблені рекомендації по складах і технології виготовлення поризованих керамзито- і перлітобетонів з характеристикою середньої густини 700...900 кг/м3 і міцностю 7,5...14 МПа і наведена принципова схема технологічного процесу виготовлення бетонів.

У п'ятому розділі наведено результати дослідно-промислового впровадження розробленої технології керамзитобетонів.

Відпрацювання способу отримання ефективних керамзитобетонів за розробленою двохстадійною технологією виконано у м. Києві в системі ВАТ “Домобудівний комбінат №4”. Як суб’єкт впровадження була вибрана зовнішня керамзитобетонна панель огородження.

Міцність контрольних зразків, що тверділи в аналогічних з панеллю умовах, склала після тепловологої обробки 9,8 МПа при середній густині сухого бетону 870 кг/м3.

Економічний ефект від впровадження технології і складів керамзитобетонної суміші склав 29400 грн. при об’ємі впровадження 1500 м3.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовано і практично підтверджено можливість отримання поризованих керамзито- і перлітобетонів на основі золовміщуючих цементів з високими міцностними і теплофізичними характеристиками за рахунок направленого впливу на процеси гідратації і структуроутворення цементуючої матриці на стадії попереднього виготовлення золоцементного розчину у швидкообертовому змішувачі у напрямку синтезу зміцненої дрібнопористої структури бетону шляхом додаткового введення комплексної добавки, що вміщує водоредукуючий компонент, поризатор і лужний компонент.

2. Визначено синергетику сумісної дії добавок в системі “пластифікатор – поризатор” в умовах лужного середовища на формування структури і міцності поризованого керамзитобетону і встановлено, що стабільність і однорідність порової структури цементуючої матриці, а також міцність бетону підвищуються при зміні хімічного складу пластифікатору в системі з поризатором алкіланіонової групи в ряду: нафталінформальдегіди поліакрилати лігносульфонати, а при зміні групи поризатору, незалежно від типу пластифікуючої добавки, в ряду: алюмосолфонафтенова група алкиланіонова група.

3. Встановлено взаємозвязок процесів структуроутворення цементуючої матриці і синтезу міцності поризованих бетонів, та доведено, що підвищення ступеню гідратації системи на 15...43і модифікування складу структуроутворюючих фаз гідросилікатного складу з С/S = 0,8...1,2 сполуками реакції взаємодії золи винесення і лужного компонента, які представлені цеолітоподібними структурами складу натроліту, жисмондіну і вайракіту, сприяє синтезу міцності бетону 7,5...14 МПа при зміні середньої густини бетону у межах 680...900 кг/м3 відповідно.

4. Показано можливість і доказана ефективність заміни 30...50 % портландцементу на золу винесення при виготовленні теплоефективних керамзитобетонів з характеристикою міцності при стиску 9,8...10,5 МПа і середньої густиною бетону 820…890 кг/м3.

5. Встановлено механізм направленого формування структури і властивостей поризованих керамзито- і перлітобетонів з використанням пуцоланового цементу, який характеризується інтенсифікацією процесу гідратації та прискореним утворенням колоїдних структур за рахунок попереднього швидкісного змішування складових системи “портландцемент  зола винесення – пластифікатор  поризатор  лужний компонент  вода”. Це сприяє підвищенню в’язкості системи, в якій внаслідок дії поризатора утворюється дрібнопориста мікроструктура бетону з рівномірно розподіленими капілярними порами ефективного діаметру 0,8...1,5 мкм, що змінює характер процесу масопереносу в напрямку формування контактної зони в системі “поризована матриця – пористий заповнювач» з мікротвердістю 2302...2350 МПа.

6. Визначено, що основним критерієм оцінки якості проведення технологічного процесу виготовлення поризованих керамзито- і перлітобетонів з заданими властивостями є характеристика середньої густини поризованого розчину, яка повинна змінюватись у межах 947...1180 кг/м3 при заданій зміні середньої густини керамзитобетону у сухому стані 770…900 кг/м3.

7. Визначено характеристики зміни міцності керамзитобетонів, виготовлених за розробленою технологією, у часі і показано, що у межах нагляду за бетоном (3 роки) міцність бетону зросла на 24,4 %, при цьому спадів міцності не зафіксовано. Випробування морозостійкості (коефіцієнт морозостійкості після 75 циклів заморожування і відтавання 0,88...0,91) і атмосферостійкості бетонів (втрати міцності після 100 циклів зволожування і висушування 5...7% допускається 25%) вказує на високі показники довговічності бетонів у порівнянні з аналогом – бетоном, виготовленим за традиційною технологією.

8. Математично виведено інтегральні показники комфортності розроблених бетонів, які відзначають їх високу ступінь комфортності у порівнянні з бетоном контрольного зразка керамзитобетону, виготовленого за традиційною технологією.

9. Розроблено рекомендації по складах і технології виготовлення теплоефективних поризованих керамзито- і перлітобетонів на основі пуцоланового цементу, які вміщують оптимальні вимоги до вмісту комплексної добавки, часу і швидкості змішування компонентів цементуючого розчину, характеристик контролю якості ведення технологічного процесу.

10. Ефективність розробки підтверджено отриманим економічним ефектом від впровадження розробки в системі ВАТ „ДБК-4”, що становить 29400 грн. при об’ємі впровадження 1500 м3 бетону.

Основні положення дисертації викладено у працях:

1. Вдосконалення технології виготовлення огороджувальних конструкцій на основі цементно-зольних керамзитобетонів / В.І.Гоц, О.Г.Гелевера, О.М.Петропавловський, С.А.Тимошенко, О.О.Гричанюк // Будівельні матеріали та вироби. 2006. №3. С.26-30.

2. Особливості композиційної побудови керамзитобетонів з активованою в’яжучою складовою / С.А.Тимошенко, В.І.Гоц, О.Г.Гелевера, О.М.Петропавлівський // Науково-технічний збірник “Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка”. 2006. №22. с.118-124.

3. Тимошенко С.А. Двухстадийная технология производства бетонных смесей как фактор повышения физико-механических и теплофизических свойств ограждающих конструкций на основе керамзитобетонов с использованием пуццолановых цементов / С.А.ТимошенкоВ.И.Гоц // Строительные материалы. 2006. №6. С. 2-7.

4. Тимошенко С.А. Влияние технологии бетонных смесей на основе золосодержащих цементов на свойства керамзитобетонов / С.А.Тимошенко, В.И.Гоц // Вісник Одеської Державної академії будівництва та архітектури. 2007. № 27. С. 303-309.

5. Бетоны ограждающих конструкций повышенной комфортності / С.А.Тимошенко, В.И. Гоц, В.И.Клапченко, Ю.И.Григораш // Будівництво України. 2007. № 8. С. 6-8.

6. Активированные пуццолановые цементы и легкие керамзитовые бетоны на их основе / [С.А.Тимошенко, В.И.Гоц, А.Г.Гелевера, О.Н.Петропавловський] // Строительное материаловедение теория и практикаматериалы Всероссийской научно-практической конференции, 22-24 ноября, 2006 г., Москва / отв. ред. членкор. РАН Б.В.Гусєв. М.:, СИЛ РИА, 2006. С.144-150.

7. Щелочные пуццолановые цементы / [В.И.Гоц, E.К.Пушкарева, O.Н.Петропавловский, С.А.Тимошенко] // III Международная конференция “Щелочно-активированные материалы исследование, производство и использование”, 21-22 июня, 2007, Прага. С.237-252.

АНОТАЦІЯ

Тимошенко С.А. Удосконалення технології виготовлення огороджувальних залізобетонних конструкцій з покращеними теплотехнічними характеристиками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – Будівельні матеріали і вироби. – Київський національний університет будівництва й архітектури. Київ 2008.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми розробки складів і технології виготовлення поризованих керамзито- і перлітобетонів з використанням пуцоланового цементу і вмістом золи-винесення у складі цементної складової 30...50%, які за характеристикою середньої густини (700...900 кг/м3) відносяться до теплоефективних бетонів з характеристикою міцності 7,5...14 МПа. Високі показники розроблених бетонів досягаються за рахунок впровадження технології попереднього виготовлення цементно-зольного розчину у швидкообертовому змішувачі у присутності комплексної добавки, яка вміщує пластифікатор, поризатор, лужний компонент, що забезпечує направлене формування дрібнопористої і зміцненої структури цементуючої матриці бетону і зони контакту з заповнювачем, фазовий склад яких модифікований цеолітоподібними сполуками структури натроліту, жисмондіну і вайракіту.

Розроблено і оптимізовано склади і технологічні параметри виготовлення бетонів, досліджені особливості структури бетонів, визначені фізико-механічні властивості та характеристики довговічності. Результати роботи реалізовані в умовах виробництва.

Ключові слова: поризовані керамзитобетони і перлітобетони, швидкообертове змішування, комплексна добавка, лужний компонент, структуроутворення.

АННОТАЦИЯ

Тимошенко С.А. Усовершенствование технологии производства ограждающих железобетонных конструкций с улучшенными теплотехническими характеристиками. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев, 2008.

Диссертация посвящена решению проблемы получения поризованных керамзито- и перлитобетонов на основе пуццоланового цемента с содержанием золы-уноса в составе цементной составляющей 30…50 мас. %, которые по характеристике средней плотности (700…900 кг/м3) относятся к теплоэффективным бетонам с характеристикой прочности при сжатии 7,5…14 МПа. Высокие показатели разработанных бетонов достигаются за счет применения технологи предварительного приготовления цементно-зольного раствора в скоростном смеситетеле в присутствие комплексной добавки, включающей пластификатор, поризатор и щелочной компонент.

Установлена синергетика совместного действия добавок в системе «пластификатор – поризатор» в условиях щелочной среды на формирование структуры и прочности поризованного керамзитобетона и отмечено, что стабильность и однородность поровой структуры цементирующей матрицы, а также прочность бетона повышаются при изменении химического состава пластификатора в системе с поризатором алкиланионовой группы в ряду: нафталинформальдегиды полиакрилаты лигносульфонаты, а при изменении группы поризатора, независимо от типа пластифицирующей добавки, в ряду: алюмосолфонафтеновая группа алкиланионовая группа.

Установлена взаимосвязь процессов структурообразования цементирующей матрицы с синтезом прочности поризованных бетонов и доказано, что повишение степени гидратации системы на 15...43и модифицирование состава структурообразующих фаз гидросиликатного состава с С/S = 0,8…1,2 соединениями реакции взаимодействия золы-уноса и щелочного компонента, которые представлены цеолитоподобными структурами состава натролита, жисмондина и вайракита, способствует синтезу прочности бетона в пределах величин 7,5…14 МПа при изменении средней плотности