На правах рукописи
МИНСАДРОВ ИЛЬГИЗ НУРИСЛАМОВИЧ
СИЛОВЫЕ МЕТОДЫ УПЛОТНЕНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ С МИКРОНАПОЛНИТЕЛЯМИ
Специальность 05.23.05 – «Строительные материалы и изделия»
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва - 2010 год
Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы и технологии» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ)
Научный руководитель: член-корреспондент РАН,
доктор технических наук, профессор Гусев Борис Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Рояк Генрих Соломонович
кандидат химических наук, профессор
Фаликман Вячеслав Рувимович
Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский
Центр «Строительство»
Защита состоится «18» июня 2010г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 303.018.01 в открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС) по адресу: 129329 г. Москва, ул. Кольская, 1, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС.
Отзыв на автореферат диссертации в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу учёному секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан «18» мая 2010 года.
Учёный секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук Ж.А. Петрова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Последние четыре десятилетия, наряду с обычным тяжелым бетоном, широко используются мелкозернистый бетон. В ряде районов страны не хватает качественного крупного заполнителя, а его перевозка обходится дорого.
Однако, в России месторождения крупно- и среднезернистых песков, соответствующих требованиям действующих стандартов, ограничены и распространены неравномерно, их запасы не удовлетворяют требованиям регионального строительства. Поэтому проблеме использования мелких песков в бетонах придавалось и придаётся большое значение.
В исследованиях, проводившихся в пятидесятые годы прошлого века, тонкодисперсная фракция песка, включающая частицы размером менее 0,15 мм, считалась вредной для бетона, так как увеличивала водопотребность и ухудшала его строительно-технические свойства. В связи с этим исследователи уделяли мало внимания минералогическому и гранулометрическому составу тонкодисперсных фракций. Одним из наиболее важных вопросов при получении экономичных мелкозернистых песчаных бетонов является обеспечение рационального гранулометрического состава (соотношение различных размеров частиц в общей массе бетона) и использование силовых методов уплотнения.
Поскольку обычный песок отличается большой пустотностью, то для её заполнения и получения плотного бетона требуется более 600 кг/м3 цемента. Этот недостаток можно исключить заменой значительной части цемента кварцесодержащим микронаполнителем.
Изменения в технологии, а именно, совершенствование механизмов уплотнения бетонных смесей – позволяет по-новому подойти к оценке возможности использования в бетоне мелких песков, содержащих повышенное количество тонкодисперсных фракций.
Таким образом, главное внимание в диссертационной работе уделяется заполнителям с рациональным гранулометрическим составом и эффективным силовым методам уплотнения для повышения физико-механических свойств мелкозернистых бетонов.
Цель работы состоит в исследовании силовых методов уплотнения мелкозернистых смесей с полидисперсным микронаполнителем для повышения плотности мелкозернистых бетонов и улучшения физико-механических свойств дорожных изделий, в том числе на мелких песках.
Для этого необходимо решить основные задачи:
- исследование влияния силовых способов уплотнения (трамбование, вибропрессование, роликовый прокат) цементно-песчаных смесей на технические свойства бетонов с минеральными добавками;
- изучение напряжённо-деформированного состояния бетонной смеси, уплотняемой вибропрессованием и роликовым формованием;
- разработка физической модели упаковки составляющих бетонной смеси;
- изучение влияния количества и дисперсности вводимого наполнителя на свойства бетона;
- установление взаимосвязи «плотность упаковки минерального скелета – физико-механические свойства»;
- изучение макро- и микроструктуры мелкозернистых бетонов при различных способах уплотнения;
- исследование степени измельчения зёрен песка различными способами в помольных механизмах;
- разработка технологического регламента по производству дорожных изделий для предприятия ЗАО НИПТИ «Стройиндустрия»;
- обеспечение рационального состава мелкозернистых бетонов с использованием силовых методов уплотнения при производстве дорожных изделий с целью снижения себестоимости продукции и улучшения её качества.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определен характер взаимодействия пригруза с виброплощадкой и упруго-вязкой бетонной смесью методами теории подобия и механики сплошной среды, и установлено, что преобладающее влияние на процесс уплотнения оказывают величина пригруза и тиксотропные явления;
- определена аналитическими методами высокая однородность напряжённо-деформированного состояния бетонной смеси по высоте слоя, отформованного вибропрессованием, при условии противофазного режима работы пригруз-виброорган;
- выполнен расчёт напряжённо-деформированного состояния в слое бетонной смеси методом конечных элементов, который показал существенные изменения напряжений по толщине слоя при роликовом уплотнении;
- уточнена физическая модель рациональной упаковки компонентов бетонной смеси для получения наиболее плотного минерального скелета;
- установлена взаимосвязь между плотностью упаковки минерального скелета и физико-механическими характеристиками бетона, отформованного силовыми методами;
- впервые получены количественные характеристики по влиянию полидисперсных наполнителей на свойства мелкозернистых бетонов при вибропрессовании.
Достоверность научных положений, результатов и выводов работы обусловлена применением методов фундаментальных исследований, методически обоснованным использованием современных средств измерений, физико-химических методов и опытно-промышленной проверкой результатов исследований.
Автор защищает:
- положение о том, что для уплотнения песчаных бетонов с микронаполнителем следует применять силовые методы, а именно вибропрессование и роликовый прокат;
- результаты исследований по уплотнению бетонной смеси при использовании силовых методов с изучением напряжённо-деформированного состояния бетонной смеси;
- предложенную гипотезу по рациональному гранулометрическому составу минеральной части микронаполнителя при соотношении объёмов мелкой и крупной фракции 3/7 – 3/8, с размером частиц мелкой фракции в 8-10 раз меньшим, чем крупной;
- высокую эффективность и однородность уплотнения при вибропрессовании пригрузом до 0,5 МПа с обеспечением высоких физико-механических свойств мелкозернистых бетонов.
Практическое значение работы состоит в следующем:
- уточнены рациональные параметры второго этапа двухстадийного уплотнения мелкозернистых бетонных смесей с микронаполнителями с использованием на второй стадии частоты 50 Гц, ускорения 5g и давления пригруза до 0,5 МПа;
- разработан состав мелкозернистого бетона с микронаполнителями и технология его изготовления, которая обеспечивает высокие физико-технические характеристики с экономией вяжущего;
- достигнута максимальная плотность упаковки минерального скелета в бетоне, отформованного вибропрессованием, равная 81,1%, что превышает значения показателей плотности по сравнению другими способами формования;
- получены максимальные физико-технические характеристики бетона при вибропрессовании, которое обеспечило повышение прочностных характеристик в 1,5 раза и марки по морозостойкости до F300;
- разработан технологический регламент по производству дорожных изделий из мелкозернистых бетонов.
Внедрение и реализация: Результаты исследований, проведённых в работе, внедрены на опытно-экспериментальной базе «Экспострой» предприятия НИПТИ «Стройиндустрия». Экономический эффект составил 777 руб. 50 коп. на 1м3 бетонной смеси и годовой – 16,327,500 руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференция «Строительное материаловедение – теория и практика» (Москва, 2006г.), IX Международной научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2008г.), V Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г.Волгоград, 2009 г.), на Республиканском конкурсе «Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан» (г.Казань, 2009г.), Symposium on Recent Advances in Mechanics dedicated to the Late Academician (Athens, Greece, 2009), на конференции «Наука МИИТа – транспорту – 2010» (Москва, 2010г.).
Публикации по работе. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в т.ч. 2 статьи опубликованы в изданиях, определенных ВАК РФ для кандидатских диссертаций, получено положительное решение по заявке на патент.
Объём работы. Диссертационная работа содержит 216 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 41 таблица и состоит из введения, 7 глав, списка литературы из 232 наименований и приложений.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю члену-корреспонденту РАН, д.т.н., профессору Б.В. Гусеву за научные консультации и помощь в выполнении исследований, а также всему коллективу кафедры «Строительные материалы и технологии» МИИТа за оказанное содействие при выполнении работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены основные направления исследований, сформулированы цели и задачи предложенного направления, показана научная новизна и практическое значение работы, представлена общая характеристика полученных результатов.
В первой главе диссертации изучены результаты ранее выполненных исследований по вопросам эффективных силовых методов уплотнения, гранулометрии заполнителей в составе бетонов и существующих технологий измельчения.
Вопросам уплотнения вибропрессованием посвящены работы Б.В. Гусева, В.Г. Зазимко. Выполненные исследования И.Ф. Руденко и В.Н. Кузиным по уплотнению песчаных бетонов роликовыми установками позволили учесть технологические особенности процесса уплотнения и целесообразность его применения.
Исследованиями И.Н. Ахвердова, Ю.М. Баженова, А.В. Волженского, А.В. Саталкина, О.В. Кунцевича, А.Е. Шейкина, П.Г. Комохова, О.А. Гершберга и других учёных установлено, что свойства мелкозернистого и обычного бетонов определяются одними и теми же факторами. Однако мелкозернистые бетоны имеют и свои особенности, обусловленные их составом и структурой, для которых характерны большая однородность и высокое содержание цементного камня, отсутствие жёсткого каменного скелета, повышенная пустотность, значительная величина контактной зоны заполнитель-цементный камень и высокая удельная поверхность заполнителя.
В исследовательских работах Б.Г. Скрамтаева, В.В.Стольникова, А.С.Губаря, Г.И. Ступакова и К.И. Львовича указывают на применение в качестве заполнителя крупных песков с модулем крупности Мкр не менее 2,5, так как применение мелкого песка, по их мнению, может привести к ухудшению структуры бетона.
Следует отметить, что в литературе практически отсутствуют данные об исследовании свойств мелкозернистых бетонов на мелких и очень мелких песках с высоким содержанием тонкодисперсных фракций (20-40%), тем более применительно к сборным дорожным покрытиям. На основании анализа исследований можно утверждать, что существуют предпосылки для получения прочных и морозостойких дорожных мелкозернистых бетонов на мелких песках с рациональной гранулометрией минеральных наполнителей при применении силовых методов уплотнения.
Во второй главе представлены характеристики используемых материалов и методики проведения экспериментов.
Для исследований в работе были использованы традиционные материалы, применяемые в песчаных бетонах с цементным вяжущим. При проведении экспериментов применялись портландцементы с различным минералогическим составом Вольского и Воскресенского заводов, соответствующих ПЦ 500-Д0 по ГОСТ 10178. Физико-механические свойства цементов определялись согласно требованиям ГОСТ 310.1, 310.2, 310.3 «Цементы. Методы испытаний».
Природные кварцевые пески, используемые в работе, удовлетворяют требованиям ГОСТ 26633 и ГОСТ 8736. Характеристика гранулометрического состава и результаты испытания физических свойств песка выполнены согласно ГОСТ 8735. Исследуемые пески значительно отличаются по модулю крупности Мкр. Так, у песка Купавинского комбината строительных материалов Мкр = 1,4, а речной песок Окской горнопромышленной компании имеет Мкр = 1,32. При этом пустотность у испытуемых песков практически не отличается и составляет 38 – 44%. Помимо определения ГОСТовских характеристик песка в работе определялись и его нестандартные характеристики, в частности, пустотность и средняя плотность в уплотненном состоянии.
Помол песка производился на дезинтеграторе нового поколения марки ГГ500нп.7. Данная машина способна осуществлять измельчение до среднего размера частиц 0,1мкм с меньшими энергозатратами по сравнению с имеющимися аналогами.
Приготовление цементного теста и цементно-песчаной смеси осуществлялось на питьевой воде, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 23732 «Вода для бетонов и растворов».
Удельную поверхность и гранулометрический состав порошка наполнителей определяли на приборе ФСХ-4 и на анализаторе сорбции газов Quantachrome NOVA 4200e.
Реологические исследования сырьевой смеси проводились на шариковом вискозиметре (рис.1). Определение строительно-технических характеристик мелкозернистого бетона проводилось на основании рекомендаций ГОСТ 17608.
Моделирование вибрационного воздействия на бетонную смесь и оптимизация режимов вибрации выполнены на электродинамическом стенде ВЭДС-100Б.
Электронно-микроскопические исследования бетонных образцов проведены на электронных микроскопах TESLA BS-340, Quanta 200 3D.
Рис.1 Шариковый вискозиметр
l –рассматриваемый участок столба бетонной смеси; v1,2 – скорости на границах участка; М – масса дополнительного груза; Р – сила всплытия.
Измельченный кварцевый порошок был изучен на просвечивающем JEM-2000FXII (Jeol, Япония) и растровом Supra 50VP Carl Zeiss (Германия) микроскопах. Процесс агрегативной устойчивости суспензий с определением электрокинетического потенциала был исследован измерением скорости дисперсных частиц, находящихся в дисперсионной фазе в процессе электрофореза. Скорость частиц измеряется методом лазерной доплерометрии на анализаторе частиц Malvern instruments Zetasizer Nano ZS. Рентгенофазовый анализ продуктов гидратации выполнен на дифрактрометре «ДРОН-3М», кварцевого микронаполнителя - на японской установке D/MAX 2500.
В третьей главе рассмотрены теоретические основы получения высокопрочных мелкозернистых бетонов с решением задач напряжённо-деформированного состояния при вибропрессовании и роликовом прокате.
Для описания процесса взаимодействия бетонной смеси с пригрузом и вибрирующим органом была решена задача методом теории подобия и анализа размерностей. Исследуемый процесс можно представить в виде функции, аргументами которой являются безразмерные комбинации a1, a2, a3, …, и т.д. В первом приближении эта функция может быть выражена линейным многочленом вида:
y = a0 + a1x1 + a2x2 + … + anxn (1)
Таким образом, безразмерные комбинации представлены в виде коэффициентов уравнения (1). По абсолютным значениям безразмерных комбинаций можно ориентировочно судить о степени их влияния на величину функции или о преобладающем их влиянии на изучаемый процесс. При виброуплотнении на процесс влияют параметры вибрационного режима и свойства самой бетонной смеси. Решение задачи определило шесть основных комбинаций: 1)
; 
2) 
; 3)
; 4) 
;
5) 
; 6) вибр/неразр (2)
где m, h, E, F,, Mп – параметры бетонной смеси, с, М, р – параметры виброоргана.
Согласно результатам численных расчётов величина пригруза (2.5) и коэффициент тиксотропного разжижения (2.6) оказывают наиболее существенное влияние на процесс уплотнения.
При динамических воздействиях на среду в ней начинают распространяться продольные, поперечные и другие виды волн. Свойства среды определяют скорость их распространения и затухания. Наиболее часто при описании сложного напряжённо-деформированного состояния процесса формования бетонной смеси используется модель Кельвина-Фойгта. Так, процесс распространения и затухания описывается выражением (3):
(3)
Нами была поставлена задача оптимизации величины пригруза при виброуплотнении на второй стадии (рис.2), таким образом, граничные условия имеют вид:
при х = 0 u = u0coswt
при x = h 
где Е-модуль упругости, 
- динамическая вязкость, Мп-масса пригруза, F- площадь столба бетонной смеси.
Рис.2 Уплотнение столба бетонной смеси при вибрационном воздействии с пригрузом.
Решение для установившегося режима колебаний находим в виде суммы затухающих прямой и отраженной волны (4):
где = 1 (Е, 
) и = 2 (Е, 
).
После всех преобразований получим: 
;
(5)
Из выражений (5) получены значения динамического модуля упругости и коэффициента динамической вязкости (табл.1). Анализ показал, что с повышением частоты вибрации возрастают динамические характеристики бетонной смеси.
Таблица 1
Значения динамического модуля упругости и коэффициента динамической вязкости при различных режимах вибрации
| Частота колебаний f, Гц | Модуль упругости E, MПa | Коэффициент динамической вязкости ·103, Па·с |
| 25 50 | 1,35…2,49 2,54…3,66 | 11,4…19,16 15,8…23,31 |
При колебаниях столба бетонной смеси важно не только распространение и затухание колебаний, но и взаимодействие «виброорган-бетонная смесь». Таким образом, процесс распространения колебаний определяет так называемую «приведенную» или «присоединенную» массу бетонной смеси, которая необходима для оценки динамического давления по высоте столба бетонной смеси, которое влияет на процесс уплотнения.
Для уплотнения мелкозернистых бетонов при толщине 4-10 см благоприятные условия реализуются при частотах 25-75 Гц, ускорении до 5g, при динамическом давлении до 0,5 МПа.
При роликовых методах формования на технические свойства бетона также оказывают влияние показатели напряжённо-деформированного состояния бетонной смеси. Известно, что распределение давления от ролика идёт по дуге контакта с бетонной смесью. Эпюра этого распределения близка к равностороннему треугольнику с максимальным значением напряжения до 1,5-2,0МПа, что значительно больше напряжений при виброуплотнении.
Расчет задачи методом конечных элементов был направлен на анализ возникающих напряжений, как по высоте уплотнения, так и вдоль формы. Если система находится в равновесии, то при любом очень малом перемещении работа внешних сил будет равна приращению внутренней энергии деформации. Система уравнений в матричном виде представляет уравнение равновесия системы и выглядит так:
[X]=[K][U],
где: [X] - вектор сил всех внешних воздействий; [K] - матрица жесткости системы; [U] - искомый вектор перемещений.
Методика решения задачи заключалась в выборе расчётной схемы для решения на ЭВМ и подготовке исходных данных для разбивки на конечные элементы.
В результате исследований роликового уплотнения установлено, что напряжения и деформации значительно убывают по высоте формуемого изделия на 40-55% (рис.3). Сравнение напряжённо-деформированного состояния при обоих способах уплотнения показало, что вибропрессование является наиболее рациональным, т.к. напряжения по высоте формуемого слоя уменьшаются только на 15-20%. В целях получения однородного материала при роликовом формовании необходимо стремиться к увеличению радиуса ролика и величины давления.
Эпюры напряжений х по высоте слоя:
а) в/н=1,1-1,25 б) в/н=1,6
Рис. 3 Эпюры напряжений при а) вибропрессовании; б) роликовом формовании. в – напряжение вверху столба, н – напряжение внизу столба.
В четвёртой главе предложена модель рациональной гранулометрии составляющих бетонной смеси и произведено исследование измельченных микронаполнителей различной дисперсности.
Важным условием получения высокопрочного материала является гранулометрия составляющих бетона. Известно, что в песчаных бетонах большая пустотность двухфракционной системы приводит к большому расходу вяжущего. Так, по предварительным расчётам определили плотность Окского
речного песка в уплотнённом состоянии, которая составила 1650 кг/м3. В этом случае пустотность в насыпном состоянии составила 43%, а в уплотнённом 37%.
Рис.4. Модель упаковки частиц в бетоне.
где 1- частица песка; 2- частица цемента; 3- тонкомолотая частица песка; 4- ультрадисперсная частица песка.
Предложена модель упаковки компонентов бетона, согласно которой соотношение объёмов каждой последующей фракции наполнителя соответствовало 3:7 (3:8) при условии, что диаметр частиц мелкой фракции в 8-10 раз меньше крупной (рис.4).
В данной главе представлен анализ дисперсности и агрегативной устойчивости продуктов помола песка. Была произведена оценка размеров частиц песка методами растровой электронной микроскопии, динамического светорассеяния и просвечивающей электронной микроскопии. По снимкам
(рис.5), полученным методом растровой электронной микроскопии, можно судить о распределении частиц.
Рис.5 Микрофотография измельчённого песка при различных увеличениях.
По результатам анализа динамического светорассеяния, выявлено, что пробы представляют смесь следующих фракций: крупной, быстро седиментирующей фракции, размеры которой невозможно определить использованным методом; фракции со средним размером 0,75мкм, частично оседающей за два часа (до среднего размера 0,55мкм); фракции со средним размером 0,16-0,17 мкм, стабильной во времени. Удельная площадь поверхности составляет 1540±50 м2/кг.
Результаты агрегативной устойчивости показали, что образцы имеют среднее значение -потенциала равное -43 мВ (рис.6).
- область песка, II- область цемета; Р1-Р5 –испытываемые образцы микронаполнителя
Рис.6 Исследование дзета-
потенциала частиц измельченого песка и цемента.
Так как высокостабильными считаются суспензии с -потенциалом частиц ниже -50 мВ, можно сделать вывод, что полученные образцы характеризуются достаточно высокой устойчивостью к агломерации в водной фазе, обеспеченной зарядом их поверхности.
В справочных данных приводятся показатели электрокинетического потенциала портландцемента различной удельной поверхности, так для цемента удельной поверхности 300 м2/кг -потенциал составляет до -12,5мВ, а для цемента 500 м2/кг = -4,6мВ. Из этого следует, что измельчённый песок является агрегативно более устойчивым, чем цемент. При затворении цемента с водой твердые частицы имеют тенденцию к слипанию с образованием кластеров. Благодаря меньшему электрокинетическому потенциалу, частицы микронаполнителя будут выстраиваться между зёрнами цемента (рис.7).
Таким образом, происходит организованное выстраивание частиц в энергетически выгодных зонах в пространстве между частицами цемента. В результате ионнобменных реакций происходит связывание свободной окиси кальция в низкоосновные гидросиликаты кальция, что подтвердилось изучением образцов под электронным микроскопом и проведённым рентгенно-фазовым анализом.
Рис. 7 Схематичная интерпретация механизмов действия микронаполнителя. Поверхность цементного зерна покрыта частицами микронаполнителя.
В системе цемент-микронаполнитель-вода улучшается процесс образования пространственного структурного каркаса. Это происходит в результате сцепления или срастания частиц мелкодисперсной фазы. Микронаполнитель имея физически связанную (межслоевую и межпакетную) воду, способствует более полной гидратации цемента. Тем самым обеспечивается увеличение прочности по сравнению с бездобавочным бетоном.
В результате проведённого анализа измельченного песка в составе «цемент-наполнитель» и его влияния на процессы гидратации был принят общий показатель водотвёрдого отношения (В/Т), где знаменатель - суммарное количество цемента и минеральной добавки.
В пятой главе рассмотрены особенности составов и методов уплотнения бетонной смеси.
С целью подтверждения гипотезы об оптимальном соотношении компонентов в бетоне по абсолютному объёму и среднему размеру частиц этих компонентов, а также для установления количественных зависимостей физико-механических свойств были проведены три группы экспериментов. Каждая группа экспериментов соответствовала определённому технологическому режиму при уплотнении бетонной смеси. Так, в первой группе – это трамбование, во второй – стандартная вибрация, в третьей – вибропрессование и роликовое формование. Каждая группа экспериментов отвечала различным факторам силового воздействия на бетонную смесь. В первой группе бетонная смесь подвергалась ударным воздействиям, во второй группе – одночастотной вибрации равной 50 Гц, а в третьей - 2-х стадийному уплотнению с пригрузом.
В первой группе экспериментов речной кварцевый Окский песок фракционировали на две составляющих:
- мелкая фракция 0,315…0,14 мм;
- крупная фракция 1,25…0,63 мм;
Согласно предложенной модели для крупной фракции песка было достаточно использование заводского цемента (средний размер частиц цемента 50-60 мкм), а в случае использования мелкого песка его домалывали до необходимой тонины (20-30 мкм), табл.2. Кварцевый микронаполнитель также доводили до необходимой тонины в зависимости от размеров крупного заполнителя.
Таблица 2
Дисперсность и удельная поверхность песка, цемента и наполнителя
| Средние размеры зерен, мкм | Песок | Цемент | Наполнитель | |||||
| 500 | 200 | 140 | 50 | 20 | 14 | 5 | 0,5 | |
| Удельная поверхность, м2/кг | 4,5 | 11,3 | 16,2 | 38,7 | 96,8 | 138,2 | 452 | 4528 |
Первая группа экспериментов была разделена на три серии. В первой серии использовали сочетания песка с цементом согласно принятой гранулометрической модели. В последующей части экспериментов 1/3 и 2/3 объёма цемента заменялась кварцевым микронаполнителем такой же тонины, как и у используемого цемента.
Для оценки свойств бетона использовались характеристики - прочность при сжатии, интегральное водопоглощение, плотность упаковки. Для получения рациональных составов бетон был дополнительно испытан на морозостойкость. Испытания по определению морозостойкости проводились по третьему методу путем попеременного замораживания и оттаивания в 5% -ном водном растворе хлористого натрия при температуре замораживания – 50°С ± 5. Результаты экспериментов с составами близкими к оптимальным представлены в табл.3.
Таблица 3
Сводная таблица физико-технических характеристик составов близких к оптимальным, отформованных трамбованием.
| Составляющие компоненты бетонной смеси | Расход цемента на 1м3, кг | Расход песка на 1м3, кг | Расход наполни-теля на 1м3, кг | Расход воды на 1м3, кг | Плотность упаковки минераль-ного скелета о.ск, % | Прочность при сжатитии Rсж, МПа |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Пк + Ц | 769 | 1505 | - | 182 | 81,9 | 50,3 |
| Пм + Цдом | 762 | 1492 | - | 180 | 76,9 | 55,2 |
| Пк+2/3Ц+1/3Н | 514 | 1509 | 218 | 179 | 82,2 | 60,9 |
| Пм+2/3Цдом+1/3Н | 509 | 1496 | 216 | 177 | 78,6 | 61,6 |
| Пк+1/3Ц+2/3Н | 258 | 1514 | 438 | 177 | 82,6 | 43,3 |
| Пм+1/3Цдом+2/3Н | 255 | 1501 | 433 | 175 | 79,1 | 41,7 |
| Пк + Цдом | 769 | 1505 | - | 182 | 82,0 | 58,5 |
| Пм + Ц | 762 | 1492 | - | 180 | 76,1 | 46,3 |
| Пк+2/3Цдом+1/3Н | 514 | 1509 | 218 | 179 | 82,5 | 67,2 |
| Пм+2/3Ц+1/3Н | 509 | 1496 | 216 | 177 | 76,8 | 49,8 |
| Пк+1/3Цдом+2/3Н | 258 | 1514 | 438 | 177 | 82,7 | 49,2 |
| Пм+1/3Ц+2/3Н | 255 | 1501 | 433 | 175 | 77,7 | 34,7 |
где: Пк – песок фракции 1,25…0,63 мм; Пм – песок фракции 0,315…0,14 мм; Ц – цемент заводского помола; Цдом – цемент домолотый до частиц размером 20…30мкм; Н – микронаполнитель, зёрна которого измельчены до размеров зёрен цемента.
Из результатов, представленных в табл.3, следует, что смесь песка крупной фракциии и цемента заводского помола уплотняется гораздо лучше и достигает величины 82,6% (плотность упаковки минерального скелета бетона), по сравнению со смесью песка мелкой фракции с домолотым цементом. Это связано с большей шероховатостью поверхности мелкого песка, которая уменьшилась с введением суперпластификатора.
Прирост плотности упаковки минерального скелета на 1% позволяет получить увеличение прочности на сжатие от 1% для смесей без микронаполнителей и до 5% в смесях с наибольшей долей микронаполнителя. Также установлено, что плотность упаковки минерального скелета бетона на крупном песке практически не меняется при замене части цемента (1/3 и 2/3) микронаполнителем. При мелком песке с увеличением доли минерального наполнителя плотность увеличивается (до 3%), что можно объяснить увеличением толщины плёнки воды. То есть при постоянном В/Т замена части цемента микронаполнителем высвобождает часть воды, которая идет на его смачивание.
Следует подчеркнуть, что составы, при замене микронаполнителем до 2/3 объёма цемента, показали высокую прочность на сжатие, превышающую нормативные требования для дорожных плит.
В работе также исследовалась пористость бетона по величине водопоглощения и методами оптической микроскопии. Анализ результатов показал, что интегральное водопоглощение для всех изученных составов бетона без микронаполнителя имеет значения порядка 2-3%. При замене 1/3 цемента микронаполнителем водопоглощение практически не изменяется, а при замене 2/3 объёма цемента она возрастает в отдельных случаях до 6%. При таком большом расходе наполнителя испытания на морозостойкость показали, что образцы не выдерживают требования нормативов F200.
По представленным в работе макроснимкам структуры бетона установлено, что минимальное значение пористости имеет место в составах с максимальной плотностью минерального скелета. Структуры бетонов рационального состава с различными способами уплотнения представлены в конце реферата на рис.10а.
Во второй группе экспериментов изучены особенности песчаного бетона на основе речного мелкого песка (нефракционированного) и цемента заводского помола с аналогичными составами выбранными раннее.
Составы бетонов (табл. 4), формуемые стандартной вибрацией с частотой 50 Гц и ускорением до 3,5g, имеют повышенную водопотребность. Наблюдение за поведением смеси при уплотнении показало, что рациональное соотношение В/Т равно 0,32, что подтверждается полученными физико-механическими характеристиками бетона. Смещение оптимальной точки В/Т в сторону увеличения расхода воды (рис.8) при вибрационном уплотнении связано с необходимостью уменьшения вязкого сопротивления. Из графиков видно, что при вибрационном воздействии плотность упаковки минерального скелета бетона в области близкой к оптимальной ниже, чем при трамбовании. Более высокая прочность объясняется фактом уплотнения бетонной смеси за счёт тиксотропного разжижения цементно-водных систем, что приводит к усилению процессов гидратации и увеличению коэффициента использования цемента. При уплотнении трамбованием максимальная плотность достигается только за счёт геометрического сближения частиц компонентов бетонной смеси. Результаты представлены на рис. 8а, б.
Таким образом, вибрационное воздействие приводит к возникновению прочных связей на расстоянии ближней коагуляции, что подтверждается высокими прочностными показателями бетонных образцов.
Таблица 4
Составы, использованные при уплотнении вибрацией
| № состава | Расход цемента на 1м3, кг | Расход песка на 1м3, кг | Расход наполнителя на 1м3, кг | Расход воды на 1м3, л | В/Т | Плотность упаковки минерального скелета о.ск, % |
| 1 | 762 | 1492 | - | 180 | 0,24 | 66,0 |
| 2 | 714 | 1397 | - | 232 | 0,32 | 74,1 |
| 3 | 671 | 1314 | - | 278 | 0,41 | 72,1 |
| 4 | 509 | 1496 | 216 | 177 | 0,24 | 67,8 |
| 5 | 477 | 1402 | 202 | 229 | 0,33 | 74,7 |
| 6 | 450 | 1320 | 191 | 274 | 0,42 | 72,9 |
| 7 | 255 | 1501 | 433 | 175 | 0,25 | 69,6 |
| 8 | 240 | 1408 | 406 | 226 | 0,34 | 75,4 |
| 9 | 226 | 1327 | 383 | 271 | 0,4 | 73,3 |
а) трамбование б) стандартная вибрация
Рис. 8 Зависимость плотности упаковки минерального скелета от водотвердого отношения при различных способах формования.
Исследование свойств песчаных бетонов оптимальных составов на прочность, морозостойкость и водопоглощение приведено в табл. 5.
Таблица 5
Физико-технические характеристики бетона в области близкой к оптимальной по плотности упаковки минерального скелета.
| № состава | Прочность при сжатии Rсж, МПа. | Водопоглощение Wинт, % | Марка бетона по морозостойкости |
| 2 | 68,0 | 5,2 | F150 |
| 5 | 55,0 | 6,5 | F150 |
| 8 | 35,0 | 7,9 | F100 |
При анализе данных табл. 5 характерно проявляется зависимость прочности при сжатии от плотности упаковки минерального скелета. Так, при увеличении плотности на 1% прочность при сжатии бетона возрастает на величину 20-40%. Эти показатели существенно превосходят значения, полученные при использовании метода трамбования. Плотность упаковки минеральных скелетов оптимальных составов, отформованных стандартной вибрацией, превышает на 2% плотность при трамбовании.
Испытания образцов на морозостойкость показали марку выше, чем при трамбовании, но ниже нормативных требований к дорожным изделиям.
В третьей группе экспериментов рассматривалось изменение физико-технических характеристик бетонов тех же составов, уплотненных вибропрессованием и роликовым прокатом.
Границы В/Т песчаного бетона выбраны в пределах от 0,24-0,32 поскольку при значениях меньших 0,24, смесь практически не формуется, а при больших 0,32 - начинает прилипать к пригрузу.
Процесс виброуплотнения принят как двухстадийный. Первая стадия– уплотнение вибрацией при частоте f= 25Гц и ускорении 3,5g в течении 7сек. Вторая стадия – доуплотнение при частоте f=50Гц, ускорении до 5g при приложении пригруза в 0,3-0,5 МПа. Общее время уплотнения – 30 сек.
В табл.6 представлены физико-технические характеристики составов бетона как при вибропрессовании, так и при роликовом уплотнении. Установлена взаимосвязь между плотностью минерального скелета и физико-механическими свойствами бетонов.
При роликовом уплотнении и вибропрессовании значение оптимального отношения В/Т смеси равно 0,24 (табл.6).
Таблица 6
Составы бетона с рациональным В/Т для вибропрессования и роликового формования
| Состав | Прочность при сжатии Rсж, МПа. | Плотность упаковки минерального скелета о.ск,% | В/Т | Водопоглощение Wинт, % | Марка бетона по морозостойкости |
| П+Ц | 72,5 | 79,5 | 0,24 | 2,8 | F200 |
| П+2/3Ц+1/3Н | 75,5 | 80,6 | 0,24 | 3,1 | F300 |
| П+1/3Ц+2/3Н | 48,0 | 81,1 | 0,25 | 4,8 | F200 |
| роликовое уплотнение | |||||
| П+Ц | 72,1 | 79,8 | 0,24 | 4,3 | F200 |
На рис.9 представлен график зависимости удельной прочности (R/Ц) от В/Т для составов с различным содержанием микронаполнителя при различных способах формования. При замене части объёма цемента микронаполнителем удельная прочность возрастает для всех видов формования, однако наибольший эффект наблюдается в бетонах, уплотнённых вибропрессованием и роликовым прокатом. Максимальная плотность упаковки минерального скелета бетонов, отформованных вибропрессованием и роликовым уплотнением составляет 79,5-81,1%, что на 5-13% больше плотности аналогичных составов, уплотнённых стандартной вибрацией и трабованием. Таким образом, вибропрессование и роликовый прокат – более эффективные методы уплотнения, чем стандартная вибрация и уплотнение трамбованием.
При увеличении плотности минерального скелета на 1% прочность при сжатии бетона возрастает на 3-8%. Изучение интегрального водопоглощения показало, что оно лежит в диапазоне до 5%, что косвенно свидетельствует о плотной структуре бетона.
Рис. 9 Зависимость удельной прочности от водо-твёрдого отношения
Изучение морозостойкости имеет важнейшее значение для подтверждения долговечности бетонов. Испытания на морозостойкость показали, что образцы выдержали 20 циклов попеременного замораживания-оттаивания, что соответствует марке по морозостойкости F200.
Структура мелкозернистого бетона при трамбовании представлена на рис. 10а. При этом наблюдается пористая структура бетона с максимальным размером пор 100-150 мкм. При стандартной вибрации проявляется мозаичная структура мелкозернистого бетона, для которой характерна достаточно высокая пористость (рис. 10в). Примечательно, что максимальный размер пор уменьшился и составил 50-70 мкм.
Рис. 10 Микроструктура образцов, отформованных различными методами.
а) образец, отформованный трамбованием; б) стандартная вибрация ; в) вибропрессование
Исследование структуры с помощью микроскопии (рис. 10б) показало, что при вибропрессовании образец имеет монолитную структуру с отсутствием каких-либо значительно крупных пор.
Для мелкозернистого бетона, отформованного вибропрессованием, максимальный размер пор составляет всего 20 мкм (рис. 10б). При дальнейшем увеличении видны (рис. 11в) мелкие кристаллогидраты размером порядка 10 мкм, которые являются микроармирующими элементами в цементном геле с включениями субмелких частичек заполнителя.
Использование микронаполнителей в составе бетона позволило нам получить материал с высокими физико-техническими параметрами по сравнению с нормативами, предъявляемыми к дорожным изделиям. Эффективным технологическим приёмом уплотнения бетонной смеси по результатам проведённых исследований выбрано двухстадийное виброуплотнение.
В наших дальнейших исследованиях удалось получить мелкозернистый бетон на полифракционном микронаполнителе, состав которого представлен в табл.6, прочностью 130 МПа. Полифракционный микронаполнитель имеет 2 фракции (Н1=6-7мкм, Н2=0,6-0,7 мкм).
Таблица 7
Состав полифракционного бетона, отформованного вибропрессованием
| Цемент, кг/м3 | Песок, кг/м3 | Наполнитель,Н1,кг/м3 | Наполнитель,Н2, кг/м3 | Вода, л | В/Т |
| 477 | 1402 | 147 | 55 | 190 | 0,28 |
Изучение образцов под микроскопом показало образование новых гидратных фаз (CSH(1)) в структуре бетона, вызванных наличием ультрадисперсного наполнителя (рис. 11а,б,в). Наличие этих фаз подтвердились при анализе методом РФА.
На рис.11а,б мы видим поверхность, усыпанную «усами» гидратных новообразований. Причем такая равномерная структура обеспечивается по всей поверхности образца. На поверхности частички песка отчётливо видны игольчатые наросты порядка 0,1-0,3 мкм (рис.11б), что явно свидетельствует об активности ультранаполнителей. Наличие этих игольчатых наростов также свидетельствовует об увеличении прочностных характеристик материала, так как они выполняют армирующую роль в структуре бетона.
а) х3400 б) х4700 в) х22000
Рис. 11 Микроструктура бетона с полидисперсным наполнителем.
Дополнительные исследования, проведённые на микроскопе FEI Quanta 200 3D DualBeamtm, позволили получить подтверждающие данные о появлении тонких игольчатых кристаллогидратов с участием ультрадисперсных частиц диоксида кремния толщиной 0,1мкм, которые принимают участие в структурировании цементной матрицы (рис. 11в).
В шестой главе представлены технологическая линия и оборудование по производству тротуарных плит и бортового камня и технико-экономические показатели работы.
Формование тротуарных плит в технологической линии происходит по следующей схеме. Бетонная смесь дозируется мерным ящиком и на металлическом поддоне шаговым транспортёром перемещается на пост виброуплотнения. Вибропрессование выполняется в две стадии. На первой стадии (переупаковка) смесь уплотняют только вибрацией в течение 7-10 с. На второй стадии (уплотнение) параллельно с вибрацией прикладывают пригруз, опуская пуансоны. Общее давление на бетонную смесь составляет до 0,5 МПа. Общее время уплотнения составляет 30 с.
Микронаполнитель подавался в бетономешалку одновременно с цементом. Система дозировки аналогична используемой для вяжущего. Режимы перемешивания оставлены без изменения, так как позволили обеспечить требуемое качество перемешивания бетона.
На основе результатов исследований, выполненных в работе, в ЗАО НИПТИ «Стройиндустрия» изготовлена партия дорожно-тротуарных плит размером 200х100х100.
Заводом использовался состав бетона: Мальцевский портландцемент ПЦ 500 Д0 - 540 кг/м3, Мансуровский песок Мк=2,5-2,8 - 1580 кг/м3, вода – 180л.
Предложен более экономичный состав бетона, в котором портландцемент составляет – 477 кг/м3, песок Окский – 1402 кг/м3, кварцевый микронаполнитель – 202 кг/м3, вода - 226 л.
Разработан технологический регламент на изготовления тротуарных плит. Физико-механические свойства тротуарных плит из состава бетона с микронаполнителем соответствуют ТУ на изделия.
По предложенному составу в 2008 году изготовлено 21000 м3 бетона, экономический эффект от снижения себестоимости материала составил 777 руб. 50 коп./м3, годовой 16,327,500 руб.
Основные выводы по работе
1. В работе сделан обзор по применению различных методов формирования структуры бетонных смесей и исследованы силовые методы уплотнения с использованием полифракционных наполнителей, получены мелкозернистые бетоны предельной плотности с высокими физико-механическими свойствами.
2. Получена рациональная величина пригруза равная 0,3 - 0,5 МПа, определённая методами теории подобия и анализа размерностей при условии упруго-вязких свойств бетонной смеси.
3. Установлена зависимость напряжений по высоте слоя бетонной смеси от однородности уплотнения. Исследовано напряжённо-деформированное состояние бетонной смеси при различных силовых методах уплотнения и показана высокая однородность величин напряжений в слое бетонной смеси, отформованной вибропрессованием. При виброуплотнении однородность напряжений составила в/н = 1,1-1,25, а при роликовом уплотнонении - 1,6.
4. Разработана физическая модель упаковки полифракционных составляющих бетонной смеси, согласно которой максимальная плотность упаковки материала достигается при условии соотношения объёма мелкой фракции к объёму крупной в пределах 3/7 – 3/8. При этом размер частиц мелкой фракции должен быть в 8-10 раз меньше, чем крупной.
5. Получены основные характеристики плотности упаковки минерального скелета, прочности и морозостойкости при различных способах формования (трамбование, вибрация, вибропрессование, роликовое формование). Максимальные физико-технические характеристики были достигнуты при вибропрессовании. Бетон, отформованный вибропрессованием, имеет плотность упаковки минерального скелета 81,1%, что на 1,3% превышает плотность при роликовом формовании и на 5,7% - при стандартной вибрации с пригрузом, максимальную прочность 75,5 МПа и морозостойкость марки F300.
6. Установлена зависимость прочности на сжатие от количества вводимого микронаполнителя. При уплотнении песчаных бетонов вибропрессованием с заменой до 1/3 объёма цемента микронаполнителем прочность бетона увеличивается на 4,13%, удельная прочность (R/Ц) возрастает с 0,95 до 1,48, а при замене 2/3 цемента по объёму составляет 1,88.
7. Разработан и утвержден технологический регламент по применению мелкозернистых бетонов с микронаполнителями. Производственное внедрение выполнено на опытно-экспериментальной базе «Экспострой» научно-исследовательского и проектно-технологического института НИПТИ «Стройиндустрия», г. Москва.
8. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 777руб. 50 коп. за счет снижения расхода цемента до 100кг/м3 и снижения металлоемкости оборудования, что соответствует годовому эффекту в 16,327,500 руб.
Материалы диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
- Минсадров И.Н. Особенности упаковки частиц заполнителей в мелкозернистых бетонах при создании долговечных материалов: Материалы IX науч.-прак.конф. «Безопасность движения поездов» – М.: МИИТ, 2008. - С. IV-9.
- Гусев Б.В., Минсадров И.Н., Мироевский П.В., Трутнев Н.С. Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах с добавкой наночастиц диоксида кремния // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. - www.nanobuild.ru, 2009. - №2. - С.5-11.
- Положительное решение по заявке на патент №2009138763 от 21.10.2009 «Нановяжущее», Гусев Б.В., Селиванов П.П., Минсадров И.Н.
4. Гусев Б.В., Минсадров И.Н., Кудрявцева В.Д., Данилов И.А. Малоэнергоемкие технологии производства изделий из мелкозернистого бетона. Материалы V Международной конференции. - Волгоград. 2009. – С. 13-18.
5. Гусев Б.В., Минсадров И.Н., Кудрявцева В.Д. Свойства мелкозернистых бетонов при различных способах уплотнения //Промышленное и гражданское строительство. -2009. -№5. – С. 48-50.
6. Гусев Б.В., Кудрявцева В.Д., Минсадров И.Н. Способы повышения технических характеристик мелкозернистых бетонов дорожных изделий //Транспортное строительство. – 2009. - №5. – С. 14-15.
