Составы и свойства поризованных мелкозернистых бетонов
УДК 666.972 На правах рукописи
ЖАУТИКОВ ЕРГАЗЫ ЖАНАБАЕВИЧ
Составы и свойства поризованных мелкозернистых бетонов
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Алматы, 2010
Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Садуакасов М.С.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Мусаев Т.С.
кандидат технических наук
Есельбаева А.Г.
Ведущая организация: Казахский национальный технический
университет имени К.И. Сатпаева
Защита состоится 30 октября 2010 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 14.03.01 в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского и проектного института строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6.
Автореферат разослан « » сентября 2010 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н. |  | А.К. Куатбаев |
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В последние годы все большее применение в строительстве получают новые виды бетонов: особо высокопрочные, самоуплотняющиеся, порошковые, мелкозернистые. Необходимость применения мелкозернистых бетонов обусловлена тем, что они не содержат крупного заполнителя, незаменимы при изготовлении тонкостенных железобетонных конструкций, армоцементных изделий, кладочных и отделочных растворов и т.п.
Сдерживающим фактором более широкого использования мелкозернистых бетонов является большой расход вяжущего вещества, что в свою очередь предопределяет повышенные усадочные деформации, снижение модуля упругости, а также увеличивает стоимость 1 м3 бетона. Поэтому дальнейшее развитие технологии мелкозернистых бетонов связано с проведением работ по повышению их прочностных показателей, улучшению деформационных характеристик, снижению себестоимости продукции. В настоящее время наибольшее распространение в технологии бетонов получают способ применения поризации и способ дисперсного армирования смеси различными видами фибр.
В тонкостенных конструкциях применение обычных бетонов невозможно по двум причинам: из-за небольшой толщины материала (50-100 мм) нельзя использовать щебень даже самой мелкой фракции, т.е. фракции 5-10 мм, а также нельзя использовать стальную арматуру из-за невозможности обеспечить защитный слой.
ГОСТ 21520-89 ограничивает верхний предел по плотности ячеистые бетоны на уровне 1200 кг/м3. Далее до плотности 1800 кг/м3 бетоны относятся к легким бетонам на пористых заполнителях. Таким образом, область легких бетонов в интервале от 1200 до 1800 кг/м3, изготовленных без применения пористого заполнителя, а поризованных пеной или газом остается вне стандартов и малоизученным объектом.
Таким образом, проведение исследований по разработке технологии легких бетонов не содержащего в своем составе пористого заполнителя является актуальным и своевременным.
В настоящее время Комитет по делам строительства Республики Казахстан разработал Концепцию по форсированному индустриально-инновационному развитию, в которой значительное внимание уделено развитию строительства и промышленности строительных материалов.
Работа выполнена в соответствии с «Программой развития промышленности строительных материалов на 2005-2014 годы» и тематическим планом научных исследований ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ».
Целью настоящей работы является разработка технологии и составов и изучение свойств поризованных мелкозернистых фибробетонов со средней плотностью 1200-1600 кг/м3 и высокими физико-механическими и функциональными свойствами.
Для решения поставленной цели были реализованы следующие частные задачи:
- проанализировано состояние производства в области поризованных бетонов, научно-технических решений по созданию новых технологий мелкозернистых бетонов, а также фибробетонов;
- определена сырьевая база и исследованы основные физико-механические свойства портландцемента, золы, песка кварцевого и малокварцевого, поризаторов и других химических добавок использованных при выполнении работы;
- разработан способ подготовки исходных сырьевых компонентов и технология приготовления поризованной бетонной массы предусматривающая литьевой способ производства материалов ячеисто-зернистой структуры;
- разработан двухстадийный способ дисперсного армирования поризованных мелкозернистых фибробетонов волокнами;
- разработан состав высокоэффективного конструкционно-теплоизо-ляционного мелкозернистого фибробетона естественного твердения со средней плотностью 1200-1600 кг/м3, не содержащего пористых заполнителей.
Научная новизна работы:
- разработан двухстадийный способ дисперсного армирования мелкозернистой бетонной смеси, обеспечивающий резкое улучшение деформационно-прочностных характеристик, а также функциональных свойств материала. Способ заключается во введении 0,05-0,2% целлюлозных волокон «арбоцель» при приготовлении цементного теста и 0,2-0,5% полипропиленовых волокон при приготовлении бетонной смеси. Микроволокна арбоцель армируют цементное тесто, а полипропиленовые волокна – бетонную смесь;
- выявлено, что на прочность мелкозернистого бетона определяющее влияние оказывает величина адгезии наполнителя к цементному камню, а не его прочность. Наибольшая величина адгезии с цементным камнем достигается при применении кварцевого наполнителя по сравнению с применением мраморного наполнителя, что в конечном итоге предопределяет повышенную прочность бетона с наполнителем из тонкомолотого кварцевого песка;
- установлена возможность регулирования прочности мелкозернистого фибробетона изменением плотности и объемного содержания цементного камня;
- разработан и предложен трехфракционный состав мелкого заполнителя, при оптимальном соотношении между которыми формируется наиболее прочная структура бетона и одновременно замкнутое поровое пространство за счет воздухововлекающего действия ПАВ;
- определено влияние составов и технологических приемов на физико-механические и эксплуатационные свойства поризованного мелкозернистого фибробетона: предел прочности на сжатие увеличивается в 2-2,5 раза, прочность на растяжение при изгибе на 60-80%, теплопроводность составляет 0,31-0,47 Вт/(м·оС).
Практическое значение работы:
- разработан состав поризованного мелкозернистого фибробетона, включающий цемент, заполнитель, кварцевый наполнитель, двухкомпонентную фибру и ПАВ, обеспечивающий получение бетонов классов по прочности В20, В30;
- разработана технология приготовления поризованной смеси, предусматривающая двухстадийное введение волокон различной длины и воздухововлекающую добавку в процессе перемешивания компонентов смеси;
- в производственных условиях ТОО «АСТ» проведено опробование составов и технологии и выпущена опытная партия конструкционно-теплоизоляционных блоков;
- экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет порядка 450 тенге на 1 м3 бетона.
Основные положения, выносимые на защиту:
- способ дисперсного армирования мелкозернистой бетонной смеси, обеспечивающий резкое улучшение деформационно-прочностных характеристик, а также функциональных свойств материала;
- фракционный состав мелкого заполнителя, при оптимальном соотношении между которыми формируется наиболее прочная структура бетона и одновременно замкнутое поровое пространство за счет воздухововлекающего действия ПАВ;
- минералогический состав наполнителя, при применении которого обеспечивается наибольшая прочность сцепления с цементным камнем и, соответственно, достигается большая прочность бетона;
- теоретическое и экспериментальное обоснование регулирования основных физико-механических свойств мелкозернистого фибробетона путем изменения степени поризации и объемного содержания цементного камня;
- влияние составов и технологических приемов на физико-механические и эксплуатационные свойства поризованного мелкозернистого фибробетона.
Апробация работы и публикации:
Основные результаты диссертации доложены на международных конференциях: «Новые энерго- и ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2009), «Наука и инженерное образование без границ» (Алматы, 2010), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2010), «Современные проблемы геотехники, механики и строительства транспортных сооружений» (Алматы, 2010), «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2010).
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендуемых комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений, содержит 107 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 22 таблицы, список использованных источников из 105 наименований.
Результаты работы получены автором самостоятельно.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована статистическими данными, применением современных методов исследований и лабораторного оборудования, обеспечивающего необходимый уровень надежности измерений.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
- Научно-технический анализ в области технологии и применения мелкозернистых фибробетонов
В последние годы в странах СНГ, в т.ч. в Казахстане, в сфере строительства значительно увеличился интерес к новым видам бетонов, что обусловлено возрастающими требованиями строительства, связанных с необходимостью получения конструкций разнообразной формы, пониженной массы, улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
В этом плане мелкозернистые бетонные изделия и конструкции отвечают самым высоким требованиям, предъявляемым к бетонным материалам в строительстве. Применение их особенно целесообразно в регионах, в которых отсутствует крупный заполнитель, например в Казахстане в западных областях, в случаях необходимости изготовления тонкостенных конструкций и изделий (например, фасадных сложных конструкций для архитектурной выразительности зданий или отделочных плит и т.п.), сухих строительных смесей. Кроме того, развитие технологии бетонов на современном этапе строительства потребовало применения бетонов, которые сочетают высокие прочностные показатели с пониженной плотностью и, соответственно, меньшей массой и меньшим коэффициентом теплопроводности, высокой прочностью не только на сжатие, но и на изгиб и растяжение. Этим требованиям могут соответствовать поризованные мелкозернистые фибробетоны.
За рубежом находят применение в основном высокопрочные мелкозернистые бетоны плотной структуры для получения пространственных несущих конструкций, в странах СНГ в большей степени изготавливаются и применяются мелкоразмерные изделия, как тротуарные плиты, получаемые путем прессования полусухой мелкозернистой смеси, а также сухие строительные смеси.
Наряду с заводским производством мелкозернистых бетонов в России и Казахстане проводятся научные изыскания по технологии данных видов бетона, о чем свидетельствуют монографии и учебные пособия, выпущенные в частности известными учеными в области технологии бетонов Ю.М. Баженовым, Л.А. Алимовым, В.В. Ворониным, Р.Б. Ергешевым, В.И. Соловьевым и некоторыми другими. Основы технологии, изложенные в известных трудах, могут служить основой для дальнейшего развития учения о мелкозернистых бетонах в направлении расширения их номенклатуры и повышения функциональных возможностей изделий и конструкций на их основе.
2 Сырьевые материалы и методика проведения исследований
При проведении исследований в качестве сырьевых компонентов были использованы:
- портландцемент М400 завода АО «Бухтарминская цементная компания», соответствующий требованиям ГОСТ 10178-85;
- кварцево-полевошпатовый песок Капшагайского месторождения Алматинской области, модуль крупности песка – 1,48, содержание кремнезема – 35%, полевых шпатов – 58,2%, слюды – 1%, пылевидных и глинистых частиц – 0,9%;
- наполнители, полученные путем помола кварцевого песка и мраморной крошки;
- зола гидроудаления Алматинской ТЭС, содержание SiO2 - 90%;
- поризующая добавка ПБ-2000;
- целлюлозное волокно «арбоцель»;
- полипропиленовые волокна;
- химические добавки: гиперпластификатор «Глениум», формиат кальция. Все добавки соответствовали требованиям соответствующих стандартов.
В работе в основном использовали стандартные методы исследований.
3 Оптимизация составов и технологии конструкционно-теплоизоляционного поризованного мелкозернистого фибробетона
В диссертационной работе в соответствии с целью и задачами исследований были изучены и разработаны технологические мероприятия по оптимизации составов мелкозернистых бетонов в области значений средней плотности 1200-1600 кг/м3. Традиционно, в указанной области средней плотности, получают легкие бетоны на пористых заполнителях, в которых пониженная плотность обеспечивается за счет пористости зерен заполнителя. При применении в качестве заполнителя песка с плотной структурой, что имеет место в технологии мелкозернистых бетонов, снижение плотности до заданных значений может быть достигнуто только за счет поризации растворной составляющей и регулирования соотношения объемов заполнителя и поризованного цементного теста в бетоне.
В случае получения бетона со 100%-ным наполнением его объема заполнителем, цементное тесто заполнит только объем межзерновой пустотности песка и по объему составит около 40%. Остальные 60% объема бетона займет мелкий заполнитель, в частности песок. При этом теоретически зерна песка будут соприкасаться меду собой и при его практической реализации прочность бетона должна равняться нулю. Плотность такого мелкозернистого бетона при В/Ц = 0,5 составит более 2100 кг/м3 и согласно классификации бетонов по плотности будет соответствовать классу тяжелых бетонов (таблица 1). При снижении содержания песка и, соответственно, увеличения доли цементного теста плотность бетона уменьшится, но в пределах нерациональных с технологической и экономической позиции.
Для получения мелкозернистых бетонов с высокими физико-механическими показателями в работе выполнены расчеты по соотношению доли цементного теста и заполнителя и проведены экспериментальные исследования по повышению прочности поризованного цементного камня. Установлено, что для получения мелкозернистых бетонов с плотностью 1200-1600 кг/м3 необходимо поризовать растворную составляющую мелкозернистого бетона. Даже при снижении содержания песка до 20% от объема бетона, что с технико-экономической точки зрения совершенно нецелесообразно, при В/Ц = 0,4 плотность бетона снижается с 2165 кг/м3 до 1830 кг/м3, а при повышении В/Ц до 0,6 удается снизить плотность бетона всего до 1550 кг/м3.
Таблица 1 – Расчетная средняя плотность мелкозернистого бетона при различном объемном соотношении песка и цементного теста при В/Ц = 0,4*
| Содержание песка, % | 60** | 50 | 40 | 30 | 20 |
| Содержание цементного теста, % | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 |
| Средняя плотность бетона в высушенном состоянии, кг/м3 | 2165 | 2080 | 2000 | 1910 | 1830 |
| - *Расчетная плотность цементного теста в высушенном до постоянной массы состоянии составляет 1660 кг/м3; - **60% содержания песка соответствует его 100%-му наполнению формы, остальные 40% - это межзерновая пустотность песка, заполненная цементным тестом. | |||||
В цементных бетонах, независимо от их вида, необходимо стремиться к максимальному снижению расхода цемента. Это необходимо даже не столько с экономической точки зрения, а в не меньшей степени – с технологической, поскольку в бетонах с повышенным содержанием цемента в процессе эксплуатации будут наблюдаться повышенные усадочные деформации, склонность к трещинообразованию, снижение морозостойкости. Поэтому при проектировании составов мелкозернистых бетонов на первом этапе был определен интервал варьирования содержания мелкого заполнителя для каждой плотности, а на втором этапе степень поризации растворной части.
Для обеспечения мелкозернистому бетону достаточно высоких прочностных показателей были проанализированы различные варианты содержания цемента в сочетании с плотностью цементного камня в бетоне, при которых возможно наиболее оптимальное соотношение сочетания заполнителя с вяжущим в проектируемой смеси. При проведении расчетов расход цемента варьировали от 350 до 700 кг на 1 м3 бетона. Согласно расчетным данным (таблица 2) для каждой плотности мелкозернистого бетона при одинаковом расходе цемента на 1 м3 материала требуется введение различного количества мелкого заполнителя, как по объему, так и по массовому содержанию.
Для относительно легких мелкозернистых бетонов ( = 1200 кг/м3) расход заполнителя составляет 395-795 кг на 1 м3, а для мелкозернистого бетона плотностью 1600 кг/м3 –795-1140 кг.
Таблица 2 – Расчетное содержание мелкого заполнителя и цемента для получения мелкозернистого бетона с плотностью 1200-1600 кг/м3
| Показатель | Содержание компонентов, при плотности мелкозернистого бетона, кг/ м3 и расходе цемента, кг | |||||||||||
| 1200 | 1400 | 1600 | ||||||||||
| 350 | 500 | 600 | 700 | 400 | 500 | 600 | 700 | 400 | 500 | 600 | 700 | |
| Объемная доля песка с учетом межзерновой пустот-ности, % | 53 | 41,6 | 34 | 26,3 | 62,6 | 55 | 47,3 | 39,6 | 76 | 68,3 | 60,6 | 53 |
| Массовая доля песка, кг | 795 | 625 | 510 | 395 | 940 | 825 | 710 | 595 | 1140 | 1025 | 910 | 795 |
| Расчетная плотность поризованного цеме-нтного камня, кг/м3 | 580 | 755 | 860 | 950 | 720 | 845 | 950 | 1045 | 820 | 950 | 1060 | 1160 |
В области значений плотности бетона 1200-1600 кг/м3 на плотном заполнителе, прочность материала определяется прочностью затвердевшего цементного камня и величиной сцепления продуктов новообразований цемента с заполнителем. Экспериментально установлено, что максимально возможные прочностные показатели для мелкозернистых бетонов в зависимости от плотности обеспечиваются при следующих значениях плотности цементного камня:
- при плотности бетона 1200 кг/м3 – плотность цементного камня 900 кг/м3;
- при плотности бетона 1400 кг/м3 – плотность цементного камня 1000 кг/м3;
- при плотности бетона 1600 кг/м3 – плотность цементного камня 1100 кг/м3;
Для обеспечения повышенной прочности поризованному цементному камню разработан состав вяжущего, включающий цемент, золу-гидроудаления ТЭС, гиперпластификатор и технологический прием активации вяжущего, заключающийся в его тонком помоле до достижения удельной поверхности 4000 см2/г.
Простое увеличение содержания цемента в составе бетона с поризованной растворной составляющей не обеспечивает адекватное увеличение прочности. В поризованных системах это обусловлено тем, что образующийся при гидролизе алита свободная Са(ОН)2 не способствует увеличению прочности цементного камня, а при его связывании с активным кремнеземом, образуются прочные водостойкие гидросиликатные соединения.
Оптимальный состав вяжущего включает, %: портландцемент – 75-85; зола-гидроудаления – 14,6-24,3; гиперпластификатор – 0,4-0,7.
Учитывая большие возможности, которые открывают математико-статистические методы при изучении технологических процессов, для выявления области оптимальных составов поризованных мелкозернистых фибробетонов был использован метод активного планирования эксперимента. В качестве определяющей характеристики мелкозернистого фибробетона взят гранулометрический состав заполнителя, как фактор, оказывающий решающее влияние на расход вяжущего, среднюю плотность, прочность и проницаемость материала. С этой целью песок был разделен на фракции 0,14-0,63 мм; 0,63-2,5 мм и 2,5-5 мм и составлена матрица планирования эксперимента (таблица 3).
Таблица 3 - Матрица планирования эксперимента
| Х1 | Х2 | Х3 | Содержание компонентов, %, фракций, мм | Насыпная масса фракций, кг/м3 | ||
| 0,14-0,63 | 0,63-2,5 | 2,5-5 | ||||
| 1 | 0 | 0 | 100 | - | - | 1600 |
| 0 | 1 | 0 | - | 100 | - | 1580 |
| 0 | 0 | 1 | - | - | 100 | 1500 |
| 0,5 | 0,5 | 0 | 50 | 50 | - | 1520 |
| 0,5 | 0 | 0,5 | 50 | - | 50 | 1490 |
| 0 | 0,5 | 0,5 | - | 50 | 50 | 1530 |
| 0,33 | 0,33 | 0,33 | 33,3 | 33,3 | 33,3 | 1540 |
В качестве контролируемых параметров мелкозернистого бетона, определяющих его оптимальные физико-механические характеристики, были взяты средняя плотность и прочность на сжатие.
Задача определения оптимального состава мелкозернистого бетона была сформулирована следующим образом: нахождение составов при заданной плотности обеспечивающей максимальную прочность материала. Исследованию подвергалась вся область диаграммы «состав-свойство» с соотношением компонентов Х1 + Х2 + Х3 = 1, где Х1, Х2, Х3 соответственно песок фракций 0,14-0,63; 0,63-2,5 и 2,5-5 мм.
Известно, что поверхности свойств материалов, подобных рассматриваемым, могут быть аппроксимированы полиномами невысоких порядков и поэтому оно выполнено полиномами второго порядка. Адекватность моделей проверялась по центральной проверочной точке 7 (Х1 = Х2 = Х3 = 0,33).
Для мелкозернистого фибробетона были изготовлены и испытаны соответствующие образцы, результаты испытаний которых представлены в таблице 4. В этих исследованиях фибробетоны с плотностью 1200-1600 кг/м3 изготовлены на активированном цементе с дисперсным армированием смеси, а мелкозернистый бетон с плотностью 2000 кг/м3 на рядовом портландцементе марки М400 и без дисперсного армирования микроволокнами.
Таблица 4 – Прочность при сжатии мелкозернистого фибробетона
в зависимости от плотности и фракционного состава заполнителя
| Фактор варьирования | Фактор отклика (оптимизации) | |||||
| грансостав, мм | предел прочности при сжатии, МПа | |||||
| Х1 0,14-0,63 | Х2 0,63-2,5 | Х3 2,5-5 | 1 = 2000 кг/м3 | 2 = 1600 кг/м3 | 3 = 1400 кг/м3 | 4 = 1200 кг/м3 |
| 100 | - | - | 6 | 18.5 | 12,2 | 16,1 |
| - | 100 | - | 16 | 25,8 | 24,5 | 12,5 |
| - | - | 100 | 22 | 31,7 | 20,8 | 8,7 |
| 50 | 50 | - | 14,1 | 22,1 | 20,5 | 18,2 |
| 50 | - | 50 | 20,8 | 27,8 | 27,6 | 10,6 |
| - | 50 | 50 | 24,4 | 35,4 | 25,8 | 7,5 |
| 33.3 | 33,3 | 33,4 | 18,8 | 26,2 | 20,7 | 12,1 |
При плотности мелкозернистого фибробетона 2000; 1600; 1400; 1200 кг/м3 уравнения регрессии в зависимости от гранулометрического состава заполнителя имеют следующий вид:
1 = 6х1 + 16х2 + 22х3 + 12,4х1х2 + 27,2х1х3 + 24х2х3
2 = 18,5х1 + 25,8х2 + 31,7х3 – 0,2 х1х2 + 10,8х1х3 + 26,6х2х3
3 = 12,2х1 + 24,5х2 + 20,8х3 + 8,6 х1х2 + 44,4х1х3 + 12,6х2х3
4 = 16,1х1 + 12,5х2 + 8,7х3 + 15,6,4 х1х2 - 7,2х1х3 – 12,4х2х3
Проверка адекватности уравнений по центральной проверочной точке 7 показала, что уравнения адекватны. По полученным данным были построены
диаграммы «состав-свойство» с построением линий равных значений (рису- нок 1).
Область составов мелкозернистого фибробетона в зависимости от заданной плотности и прочности ограничивается следующими значениями Х:
- для плотности 2000 кг/м3 – Rсж = 20 МПа; Х1 = 0-0,53; Х2 = 0-0,87; Х3 = 0,15-0,45;
- для плотности 2000 кг/м3 – Rсж = 15 МПа; Х1 = 0,53-0,76; Х2 = 0-0,81; Х3 = 0-0,24;
- для плотности 1600 кг/м3 – Rсж = 30 МПа; Х1 = 0-0,31; Х2 = 0-0,89; Х3 = 0,02-0,68;
- для плотности 1600 кг/м3 – Rсж = 25 МПа Х1 = 0.31-0,68; Х2 = 0-0,96; Х3 = 0-0,32;
- для плотности 1400 кг/м3 – Rсж = 20 МПа Х1 = 0-0,77; Х2 = 0-0,5; Х3 = 0-0,22;
- для плотности 1200 кг/м3 – Rсж = 15 МПа Х1 = 0,32-0,92; Х2 = 0-0,85; Х3 = 0-0,71;
- для плотности 1200 кг/м3 – Rсж = 10 МПа Х1 = 0-0,32; Х2 = 0-0,83; Х3 = 0,17-0,32.
Рисунок 1 – Диаграммы «состав-свойство» мелкозернистых поризованных фибробетонов со средней плотностью 2000 кг/м3 (а), 1600 кг/м3 (б),
1400 кг/м3 (в) и 1200 кг/м3 (г)
При разработке технологии мелкозернистого бетона особое внимание было уделено способу приготовления формовочной смеси, включающей способы поризации и дисперсного армирования цементного теста и бетонной смеси.
Исследования показали особую чувствительность поризованных минеральных систем к однородности формируемой структуры материала, которая достигается на стадии приготовления смеси. Опробование известных схем поризации цементных растворных смесей показало, что для фибробетонов оптимальным является двухстадийное перемешивание, согласно которому на первой стадии готовится цементное тесто с целлюлозным волокном, на второй стадии – бетонная смесь с полипропиленовым волокном и добавкой поризующего компонента. Перемешивание необходимо осуществлять в турбулентном смесителе с высокооборотным перемешивающим органом. Одновременно с перемешиванием идет процесс активации вяжущего, заключающийся в обнажении поверхности цементных зерен при соударении с песком, рабочим органом и стенкой мешалки.
По результатам исследований разработана технологическая схема производства мелкозернистого поризованного фибробетона (рисунок 2).
Рисунок 2 – Технологическая схема производства поризованных
мелкозернистых фибробетонов
В работе представлены результаты исследований физико-механических и эксплуатационных свойств мелкозернистых фибробетонов со средней плотностью 1200-1600 кг/м3. Класс по прочности на сжатие бетона при плотности 1200; 1400 и 1600 кг/м3 составляет соответственно В10, В15 и В20. Испытания образцов на морозостойкость выявили высокую стойкость бетонов, при которой они выдерживают не менее 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания без потери массы и снижения прочности.
4 Производственное опробование технологии поризованного мелкозернистого фибробетона
Производственное опробование технологии поризованного мелкозернистого фибробетона было проведено путем изготовления блоков размером 20х20х40 см на предприятии ТОО «АСТ».
В качестве сырьевых материалов были использованы портландцемент М400 цементного завода АО «Бухтарминская цементная компания», зола-гидроудаления Алматинской ТЭС, порообразователь ПБ-2000, гиперпластификатор «Глениум», целлюлозные волокна «арбоцель», полипропиленовые волок на и песок местного карьера, разделенный на три фракции: 0,14-0,63 мм; 0,63-2,5 мм и 2,5-5 мм.
Активацию вяжущего проводили на предприятии ТОО «POLIMIN KZ» путем помола цемента, золы и гиперпластификатора.
В результате опытно-производственного опробования была изготовлена партия конструкционно-теплоизоляционных блоков размером 20х20х40 см. Испытания блоков показали следующие результаты: плотность – 1220 кг/м3; прочность на сжатие через 28 суток твердения – 12,5 МПа, коэффициент теплопроводности – 0,31 Вт/(м·оС). Расчетный экономический эффект от примене- ния блоков на основе поризованного мелкозернистого фибробетона ориентировочно составит 450 тенге на 1 м3; от использования 10 000 м3 бетона эффект составит 4,5 млн. тенге в год.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проанализировано состояние производства и применения, а также научных исследований в области мелкозернистых бетонов в строительстве Республики Казахстан и странах СНГ.
2. Выполнены расчеты по составам легких бетонов в области плотностей 1200-1600 кг/м3 не содержащих пористый заполнитель. Показано, что для получения мелкозернистых бетонов с плотностью 1200-1600 кг/м3 необходимо цементное тесто поризовать, а количество мелкого заполнителя назначать исходя из требуемой прочности и плотности бетона.
3. Исследовано влияние плотности и объемного содержания цементного камня на прочность мелкозернистого бетона. Установлено, что для получения мелкозернистого бетона с плотностью 1200 кг/м3 необходимо использовать цементное тесто с плотностью 900 кг/м3; для получения бетона с плотностью 1400 кг/м3 – 1000 кг/м3; для получения бетона с плотностью 1600 кг/м3 – 1100 кг/м3.
4. Исследовано влияние способа поризации цементного теста на основные свойства мелкозернистого бетона. Установлено, что для мелкозернистых фибробетонов оптимальным способом поризации является введение воздухововлекающих ПАВ с частью воды затворения на второй стадии перемешивания при приготовлении мелкозернистой смеси.
5. Разработан двухстадийный способ дисперсного армирования мелкозернистой бетонной смеси, обеспечивающий резкое улучшение деформационно-прочностных характеристик, а также функциональных свойств материала. Способ заключается во введении 0,05-0,2% целлюлозных волокон «арбоцель» при приготовлении цементного теста и 0,2-0,5% полипропиленовых волокон при приготовлении бетонной смеси. Микроволокна арбоцель армируют цементное тесто, а полипропиленовые волокна – бетонную смесь.
6. Определен оптимальный зерновой состав заполнителя для каждого из значений плотности мелкозернистого бетона: для плотности бетона 1200 кг/м3 содержание фракции 0,14-0,63 мм составляет 32-92%; фракции 0,63-2,5 мм - 0-85%; фракции 2,5-5 мм - 0-71%; для плотности бетона 1400 кг/м3 содержание фракции 0,14-0,63 мм составляет 0-77%; фракции 0,63-2,5 мм - 0-50%; фракции 2,5-5 мм - 0-22%; для плотности бетона 1600 кг/м3 содержание фракции 0,14-0,63 мм составляет 0-31%; фракции 0,63-2,5 мм - 0-89%; фракции 2,5-5 мм - 2-68%.
7. Разработаны технологические режимы приготовления поризованной мелкозернистой фибробетонной смеси. Экспериментально установлена технологическая целесообразность приготовления вначале цементного теста с целлюлозным волокном в турбулентном смесителе с высокооборотным перемешивающим органом, затем подачу трехфракционного заполнителя с частью воды затворения содержащего воздухововлекающее ПАВ и полипропиленовое волокно в тесто и продолжение перемешивания до получения однородной поризованной смеси.
8. Изучены физико-механические и деформационные свойства поризованных мелкозернистых фибробетонов. Класс по прочности на сжатие при плотности 1200; 1400 и 1600 кг/м3 составляет соответственно В10; В15 и В20, морозостойкость соответствует марке F100, теплопроводность – 0,31-0,47 Вт/(м·оС).
9. Разработана технологическая схема производства поризованного мелкозернистого фибробетона и даны рекомендации по основному технологическому оборудованию.
10. Опытно-производственные испытания по опробованию технологии и составов подтвердили достоверность результатов лабораторных исследований и возможность получения в производственных условиях изделий из мелкозернистого фибробетона для применения при устройстве наружных стен строящихся зданий и сооружений.
11. Выполнен расчёт технико-экономической эффективности получения и применения поризованных мелкозернистых фибробетонов. Показано, что за счет комплексных технологических мероприятий и исключения процесса тепловой обработки достигается экономия в размере 450 тенге на 1 м3 бетона.
Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленная цель, включая разработку технологии и составов, а также исследование свойств поризованного мелкозернистого фибробетона, проведение опытно-промышленных испытаний характеризуется полнотой решения данной проблемы.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные результаты, научные положения и выводы могут быть использованы специалистами строительной индустрии, работниками ВУЗов, НИИ, представителями малого и среднего бизнеса при организации производства по выпуску изделий, а также при проведении работ по изготовлению конструкций по монолитной технологии на основе на основе поризованного мелкозернистого фибробетона.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Результаты исследований можно использовать непосредственно для внедрения в производство. Опытно-производственное опробование технологии подтвердило технико-экономическую эффективность применения поризованного мелкозернистого фибробетона.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Научная новизна диссертации, обзор литературы, а также полученные научно-технические результаты свидетельствуют о соответствии выполненной работы современному уровню. Основным результатом является установление возможности получения и применения изделий, а также монолитных конструкций на основе поризованного мелкозернистого фибробетона.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 Жаутиков Е.Ж., Садуакасов М.С. Дисперсное армирование при получении поризованных цементных материалов // Вестник НИИстромпроекта.- 2010.- №1-2 (21).– С. 161-164.
2 Жаутиков Е.Ж., Садуакасов М.С. Оптимизация состава мелкозернистого фибробетона // Вестник НИИстромпроекта.- 2010.- №3-4 (22).– С. 145-147.
3 Жаутиков Е.Ж., Садуакасов М.С., Нурмаганбет Е.К. Поризованные мелкозернистые бетоны для сейсмостойкого строительства // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: материалы Междунар. научно-техн. конф.- Пенза, май 2010.- С.57-61.
4 Жаутиков Е.Ж. Применение зол ТЭС в технологии мелкозернистых бетонов // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: материалы Междунар. научно-техн. конф.- Пенза, июнь 2010. - С.57-59.
5 Садуакасов М.С., Жаутиков Е.Ж. Снижение толщины изоляционного слоя при применении для утепления керамзитобетонной и пенобетонной стены минераловатной плиты // Наука и инженерное образование без границ: материалы Междунар. форума.- Алматы: КазНТУ им. К.Сатпаева, 2010.- Т.2.- С. 203-205.
6 Жаутиков Е.Ж., Садуакасов М.С. Сравнительная эффективность устройства наружных и внутренних стен из различных материалов // Современные проблемы геотехники, механики и строительства транспортных сооружений: материалы Междунар. научно-техн. конф.- Алматы, 2010. - С. 271-275.
7 Садуакасов М.С., Жаутиков Е.Ж. Технология подготовки керамзита для получения высокопрочного бетона // Новые энерго- и ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов: материалы Междунар. научно-техн. конф.- Пенза, 2009. - С. 58-59.
8 Садуакасов М.С., Жаутиков Е.Ж. Мелкозернистый поризованный фибробетон – перспективный материал для получения архитектурных конструкций сложной формы // Промышленный Казахстан. – 2010.- № 8.- С.16.
ТЙІН
Жаутиков Еразы Жанабайлы
Кеуектелінген майдатйікшікті бетондарды рамдары мен асиеттері
05.23.05 – рылыс материалдары жне бйымдары
Зерттеу нысаны. Кеуектелінген майдатйікшікті фибробетон.
Жмысты масаты. Физика-механикалы жне функциональды асиеттері жоары жне орташа тыыздыы 1200-1600 кг/м3 кеуектелінген майдатйікшікті фибробетондарды технологиясын жасау, рамдарын тиімдеу жне асиеттерін зерттеу.
Зерттеу тсілдері. Зерттеулерді жргізу барысында негізінен зерттеуді стандартты дістемелері олданылды.
Жмыс орытындылары. азастан Республикасы мен ТМД елдерінііндегі майдатйікшікті бетондар аясында жргізілген ылыми зерттеулер мен оларды ндіру жне олдануды азіргі жадайы сараланды.
Кеуек толтырышсыз, тыыздыы 1200-1600 кг/м3 шамасындаы жеіл бетонны рамын есептеу орындалды. Тыыздыы 1200-1600 кг/м3 майдатйікшікті бетон алу шін цемент амырын кеуектендіру ажеттігі, ал майда толтырышты млшерін бетонны таайындалан беріктігі мен тыыздыына сйкес алу ажеттігі крсетілді.
Цемент тасыны тыыздыы мен клемдік рамыны майдатйікшікті бетонны беріктігіне ыпалы зерттелді. Тыыздыы 1200 кг/м3 майдатйікшікті бетон алу шін тыыздыы 900 кг/м3 болатын цемент амырын; тыыздыы 1400 кг/м3 бетон шін – 1000 кг/м3; ; тыыздыы 1400 кг/м3 бетон шін – 1100 кг/м3 цемент амырын алу ажеттілігі аныталды.
Цемент амырын кеуектендіру тсілдеріні майдатйікшікті бетонны негізгі асиеттеріне сері зерттелді. Майдатйікшікті араласпаны дайындау барысында екінші кезедегі араластыру мерзімінде осылатын суды бір блігімен оса ауа енгізетін ББЗ оспасын енгізу, майдатйікшікті фибробетондар шін е тиімді тсіл екені длелденді.
Материалды деформациялы-беріктік жне функциональды асиеттеріні едеуір жасаруын амтамасыз ететін, майдатйікшікті бетон араласпасын дайындауды екі кезедік тсілі жасалынды.Бл тсіл цемент амырын дайындау барысында 0,05-0,2 % «арбоцель» целлюлоза талшытарын жне бетон араласпасын дайындау кезінде 0,2-0,5 % полипропилен талшытарын осуа негізделінген. Арбоцель микроталшытары цемент амырын. ал полипропилен талшытары бетон араласпасын шегендейді.
Негізгі конструктивтік, технологиялы жне техникалы пайдалану сипаттамалары. Майдатйікшікті бетонныы рбір тыызды крсеткішіне арналан толтырышты тиімді тйіршіктік рамы аныталды: тыыздыы 1200 кг/м3 бетона 0,14-0,63 мм фракция 32-93 %, 0,63-2,5 мм фракция 0-85%, 2,5-5 мм фракция -0-71 %; тыыздыы 1400 кг/м3 бетона 0,14-0,63 мм фракция 0-77 %, 0,63-2,5 мм фракция 0-50 %, 2,5-5 мм фракция – 0-22 %; тыыздыы 1600 кг/м3 бетона 0,14-0,63 мм фракция 0-31%, 0,63-2,5 мм фракция 0-89 %, 2,5-5 мм фракция –2-68 %.
Кеуектелінген майдатйікшікті фибробетондарды дайындауды технологиялы тртібі жасалынды. Алашыда жоары айналымды араластыру тетігі бар турбулентті араластырышта цемент амыры мен целлюлоза талшыын араластыру, одан со ш фракциялы толтырыш жне суды бір блігімен оса ауа енгізетін ББЗ оспа жне полипропиленді талшы осылып біркелкі кеуектелінген майдатйікшікті бетон алынанша араластырылады.
Кеуектелінген майдатйікшікті фибробетонны физика-механикалы жне деформациялы асиеттері зерттелді. Тыыздыы 1200; 1400 жне 1600 кг/м3 бетонны сыуа беріктігі бойынша класы В10; В15 жне В20, аяза тзімділігі F 100, жылуткізгіштігі – 0,31-0,47 Вт/(м·°С).
Кеуектелінген майдатйікшікті фибробетон ндірісіні технологиялы схемасы жасалынды жне негізгі технологиялы ондырылар бойынша кеес берілді.
ндіріске енгізілу дрежесі жне олданылу аймаы. сынылан технология мен бетон рамдарын тжрибелік-ндірістік байау лабораториялы зерттеу нтижелеріні дрыстыын жне гимататтарды сырты абыраларын трызуа арналан кеуектелінген майдатйікшікті фибробетон бйымдарын ндірістік жадайда алу ммкіндігін длелдеді.
Экономикалы жне экологиялы тиімділігі. Кеуектелінген майдатйікшікті фибробетонды ндіруді жне олдануды технико-эономикалы тиімділігі есептелді. Кешенді технологиялы шаралар енгізу жне жылумен деу процесін олданбау 1 м3 бетоннан 450 теге немдейді.
Зерттеу нысаныны даму болашаы. Кеуектелінген майдатйікшікті фибробетонды абыралы жне рлі конструкцияларды монолитті тсілмен дайындауа немесе рылыс бйымдарын жасау шін ндіріске енгізуге толы болады.
RESUME
Zhautikov Yergazy Zhanabaiuly
Compositions and qualities of porous fine-grain concretes
05.23.05 – Building materials and products
The object of the research: Porous fine-grain fibre concretes.
Aim of the work. The development of technology, compositions and study of porous fine-grain fibre-concretes with mean density 1200-1600 kg/m3 and high physical-mechanical and functional qualities.
Methods of conducting of the work. In this work mainly the standard methods of investigation were used.
Main results of the work. The condition of production and using and also scientific investigations in sphere of fine-grained concrete in construction of Republic of Kazakhstan and CIS are analyzed.
Calculations on light concrete compositions (1200-100 kg/m3) not containing porous filler are conducted. It is shown that for preparing such concrete it is necessary to make cement paste porous and quantity of fine filler must be taken so that given strength and density may be got.
The effect of density and volume content of cement rock on fine-grain concrete strength is studied. It is stated that for preparing of fine-grain concrete with density 1200 kg/m3 it is necessary to use cement paste with density 900 kg/m3; for concrete with density 1400 kg/m3 -1000 kg/m3; for concrete with density 1600 kg/m3 – 1100 kg/m3.
Effect of method of cement paste porization on main qualities of fine-grained concrete is studied. It is stated that for fine-grained fibre-concretes the optimal method of porization is the introduction of air attracting PAV with part of water on the second stage of mixing in the process of fine-grained mixture preparing.
Double-stage method of dispersed arming of fine-grain concrete mixture supplying the sharp improvement of deformative-strength characteristics and functional qualities of material is investigated. The method include the introduction of 0,05-0,2 % of cellulose fibres “arbotcel” in preparing of cement paste and 0,2-0,5 % of poly-propene fibres in preparing of concrete mixture. Micro-fibres “arbotsel” are armouring the cement paste and poly-propene fibres – concrete mixture.
The optimal grain composition of filler for each density of fine-grained concrete is defined: for concrete with density 1200 kg/m3 the content of fraction 0,14-0,63 mm is 32-92 %; fraction 0,63-2,5 mm – 0-85 %; fraction 2,5-5 mm –
0-71%; for concrete with density 1400 kg/m3 – 0,14-0,63 mm – 0-77%; 0,63-2,5 mm – 0-50 %, 2,5-5 mm -0 -22 %; for concrete with density 1600 kg/m3 – 0,14-0,63 mm – 0-31 %, 0,63-2,5 mm -0-89 %, 2,5-5 mm – 2-68 %.
Technological regimes of porous fine-grain fibre-concrete mixture are developed. The technological practicability of firstly preparing of cement paste with cellulose fibres in turbulent mixer wit high circulating mixing organ and then the introduction of three fractional filler with part of water containing the air attracting PAV and poly-propene fibres in paste and continuation of mixing until preparing the homogeneous porous mixture is experimentally stated.
Physical-mechanical and deformative qualities of porous fine-grain fibre-concretes are studied. Mark of concrete on comprehensive strength with density 1200; 1400 and 1600 kg/m3 is B10; B15 and B20, frost resistance correlate to mark F100, heat conductivity is 0,31-0,47 Vt/(m. oC).
The technological scheme of porous fine-grain fibre-concrete is developed and recommendations on main technological equipment are given.
Introduction of work. Experimental-productive tests of technology and compositions confirmed validity of results of laboratory studies and the possibility of preparing in productive conditions of products from fine-grain fibre-concrete for external walls in construction of buildings and constructions.
Economical effect of the work. Technical-economical calculation of preparing and sing of porous fine-grain fibre-concretes is conducted. It is shown that due to complex technological actions and exclusion of process of heat treatment the economy on level 450 tenge for 1 m3 of concrete is got.
Level of readiness for introduction. The work is ready for introduction and may be realized by building production output on porous fine-grain fibre-concrete and also may be used in monolithic technology in preparing of wall and decorative constructions.
Подписано к печати «27 » сентября 2010 г.
Формат 60х84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная.
Объем 1,2 п.л.
________Тираж 100 экз. Заказ № 320_______________
Типография АО «НЦ НТИ»
050026, г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 221
