Мелкозернистый бетон, армированный минерально-абразивными шламами, с повышенными эксплуатационными свойств а ми
На правах рукописи
ГРУЗДЕВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Мелкозернистый бетон, армированный
минерально-абразивными шламами,
с повышенными эксплуатационными
свойствами
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград – 2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
| Научный руководитель: | кандидат технических наук, профессор Акчурин Талгатъ Кадимович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Корнеев Александр Дмитриевич кандидат технических наук, доцент Чередниченко Татьяна Федотовна |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (СГТУ) |
Защита состоится 07 декабря 2011 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, ул. Академическая 1, ауд. Б-203.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан 03 ноября 2011 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета |  | Т. К. Акчурин |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Использование высокопрочного мелкозернистого бетона как конструкционного материала для монолитного строительства в наибольшей степени соответствует требованиям строительной практики. Приоритетным является создание строительных конструкционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками, высокой прочностью, меньшей хрупкостью, более широким спектром функциональных возможностей. Что является актуальным направлением строительного материаловедения.
Совершенствование и управление структурой материала путем его модификации, введением новых структурных элементов, дисперсным армированием, принципиально улучшает свойства материала. Многокомпонентность бетонной композиции как результат многокомпонентности комплексных добавок позволяет эффективно управлять процессами структурообразования смеси на всех этапах технологии приготовления бетона с высокими эксплуатационными характеристиками. Сочетание свойств компонентов и их комбинация обеспечивают требуемые технологические и эксплуатационные свойства бетонной смеси.
Создание высокопрочного мелкозернистого бетона, сочетающего в себе высокоплотную и высокопрочную матрицу с армирующими элементами возможно при использовании отходов промышленных предприятий региона.
Диссертационная работа посвящена разработке состава мелкозернистого бетона армированного техногенными отходами в виде тонкодисперсного наполнителя минерально-абразивных шламов (МАШ). Дисперсное армирование бетона рассмотрено как эффективное средство повышения эксплуатационных свойств бетона на уровне цементной матрицы и уровне цементного бетона с максимальным проявлением сил физико-химического взаимодействия цементирующей связки с поверхностью армирующего элемента минерально-абразивных шламов (МАШ). Решение актуальной научно-технической задачи повышения физико-технических показателей мелкозернистого бетона за счет модификации эффективными комплексными добавками на основе техногенных отходов способствует расширению сырьевой базы строительной отрасли, снижению энергозатрат, улучшению экологии окружающей среды.
Степень разработанности проблемы.
Использование в технологии строительных материалов техногенных отходов промышленных предприятий посвящены работы П.И. Баженова, Ю.М. Баженова, А.В. Волженского, В.С. Лесовика, В.И. Калашникова, Ш.М. Рахимбаева, Р.З. Рахимова, Е.М. Чернышева, А.Д. Корнеева, что позволяет на 40 % удовлетворить потребности строительной индустрии во вторичных сырьевых материалах, делая технологии производства ресурсосберегающими. Над созданием дисперсно-армированных бетонов и конструкций на их основе наряду с отечественными учеными работали и зарубежные: Дж. Купер, А. Келли, С.Т. Милейко.
Исследования, проводимые многими учеными в различных странах, убедительно доказывают, что бетоны, армированные волокнами различного происхождения, имеют более высокие физико-механические характеристики. Дисперсное армирование позволяет компенсировать главные недостатки бетона: низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения. Фибробетон имеет в несколько раз более высокую прочность на срез, ударную и усталостную динамическую прочность, трещиностойкость и вязкость разрушения, морозостойкость, водонепроницаемость.
Дисперсное армирование бетона рассматривается как эффективное средство повышения его прочности на растяжение и затруднения образования трещин на всех уровнях его структуры, способствующее повышению долговечности. Армированные частицами композиты занимают промежуточное положение между дисперсно-упрочненными материалами и материалами, армированными волокнами. Успехи в области строительного материаловедения за последние годы позволили создать ряд новых дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе техногенных отходов, уровень свойств которых выше уровня свойств традиционных бетонов.
Минерально-абразивные шламы являются отходами производства карбида кремния. Возможность использования МАШ в качестве армирующей добавки мелкозернистого бетона, проявляющей свойства структурообразующего модифицирующего компонента матрицы, приводит к улучшению эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона и подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Цель работы заключается в получении мелкозернистого бетона с повышенными эксплуатационными свойствами на рядовых цементах и заполнителях путем модификации бетонной смеси армирующим элементом минерально-абразивных шламов, являющихся отходами промышленных предприятий.
Задачи исследований:
– оценить качество минерально-абразивных шламов как многофункциональной модифицирующей добавки мелкозернистых бетонов;
– изучить особенности структурообразования модифицированного мелкозернистого бетона армированного тонкодисперсными минерально-абразивными шламами;
– определить оптимальное содержание МАШ в бетонной смеси, получить адекватную математическую модель для прогнозирования свойств мелкозернистого бетона при варьировании технологических факторов;
– оценить влияние армирующего элемента МАШ и параметров армирования на физико-механические и эксплуатационные свойства мелкозернистого бетона;
– опытно-промышленная апробация результатов исследований и их технико-экономическая оценка.
Научная новизна:
- обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения мелкозернистого бетона армированного минерально-абразивными шламами (МАШ) путем целенаправленного регулирования процессов структурообразования на уровне цементной матрицы и уровне цементного бетона с максимальным проявлением сил физико-химического взаимодействия цементирующей связки с поверхностью армирующего элемента минерально-абразивных шламов (МАШ);
- выявлены особенности процесса структурообразования армированного мелкозернистого бетона, заключающегося в адгезионном взаимодействии цементного теста с поверхностью зерен МАШ, с последующей активацией процессов гидратации цемента за счет неорганической составляющей агрегатов МАШ, которые выполняют роль не только армирующего элемента, но и активного компонента системы, оказывающего существенное влияние на полиструктурность композиции;
- установлено, что сочетание высокой плотности и прочности цементной матрица модифицированной МАШ композиции обеспечивает получение мелкозернистого бетона с повышенными эксплуатационными свойствами;
- по результатам экспериментальных исследований и построения регрессионных моделей установлена зависимость эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона от количества вводимой добавки МАШ, выявлена зависимость в системе “ свойства – состав – структура” армированного бетона.
Практическая значимость работы. Разработаны и предложены оптимальные составы армированного мелкозернистого бетона, удовлетворяющего нормативным требованиям. Обоснована возможность эффективного использования тонкодисперсного наполнителя МАШ, являющихся промышленными отходами, для получения армированных мелкозернистых бетонов с улучшенными эксплуатационными свойствами. Абразивная составляющая шламов является армирующим элементом структуры бетона, неорганическая составляющая конгломератов МАШ является клинкерной составляющей цементной матрицы, что позволяет расширить сырьевую базу минеральных модификаторов бетона, снизить себестоимость бетона, решить экологическую проблему утилизации отходов.
Объект исследований. Мелкозернистые бетоны, армированные минерально-абразивными шламами.
Предмет исследований. Процессы структурообразования мелкозернистого бетона, армированного тонкодисперсными минерально-абразивными шламами, и влияние добавки шлама на физико-механические характеристики дисперсно-армированного мелкозернистого бетона.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты качественных показателей минерально-абразивных шламов как тонкодисперсной модифицирующей добавки при получении мелкозернистых бетонов;
– принципы повышения эффективности мелкозернистого бетона путем использования многофункциональной добавки МАШ в составах бетонной композиции, результаты исследования структуры мелкозернистых бетонов, армированных МАШ;
– новые оптимальные составы и эксплуатационные свойства мелкозернистых бетонов, армированных минерально-абразивными шламами.
Достоверность исследований и выводов по работе обеспечена методической обоснованностью комплекса исследований с применением стандартных средств измерений и методов исследований; применением современных математических методов обработки экспериментальных данных в среде MathCAD; опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, совпадающими с результатами расчетов и не противоречащими выводам известных положений.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития Волгоградской области» (Волгоград, 2009 г.); III-й Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование» (Михайловка, 2009 г.); II-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2009 г.); V-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «XV Академические чтения РААСН. Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (г. Москва – Орел, 2011 г.).
Личный вклад автора. Вклад автора состоит в выборе направления исследования, его обосновании; разработке составов мелкозернистых бетонов, армированных минерально-абразивными шламами, являющимися отходами производства; в анализе и обобщении полученных результатов исследований, изложенных в диссертационной работе; внедрении результатов работы в производство в виде выпуска опытно-промышленной партии изделий.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в т. ч. 1 работа в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, основные выводы и изложена на 136 страницах машинописного текста, включает 19 таблиц и 17 рисунков, список использованных источников из 154 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи исследований. Показана целесообразность использования в составах мелкозернистого бетона техногенных отходов в виде тонкодисперсного наполнителя МАШ. Это способствует созданию многокомпонентной бетонной смеси, характеризующейся высококачественной структурой и отличающейся высокой технологичностью, что позволяет получать материалы с заданным комплексом свойств, расширить сырьевую базу стройиндустрии, улучшить экологию окружающей среды.
В первой главе отражены современные возможности технологии бетона, которые наиболее полно проявились в создании и производстве высококачественных, высокотехнологичных многокомпонентных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами, прочностью, долговечностью, адсорбционной способностью, низким коэффициентом диффузии и истираемостью, надежными защитными свойствами по отношению к стальной арматуре, высокой химической стойкостью, бактерицидностью и стабильностью объема. Важнейшей задачей строительной отрасли является разработка и внедрение эффективных, ресурсосберегающих технологий производства, экологически чистых материалов, изготавливаемых по малозатратным безотходным технологиям с максимальным использованием местного сырья и техногенных отходов промышленности. Одним из направлений решения этой задачи является расширение производства и применение в строительстве эффективных материалов и изделий на основе вторичных минеральных ресурсов.
Вопросам комплексной переработки отходов и их использования в технологии строительных материалов посвящены работы П.И. Баженова, Ю.М. Баженова, А.В. Волженского, В.С. Лесовика, В.И. Калашникова, Ш.М. Рахимбаева, Р.З. Рахимова, Е.М. Чернышева, А.Д. Корнеева. Использование промышленных отходов в производстве строительных материалов позволяет на 40 % удовлетворить потребности строительной индустрии в сырье.
Огромную экологическую проблему для большинства предприятий различных отраслей промышленности составляет утилизация шламовых отходов, образующихся на станциях нейтрализации и хранящихся в огромных количествах в шламонакопителях или на промышленных свалках. Интерес, с точки зрения использования в производстве строительных материалов, представляют гипсовые, известково-гипсовые, гипсо-карбо-натные, известково-гипсо-карбонатные, а также подобные им шламы более сложного состава, содержащие комплекс неорганических солей и органические примеси, обладающие стабильным химическим составом и физическими свойствами. Одним из перспективных направлений использования тонкодисперсных шламов является применение их в качестве активаторов твердения и наполнителей в производстве многокомпонентных композиционных строительных материалов. Анализ механизмов действия шламов на различных уровнях формирования структуры цементных композиций и оптимизация составов позволяют в определённом смысле управлять процессами структурообразования и твердения цементных систем с целью получения материалов с заданными физическими свойствами.
Исследования химического состава шламовых отходов абразивного производства, оборотные воды которого содержат в больших количествах механические примеси преимущественно абразивного характера, различной степени дисперсности – от грубодисперсных до коллоидных, и имеющих высокое солесодержание, позволило характеризовать их как многофункциональную модифицирующую добавку мелкозернистых бетонов.
В результате коагуляционной очистки промышленных сточных вод абразивного производства образуются нерастворимые формы минерально-абразивных шламов МАШ. По размеру частиц МАШ представляют собой гетерогенные коллоидные дисперсные системы, в которых центром твердой фазы является тонкодисперсный абразив, окружающей дисперсной средой – гидроксид алюминия, карбонат кальция, растворимые и малорастворимые неорганические соли. Введенные в состав мелкозернистых бетонов частицы шлама выполняют роль не только армирующего наполнителя, но и активного компонента системы, оказывающего существенное влияние на формирование активных центров кристаллизации. Возможность использования этого естественного резерва улучшения свойств мелкозернистых бетонов представляется весьма актуальной и экономически оправданной.
На основании проведенного литературного обзора диссертационной работы выдвигается рабочая гипотеза – введение в состав мелкозернистых бетонов минерально-абразивных шламов в качестве многофункциональной модифицирующей добавки целенаправленно оказывает влияние на процессы структурообразования мелкозернистого бетона с максимальным проявлением сил физико-химического взаимодействия цементирующей связки с поверхностью армирующего элемента МАШ, что позволяет получать изделия с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Во второй главе обоснован выбор материалов и методик исследований. Большое количество ценнейшего сырья сегодня остаётся не востребованным и находится на промышленных свалках и в шламонакопителях, занимающих значительные территории. Исследование этих отходов, определение возможного пути их подготовки и, при необходимости, переработки с тем, чтобы при минимальном расходе вяжущих получать эффективные строительные и отделочные материалы, является важной задачей строительной отрасли. Это может быть достигнуто путём научно-обоснованного подхода к проблеме применения шламовых отходов в строительстве, исследования механизмов действия химически активных шламов и наполнителей на процессы гидратации и твердения цементных и композиционных материалов, в том числе с использованием нанотехнологий. В результате применения шламов строительные предприятия не только получают высокие экономические эффекты за счёт низкой стоимости шлама, экономии цемента и повышения качества строительных растворов, но и способствуют значительному улучшению экологической обстановки вблизи предприятий промышленности.
Основной физико-химический метод очистки промышленных стоков с высоким содержанием взвешенных мелкодисперсных загрязнений это коагуляция. В качестве веществ, способствующих коагуляции загрязнений сточных вод используются в основном соли железа и алюминия (Al2(ОН)nСlm · xH2O, где n = 3,0 – 5,0, m = 1,0 – 3,0, x = 1,0 – 1,5 – гидроксихлорид алюминия.
Оборотные воды абразивного производства содержат в больших количествах механические примеси различной степени дисперсности. На рис. 1 представлен химический состав шламов.
Рис. 1. Химический состав шламовых отходов станции
водоочистки абразивного производства
Коагулянт в результате химической реакции с загрязнениями сточных вод абразивного производства превращаются в нерастворимые формы гидроксидов алюминия. При своем образовании эти гидроксиды захватывают органические и неорганические примеси из стоков. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных) (рис. 2).
а б
Рис. 2. Микроскопические исследования МАШ:
а – общий снимок шлама; б – отдельная частица шлама
Первичные частицы в таких скоплениях соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц (увеличением размера и массы агрегатов) и уменьшением их числа в объёме дисперсионной среды – сточных вод. Рост частиц приводит к образованию сгустков или хлопьев (флокул), выпадающих в осадок (коагулят, коагель). В процессе обезвоживания в результате высыхания при открытом хранении, сначала образуется дисперсная система, частицы которой связаны в пространственный каркас, в дальнейшем происходит медленное отверждение шламов. Формирование коагуляционно-кристаллизационных структур МАШ, содержащих SiC, Ca(OH)2, Al2(OH)3, Mg(OH)2 и гипс, происходит за счет образования гидроалюминатов и гидроалюмоферритов кальция, а также других гидратных фаз, близких по составу к продуктам гидратации цементов. Дисперсность частиц добавки МАШ и цемента изображена на рис. 3.
Большая удельная поверхность МАШ в сочетании со свободной поверхностной энергией, как и у цементных частиц, использована для уменьшения недостатков мелкозернистого бетона, за счет усиления адгезионного взаимодействия цементного теста с поверхностью МАШ.
В качестве заполнителя в составе мелкозернистого бетона использован кварцевый песок Орловского месторождения Волгоградской области с модулем крупности 2,6, соответствующего требованиям ГОСТ 10268-80.
Рис. 3. График дисперсности частиц МАШ (- ; -), цемента (-)
В качестве вяжущего при разработке композиции мелкозернистого бетона использовался Себряковский цемент марки М500 ввиду доступности приобретения и удовлетворительных физико-механических свойств и химико-минералогического состава.
Для изучения свойств сырьевых материалов и мелкозернистого бетона, модифицированного добавкой МАШ, использовались физико-химические методы анализа (рентгенофазный анализ, оптический анализ) стандартные методики определения свойств сырья, смесей и изделий.
При испытании образцов определялись средняя плотность (ср), водопоглощение (W), прочность при сжатии (Rсжср), морозостойкость (F), характер изменения этих параметров в зависимости от количества вводимой добавки МАШ.
В третьей главе представлены уровни дисперсного армирования бетона минерально-абразивными шламами, развиты и дополнены процессы структурообразования мелкозернистого бетона, основанные на адгезионном взаимодействии цементного теста с поверхностью МАШ, которая выступает не только в качестве армирующего компонента бетона своей карбидокремниевой составляющей, но и в качестве минеральной добавки, способствующей образованию гидратных фаз, близких по составу к продуктам гидратации цементов.
Анализ образующихся структур модифицированного МАШ мелкозернистого бетона с позиций уровней дисперсности показывает, что условно-коагуляционная и кристаллизационная структуры формируются вначале на надмолекулярном (образование зародышей новой фазы), а затем на субмикроскопическом уровне, на стадии роста кристаллов и появления первичного каркаса. Если же говорить о контактных поверхностях, – а именно они и определяют характер и прочность связей в цементном камне и бетоне, – то они занимают лишь часть площади новообразований, а условно-коагуляционные контакты в первом приближении можно рассматривать как точечные. В качестве основы для систематизации выбраны линейные размеры капилляров, пор и элементов каркаса.
Мелкий заполнитель и наполнители за счёт большой удельной поверхности оказывают на бетонную смесь комплексное воздействие. Помимо контактов «цементное тесто – заполнитель», появляются контакты «микронаполнитель – вяжущее», прочность которых значительно зависит от физико-химического взаимодействия минералов, входящих в состав заполнителей и частиц вяжущего. При этом наполнители представляют собой дисперсные частицы произвольной формы, размер которых не создаёт на окружающем матричном материале собственных полей деформаций и напряжений, что позволяет им участвовать в организации структуры вяжущего. Отсюда можно проследить более глубокое воздействие на структурообразование цементобетона именно наполнителей наряду с фракциями заполнителя.
Механизм действия добавки МАШ рассматривается на этапе становления структуры цементного камня в бетоне. Рассматривая строение частиц карбида кремния в шламах, и анализируя химический состав МАШ, очевидно, что примеси в виде Al2O3, Fe2O3, CaO, SiO2, Si, MgO находятся на поверхности частиц SiC, как бы она мала не была.
Физико-химические свойства поверхностного слоя дисперсных частиц карбида кремния сильно отличаются от свойств этого же вещества «в массе». Атомы и молекулы на поверхности вещества находятся в неуравновешенном состоянии и обладают особым запасом энергии. При достаточной инертности материала карбида кремния как наполнителя, примеси на его поверхности остаются активными и реакционно-способными в виду своего аморфного состояния, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические вещества такого же состава.
Химическое связывание МАШ с составляющими неорганических вяжущих веществ ускоряет процесс твердения и повышает прочность цементного камня. Микроскопический и рентгенофазный анализы материалов и образцов модифицированного МАШ мелкозернистого бетона подтверждают и дополняют теоретические основы процессов структурообразования бетонов.
Для количественного определения интенсивности адгезионного взаимодействия цементного теста с минерально-абразивными шламами предлагается сравнительная оценка свойств мелкозернистых бетонов с добавкой МАШ (составы 2 – 6) и без нее (состав 1).
Эффект улучшения свойств модифицированного бетона за счет усиления адгезионного взаимодействия цементного камня с поверхностью МАШ, плюс армирование бетона частицами карбида кремния, изображен на рис. 4. Прослеживается изменение характеристик бетона в сравнении с эталонным составом без добавки МАШ: в среднем прочность при сжатии увеличилась в на 25 %, плотность образцов уменьшилась на 10 %, водопоглощение уменьшилось на 40 %.
В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальной проверки теоретических предположений, выдвинутых в работе.
Исследование влияния компонентов композиции на технологические и физико-механические характеристики мелкозернистого бетона позволили разработать оптимальные составы с использованием метода математического планирования эксперимента. Общее число опытов в матрице композиционного плана трехфакторного эксперимента составило 15.
 |  |
 |  |
Рис. 4. Изменение свойств модифицированного МАШ бетона
в сравнении с эталонным образцом без добавки: 1 – без добавки
МАШ; 2 – 6 составы с добавкой соответственно от 3 до 15 %
Математической моделью процесса является функция, связывающая параметры оптимизации: плотность (), предел прочности при сжатии (Rсж), пористость (П), водопоглощение (W) с переменными факторами – содержание вяжущего цемента (х1= 400 – 600 кг), содержание многофункциональной добавки МАШ (х2= 5 – 15 % от массы заполнителя) и водоцементное отношение В/Ц (х3= 0,4 – 0,6).
Выбор факторов оптимизации состава мелкозернистого бетона производился исходя из технологической и экономической целесообразности и получения материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
После статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, количественно характеризующие зависимость прочности, плотности, пористости, водопоглощения модифицированного мелкозернистого бетона от исследуемых факторов.
Используя полученную математическую модель, получено комплексное представление о влиянии количества многофункциональной добавки МАШ на эксплуатационные свойства мелкозернистого бетона. Графическая интерпретация функций отклика плотности, пористости, предела прочности при сжатии, водопоглощения представлены на рис. 5-8.
Введение в состав бетонной смеси МАШ положительно сказывается на изменении характеристик бетона. При снижении расхода цемента в смеси прослеживается тенденция увеличения показателя плотности на 15%, прочности при сжатии на 30 %, снижение показателей пористости на 23 % и водопоглощения на 40 %. Водоцементное отношение бетонной смеси напрямую зависит от влажности минерально-абразивных шламов, оптимальным является В/Ц равное 0,5. Анализ факторов позволяет оптимизировать технологический процесс и эффективно управлять им.
Структура композиции мелкозернистого бетона, модифицированного МАШ, дисперсно-упрочненная. Характер распределения компонентов, форма поровых пространств позволяют сделать вывод о наличии реакционных связей между компонентами смеси, что приводит к изменению физико-механических показателей бетона.
| Рис. 5. Функция отклика плотности мелкозернистого бетона с добавкой МАШ | Рис. 6. Функция отклика пористости мелкозернистого бетона с добавкой МАШ |
 |  |
| Рис. 7. Функция отклика предела прочности при сжатии мелкозернистого бетона с добавкой МАШ | Рис. 8. Функция отклика водопоглощения мелкозернистого бетона с добавкой МАШ |
Формирование структуры бетона связано с химизмом процессов гидратации цементного связующего в присутствии тонкодисперсных минерально-абразивных шламов, выступающих в качестве активной минеральной добавки цемента, с одной стороны, и в качестве армирующего компонента бетона – с другой. Свойства оптимального состава мелкозернистого бетона с добавкой МАШ представлены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Составы и свойства бетона с добавкой МАШ
| Мелко- зернистый бетон | Средняя плотность, кг/м3 | Пористость, % | Предел прочности при сжатии, МПа | Водопог-лощение, % | Марка по мо- розостой- кости |
| Без добавки | 1770 | 21,4 | 20,6 | 14,3 | F25 |
| С добавкой МАШ 15% | 2210 | 11,3 | 33,5 | 8,9 | >F75 |
Полученные результаты положены в основу опытно-промышленной апробации бетонных изделий на ООО "МПК Лидер".
В пятой главе приведены результаты опытно-промышленной апробации разработанного состава модифицированного мелкозернистого бетона. Выполнен расчёт технико-экономических показателей производства блоков для кладки стен и перегородок.
Экономический эффект от внедрения разработанного оптимального состава мелкозернистого бетона с добавкой минерально-абразивных шламов достигается за счёт снижения расхода цемента и улучшения эксплуатационных характеристик бетона. Себестоимость блоков (в пересчете на одно изделие) снижена на 15 %.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность получения мелкозернистого бетона с улучшенными эксплуатационными характеристиками путем целенаправленного регулирования структуры композиции введением многофункциональной добавки минерально-абразивных шламов, являющихся техногенными отходами производства.
2. Выявлены особенности процесса структурообразования модифицированного бетона, заключающиеся в армировании бетона абразивной составляющей шламов, неорганическая составляющая конгломератов МАШ является активной минеральной добавкой цементной матрицы.
3. Установлен характер влияния добавки МАШ на свойства цементной матрицы и дана оценка новообразованиям в мелкозернистом бетоне на уровнях дисперсности. Процесс гидратации клинкерных минералов в мелкозернистом бетоне с добавкой МАШ проходит более интенсивно за счет значительно большей удельной поверхности модифицирующего компонента вяжущего, который выступает в качестве активной минеральной добавки цементной матрицы, ускоряя процесс твердения. Изменение морфометрических параметров микроструктуры мелкозернистого бетона при введении МАШ сопровождается снижением общей пористости, что связано с формированием микрокристаллической структуры за счет изменения химизма процессов гидратации в присутствии тонкодисперсных шламов.
4. С помощью математического метода планирования эксперимента получены зависимости, связывающие параметры оптимизации: плотность (), предел прочности при сжатии (Rсж), пористость (П), водопоглощение (W) с переменными факторами – содержание цемента, многофункциональной добавки МАШ и водоцементным отношением, что позволило получить материал с улучшенными характеристиками: плотностью 2210 кг/м3, пористостью 11,3 %, прочностью при сжатии 33,5 МПа, водопоглощением 8,9 %, морозостойкостью > F75.
5. Эффективность применения многофункциональной добавки МАШ в мелкозернистом бетоне при ее содержании 5–15% подтверждена результатами экспериментов. Показано, что за счет ускорения процессов гидратации цемента и армирования бетона частицами карбида кремния прочность при сжатии увеличилась на 25 %, плотность образцов уменьшилась на 10 %, водопоглощение уменьшилось на 40 %.
6. Экономический эффект от использования многофункциональной добавки минерально-абразивных шламов в мелкозернистом бетоне достигается за счет снижения расхода цемента. Себестоимость блоков (в пересчете на одно изделие) снижена на 15 %. Предлагаемая технология с использованием исследованных в работе техногенных отходов производства рентабельна, экологически и экономически эффективна.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 публикациях, в том числе:
Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:
1. Груздев А. А., Акчурин Т. К., Пушкарская О. Ю. Минерально-абразивные шламы – эффективные наполнители бетонов // Вестн. ВолгГАСУ: Стр-во и архитектура. 2010. № 20 (39). С. 58 – 62.
Публикации в других изданиях:
2. Груздев А. А., Акчурин Т. К. Минерально-абразивные шламы – эффективные наполнители бетонов // Вестник отделения строительных наук. 2011. Вып. 15. С. 167 – 170.
3. Груздев А. А., Богайсков Ю. С., Надеева И. В. Некоторые аспекты технологий утилизации отходов // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы II науч.-техн. конф., г. Волгоград, 24–25 окт. 2009 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 12 – 15.
4. Груздев А. А., Акчурин Т. К., Пушкарская О. Ю. Физико-механические исследования композитов строительного назначения на основе вторичного сырья // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование : материалы III Всерос. науч.-техн. конф., г. Волгоград – г. Михайловка, 22–23 окт. 2009 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 65–68.
5. Груздев А. А., Акчурин Т. К., Пушкарская А. А. Шламы водоочистки как наполнитель композитов строительного назначения // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта "Доступное и комфортное жилье гражданам России": технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 15–16 дек. 2009 г., Волгоград. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 92–93.
6. Груздев А. А., Пушкарская О. Ю., Клавдиева Т. Н. Исследование возможности использования вторичного сырья в составе строительных композитов // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., Волгоград, 23–24 апреля 2009 г. : [в 3-х ч.]. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. Ч. I. С. 74–77.
7. Комплексная оценка строительных композитов на основе техногенных отходов / Груздев А. А. [и др.] // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы II науч.-техн. конф., г. Волгоград, 24–25 окт. 2009 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 16–19.
8. Груздев А. А., Пушкарская О. Ю., Клавдиева Т. Н. Комплексная оценка строительных композитов на основе техногенных отходов // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., г. Волгоград, 23–24 апреля 2009 г. : [в 3-х ч.]. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. Ч. I. С. 190–192.
9. Груздев А. А., Акчурин Т. К., Пушкарская О. Ю. Микронаполненный цементный композит // Технологии бетонов. 2010. N 11–12. С. 16–17.
10. Груздев А. А., Акчурин Т. К. Оценка возможности использования минеральных отходов в строительных композициях // Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 24 дек. 2010 г., Волгоград : [в 2 ч.]. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. Ч. 1. С. 207–209.
11. Груздев А. А., Акчурин Т. К., Пушкарская О. Ю. Мелкозернистый бетон с повышенными эксплуатационными свойствами при армировании минерально-абразивными шламами // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф., г. Волгоград, 13–14 октября 2011 г. : [в 3-х ч.]. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. Ч. I. С. 85–90.
Груздев Анатолий Александрович
мелкозернистый бетон, армированный минерально-абразивными шламами, с повышенными
эксплуатационными свойствами
Автореферат
Подписано в печать 28.10.11 Формат 60х84/16.
Бумага Union Prints. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная
Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1,13. Тираж 100 экз. Заказ №
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
400074 г. Волгоград, ул. Академическая 1
Сектор оперативной полиграфии ЦИТ
