Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из основных критериев уровня развития страны является состояние ее улично-дорожной сети. В настоящее время покрытия отечественных автомобильных дорог по совокупной эффективности эксплуатационных характеристик заметно отстают от мирового уровня. К тому же на многих дорогах интенсивность движения для данной категории дороги возросла почти в 3 раза в сравнении с нормативной нагрузкой, заложенной при их проектировании.
Наиболее перспективным решением данной проблемы, в соответствии с Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года, является строительство дорожных покрытий жесткого типа с использованием цементобетонных композитов, которое предполагает значительное увеличение объемов работ. Для этого дорожно-строительная отрасль должна обладать необходимой сырьевой базой для производства цементобетонов при устройстве таких покрытий.
Основными предпосылками для получения эффективных дорожных цементобетонов являются снижение водопотребности проектируемых составов, повышение активности вяжущего с одновременным сокращением его расхода, а также уменьшение стоимости получаемого бетона. Следовательно, наиболее целесообразным представляется применение особо жестких бетонных смесей с пониженным расходом цемента по сравнению с традиционными составами, широкое использование техногенных отходов и наполненных вяжущих веществ на их основе.
На территории Чеченской Республики накоплено десятки миллионов тонн отходов дробления горных пород и бетонного лома, а также мелкозернистые составы камнепиления, которые могут быть отнесены к категории техногенных крупно- и мелкозернистых песков, отличающихся от обычно применяемых полиминеральным и зерновым составами.
Эффективным направлением использования промышленных отходов для решения проблемы расширения сырьевой базы строительной индустрии является их комплексное использование с обеспечением требуемых для дорожных покрытий физических и эксплуатационных свойств. Рациональное использование техногенных продуктов, как известно, возможно только после их предварительной механической и механохимической обработки с учетом их химического и вещественного составов, а также предъявляемых к ним требований.
Используя современные технологии измельчения с применением суперпластификаторов и других модификаторов для получения бетонных композитов, можно рекомендовать эффективные способы производства строительных материалов и изделий на основе техногенного сырья в виде отходов камнедробления.
Таким образом, использование отходов камнедробления в качестве мелкого заполнителя и тонкомолотого наполнителя для получения цементобетонных покрытий, предназначенных для строительства автомобильных дорог, позволит обеспечить высокую плотность и качество
цементного камня и снизить себестоимость дорожных покрытий.
Степень изученности проблемы. Проведенный анализ источников отечественной и зарубежной литературы позволяет сделать вывод о том, что существующие способы устройства цементобетонных покрытий основаны на использовании традиционных бетонов, сырьевая база приготовления которых требует значительного расширения. Использование техногенного сырья для этой цели связано со значительными дополнительными трудовыми, материальными и энергетическими затратами, резко ограничивающими их применение в строительстве. Разработка альтернативных способов для их эффективного использования является актуальной задачей в области технологии получения композиционных материалов, в том числе предназначенных для цементобетонных покрытий, используемых при строительстве автомобильных дорог.
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертационного исследования является разработка научно обоснованных способов получения цементобетонных покрытий на основе использования отходов камнедробления.
В соответствии с целью исследования в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
обоснованы способы формирования структуры и свойств цементобетонных покрытий, используемых при строительстве автомобильных дорог;
изучен механизм действия химических добавок на процессы структурообразования цементобетонных композитов, полученных с использованием отходов камнедробления;
предложены рецептуры наполненных вяжущих с тонкомолотым наполнителем из отходов камнепиления, предназначенных для производства на их основе цементобетонных смесей для автомобильных дорог;
разработана рецептура цементобетонных композитов, получаемых с применением модифицированных необогащенных отсевов дробления бетонного лома и горных пород и наполненных вяжущих веществ;
исследованы тепло- и массообменные процессы в твердеющих цементобетонных смесях, полученных на основе разработанных наполненных вяжущих;
разработаны нормативные документы и ТЭО полученных результатов экспериментальных, теоретических исследований и опытно-промышленного внедрения.
Научная новизна диссертационного исследования. Установлен характер протекания процессов образования структуры при выдерживании жесткой бетонной смеси с использованием наполненных вяжущих веществ и отходов дробления бетонного лома и горных пород.
Показано, что при затворении водой наполненное вяжущее с наполнителем из отходов камнепиления, частично аморфизованное в процессе помола, ускоряет процесс образования клинкерных минералов, выступая подосновой при получении новообразований и способствуя связыванию Са(ОН)2 в нерастворимые гидросиликаты кальция мелкокристаллической структуры с различной степенью основности.
Выявлен характер распределения пор по размерам цементного камня наполненных вяжущих на основе отходов камнепиления. Кривая гранулометрического состава частиц наполненного вяжущего на отходах камнепиления носит более прерывистый характер за счет полиминерального состава, интенсифицирующего помол, что оказывает положительное влияние на формирование микроструктуры цементного камня вследствие более плотной пространственной укладки частиц и, следовательно, получения более прочного цементного камня.
Выявлено влияние модифицированного мелкого заполнителя из отсевов дробления бетонного лома и горных пород и микронаполнителей на структурообразование и основные физико-механические свойства прессованных бетонов для строительства цементобетонных покрытий.
Теоретическая значимость диссертационной работы обоснована тем, что:
- предложены принципы улучшения технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств цементобетонных композитов для устройства покрытий автомобильных дорог путем использования наполненных вяжущих веществ и отходов камнедробления;
- развита теория гидратации и твердения клинкерных минералов с наполнителями различной природы, в частности, отходов камнеобработки, а также раскрыты основные положения теории структурообразования многокомпонентных композиционных материалов;
- изложены основные положения, касающиеся повышения энергоэффективности технологии производства цементобетонных композитов для устройства покрытий автомобильных дорог с использованием отходов камнедробления и камнеобработки;
- раскрыты механизмы снижения размера пор цементного камня и повышения их однородности за счет введения суперпластификатора и мельчайших частиц отходов камнепиления;
- изучено влияние состава наполненных вяжущих из отходов камнепиления на эксплуатационные характеристики цементобетонных покрытий;
- применительно к проблематике диссертации эффективно использованы методы математического планирования эксперимента со статистической обработкой результатов и стандартные методы испытания.
Теоретические выводы, сделанные в результате исследования, могут быть использованы в преподавании следующих учебных курсов: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», «Добавки в бетон», «Строительные материалы и изделия», «Технология вяжущих веществ», «Строительные композитные материалы» и др.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что:
- расширена сырьевая база для производства цементобетона, предназначенного для строительства цементобетонных дорожных покрытий, за счет использования заполнителя из отсевов дробления горных пород и бетонного лома и тонкомолотого наполнителя из отходов камнепиления;
- разработаны рациональные рецептуры наполненных вяжущих с тонкомолотым наполнителем из отходов камнепиления и цементобетонных композитов на их основе с применением модифицированных необогащенных отсевов дробления бетонного лома и горных пород;
- предложена технология модифицирования поверхности заполнителя из отходов дробления горных пород и бетонного лома и установлена эффективная дозировка химической добавки для его обработки, позволяющая получить значительный водоредуцирующий и цементосберегающий эффект.
Методы исследования базируются на известных положениях теории твердения клинкерных минералов с наполнителями различного состава, в частности, отходов камнедробления и камнеобработки, математической логики, технологии композиционных материалов, теории автоматизации и управления технологическими процессами и производствами. Исследования проводились с учетом государственных стандартов и рекомендаций.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследований гранулометрического, химического и минерального составов отходов камнепиления, а также наполненных вяжущих веществ на их основе;
- анализ результатов по механохимической активации наполненных вяжущих для цементобетонных покрытий с использованием отходов камнепиления;
- свойства смесей для цементобетонных покрытий на основе наполненных вяжущих веществ и отходов камнедробления;
- оптимальные составы мелкозернистых цементобетонов для строительства дорожных покрытий;
- результаты апробации.
Внедрение результатов работы. Полученные результаты были апробированы в промышленных условиях на предприятиях при строительстве опытного участка автомобильной дороги IV категории протяженностью 1000 м по ул. Плановая г. Грозный.
Для внедрения результатов работы при строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог разработаны следующие технические документы:
- технологический регламент на производство цементобетонных покрытий на основе использования наполненных вяжущих веществ и модифицированного заполнителя из отходов дробления;
- рекомендации по изготовлению цементобетонных композитов с использованием вторичного сырья;
- стандарт предприятия на производство наполненных вяжущих веществ для строительства цементобетонных покрытий с заполнителем и наполнителем из техногенного сырья.
Результаты работы использовались при реализации федеральных целевых программ: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики на 2008-2011 годы». В результате этого получены эффекты как экологического и экономического, так и социального содержания.
Основные положения диссертационного исследования, подтвержденные результатами промышленного внедрения, включены в содержание учебно-методических материалов при подготовке специалистов, бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Строительство».
Достоверность полученных результатов диссертационных исследований подтверждается применением:
- апробированных методов экспериментальных исследований;
- поверенного оборудования и математического аппарата планирования эксперимента;
- современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных.
Апробация результатов исследования. Наиболее значимые результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждались на:
-
Всероссийской научно-практической конференции «Наука и образование в Чеченской Республике: состояние перспективы развития», посвященной 10-летию со дня основания Комплексного научно-исследовательского института Российской академии наук (КНИИ РАН), г. Грозный, 2011 г.;
-
15-м Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед – 2012», г. Москва, 2012 г.;
-
II международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в производстве, науке и образовании», г. Грозный, 2012 г.;
-
Всероссийской научно-технической конференции «Качество строительных материалов, изделий и конструкций», г. Махачкала, 2012 г.;
-
Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы геологии, географии и геоэкологии», посвященной 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского, г. Грозный, 2013 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ, из них 2 – в изданиях, определенных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 184 страницах машинописного текста, содержащих 35 таблиц, 40 рисунков и структурно представлена введением, пятью главами, общими выводами, списком литературы из 186 наименований и 4 приложениями.
