Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопросов в области повышения качества и улучшения эксплуатационных свойств гидротехнических бетонов 12
1.1 Гидротехнические бетоны и предъявляемые к ним требования 12
1.2 Факторы, влияющие на качество гидротехнических бетонов 20
1.3 Портландцементы, используемые для изготовления гидротехнических бетонов: требования, составы, свойства 29
Выводы к главе 1. Цели и задачи исследований 37
2. Характеристика используемых материалов и методы исследования 39
2.1 Характеристика используемых материалов 39
2.2 Методы исследования 43
2.3 Методика изготовления и испытания образцов 47
2.4 Статистическая обработка результатов 48
2.5 Методология управления качеством гидротехнического бетона повышенной коррозионной стойкости 49
3. Исследование влияния минеральных добавок, содержащих высокоглиноземистые шлаки, на свойства композиционных портландцементов для гидротехнических бетонов 52
3.1 Обоснование выбора добавок и разработка составов композиционных портландцементов гидротехнического назначения с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки 52
3.2 Исследование влияния минеральных добавок, содержащих высокоглиноземистые шлаки, на свойства цементного теста 55
3.3 Исследование влияния минеральных добавок, содержащих высокоглиноземистые шлаки, на свойства цементного камня 62
3.4 Исследование коррозионной стойкости цементного камня, полученного при твердении композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки з
3.5 Особенности формирования состава гидратных фаз цементного камня, полученного при твердении композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки 80
Выводы к главе 3 102
4. Гидротехнические бетоны на основе композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки 104
4.1 Разработка составов гидротехнического бетона на основе композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки 104
4.2 Исследование влияния рецептурно-технологических факторов на свойства бетонных смесей на основе композиционного портландцемента с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки 107
4.3 Исследование влияние рецептурно-технологических факторов на свойства гидротехнических бетонов на основе композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки 109
4.4 Сульфатостойкость бетонов на композиционных портландцементах с
минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки 114
Выводы по главе 4 118
5. Технология изготовления гидротехнических бетонов и оценка экономической эффективности их изготовления 119
5.1 Технология изготовления гидротехнических бетонов 119
5.2 Опыт промышленной апробации разработанных составов гидротехнических бетонов 123
5.3 Оценка экономической эффективности изготовления гидротехнического бетона на основе композиционного портландцемента с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки 123
Общие выводы 127
Заключение 129
Список литературы 130
- Портландцементы, используемые для изготовления гидротехнических бетонов: требования, составы, свойства
- Статистическая обработка результатов
- Исследование влияния минеральных добавок, содержащих высокоглиноземистые шлаки, на свойства цементного теста
- Исследование влияния рецептурно-технологических факторов на свойства бетонных смесей на основе композиционного портландцемента с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки
Введение к работе
Актуальность работы.
Строительство гидротехнических сооружений всегда является востребованной задачей, так как при этом обеспечивается безопасность населения (дамбы, водозаборы) или осуществляется производство экологически чистой энергии (гидроэлектростанции).
Одной из причин повреждения гидротехнических сооружений является низкая коррозионная стойкость бетона. В настоящее время при наличии значительного количества работ в области гидротехнического бетона решение вопросов повышения коррозионной стойкости и снижения тепловыделения остается актуальным.
Одним из способов решения данной проблемы является разработка составов и технологий изготовления композиционного портландцемента для гидротехнического строительства, обладающего повышенной коррозионной стойкостью и умеренным тепловыделением, отсутствующего на российском рынке.
В настоящее время в целях повышения коррозионной стойкости гидротехнических бетонов рекомендуется применять сульфатостойкие порт-ландцементы, содержащие пониженное количество трехкальциевого алюмината и трехкальциевого силиката. Однако наиболее целесообразным и менее дорогостоящим является способ повышения коррозионной стойкости бетонов, получаемых с использованием портландцементов, изготовленных на основе рядовых клинкеров с применением комплекса активных минеральных добавок, в том числе представленных отходами или побочными продуктами промышленности, что может способствовать улучшению экологической обстановки в регионах.
Для решения данного вопроса предполагается в качестве одного из компонентов комплексной активной минеральной добавки в производстве композиционных портландцементов использовать высокоглиноземистые шлаки (побочный продукт алюмотермического производства хрома), запасы которых составляют около 3 млн. тонн. Химический состав шлака представлен на 68–75 % оксидом алюминия, что позволяет предположить его эффективное применение в качестве активной минеральной добавки к портландцементу, способной повышать коррозионную стойкость бетона. Возможность применения высокоглиноземистого шлака в качестве компонента комплексной минеральной добавки при изготовлении портландцементов на данный момент изучена недостаточно. В этой связи, исследование, посвященное разработке составов гидротехнического бетона, характеризующегося повышенной коррозионной стойкостью, получаемого с использованием композиционного портландцемента, содержащего высокоглиноземистый шлак в составе комплексной минеральной добавки, является актуальной.
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
Вопросы разработки составов портландцементов с повышенной коррозионной стойкостью и оценки влияния коррозии на долговечность цементного камня в бетоне нашли отражение в работах В. М. Москвина, С. Н. Алексеева, В. И. Бабушкина, В. Г. Барташевича, В. Г. Батракова, Ф. М. Иванова, В. В. Кинда, А. И. Минаса, Н. А. Мощанского, А. Ф. Полака, В. Б. Ратинова, Т. В. Рубецкой, Н.К. Розенталя, Т.В. Кузнецовой, Г.С. Кардумяна, И.В. Кравченко, И. Штарка, СВ. Федосова, Ш.М. Рахимбае-ва, В.К. Козловой, А.И. Кудякова, Н.М. Толыпиной и других ученых.
На современном этапе в исследованиях, ориентированных на повышение коррозионной стойкости бетона, основное внимание уделяется вопросам структурообразования цементного камня путем регулирования химико-минералогического состава применяемого портландцемента (снижения С3А) или применения добавок, способствующих снижению проницаемости цементного камня и бетона для компонентов агрессивной среды. Актуальным остается вопрос разработки гидротехнических бетонов повышенной коррозионной стойкости на основе портландцементов с комплексными активными минеральными добавками.
Целью диссертационного исследования является разработка научно обоснованных составов и технологических приемов изготовления гидротехнических бетонов, обладающих повышенной коррозионной стойкостью, на основе композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки.
Задачи исследования:
обосновать выбор минеральных добавок, содержащих высокоглиноземистые шлаки, для производства композиционного портландцемента для гидротехнических бетонов и исследовать их влияние на свойства композиционных портландцементов;
разработать составы композиционных портландцементов для гидротехнических бетонов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки и исследовать особенности структурообразования цементного камня;
разработать составы гидротехнических бетонов и исследовать влияние композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, на свойства таких бетонов;
разработать технологический регламент на изготовление бетонной смеси для гидротехнического бетона;
- апробировать в производственных условиях составы и техноло
гию изготовления бетонных смесей на предлагаемых композиционных порт-
ландцементах с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземи
стые шлаки, и оценить экономическую эффективность их использования.
Объект исследования: гидротехнический бетон, изготовленный на основе композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки.
Предмет исследования: процессы структурообразования, свойства композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, технологические свойства гидротехнического бетона на основе указанного портландцемента.
Научная новизна.
Установлены закономерности структурообразования и формирования заданных свойств цементного камня из композиционного портландцемента, полученного совместным помолом портландцементного клинкера с добавками высокоглиноземистого и доменного гранулированного шлаков при их соотношении 1:1, а также гидротехнических бетонов на их основе.
Высокоглиноземистый шлак, фазовый состав которого представлен алюминатами кальция СаО2А1203, СаО6А1203, при гидратации портландцемента взаимодействует с портландитом с образованием продуктов гидратации, содержащих повышенное количество кристаллизационной воды, что приводит к повышению плотности цементного камня, снижению в нем содержания свободного гидроксида кальция и, соотвественно, к существенному увеличению коррозионной стойкости гидротехнического бетона.
Установлено, что бетонная смесь на разработанном композиционном портландцементе с комплексными минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, обладает пониженным водоотделени-ем (0,5 %) и растовороотделением (2 %), а гидротехнический бетон - повышенной прочностью при сжатии (класс В30 на 180 сутки твердения), высокой водопроницаемостью (W12) и пониженной истираемостью (0,17-1,18 г/см2).
Теоретическая и практическая значимость.
раскрыт механизм взаимодействия алюминатов кальция СА2 и СА6 с продуктами гидратации портландцементного клинкера, исследовано влияние образующихся продуктов гидратации на свойства цементного камня и бетона;
разработан состав композиционного портландцемента класса ЦЕМ П/А-К 32,5 Н гидротехнического назначения, отличающийся тем, что содержит 20% активной минеральной добавки, состоящей из доменного гранулированного шлака и высокоглиноземистого шлака алюмотермического производства хрома, характеризующийся повышенной коррозионной стойкостью и умеренным тепловыделением;
разработан состав бетонной смеси для производства бетонов гидротехнического назначения и получены бетоны класса В30 на 180 сутки твердения и В35 на 360 сутки, с содержанием композиционного портландцемента в количестве 440 кг/м3, отвечающие требованиям национальных стандартов к бетонам гидротехнического назначения, характеризующиеся пони-
женным водопоглощением (1,6-1,7%), высокой стойкостью против истирания (0,18 г/см2), высокой водонепроницаемостью (W 10-12);
разработан технологический регламент на изготовление бетонной смеси для гидротехнического бетона;
осуществлена производственная апробация предложенных составов бетонных смесей на объекте предприятия ООО ДПМК «Ачинская». Изготовлены конструкции портальных оголовков, лотков, водопропускных труб на водотоках периодического действия, контактирующие в процессе службы с агрессивными средами (грунтовыми водами и водами сезонных подтоплений), при капитальном ремонте участка автомобильной дороги М-53 (на участке 955-967 км);
результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс Хакасского технического института - филиала Сибирского федерального университета при проведении занятий по курсу «Строительные материалы», «Современные материалы, конструкции и технологии с элементами НИРС».
Методологической основой диссертационного исследования являются современные положения теории строительного материаловедения в области структурообразования бетонов и цементов с минеральными добавками, методики определения коррозионной стойкости против трех основных видов коррозионного воздействия на гидротехнические сооружения (коррозия выщелачивания, сульфатная и углекислотная коррозия), современные методики исследования химического, рентгенофазового, дифференциально-термического и других видов анализов.
Достоверность результатов и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных методов испытаний, применением поверенного и аттестованного испытательного лабораторного оборудования и измерительных инструментов, обработкой результатов экспериментов статистическими методами, достаточным количеством проведенных опытов, обеспечивающих адекватность результатов.
Личное участие автора заключается в анализе литературных данных, в постановке цели, выборе теоретических и экспериментальных методов решения поставленных задач, в проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, участии в подготовке к публикации докладов и статей.
На защиту выносится:
- разработанные составы композиционных портландцементов с
минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, и
результаты определения основных строительно-технических свойств компо
зиционных портландцементов, в том числе коррозионной стойкости цемент
ного камня;
результаты исследований составов продуктов гидратации композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки;
разработанные составы бетона на основе предлагаемого композиционного портландцемента;
результаты оценки зависимости строительно-технических свойств бетонной смеси и бетона от вида композиционного портландцемента;
разработанная технология изготовления гидротехнического бетона на основе предлагаемого портландцемента, включающая технологические операции по производству композиционных портландцементов с комплексной минеральной добавкой, содержащей высокоглиноземистые шлаки.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы строительства» (НГАСУ, г. Новосибирск, 2013г.);
международной научно-практической конференции «Молодежь и наука» (СФУ, г. Красноярск, 2013г.);
всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективные строительные материалы» (ТГАСУ, г. Томск, 2013г.);
международной научно-практической конференции молодых ученых «Перспективные материалы в строительстве и технике» (ТГАСУ, г. Томск, 2014г.);
всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы строительства» (НГАСУ, г. Новосибирск, 2015г.);
внутривузовских конференциях, проводимых на базе ХТИ - филиала СФУ (г. Абакан, 2012 - 2015гг.);
- I Межрегиональной научно-практической конференции-выставке
«Пути решения проблем тепло- и ресурсосбережения в строительстве и жи
лищно-коммунальном хозяйстве» (ХТИ - филиал СФУ, г. Абакан, 2015).
Публикации. Результаты исследований изложены в 11 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 161 страницу машинописного текста, 31 таблицу, 40 рисунков, список литературы из 166 источников и 5 приложений.
Портландцементы, используемые для изготовления гидротехнических бетонов: требования, составы, свойства
Физико-химическое воздействие воды, как отмечают авторы [6], проявляется во многих видах: истирание бетонных поверхностей сооружений потоком, особенно при наличии в воде наносов, коррозия металлических элементов, разрушение бетона под действием агрессивных вод (коррозия бетона) или периодического замерзания и оттаивания воды и др. Биологические воздействия оказываются на бетонные сооружения мелиоративного, канализационного и рыбохозяйственного назначения, которые в период эксплуатации контактируют с продуктами и отходами жизнедеятельности различных организмов.
Высокие темпы строительства бетонных гидротехнических и возведения подземных сооружений выдвигает проблему создания несложных по технологии изготовления и доступных по стоимости гидротехнических бетонов, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами, основными из которых являются прочность, водонепроницаемость, коррозионная стойкость. [7, 8]
В настоящее время строительство гидротехнических сооружений осуществляется на основании принятых национальных и межгосударственных стандартов [2, 9–13]. К гидротехническому бетону, как к основному современному материалу строительства таких сооружений, предъявляются специальные требования. Согласно своду правил [13], бетон для бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений должен удовлетворять общим требованиям ГОСТ 26633-2012. [14]
Долговечность бетона является основной его характеристикой и определяется способностью сопротивляться различным внешним воздействиям.
Требования, предъявляемые к гидротехническому бетону, зависят от местоположения конкретного участка бетонирования. [2, 13]
Бетонная смесь должна обладать минимально необходимой внутренней связностью для того, чтобы исключить возможность ее расслоения при транспортировании к месту укладки, уплотнении в процессе бетонирования конструкций, а также образования слабых слоев в конструкции за счет высокого водоотделения.
Бетонная смесь для гидротехнического бетона в массивных конструкциях должна, помимо удовлетворения прочих требований, характеризоваться малым тепловыделением при твердении, для того, чтобы исключить возможность появления в бетоне трещин в результате неравномерного нагрева и остывания массива и опасность возникновения значительных температурных напряжений при твердении бетона.
Гидротехнический бетон надводный подвергается обычным для многих наземных открытых сооружений атмосферным воздействиям, соответствующим климатическим условиям данного района, и должен быть морозостойким. Гидротехнический бетон конструкций, работающих в условиях напора воды, в зависимости от действующего напора воды должен обладать определенной водонепроницаемостью, установленной по расчету в зависимости от градиента напора воды. В водосливной части плотин, а также в отверстиях для пропуска воды (водоспусках, водоводах) бетон со стороны рабочих граней может подвергаться истирающему действию песка и более крупных частиц наносов, взвешенных в потоках воды. При этом происходит механическое повреждение бетона (истирание, удары). Разрушение бетона возможно также в результате процессов, происходящих в зонах кавитации при больших скоростях движения воды. В указанных выше местах бетон должен обладать повышенной механической прочностью и износоустойчивостью (сопротивлением истиранию и кавитационному разрушению).
К гидротехническому бетону разных зон и частей плотины, находящихся в различном напряженном состоянии, предъявляются соответствующие требования по прочности при сжатии и растяжении.
Общие требования, предъявляемые к гидротехническому бетону, при проектировании конструкции разделяются на определенные группы в зависимости от классификации этой конструкции. Причем для массивных конструкций, т.е. плотин, разрабатывается значительное количество наборов требований.
При строительстве гидротехнических сооружений применяется большое количество различных видо-марок бетона, например, на Саяно-Шушенской ГЭС применялся бетон М400 W8 F200, M400 W8 F400 и т.п. Для внутренней зоны плотины был разработан бетон на основе ПЦ400 Красноярского цементного завода при расходе 205 кг/куб.м. с добавкой 45 кг золы-уноса на 1 м3.
Четкая классификация требований к бетону определяется типом плотины (глухая или водосливная) и непосредственно участком тела плотины. Согласно СП [2, 13] в плотинах в зависимости от условий работы бетона в эксплуатационный период надлежит различать четыре зоны (рис. 1.2).
Статистическая обработка результатов
Тонкость помола клинкера, доменного гранулированного шлака, высокоглиноземистого шлака КВЦ, доломита контролировалась по остатку на сите № 008 (ГОСТ 310.2-76 [73]) и по удельной поверхности. Определение удельной поверхности осуществлялось методом воздухопроницаемости на приборе ПСХ – 2. Определение нормальной густоты и сроков схватывания цемента и высокоглиноземистого шлака КВЦ проводились по ГОСТ 310.3-76 [74]. Свойства воды, применяемой для затворения цементных тест, соответствовали требованиям ГОСТ 23732-2011 [115]. Потери при прокаливании (ППП) всех компонентов определялось по ГОСТ 5382-91 [116]. Влажность, пустотность, насыпную плотность, гранулометрический состав, содержание илистых, глинистых и пылеватых частиц в песке определяли по ГОСТ 8735–88 [113].
Для изучения прочностных свойств композиционного портландцемента с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, из теста нормальной густоты изготавливались образцы – кубики 222 см, а также образцы – балочки 4416 см с использованием полифракционного песка по ГОСТ 30744–2001 [117]. Образцов твердели в нормальных условиях. Предел прочности при изгибе (балочек) определялся на приборе МИИ – 100; предел прочности при сжатии – в соответствии с ГОСТ 30744–2001 [117], ГОСТ 310.4-81 [75] на гидравлическом прессе П – 10. Определение собственных деформаций в процессе твердения портландцементов выполнялось по методике [118], водоотделение цементного теста – по ГОСТ 310.6–85 [119]. Изучение свойств бетонной смеси (плотность, водоотделение, тепловыделение, раствороотделение) проводилось в соответствии с ГОСТ 10181– 2000 [120]. Изучение прочностных свойств гидротехнического бетона проводилось в соответствии с ГОСТ 18105–2010 [121], морозостойкости бетона по ГОСТ 10060.1–95 [122].
Все оборудование для проведения указанных испытаний регулярно проверяется в Алтайском центре стандартизации и метрологии (ФБУ «Алтайский ЦСМ»). Лаборатории кафедры строительных материалов АлтГТУ аттестованы ФБУ «Алтайский ЦСМ» на все указанные виды испытаний, а кафедра имеет лицензию на проведение контроля качества строительных материалов.
Радиационно-гигиеническая оценка материалов проводилась в лаборатории ФБУ «Алтайский центр стандартизации и метрологии».
Водонепроницаемость гидротехнического бетона определялась по ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» [123] в лаборатории ЗАО «Барнаульский комбинат железобетонных изделий №2» , г. Барнаул.
Содержание свободного гидроксида кальция (в пересчете на CaO) в составе продуктов гидратации композиционного портландцемента с комплексными минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, определялось растворением навески в спиртово-сахаратном растворе (10% раствор сахарозы в 60% растворе этилового спирта) с последующим титрованием фильтрата 0,1Н HCl [118].
Тепловыделение в процессе гидратации композиционного портландцемента с комплексными минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, ориентировочно оценивали по изменению температуры цементного теста и её фиксацией через каждые 15 минут. Показатель тепловыделения рассчитывался в кДж/кг по характеристике тепловыделений отдельных клинкерных минералов с уточненными характеристиками [124].
Карбонизационную стойкость цементного камня определяли путем принудительной карбонизации его углекислым газом в течение 24 часов при давлении 0,4 МПа по методике [125]. Для определения карбонизационной стойкости цементного камня образцы измельчаются до остатка на сите № 008 менее 10 %. Просеянный материал берется для карбонизации в количестве 3 г. Процесс карбонизации осуществляется на специальной установке, показанной на рис. 2.1.
В карбонизационной камере для повышения влажности присутствует вода, через которую пропускают газ, подавая его через шланг. По манометру отслеживается понижение давления углекислого газа в процессе его поглощения продуктами гидратации, данные фиксируются с интервалом 15 мин. Количество поглощенного углекислого газа рассчитывалось по формуле 2.1: Mco .(P.-Q-K-44 где Ршч, Рган - начальное и конечное давление в камере, МПа; V - объём, занимаемый газом в камере, м3; 44 - молекулярная масса углекислого газа; Т - температура, при которой проводилась карбонизация, К; R = 8,314 -универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК).
Карбонизация проводится до полного прекращения падения давления в камере. Степень карбонизации рассчитывается по формуле 2.2. С.К. = jnпр-100%, (2.2) m C02 т где mтСО2 - количество СОг, которое теоретически может быть связано при взаимодействии всего содержащегося в продуктах гидратации оксида кальция с углекислым газом. Стойкость цементного камня против выщелачивания определялась согласно методике [118]. Расчет количества вымываемых ионов Са (в пересчете на СаО) ведется по формуле 2.2: СаО=(2а- .0.0028.10 25 v где а - количество 0,1Н раствора НС1, пошедшее на титрование 25 мл раствора с фенолфталеином, мл; Ъ - количество 0,1Н раствора НС1, пошедшее на титрование 25 мл раствора с метилоранжем, мл; к - поправка титра. Рекомендуется титровать раствором НС1 сначала с индикатором фенолфталеином. Изучение продуктов гидратации цементного камня, полученного при твердении композиционного портландцемента с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, в нормальных условиях, осуществлялось с помощью рентгенофазового, дифференциально-термического и термогравиметрического анализов.
Исследование влияния минеральных добавок, содержащих высокоглиноземистые шлаки, на свойства цементного теста
Влияние трехкальциевого алюмината, несмотря на его меньшее содержание в составе портландцементного клинкера по сравнению с минералами-силикатами, весьма заметно на начальной стадии гидратации. СзА обычно ответственен за образование различных гидроалюминатов, гидрокарбо- и гидросульфоалюминатов кальция. Трехкальциевый алюминат реагирует с водой, образуя гидроалюминаты С4АНХ, а при взаимодействии с гипсом в течение нескольких минут образуется высокосульфатная форма гидросульфоалюмината кальция - эттрингит 3CaO-Al203-3CaS04-31H20. При пониженных концентрациях Са(ОН)2 и сульфата кальция возможно образование низкосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция 3СаО А12О3 CaS04 12Н20.
Перечисленные выше фазы в составе продуктов гидратации обыкновенных портландцементов не являются абсолютно стабильными, склонны к перекристаллизации, а также к взаимодействию между собой и с компонентами окружающей среды. По мнению авторов [98], трехкальциевый алюминат и силикаты кальция при контакте в водной среде могут образовывать гидросиликоалюминаты кальция состава 3СаО-А12О3 CaSiO312Н20. Под влиянием углекислого газа атмосферного воздуха в продуктах гидратации портландцемента возможно появление гидрокарбоалюмината кальция состава 3СаО-А1203-СаС0312Н20. По мнению авторов [161], при взаимодействии гидроалюминатов с углекислотой в начальный период образуется гидрокарбоалюминат состава 3СаО-А12О3-Са{НСО3\-пН20. Авторы [22] отмечают, что при выдерживании образцов во влажных условиях без применения специальных мер против карбонизации можно зафиксировать фазы, относящиеся к твердому раствору высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция и гидрокарбоалюмината кальция.
Содержание С3А оказывает определяющее влияние на его свойства, такие как, сроки схватывания и скорость набора прочности в ранние сроки твердения, а также коррозионная стойкость цементного камня и др. [159]
Вводимые алюминатные добавки вследствие кислотно-основного взаимодействия способны связывать гидроксид кальция, выделившийся в начальный период гидратации С3S, в нерастворимые соединения, алюминаты кальция типа СА2 и СА6, содержащиеся в высокоглиноземистом шлаке, при взаимодействии с водой образуют сложные гидратные фазы типа алюмозамещенных силикатов, а также некоторое количество гидроксида алюминия.
Исследования процессов гидратации алюминатов кальция чаще всего сводятся к рассмотрению кинетики взаимодействия чистых высокоосновных соединений или моноалюмината кальция с водой, при этом влияние соединений соотношения СаО:А12Оъ \ на образующиеся фазы подробно не изучено.
Поскольку в качестве компонента добавки к портландцементу нами используется высокоалюминатный шлак, состоящий из СА2 и СА6, состав продуктов гидратации таких портландцементов можно оценить с учетом имеющихся идентификационных характеристик различных гидроалюминатов [22, 64, 143] и соединений на их основе. Вносимые в состав цемента шлаком КВЦ диортоалюминат кальция СА2 и гексаалюминат кальция СА6 должны привести к изменению продуктов гидратации в сторону образования большего количества низкоосновных гидроалюминатов кальция и их соединений.
Для выявления особенностей формирования фазового состава продуктов гидратации цементного камня были выполнены химические анализы с определением количества кристаллизационной воды, определением количества свободного гидроксида кальция, а также рентгенофазовый, дифференциально-термический и термогравиметрический анализы. Идентификация фаз осуществлялась по общепринятым методикам с использованием отечественной литературы и зарубежной информационной базы Mineral Data.
Состав портландцемента КоличествоCa(OH)2 (впересчете на CaO), % Количествохимическисвязаннойводы, % №1: 80% клинкер + 5% гипс + 20% ДГШ 5,04 19,6 №2: 80% клинкер + 5% гипс + 10% ДГШ + 10% КВЦ 70-Б 3,36 22,8 №3: 80% клинкер + 5% гипс + 10% ДГШ+10% КВЦ 75-Б 3,01 23,4 №4: 80% клинкер + 5% гипс + 20% КВЦ 70-Б 2,49 24,1 №5: 80% клинкер + 5% гипс + 20% КВЦ 75-Б 2,24 23,5 В цементном камне, полученном при твердении композиционного портландцемента с комплексными минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, на 28 сутки твердения содержится меньшее количество свободного Ca(OH)2, чем в цементном камне, полученном при твердении портландцемента с добавкой 20% доменного гранулированного шлака. Причем, при полной замене доменного гранулированного шлака на высокоглиноземистый шлак в составе добавки, количество несвязанного гидроксида кальция уменьшается в 2 раза.
В составе продуктов гидратации композиционных портландцементов с комплексными минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, образуются соединения, содержащие большее количество химически связанной воды, возможно за счет более полной гидратации цемента, а также за счет образования продуктов, содержащих большее количество кристаллизационной воды.
Дериватограмма и рентгенограмма цементного камня, полученного при твердении портландцемента контрольного состава (№1), представлены на рис. 3.15 и 3.16.
На кривой ДТА имеется значительный низкотемпературный эндотермический эффект с двумя температурными максимумами - 118 С и 134С. Глубокий эндотермический эффект при температуре 118 С может быть отнесен к частичной дегидратации образовавшихся низкоосновных гидросиликатных фаз типа C-S-H (I), а эндотермический эффект при 134С к разложению эттрингита. В целом, в низкотемпературных эндотермических эффектах потеря массы составляет 8,8 %.
Кроме отмеченных эндоэффектов на дериватограмме имеется эндотермический эффект при температуре 495 С с потерей массы 2,6 %, характеризующий разложение гидроксида кальция. TG /% 100 744 С
Дериватограмма цементного камня, полученного при твердении портландцемента контрольно го состава, содержащего 20 % доменного гранулированного шлака (состав №1) На рентгенограмме гидратированного портландцемента состава №1 основная часть дифракционных максимумов, имеющих большую интенсивность, относится к гидроксиду кальция (d = (4,90; 2,62; 1,92)10-10 м). Повышенная интенсивность дифракционных максимумов свидетельствует о высоком содержании этого соединения. Значительная часть клинкерных минералов остается негидратированной, о чем свидетельствуют дифракционные максимумы с межплоскостными расстояниями d = (2,85; 2,77; 2,60)10-10 м, характерными для С3S. Использование комплексной минеральной добавки, состоящей из высокоглиноземистого шлака КВЦ 70-Б и доменного гранулированного шлака в соотношении 1:1, приводит к изменению фазового состава продуктов гидратации композиционного портландцемента (состав №2, рис. 3.17, 3.18).
Исследование влияния рецептурно-технологических факторов на свойства бетонных смесей на основе композиционного портландцемента с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки
Изготовление предлагаемых композиционных портландцементов с комплексными минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, можно осуществить на любом цементном заводе с использованием мельницы. Схема технологической линии для производства композиционного портландцемента представлена на рис. 5.1. Высокоглиноземистый шлак КВЦ поставляется на место производства в виде клинкера фракциями 0–5 и 5–15 мм. Клинкер портландцементый, шлак высокоглиноземистый, доменный гранулированный шлак (или доломит) и дозируются в соотношении 8:1:1. Кроме этого вводится гипсовый камень в объеме 5 %. Изготовление предлагаемых композиционных портландцементов осуществляется совместным помолом всех указанных компонентов в шаровой мельнице до удельной поверхности 280–320 м2/кг. Полученный совместным помолом исходных компонентов композиционный портландцемент с минеральными добавками должен соответствовать классу ЦЕМ II/А-К (Ш-ВГШ) 32,5Н ГОСТ 31108–2003. Способ производства непосредственно бетонных работ зависит от способа строительства гидротехнических сооружений. Технология производства работ определяется непосредственно типом конструкции, в которую укладывается бетон – массивная, тонкостенная, бетонная, железобетонная и т.д.
Способ производства бетонных работ назначается проектом производства работ в каждом конкретном случае. Процесс приготовления бетонной смеси на основе композиционного портландцемента заключается в последовательном выполнении операций, представленных на рис. 5.2. Бетонная смесь должна соответствовать ГОСТ 7473–2010, ГОСТ Р 55260.1.3–2012.
Для обеспечения температурного режима твердения бетона при использовании предлагаемых составов бетона в бетонных сооружениях в проекте производства работ, учитывая требования СП и рекомендации [2, 9–13, 167] необходимо применять следующие методы: 1. регулировать температуру бетонной смеси в процессе ее приготовления; 2. использовать поверхностное охлаждение уложенного бетона; 3. организовывать устройство теплой опалубки на наружных поверхностях блоков; 4. утеплять или укрывать горизонтальные поверхности блоков. Для того, чтобы регулировать температуру бетонной смеси в процессе приготовления и, как следствие, снизить тепловыделения при гидратации композиционного портландцемента с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, в бетоне, необходимо на территории строительной площадки иметь бетонный узел и закрытый охлаждаемый склад для хранения крупного заполнителя. Охлаждение бетона в массивных бетонных сооружениях после его укладки необходимо осуществлять в два этапа. Первый этап – в процессе твердения бетона для снижения температуры экзотермического разогрева в блоке (продолжительность 2-3 недели) путем поверхностного охлаждения, второй этап – охлаждение бетона в сооружении до среднемноголетней температуры наружного воздуха, позволяющее произвести омоноличивание швов сооружения.
Поверхностное охлаждение бетона следует применять для блоков высотой от 0,5 до 1 м путем полива, обеспечивающего на поверхности охлаждаемого бетона слоя воды, имеющего постоянное организованное течение в одном направлении со скоростью 5–8 см/с.
В зимний период перепад температур поверхности и ядра бетонного массива не должен превышать 25 С. Блоки, забетонированные в зимний период, должны выдерживаться в утепленной опалубке с применением электропрогрева.
Распалубка боковых граней перед бетонированием смежных блоков должна производиться под защитой шатра или тепляка. Поверхность блоков, забетонированных в теплое время года и не успевших остыть до наступления холодного периода (минимальная суточная температура 0 С, среднесуточная температура 5 С и ниже), должна быть утеплена.
Опыт промышленной апробации разработанных составов гидротехнических бетонов Результаты выполненных исследований свойств гидротехнических бетонов на основе композиционных портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, были использованы при производстве бетонных смесей для капитального ремонта участка автомобильной дороги М-53 на км 955- км 967 Федеральной автомобильной дороги. В процессе работы осуществлялось омоноличивание водопропускных лотков, водопропускных труб, водотоков периодического действия. Испытания материалов производили в лаборатории ООО ДПМК «Ачинская» согласно ГОСТ 10180-2012, ГОСТ 12730.0-78 (прил. 3).
Результаты производственных испытаний подтверждают экспериментальные данные об эффективности применения бетонов на основе портландцементов с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистый шлак, при строительстве сооружений, постоянно или периодически омываемых водой.
Оценка экономической эффективности изготовления гидротехнического бетона на основе композиционного портландцемента с минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки Расчет себестоимости выполнен с целью оценки экономической эффективности производства гидротехнического бетона на основе портландцемента контрольного состава ЦЕМ II / А-Ш 32,5Н и композиционного портландцемента с комплексными минеральными добавками, содержащими высокоглиноземистые шлаки, ЦЕМ II / А-К (Ш-ВГШ) 32,5Н. В расчете учитывались стоимость материалов, электроэнергия, оплата труда, страховые взносы во внебюджетные фонды, амортизация оборудования, дополнительные расходы (табл. 5.1).