Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса
Механическая активация материалов и области ее использования
Тонкоизмельченные минеральные добавки, их влияние на структуру и свойства цементного камня
Анализ изучения влияние активных минеральных добавок на процесс гидратации и свойства цементных систем
Регулирование свойств вяжущих и бетонов с применением суперпластификаторов и модификаторов бетона
Цель и задачи диссертационного исследования
2. Методы исследования и применяемые материалы
2.1 Характеристика сырьевых материалов
2.1.1 Цемент
2.1.2 Заполнители
2.1.3 Активные минеральные добавки
2.1.4 Добавка-суперпластификатор
2.2 Методика проведения исследований
ГЛАВА 3. Композиционные вяжущие с использованием тонкодисперсных компонентов различной природы
3.1 Формирование структуры бетона на основе композиционного вяжущего с использованием тонкодисперсных наполнителей различной природы
3.2 Вулканический пепел как активная минеральная добавка для композиционных вяжущих
3.2.1 Процессы диспергирования и механохимической активации вулканического пепла
3.2.2 Пуццолановая активность дисперсного вулканического пепла
3.3 Влияние степени наполнения композиционных вяжущих на
прочность цементного камня
Выводы по третьей главе
ГЛАВА 4. Модифицированные бетоны на композиционных вяжущих с тонкодисперсным компонентом различной природы 11 20 33
4.1 Определение рецептуры бетонных композитов фракционированных песков
4.2 Исследование заполнителей из пород вулканического происхождения для получения бетонов
4.3 Основные физико-механические свойства бетона на композиционном вяжущем
4.4 Эксплуатационные свойства бетона на композиционном вяжущем
4.4.1 Морозостойкость бетона
4.4.2 Водостойкость и водонепроницаемость бетона
4.5 Прочность сцепления арматуры с бетоном
Выводы по четвертой главе
применения получения
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность и перспективы использования композиционного вяжущего в производстве модифицированных бетонов процесса 148
5.1 Технико-экономическая эффективность композиционных вяжущих для модифицированных бетонов
5.2 Последовательность технологического производства композиционного вяжущего
5.3 Внедрение результатов работы
результатов
Заключение список
- Анализ изучения влияние активных минеральных добавок на процесс гидратации и свойства цементных систем
- Активные минеральные добавки
- Вулканический пепел как активная минеральная добавка для композиционных вяжущих
- Эксплуатационные свойства бетона на композиционном вяжущем
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Министерством регионального развития Российской Федерации разработан проект стратегического развития строительной индустрии до 2020 года, в котором поставили цель существенного увеличения производства цемента в два и более раза. В связи с этим, повышается потребление условного топлива на обжиг портландцементного клинкера, что повлечет за собой увеличение количества выбросов пыли и газообразных компонентов в атмосферу и окружающую среду.
Поэтому для решения проблем, связанных с экономией
невоспроизводимых природных ресурсов, необходимо переходить на
современные подходы получения бетонов нового поколения, то есть на
производство модифицированных бетонов с использованием компози
ционных вяжущих. Сущность такого подхода заключается в частичной
замене клинкера, самой дорогой цементной составляющей, реакционными
тонкодисперсными минеральными компонентами природного и
техногенного происхождения, обладающими значительной химической активностью и запасом внутренней энергии.
Для создания высококачественных композиций вяжущих веществ
необходимо изначально целенаправленно управлять технологией
производства на основе использования реакционно-активных минеральных компонентов, применения химических модификаторов и современных технологических приемов для активации их свойств и проведения исследований по разработке наиболее рациональных составов вяжущего.
В связи с этим, разработка новых эффективных составов вяжущего с
использованием тонкодисперсных реакционно-активных минеральных добавок для
производства модифицированного бетона, используемого в монолитном и сборно-
монолитном строительстве, является актуальной задачей современного
строительного материаловедения.
Степень изученности проблемы. Анализ научных разработок Г.И. Горчакова, Ю.М. Баженова, Л.И. Дворкина, В.И. Соломатова, А.В. Волженского, Ю.М. Бутта, И.А. Рыбьева, В.Н. Вырового, А.Г. Комар, А.С. Пантелеева, М.А. Ахматова и других источников отечественной и зарубежной научно-технической литературы по производству бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием механоактивированных минеральных добавок различного происхождения, показал, что опыт разработки рецептур вяжущего с использованием природных ресурсов Северного Кавказа, особенно в Чеченской Республики, довольно невелик, если сравнивать с производством бетонов на основе традиционных вяжущих. Процессы образования структуры и прочности модифицированных бетонов в настоящее время мало изучены, а результаты исследования влияния тонкодисперсных реакционно-активных минеральных наполнителей на свойства модифицированных композитов изучены недостаточно и
подтверждают актуальность вопросов разработки оптимальных рецептур композиционных вяжущих и бетонов.
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью
диссертационного исследования является повышение эффективности вяжущего за счет использования в его составе тонкодисперсных минеральных добавок из природного сырья Северного Кавказа для получения высококачественных модифицированных бетонных композитов.
Для достижения поставленной цели диссертации решены следующие задачи:
- исследовано влияние процесса механоактивации тонкодисперсных
минеральных компонентов вяжущего природного и техногенного
происхождения на его реакционную активность;
- предложены рецептуры и изучены свойства композиционных вяжу
щих с реакционно-активными тонкодисперсными минеральными добавками;
- разработаны цементы низкой водопотребности на основе
тонкодисперсных минеральных компонентов природного и техногенного
происхождения и произведена оценка их качества;
- установлена зависимость свойств модифицированного бетона от
вида композиционного вяжущего на основе реакционно-активных
тонкоизмельченных добавок;
- осуществлено технико-экономическое обоснование эффективности
использования предложенных решений;
- разработаны нормативно-технические документы для внедрения ре
зультатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований в
производство и учебный процесс.
Рабочая гипотеза диссертационного исследования – возможность
получения высокоэффективных модифицированных бетонных композитов с
применением композиционного вяжущего на основе тонкодисперсных
минеральных добавок-наполнителей. Для подтверждения рабочей гипотезы
необходимо выявить зависимость между физико-механическими и
эксплуатационными свойствами модифицированных бетонов и рецептурой цементно-минеральной системы, установить оптимальную дозировку вводимых химических добавок, изучить формирование структуры композита и технологию модифицированных бетонов.
Научная новизна диссертационного исследования:
– установлен характер формирования структуры бетона на основе
композиционного вяжущего с использованием тонкодисперсных
наполнителей различной природы;
– установлена зависимость изменения порового пространства бетона от его основных физико-механических свойств;
– установлена оптимальная рецептура композиционного вяжущего и предложены составы модифицированных высококачественных бетонов;
–доказана химическая активность вулканического пепла, как реакционно-активного компонента композиционного вяжущего;
– выявлено влияние тонкодисперсной реакционно-активной минеральной
добавки на физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных бетонов;
– исследованы рецептуры цементов низкой водопотребности и установлена зависимость между активностью вяжущих и темпами набора прочности высококачественных модифицированных бетонов.
Теоретическая значимость работы обоснована тем, что:
– предложены принципы оптимизации физико-механических и
эксплуатационных свойств модифицированных бетонов путем
использования композиционных вяжущих на основе реакционно-активного минерального компонента;
– показана возможность комплексной модификации бетона реакционно-активным минеральными компонентами и химическими добавками;
– развита теория гидратации и твердения композиционного вяжущего на основе реакционно-активных минеральных компонентов различной природы, а также раскрыты основные положения теории структурообразования модифицированного бетона;
– изложены основные положения, касающиеся снижения себестоимости
разработанных модифицированных бетонов, предназначенных для
монолитного и сборно-монолитного строительства зданий и сооружений;
– 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: «Вяжущие вещества», «Технология бетона», «Строительные материалы», «Ресурсо- и энергосбережение в строительном материаловедении» и др.
Практическая значимость диссертационного исследования:
– показана возможность экономии наиболее дорогой составляющей цемента за счет использования химически активных тонкодисперсных минеральных добавок в рецептуре вяжущего;
– разработаны рецептуры эффективных композиционных вяжущих и цементов низкой водопотребности, улучшающие процесс формирования структуры бетона, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированного бетона;
– разработан технологический регламент на производство композиционного
вяжущего с использованием тонкодисперсного реакционно-активного
вулканического пепла;
– разработаны технические условия на производство модифицированного бетона на основе композиционного вяжущего с использованием тонкодисперсного реакционно-активного вулканического пепла.
Внедрение результатов работы. Результаты проведенных
исследований по получению модифицированных бетонов на основе композиционного вяжущего с применением тонкодисперсного реакционно-активного вулканического пепла внедрены ООО «Евротелеком» при
строительстве 9 - этажного монолитного жилого дома в г. Грозный для устройства сплошного плитного фундамента.
Разработаны нормативно - технические документы:
– технологический регламент на производство композиционного вяжущего с использованием тонкодисперсного реакционно-активного вулканического пепла;
– технические условия на производство модифицированного бетона на основе композиционного вяжущего с использованием тонкодисперсного реакционно-активного вулканического пепла.
Теоретические аспекты и результаты экспериментальных разработок, полученных при выполнении диссертационного исследования, используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, специалистов и магистров, обучающихся по направлению «Строительство».
Методология и методы исследования основывается на
установленных положениях теории твердения вяжущих материалов с использованием реакционно-активных различной природы, в частности, вулканического пепла из КБР, золы ТЭЦ г. Грозного, известняковой муки ЧР и кварцевого порошка, а также математической логики, технологии композиционных материалов. Исследования проводились с учетом действующих государственных стандартов и рекомендаций.
Основные положения, выносимые на защиту:
– результаты исследований гранулометрического, химического и минерального составов сырьевых компонентов;
– анализ результатов проектирования рецептур композиционных вяжущих на основе реакционно-активных компонентов;
– анализ результатов проектирования рецептур цементов низкой водопотребности на основе реакционно-активных компонентов;
– свойства композиционных вяжущих и цементов низкой
водопотребности для производства модифицированных бетонов;
– оптимальные рецептуры модифицированных бетонов и зависимости их основных свойств от различных технологических и других факторов;
– результаты апробации.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
- использованием апробированных методов экспериментального
исследования, поверенного оборудования;
- использованием современного программного обеспечения при
обработке экспериментальных данных, испытанием необходимого количества
контрольных образцов.
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
-
Всероссийской научно-практической конференции «Теория сооружений: достижения и проблемы», г. Махачкала, 2012 г;
-
Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ ВО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова», г. Грозный, 2015 г.;
3. Научно-практической конференции к 85-летию заслуженного
деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича, Белгород, 2015.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 научных статей, из них рецензируемых – 5, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ и 1 статья в издании, индексируемом в международной базе цитирования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 197 наименований и 5 приложений. Основная часть изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 47 таблиц.
Анализ изучения влияние активных минеральных добавок на процесс гидратации и свойства цементных систем
Все эти явления способствуют формированию большого запаса «избыточной» энергии. И, в итоге, возникают частицы размерами соответствующими параметрам элементарной кристаллической решетки. Продолжение диспергирования может повлечь за собой разрушение кристаллических связей, тем самым соответственно изменяются термодинамические характеристики минералов, что повлечет за собой к изменению его реакционной способности. Впервые термин «механоактивация» вещества был предложен А. Смекалом. В своей формулировке он описывает сущность механической активации, как развитие усиления реакционной способности минерального компонента, в котором механоактивированный компонент остается постоянным. Так же он отмечает процесс, в котором в следствии механоактивации минеральной добавки изменяется химический состав или строение материала, в таком случае это считается механохимической активацией материала. Следовательно, механоактивация, в предложенной терминологии, предшествует механохимической активации и исчезает во время реакции [24].
В качестве сравнения можно рассмотреть определения механоактивации, предложенные в докладе, на X Симпозиуме по механоэмиссии и механохимии (сентябрь 1986 г., Ростов-на-Дону): «Под активизацией мы будем понимать процесс накопления дефектов на поверхности частиц порошков» (А.А. Бобрышев); «При активации теряется структурная устойчивость вещества» (М.В. Чайкина); «Все процессы, ускоряющие химические реакции, – есть активация» (Е.Г. Авакумов); «Механоактивация твердых тел определяются дефектной структурой частиц..., создаваемой при конкретных условиях механической обработки» (Н.Г. Каказей) []. Следовательно, можно сделать вывод, что механоактивация тесно связана с изменением кристаллической решетки материала. Анализ изложенных представлений о механоактивации и механохимической активации минеральных материалов при измельчении в различных процессах можно рассматривать как самопроизвольно протекающий экзотермический процесс, который не нуждается в дополнительном источнике энергии, т.е. для образования новообразований, иногда, достаточно энергии, заложенной в исходном активируемом материале.
Из опыта известно [15,34,45], что материал в тонкодисперсном состоянии становится более химически способным, интенсивно реагирует с другими компонентами, плавится при более низких температурах, лучше спекается и т.д., при этом эти особенности вызываются не только самой дисперсностью, но и активацией в процессе измельчения. Уменьшение поверхностной энергии и «старение» поверхности наблюдается в результате длительного пребывания вещества в измельченном состоянии.
Множество физических явлений, сопровождающих удар или трение, в итоге, переходят в химические превращения и влекут за собой кристаллохимические преобразования. Способы механического воздействия на твердые вещества это удар и трение вызывают следующие физические явления: – нарушается сплошность вещества и увеличивается удельная поверхность материала (механокрекинг, механолизм и т.п.), в результате чего образуются свободные радикалы, обладающие запасом внутренней энергии и некомпенсируемые химические связи; – кристаллическая решетка породообразующих минералов нарушается, в результате чего появляются точечные микродефекты, микротрещины и линейные дислокации, которые несут в себе соответствующий запас внутренней энергии, являющейся избыточной; – образуются упругие и пластические деформации; – выделяется теплота, которая вызывает разогрев механоактивируемого материала; – интенсифицирует передачу электронов, что создает разность потенциалов. Следовательно, импульс механического воздействия при измельчении твердых тел посредством удара или трения вызывает некоторые изменения химического и кристаллохимического строения [90].
Анализируя производство строительных материалов, можно выделить наиболее важные факторы, интенсифицирующие процесс образования новообразований, в результате механического измельчения твердого тела: – свободная поверхность измельчаемого материала повышается, и этот процесс зависит от скорости и кинетики измельчения; – нарушение и образование микродефектов в кристаллической решетки; которые обладают внутренней энергией и дислокациями, служащими движущей силой механохимических реакций; – изменение кристаллической решетки материала, возникающее в результате приложения механических сил, так и в период релаксации внутренних напряжений и деформаций, то инициатором интенсификации синтеза новообразований будет энергетическое состояние механоактивированных твердых веществ; – механолиз и механокрекинг, процессы образующиеся в следствие механического измельчения, связанные с нарушения сплошности твердого тела; – появление такого размера ультрадисперсных частичек, при достижении которого полученное вещество вынуждено, будет трансформироваться; – при механическом измельчении ударом или трении, возникают электромагнитные волны, механизм их протекания можно уподобить фотохимическим или радиохимическим превращениям; – появление теплоты, выделяющегося при механическом воздействии ударом или трении, способствует ускорению этого процесса, и объясняется как для обычных химических реакций.
Активные минеральные добавки
Для определения качественных показателей сырьевых материалов для получения исследуемых модифицируемых бетонов и композиционных вяжущих применялось поверенное оборудование, и исследования проводились строго по методикам соответствующих нормативных документов: ГОСТ 310.1 – Цементы. Методы испытаний. Общие положения; ГОСТ 310.2 – Цементы. Методы определения тонкости помола; Инструкция по измерению удельной поверхности цементов и аналогичных порошкообразных материалов при помощи прибора ПСХ-12 ГОСТ 310.3 – Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема; ГОСТ 310.4 – Цементы. Методы определения пределов прочности при изгибе и сжатии; ГОСТ 8735 – Песок для строительных работ. Методы испытаний; ГОСТ 8269 – Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний. про
В качестве вяжущего в экспериментах использовался портландцемент (ПЦ) ЦЕМ 1 42,5 Н ГУП «ЧЕЧЕНЦЕМЕНТ» Чири-Юртовского цементного завода. Химический состав этого портландцемента представлен в таблице 2.1. Минералогический состав и основные характеристики представлены в таблицах 2.2 и 2.3. Таблица 2.1- Химический состав портландцемента, % Si02 A1203 Fe203 MgO CaO so3 Ti02 ппп Na20 к2о 20,09 5,30 4,06 2,03 63,14 2,44 0,066 2,20 0,22 0,38 Таблица 2.2-Минералогический состав портландцемента Наименование Минералогический состав, % c3s C2S С3А C4AF ЦЕМ 1 42,5 НГУП «ЧЕЧЕНЦЕМЕНТ» 59 16 8 13 Таблица 2.3- Основные характеристики портландцемента Завод-изготовитель и марка Удельнаяповерхность,см2/г НГ,%25 Плотность, кг/м3 Срокисхватывания,час. - мин. Активность, МПа, 28 сут начало конец сжатии изгибе ЦЕМ 1 42,5 Н ГУП «ЧЕЧЕНЦЕМЕНТ» 3300 3100 2-15 3-40 52,6 6,2 2.1.2 Заполнитель Заполнители применяемые в экспериментальных исследованиях были использованы местные Чеченской Республики, щебень Аргунского месторождения, мытые отсевы дробления горных пород Аргунского месторождения, песок Червленского месторождения, модуль крупности Мк = 1,8 . В таблицах 2.4–2.7 приведены основные физико-механические характеристики заполнителей. Таблица 2.4-Основные физико-механические характеристики отсевов дробления Аргунского карьера Полные остатки (%) на ситах, мм Модуль крупности Межзер-новаяпустот-ность,% Насыпная плотность, кг/м3 Маркаподроби-мостифракции5-10мм 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 75,2 96,9 97,8 98,2 98,3 98,4 4,89 46,0 1535 M800 Испытания отсевов дробления горных пород проводились согласно ГОСТ 8735 «Песок для строительных работ. Методы испытаний» и ГОСТ 8269.0 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний». Таблица 2.5 – Свойства местного Аргунского щебня фр. 5-20 мм из валунно-гравийных смесей № п.п. Наименование показателя Значение показателя 1 Определение зернового состава материала: Согласно ГОСТ 8269.0-97 (2004) фр. 5-20 мм сита, мм 20 10 5 5 част. ост., % 15,4 68,2 38,6 0,4 полн. ост., % 15,4 83,6 99,6 - 2 Определение прочности щебня: марка щебня М600-800 3 Определение насыпной плотности, кг/м3 1366 4 Определение истинной плотности, г/см3 2,64 5 Содержание дробленых зерен, % 96,2 6 Определение содержания зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм, % 9,3 7 Определение содержания зерен слабых пород, % 4,8 8 Определение содержания пылевидных и глинистых, % 1,8 9 Содержание глины в комках, % нет 10 Определение средней плотности, г/см3 2,59 11 Определение пустотности щебня, % 42,0 Таблица 2. 6 – Основные физико-механические характеристики песков 1. Песок Червленного месторождения Размер сит, мм 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 Остаток на дне сит Частные остатки, % 2 4 14 44 34 2 Полные остатки, % 2 6 20 64 98 Модуль крупности 1,9 Содержание пылевидных и глинистых частиц, % 2,4 Истинная плотность зерен, кг/м3 2620 Средняя насыпная плотность, кг/м3 1560 Пустотность песка, % 40,5 Отсев дробления Аргунского месторождения использованный в экспериментах соответствовал требованиям ГОСТ 8267 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» и позволял производить бетоны с необходимыми показателями назначения. Таблица 2.7 - Химический состав песков, % Наименование Si02 A1203 Fe203 MgO CaO so3 Ti02 ппп ПесокЧервленскогоместорождения 67,62 12,55 3,78 2,31 7,48 0,36 0,10 5,8 В качестве крупного заполнителя использовался щебень с Аргунского месторождения. Для проведения исследований были исследованы и использовались мытые природные кварцевые пески, их физические свойства были определены по методикам ГОСТ 8735 "Песок для строительных работ. Методы испытаний".
В качестве тонкодисперсного реакционно-активного минерального наполнителя использовались горные породы природного и техногенного происхождения. Активные минеральные породы вулканического происхождения, в настоящее время имеются в большом количестве в Кабардино-Балкарской Республике. Вулканические - это пирокластические горные породы, состоящие из скрепленных между собой мелких обломочных продуктов вулканических выбросов и мельчайших пылевидных частиц лавы. Более крупные обломки выпадают на склонах вулканов, мельчайшие же частицы охлаждаются воздухом и осаждаются на землю в виде вулканического пепла. Если вулканический пепел сохраняет при этом землисто-рыхлое строение, то его часто называют пеплом; если же он в результате вторичных процессов превращается в пористую камневидную породу, – то вулканическим туфом.
В Кабардино-Балкарской Республике (КБР) семь известных месторождений вулканических пород: Заюковское (вулканический туф), Каменское (вулканический туф), Куркужинское (вулканический туф, пепел), Лечинкаевское (облицовочный туф), Нальчикское (вулканический туф, пепел, пемза), Кенженское (вулканический пепел, вулканический туф), Белореченское (вулканический пепел). На рисунке 2.1 и 2.2 показаны Кенженское месторождение вулканических пород и Каменский карьер по разработке вулканического пепла.
Вулканический пепел как активная минеральная добавка для композиционных вяжущих
Сущность этой методики состоит в том, что по кинетике нарастания температуры схватывающегося цементного теста нормальной густоты возможно с минимальной погрешностью для практики точно зафиксировать промежуток перехода цементного теста из пластично-вязкого состояния в твердое, то есть выявить конец периода формирования структуры, который условно соответствует концу схватывания.
Эксперимент проводят в следующей последовательности: отмеряем 150- 200 см3 теста нормальной густоты, которое приготовляем по ранее рассмотренной методике, укладываем его в стеклянный стакан, который затем помещаем в сосуд Дьюара. Сосуд Дьюара закрываем резиновой пробкой, в которой помещен изученный ранее термометр, но конец его должен быть погружен в реагирующую смесь, поэтому его необходимо изолировать полиэтиленовой пленкой, во избежание контакта с твердеющей смесью: измеряют температуру предположительно через каждые 30 мин до того как ртутный шарик достигнув максимума, не начнет падать. По результатам проведенного исследования выстраивают график зависимости «температура–время». За конец схватывания композиционного вяжущего принимается промежуток времени от начала затворения цемента водой до момента интенсивного возрастания температуры.
Технологические свойства цементно-минеральных смесей изучались в соответствии с ГОСТ 310.4 на встряхивающем столике, предложенная методика отличается точностью, не требует больших трудозатрат. Для исследования жесткости и подвижности модифицированных бетонных смесей применяли технический вискозиметр и стандартный форма-конус. Для определения механических свойств модифицированных бетонов проводились испытания по определению предела прочности на сжатие и изгиб и деформативных показателей на прессе МП-1000 «Щелкунчик». По ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» определялись прочностные характеристики образцов. По ГОСТ 10180 «Бетон тяжелый. Методы определения прочности» определяли предел прочности при изгибе. Прочность сцепления модифицированного бетона с арматурной сталью изучалась на разрывном аппарате для испытаний металлов Р-100.
В данной работе для проведения экспериментов изготавливались образцы размеров 4x4x16 см; 10х10х10 см; 7,07x7,07x22 см; 15x15x15 см и 40х40х15 см. Проектирование рецептур модифицированных бетонных смесей производилось по ГОСТ 27006 «Бетоны. Правила подбора состава бетона» и по рекомендациям к ГОСТ 27006-86 по подбору составов тяжелых бетонов.
Формование исследуемой бетонной смеси осуществлялось на лабораторной виброплощадке СМЖ-539 М. Уплотнение производили при частоте 2800 кол/мин, с амплитудой колебаний 0,15-1,0 мм, через 15–20 минут после формования. Для определение прочности неразрушающими методами использовался ультразвуковой прибор «Пульсар – 1.1», исследования проводились в соответствии с ГОСТ 22690 «Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля» и ГОСТ 17624 «Бетоны ультразвуковой метод определения прочности».
Физические свойства такие как средняя плотность, водопоглощение и некоторые другие свойства бетона исследовались в соответствии ГОСТ 12730.0 «Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости» и ГОСТ 12730.3 «Бетоны. Метод определения водопоглощения».
Полагаясь на дилатометрический метод ускоренного определения морозостойкости Анализ спилов цементного камня на ЦНВ-70 на основе вулканического пепла, показал, что отдельные зерна наполнителя окружены ореолом с ярко выраженной зональностью. В зоне контакта «заполнителя – цементный камень» образовалась прослойка более светлого цвета, которая отличается по своей структуре от непосредственно самого цементного камня. Это объясняется тем, что на поверхности минерала кварца есть дефекты, возникающие в результате механических воздействий, или образующиеся в контактной зоне «цементный камень–заполнитель» с появлением кристаллизационных связей. Частички тонкодисперсной минеральной добавки вулканического пепла характеризуются ярко выраженной развитой морфологией поверхности и размытыми контурами, что объясняется химическим взаимодействием с клинкерными минералами портландцемента. Высокая дисперсность минерального компонента организует не только прочную структуру композита, но и реализует себя в качестве гидравлического вяжущего в формировании долговечного конгломерата. Все перечисленные преимущества и достоинства образующихся модифицированных структур цементного композита предполагают регулировать свойства бетонного материала начиная со стадии подбора формовочных смесей, что, в результате уменьшит затраты и оптимизирует технологию производства бетона.
Таким образом, использование полученных цементов низкой водопотребности на основе применения активной минеральной добавки различного происхождения, позволяет получать высококачественные бетоны с классом прочности от В60 до В100, снижают нормальную густоту бетонных смесей на 25–30 % , при этом подвижность смеси остается постоянной. Кроме того, применение ЦНВ позволяют повышать темпы набора прочностных показателей бетона, что дает вероятность отказа от тепловой обработки и способствует получению необходимой для распалубки прочности за промежуток времени 18-24 часов. 3.2.2 Пуццолановая активность дисперсного вулканического пепла
Активные минеральные добавки — это механоактивированные вещества, состоящие, в основном, из аморфного кремнезема SiО22Н2О более 50 %), обладающие способностью связывать известь в низкоосновные гидросиликаты кальция.
Именно к таким добавкам-наполнителям относится вулканический пепел, который представляет собой смесь частично аморфизованного стекла, некоторых силикатов и алюмосиликатов, содержит более 74 % диоксида кремния и гидратной воды. Анализ проведенных исследований свидетельствует о том, что активность вулканическего пепла обусловливается химическим и фазовым составами. Под длительным влиянием воды, углекислоты и других факторов аморфизованное стекло содержит до 5-10 % связанной воды.
В вулканических горных породах существует несколько разновидностей связанной воды. Кристаллизационная вода входит в состав кристаллических соединений, другая часть адсорбционно-связанная. Но эти два вида гидратной воды не указывают на активность вулканического пепла. А вот вода, находящаяся в кремнеалюмокислородных тетраэдрах кристаллитах в виде групп ОН–, определяет реакционную способность вулканических горных пород. Доказано, что силанольные группы (Si–OH) химически активны, и группы ОН– перемещают, в результате связи ослабевают, и уменьшается их способность противостоять действию щелочей, кислот. Щелочи сильно разъедают почти все стекла, растворяя даже их структурную решетку. Интенсивность протекания щелочной коррозии является следствием того, что гидроксильные группы ОН– могут разрушать кислородные мостиковые связи соединяющие два иона кремния или ионом кремния и алюминия, следовательно вулканический пепел растворяется.
Таким образом, растворимые силикаты и алюминаты вступают в
реакцию с известью с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция переменного состава (0,8-l,5)CaO–SiO2–(l4-2,5)H2O, гидроалюминатов (СзАН6), или гидроалюмосиликатов (C2ASH8) [50,52]. Результаты определения гидравлической активности тонкодисперсного вулканического пепла по методике поглощения добавкой оксида кальция СаО из известкового раствора представлены в таблице 3.12 и на рисунке 3.14. Титр соляной кислоты в мг СаО - 1,4 мг; содержание СаО в 50 мл насыщенного раствора -59,6 мг.
Результаты определения гидравлической активности тонкодисперсного вулканического пепла по методике поглощения добавкой оксида кальция СаО из известкового раствора показали, что тонкодисперсные минеральные порошки вулканического пепла по величине поглощения оксида кальция (185,1 мг/г) можно отнести к добавкам с реакционной гидравлической активностью.
модифицированных бетонов, для этого применяли прибор «БЕТОН-ФРОСТ» и автоматическую морозильную.
Для исследования макро- и микроструктура модифицированного бетона и изучения химического состава сырьевых компонентов использовали дисперсионно-энергетический спектрометр (ДЭС) растрового электронного микроскопа Quanta 3D 200i с интегрированной системой микроанализа Genesis Apex 2 EDS от EDAX. Обработка полученных спектров осуществлялась при помощи программного ресурса EDAX TEAM.
На данном электронном микроскопе изучались сколы модифицированного бетона, цементного камня, реакционно-активных тонкодисперсный минеральных добавок, на основе этого были получены электронные микрофотографии, которые присутствуют в работе.
Образцы материалы прикреплялись на стандартные объектодержатели, далее специальным токопроводящим заземляющим клеем крепились на объектодержатель. Структура модифицированного бетона, активного минерального компонента просматривалась при увеличениях: х 45 - обзорное фото; х 150-300-700 - детали исследуемого участка; х 1500-2000 - фрагменты деталей исследуемого участка. На дифрактометре типа Дрон-2 проводили рентгенофазовый анализ с регистрацией результатов испытаний на самопишущем потенциометре при непрерывном процессе. Рентгенофазовый анализ показывает те показатели, которые соответствуют каждой фазе на рентгенограмме с определенным набором пиков различной интенсивности - набор межплоскостных расстояний. Анализ фаз полученных новообразований проводился по специальным табличным данным. Содержание кристаллических новообразований определяли методом внутреннего стандарта, представляющим собой некоторое количество стандартного вещества и сравнение эффективности его с эффективностью линий исследуемого компонента. Испытание вяжущих веществ проводилось в соответствии с ГОСТ 310.1 «Цементы. Методы испытаний. Общие положения», ГОСТ 310.2 «Цементы. Методы определения тонкости помола», ГОСТ 310.3 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема», ГОСТ 310.4 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии», ГОСТ 5382 «Цементы. Методы химического анализа», ГОСТ 6139 «Песок стандартный для испытаний цемента. Технические условия».