Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Технологии высококачественных и легких бетонов 10
1.1 Высокопрочные бетоны: состав, опыт применения 11
1.2 Легкие бетоны: классификация, состав, область применения 16
1.3 Отечественный и зарубежный опыт производства легких бетонов с повышенной прочностью 1 18
1.4 Полые микросферы. Виды, область применения 29
1.5 Обзор патентной документации 34
Выводы 41
ГЛАВА 2. Исходные материалы, методы исследований, приборы и оборудование 43
2.1 Цель и задачи исследования 43
2.2 Характеристика сырьевых материалов 43
2.2.1 Вяжущие 43
2.2.2 Минеральная часть 46
2.2.3 Наноразмерный модификатор 49
2.2.4 Модифицирующие добавки 50
2.2.5 Водопроводная Вода 51
2.3 Методы исследований, приборы и оборудование 51
2.4 Статистическая оценка результатов измерений 55
2.4.1 Оценка погрешности в косвенных измерениях 55
2.4.2 Регрессионный анализ экспериментальных данных 55
2.4.3 Методы математического планирования эксперимента 55
ГЛАВА 3. Методологические принципы создания наномодифицированных высокопрочных легких бетонов 57
3.1 Декомпозиция системы качества наномодифицированных высокопрочных легких бетонов : 57
3.2 Выделение управляющих рецептурных и технологических факторов 61
3.3 Методика проектирования состава 66
3.4 Обоснование выбора компонентов и выбор наполнителя 74
3.5 Скаляризация критерия качества НМВПЛБ 80
Выводы 84
ГЛАВА 4. Структурообразование и физико-механические свойства наномодифицированных высокопрочных легких бетонов 86
4.1 Структурообразование высокопрочных легких бетонов 86
4.2 Реологические свойства 93
4.3 Средняя плотность и пористость 102
4.4 Прочность 111
4.5 Многокритериальная оптимизация 123
Выводы 127
ГЛАВА 5. Эксплуатационные свойства наномодифицированных высокопрочных легких бетонов 131
5.1 Водопоглощение и водостойкость 131
5.2 Модуль упругости и трещиностойкость 133
5.3 Теплофизические свойства 138
5.4 Морозостойкость 140
5.5 Техническо-экономическая эффективность 141
Выводы 144
ГЛАВА 6. Практические аспекты внедрения наномодифицированного высокопрочного легкого бетона 146
6.1 Практические аспекты внедрения 146
6.2 Расчет параметров технологического оборудования 149
6.3 Технико-экономическое обоснование внедрения 154
6.4 Внедрение результатов 161
Выводы 164
Общие выводы І 165
Библиографический список 170
- Отечественный и зарубежный опыт производства легких бетонов с повышенной прочностью
- Статистическая оценка результатов измерений
- Методика проектирования состава
- Теплофизические свойства
Введение к работе
Актуальность темы.
Легкие бетоны в настоящее время, как правило, применяются в малоэтажном строительстве, что связано с их невысокими эксплуатационными свойствами. Снижение средней плотности и повышение прочности таких бетонов является актуальной научно-практической задачей современного материаловедения. Технологические ограничения достижения высоких значений удельной прочности материалов в технологии ячеистых бетонов связаны с высокой дефектностью стенок цементного камня, разделяющих воздушные ячейки, а в технологии легкого бетона на пористых заполнителях - низкой прочностью и высокой сорбционной способностью зерен легкого заполнителя, а также сложностями его распределения в объеме материала.
Отечественными и зарубежными учеными преодоление указанных сложностей предложено осуществлять посредством использования стеклянных или алюмосили-катных микросфер, характеризующихся малыми размерами (до 500 мкм), что в соответствии с законом Стокса существенно снижает скорость всплытия частиц, а также высокой удельной прочностью (до 70 МПа), обеспечивающей получение легкого высокопрочного материала. Однако введение микросфер вследствие технологических особенностей их получения приводит к формированию дефектной границы раздела фаз «цементный камень - микросфера», что не позволяет полностью реализовать весь их потенциал.
Возможным решением для создания высокопрочных легких бетонов, наполненных полыми микросферами, может являться повышение адгезии на границе раздела фаз за счет применение эффективных наномодификаторов, а также использование компонентов, повышающих прочность и плотность цементной матрицы.
Научные и практические данные и закономерности, установленные и обобщенные в диссертационной работе, получены автором в научно-образовательном центре по направлению «Нанотехнологии» и на кафедре «Технологии вяжущих веществ и бетонов» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» при выполнении гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых МД-6090.2012.8, стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам СП-565.2012.1 и в рамках программы «У.М.Н.И.К.» по теме «Разработка составов нано-модифицированных высокопрочных легких бетонов» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка технологии высокопрочных легких бетонов, обладающих повышенными показателями эксплуатационных свойств, посредством наномодифипиро-
вания полых микросфер комплексным наномодификатором на основе золей гидро-ксида железа (III) и кремниевой кислоты.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
обосновать возможность получения эффективных легких бетонов на полых микросферах с повышенными эксплуатационными свойствами;
обосновать выбор компонентов, обеспечивающих максимальную удельную прочность легкого бетона;
исследовать процессы структурообразования цементного камня в присутствии наноразмерного модификатора;
разработать методику проектирования составов наномодифицированного высокопрочного легкого бетона;
установить влияние рецептурных и технологических факторов на процессы структурообразования, структуру и эксплуатационные свойства наномодифицированного высокопрочного легкого бетона;
разработать составы и технологические режимы изготовления наномодифицированного высокопрочного легкого бетона с заданными показателями эксплуатационных свойств;
провести оценку экономической эффективности и определить рациональные области применения наномодифицированного высокопрочного легкого бетона;
провести опытно-производственное апробирование результатов исследования.
Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области строительного материаловедения, механики разрушения композитов, современного бетоноведения, системного анализа. Информационную базу составляют монографические работы, материалы научно-технических конференций, объекты интеллектуальной собственности, статьи в периодических изданиях и научных сборниках по исследуемой проблеме.
Работа выполнена с применением методологических основ строительного материаловедения в системе «рецептура, технология - структура - свойства» (системно-структурный подход).
При проведении исследований использовались физико-химические методы оценки характеристик структуры и свойств, методы активного планирования экспе-
римента, методы регрессионного и корреляционного анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ. Научная новизна работы:
-
Обоснована возможность создания высокопрочных легких бетонов, наполненных наномодифипированными полыми микросферами, с повышенными эксплуатационными свойствами за счет применения наноразмерного модификатора, состоящего из золя гидроксида железа (III) и золя кремневой кислоты и привитого на поверхности стеклянных или алюмосиликатных полых микросфер, способствующее ускорению процессов гидратации портландцемента (золь гидроксида железа (III)) и образованию дополнительного количества гидросиликатов кальция (золь кремниевой кислоты) на границе раздела фаз «цементный камень - микросфера», приводящих к уплотнению и упрочнению зоны контакта.
-
Установлено, что краевой угол смачивания полых стеклянных и алюмосиликатных микросфер водой равен 78,1±0,1 и 89,2±0,1, соответственно. При этом микросферы не обладают развитой поровой структурой (объем дефектов структуры с размерами 40,9 нм равно 3,84-10 м /кг). Увеличение расхода воды для получения бетонных смесей требуемой подвижности при введении микросфер (на 25%: с В/Ц = 0,3 до В/Ц =0,375) связано только с шероховатостью их поверхности.
-
Установлены зависимости влияния основных рецептурных и технологических факторов на процессы структурообразования, параметры структуры и эксплуатационные свойства наномодифицированного высокопрочного легкого бетона, позволяющие установить рациональные границы варьирования рецептурно-технологических факторов.
Практическая значимость работы:
разработана методика проектирования составов бетона с повышенной прочностью на стеклянных и алюмосиликатных полых микросферах;
разработаны составы и режимы изготовления наномодифицированного высокопрочного легкого бетона, обладающего высокими показателями физико-механических, теплофизических и эксплуатационных свойств;
получены наномодифицированные высокопрочные легкие бетоны, обладаю-щие следующими основными свойствами: средняя плотность - 1300... 1500 кг/м , предел прочности при сжатии -40...70 МПа; общая пористость - 33,4%; модуль упругости - 9,5...15,2 ГПа; коэффициент Пуассона - 0,13...0,15; водопоглощение по массе - 1,0 %; коэффициент водостойкости - 0,95; коэффициент теплопроводности -0,48.. .0,70 Вт/(мК); марка по морозостойкости - F300.
Внедрение результатов:
разработанные высокопрочные легкие бетоны прошли производственные испытания на предприятии ООО «Бессоновский домостроительный комбинат» в Пензенской области. Были изготовлены ригели размером 1980x370x200 мм из составов бетона с проектной средней плотностью 1500 кг/м . Средняя плотность бетона соста-вила 1518±43 кг/м , предел прочности при сжатии - 55±2 МПа;
теоретические и экспериментальные данные, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе в НОЦ «Нанотехноло-гии» ФГБОУ ВПО «МГСУ» при подготовке магистров по направлению 270800 «Строительство» в соответствии с образовательной программой «Наномодифициро-ванные строительные композиты общестроительного и специального назначения» и проведении курсов повышения квалификации для специалистов в области строительства по программе «Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве (для работников строительной отрасли).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на следующих научно-практических конференциях и семинарах: Международная юбилейная научная конференция, посвященная 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2011 г.); IV Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанный на знаниях» (Москва, МГСУ, 2012 г.); Международная молодежная конференция «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий» (Москва, МГСУ, 2012 г.); III Всероссийская конференция «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» (Москва, МГСУ, 2012 г.); VII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика эффективности строительных материалов» (Пенза, ПГУАС, 2012 г.); VIII Международная научно-практическая конференция «Образование и наука XXI века - 2012» (София, 2012 г.); IV Международный форум по интеллектуальной собственности «Expopriority 2012» (Москва, Экспоцентр, 2012 г.); Международная заочная научно-практическая конференция «Наука и образование в жизни современного общества» (Тамбов, 2012 г.); Международная заочная научно-практическая конференция «Образование и наука: современное состояние и перспективы развития» (Тамбов, 2013 г.); IX Международная научно-практическая конференция «Современные науч-
ные достижения - 2013» (Прага, 2013 г.); 16-й Московский международный Салон изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, Экспоцентр, 2013 г.); XVI Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ, 2013 г.); Научно-практический семинар «Экспертиза научно-технических проектов в области создания новых материалов и нанотехнологий» (Москва, Экспоцентр, 2013 г.); 2013 Asian Pacific Conference on Chemical, Material and Metallurgical Engineering, APCCMME 2013 (Пекин, Китай, 2013 г.); V Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанный на знаниях» (Москва, ВВЦ, 2013 г.).
Результаты работы представлялись и удостоены: диплома XI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ - 2011; медали «За успехи в научно-техническом творчестве» XII Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ - 2012; диплома III Всероссийской конференции «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений»; победы в конкурсе 2012 года на получение стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики; серебряной медали лауреата конкурса инноваций «Expopriority 2012»; диплома победителя программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК-2012»); бронзовой медали лауреата 16-ого Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2013»; золотой медали конкурса инновационных проектов на V Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» в рамках выставки НТТМ-2013.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ (в журналах по перечню ВАК - 4 статьи, в иностранных журналах, индексируемых WoS и Scopus - 1 статья); подана заявка на регистрацию патента на изобретение № 2012-143486 от 11.10.2012.
Основные положения, выносимые на защиту:
- обоснование возможности создания высокопрочных легких бетонов, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами, посредством наномодифициро-вания полых микросфер комплексным наномодификатором на основе золей гидро-ксида железа (III) и кремниевой кислоты;
научное обоснование выбора наполнителя и наноразмерного модификатора для изготовления высокопрочных легких бетонов;
результаты экспериментальных исследований влияния основных рецептурно-технологических факторов на структуру, физико-механические, теплофизические и эксплуатационные свойства предлагаемых материалов;
результаты многокритериальной оптимизации рецептуры и технологического режима изготовления наномодифицированных высокопрочных легких бетонов;
оптимальные составы наномодифицированных высокопрочных легких бетонов, обладающих заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами;
результаты опытно-производственного апробирования результатов исследования.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Содержит 186 стр. машинописного текста, 52 рисунка и 43 таблиц. Библиография включает 218 наименований.
Отечественный и зарубежный опыт производства легких бетонов с повышенной прочностью
Исходя из изложенного, высокопрочными бетонами будут бетоны с маркой по прочности при сжатии более М600 (В45) или с удельной прочностью более 25 МПа (при средней плотности бетона 2400 кг/м3).
Решение задачи создания высокопрочных легких бетонов является весьма актуальной задачей для строительства. Применение бетона, который сочетает свойства несущего и теплоизоляционного материала, позволяет проектировать и возводить здания различной архитектурной сложности. Легкий и прочный бетон является универсальным энергоэффективным материалом, придающим конструкционным элементам здания одновременно высокую прочность и низкую теплопроводность. Например, бетон с плотностью 1500 кг/м3 и маркой по прочности М400, используемый в перекрытиях, более чем на 40 % облегчает нагрузку на фундамент и сокращает теплопотери, сохраняя несущую способность [29]. Эффективность применения при этом оценивается снижением затрат на подготовительных работах оснований и фундаментов здания, транспортных, строительно-монтажных и теплоизоляционных работах, а также меньшими затратами на эксплуатацию здания.
Традиционно для приготовления облегченных и легких бетонов на пористых заполнителях в качестве заполнителя используется керамзит [30, 31]. С 90-х годов НИИСФ РААСН совместно с НИИЖБ и другими исследовательскими организациями (Самарский ГАСУ, ЗАО «НИИКерамзит», ОАО «Иркутскзолопродукт», «Уральский институт металлов») проводились исследования по разработке составов легких бетонов на керамзитовом гравии различного назначения. Авторами [32...35] получены бетоны полифункционального назначения - от особо легких бетонов-утеплителей с маркой по плотности D150...D250 до конструкционных высокопрочных (классом по прочности до В60) и высокоморозостойких, обладающих маркой по морозостойкости до F1500. При этом было рекомендовано изготавливать такие бетоны на новых видах заполнителя, получаемых из продуктов переработки многотоннажных техногенных отходов металлургии и тепловой энергетики или на основе пористых пород вулканического происхождения.
Использование новых заполнителей и применение минеральных добавок - причина преимущества конструкционных легких бетонов классов по прочности В15...В50 по сравнению с равнопрочными тяжелыми бетонами [30...32]: - снижение массы конструкций, зданий и сооружений - сокращение расходов бетона, арматуры; уменьшение осадки здания за счет меньшей на 20.. .50 % средней плотности; - повышение эффективности преднапряженной арматуры в конструкции, достигающееся за счет большего (до 35 %) уровня нижней границы области микротрещинообразования; повышенный на 20...30% предел выносливости бетона при повторяющихся нагрузках и на 20% меньшая виброползучесть; - повышение предела длительной прочности за счет большего на 16...25 % уровня верхней границы микротрещинообразования; - повышение ударной вязкости (коэффициент динамического упрочнения и предел де-формативности при ударных нагрузках больше до 25 %), что снижает разрушения на оголовках свай и повышает долговечность свайных ростверков зданий; - повышение эксплуатационных свойств: морозостойкость на 2...5 марок и водонепроницаемость на 1... 3 марки; - сокращение теплопотерь через наружные стены зданий на 25 %, улучшение теплотехнической однородности; - увеличение предела огнестойкости, повышение пожаробезопасности.
Исследователи во всем мире стремиться создать такой универсальный материал, как высокопрочный легкий бетон (ВПЛБ). Мировой опыт показывает, что добиться высокой удельной прочности легких бетонов можно за счет использования особопрочных заполнителей, оптимизации и подбора компонентов каркасообразующей составляющей и/или за счет применения на-номодификаторов.
Так, в 2007 году в работе [35] описаны составы высокопрочного легкого бетона на керамзитовом наполнителе с маркой по плотности D1800 и удельной прочностью от 25,5 до 47,2 МПа. Пономаревым А.Н. разработан т.н. нанобетон [36...37], который был успешно апробирован при реконструкции моста через Волгу в г. Кимры. Использование в составе бетона базальтового микроволокна (длина 500 мкм, диаметр 10 мкм), модифицированного полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа, позволило получить составы бетона, наполненные полыми алюмосиликатными микросферами, со средней плотностью 1630... 1680 кг/м3 и пределом прочности при сжатии 42,7...46,9 МПа. Удельная прочность таких бетонов составляет 25,4...28,7 МПа.
Бразильские ученые [38] в 2003 году предложили составы высокопрочного легкого бетона на местных заполнителях. При расходе цемента от 440 до 710 кг/м3 через 28 дней естественного твердения прочность при сжатии бетона варьировалась от 39,5 до 53,6 МПа, а плотность - от 1460 до 1605 кг/м3. Соответственно, удельная прочность составила 24,6...30,7 МПа, что превышает показатели отечественных разработок [36...37]. В Японии [39] в связи с ростом автомобильного трафика с целью снижения нагрузки на металлические конструкции были выполнены работы по реконструкции моста. Для реконструкции использовались дорожные плиты с удельной прочностью 27,1...30,3 МПа (средняя плотность материала составляла 1810... 1850 кг/м3).
Анализ литературных источников [40...43] свидетельствует, что создание высокопрочных легких бетонов возможно с использованием полых микросфер. Керамические или стеклянные полные микросферы имеют плотность от 300 кг/м , что позволяет регулировать плотность лег кого бетона в широком диапазоне, изменяя их содержание. Кроме того, имея сферическую форму и прочную оболочку, микросферы образуют в бетоны плотноупакованную структуру, формирующую прочный каркас. Для увеличения адгезии цементного камня к поверхности микросфер применяются различные кремнеземсодержащие модификаторы, например микрокремене-зем или силан-адгезивы, препятствующие образованию трещин на границе раздела фаз. В 1999 году на юге Норвегии был построен самый большой мост «Stolma bridge» свобод ной консольной конструкции с длинной основного пролета 301 м (рисунок 1.3) [43].
Статистическая оценка результатов измерений
Для принудительного уплотнения бетонной смеси использовался лабораторный вибростол с частотой колебаний 3000 колебаний в минуту.
Дисперсный состав мелкого наполнителя (кварцевого песка, каменной муки, микрокремнезема) определяли с помощью анализатора частиц - дифрактометра Microtrac S3500. Диапазон измерения анализатора частиц составляет 0,021...2000 мкм. Для частиц верхнего диапазона размеров использовался сухой способ измерения с подачей навески воздушным потоком. Распределение размеров частиц тонких материалов определялось мокрым способом, при котором в качестве среды-носителя выступает вода. Для распределения частиц и предотвращения коагуляции осуществлялось ультразвуковое диспергирование в течение 3 мин. Измерение осуществляются методом лазерной дифракции с длиной волны лазерного луча 780 нм, относительная погрешность метода не превышает 0,7 %.
Анализ размеров частиц наноразмерного модификатора проводился на лазерном анализаторе Microtarc Zetatrac, диапазон измерения которого составляет от 0,8 нм до 6,5 мкм. Принципы действия анализаторов S3500 и Zetatrac одинаковы.
Подвижность бетонной смеси определяли по диаметру расплыва конуса размерами d\ d2xh - 101,6x69,9x50,8 мм на встряхивающем столике по ASTM С230. Методика испытания осуществлялась в соответствии с ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».
Среднюю плотность определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.1-94 «Бетоны. Методы определения плотности». Объем открытых капиллярных пор бетона оценивали по водопоглощению по объему: о= о (2.1) где W0 — объемное водопоглощение бетона в серии образцов, равное: где рв - плотность воды, принимаемая равной 1 г/см . Определение параметров поровой структуры проводили методом А.Е. Шейкина по кинетике водопоглощения образцов. Устанавливали показатели среднего размера пор и однородности их размеров. Исследование микропористости наполнителя проводили адсорбционным методом с помощью анализатора удельной поверхности и размера пор NOVA 2200е. Обработку изотерм де сорбции газа осуществляли с применением программного обеспечения для определения объема и размеров пор по методу Баррета-Джойнера-Халенды, для оценки удельной площади поверхности по многоточечному БЭТ методу.
Водопоглощение определяли в соответствии с ГОСТ 12730.3-94 «Бетоны. Методы определения водопоглощения» на образцах бетона размером 50x50x50 и 40x40x160 мм. Водопоглощение по массе оценивали по изменению массы образцов с точностью до 0,1 % по следующее формуле: W„= - -l00, (2.3) где WM - водопоглощение по массе, %; пгс - масса высушенного образца, г; тъ - масса водона-сыщенного образца, г. Определение предела прочности при сжатии образцов бетона осуществляли по ГОСТ 10180-90. «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» на 1 сутки после ТВО и 28 сутки естественного твердения на образцах 70x70x70 мм на сервогидравлическом прессе «Advantest 9» с программным управлением. Испытания на растяжение при изгибе осуществляли по трехточечной схеме на балочках 40x40x160 мм. Расчет предела прочности при изгибе проводили по формуле: - = !& 2"4) где Рразр - нагрузка разрушения, Н; Ъ и h - параметры сечения образца, мм; / - расстояние между опорами, мм.
Модуль упругости и коэффициент Пуассона определяли в соответствии с ГОСТ 24452-80 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона» на образцах-призмах размером 70x70x280 мм. Испытания проводились на сервогидравлическом прессе «Advantest 9» с датчиками высокой точности (универсальный электронный экстензометр) чувствительностью до 0,02 мкм (ASTM С469, ISO 6784, DIN 1048, UNI 6556).
Показатель технической эффективности (удельная прочность) оценивали по отношению предела прочности при сжатии к относительной плотности по формуле: уд= — (2.5) г отн где /?сж - предел прочности при сжатии, МПа, ротн - относительная плотность. Коэффициент трещиностойкости оценивали методом МИИТ [150, 151]. Две серии образцов в возрасте 28 суток выдерживались в воде в течение 6 суток. Определялся предел прочности при сжатии и изгибе для первой серии образцов в водонасыщенном состоянии (R ), для второй серии - после выдерживания в течение 24 часов в воздушно-сухих условиях при относительной влажности воздуха от 40 до 60 % и температуре 30...40 С (R"). Поскольку под действием усадки и других факторов происходит образование различного рода локальных трещин, то трещиностойкость оценивали по формуле:
где R - показатель предела прочности при сжатии (изгибе) образцов в водонасыщенном состоянии, МПа; R - показатель предела прочности при сжатии (изгибе) воздушно-сухих образцов.
Определение теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости высокопрочного легкого бетона осуществлялось по методу Transient Hot Bridge (метод нестационарного «горячего моста») с помощью ТНВ-анализатора производства Linseis. Для испытания использовались по два образца-пластины 50x50x20 мм, между которыми устанавливался проводник в форме ленты, который выступает в качестве источника тепла и одновременно - датчика температуры. Тепло Джоуля-Ленца приводит к градиенту температуры, который определяется теплопроводностью образца. Регистрация и обработка сигналов осуществлялась автоматически посредством специализированного программного комплекса THB-Measurement. Для термостабилизации испытательной среды при измерениях использовалась климатическая камера «VCL-4003».
Оптические исследования структуры выполнены на микроскопе «Eclipse МА200» фирмы «Nikon» с объективами 5x0,15, 10x0,30, 20x0,60, 50x0,75 и 100x1,25, максимальное увеличение микроскопа 2000х.
Исследование процессов структурообразования высокопрочных легких бетонов проводили с помощью высокотемпературного дифференциального сканирующего колориметра HDSC РТ1600, ИК спектрометра Сагу 630 и спектрометра комбинационного рассеяния Senterra.
Методика проектирования состава
Таким образом, для достижения прочной структуры легкого бетона на полых микросферах целесообразно применять наполнитель с наименьшим диаметром частиц. Для обеспечения снижения напряжений на границе раздела фаз цементного камня и микросфер следует применять компоненты, обеспечивающие повышение адгезии, поскольку при приложении нагрузки контактная зона наполнителя и цементно-минеральной матрицы испытывает повышенные напряжения, которые могут приводить к образованию трещин и разрушению материала.
Влияние различных типов микросфер на прочность легкого бетона представлено на рисунке 3.10. Из приведенных результатов следует, что полые стеклянные микросферы, стенки которых образованы аморфным материалом, имеют более высокие показатели удельной прочности. Это объясняется более прочной структурой материала оболочки микросфер. Повышенная толщина стенок таких микросфер существенно увеличивает плотность наполнителя, что, в свою очередь, требует большего их расхода для достижения требуемой средней плотности легкого бетона. При этом большим недостатком является стоимость стеклянных микросфер, которая на порядок превышает стоимость керамических аналогов. Поэтому технически и экономически наиболее привлекательным является использование полых алюмосиликатных микросфер.
Таким образом, вид наполнителя, его дисперсный состав и свойства оказывают влияние на его процентное содержание в составе бетона. Соотношение всех составных частей бетона определяется требуемыми физико-механическими показателями изделия и проектируется для каждой марки по плотности индивидуально.
Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси применяют различные добавки. Как правило, используются химические добавки, изменяющие в требуемом направлении свойства бетонной смеси и бетона, и тонкомолотые минеральные добавки, использующиеся для экономии цемента, получения плотного бетона при малых расходах цемента и повышения стойкости бетона. Применение химических добавок является одним из наиболее универсальных, доступных и гибких способов управления технологией бетона и регулирования его свойств [3]. псмс ПСМС ПАСМС пзмс ПАСМС ПАСМС GS4000 HGS10000 Северная Инта Челябинская Сибирь-Кузнецкая ИНОТЭК Вид микросфер
Влияние вида микросфер на удельную прочность ВПЛБ: ПСМС - полые стеклянные микросферы; ПАСМС - полые алюмосиликатные микросферы; ПЗМС - полые золомикросферы Так, введение пластифицирующих добавок увеличивает текучесть бетонной смеси, уплотняет структуру бетона и позволяет формовать густоармированные изделия.
Для увеличения адгезии цементно-минеральной матрицы и микросфер весьма целесообразно использовать наноразмерные модификаторы, позволяющие локально структурировать зону контакта. Проведенный в главе 1 анализ эффективных наномодификаторов показал, что использование золя гидроксида железа (III) и золя кремниевой кислоты способствует, с одной стороны, повышению гидратационной активности цемента; с другой - связыванию гидроксидов кальция, образующихся при твердении цемента. При этом известная [78] технология синтеза золя кремниевой кислоты из силикатов натрия требует работы с растворами соляной кислоты, что в условиях производства вызывает повышенные требования к технике безопасности. В то же время, гидролиз хлорида железа, продуктом реакции которого являются наноразмерные частицы гидроксида железа (III), сопровождается образованием соляной кислоты низкой концентрации. Таким образом, для связывания ионов натрия, стабилизирующих структуру Na20 «Si02 «Н2О, и получения золя кремниевой кислоты могут быть использованы побочные продукты синтеза золя гидроксида железа (III) [180].
Гипотеза о взаимодействии анионов хлора в коллоидном растворе гидроксида железа с катионами натрия в составе его гидросиликатов лежит в основе механизма синтеза комплексного наноразмерного модификатора, использование которого в качестве аппрета для полых микросфер позволит управлять процессами структурообразования на границе раздела фаз.
Сведения из атомной физики, общей и коллоидной химии позволяют сделать предположение о структурной модели мицеллы комплексного наноразмерного модификатора (рисунок 3.11, [181]).
Структурная модель мицеллы комплексного наноразмерного модификатора на основе золей гидроксида железа и кремниевой кислоты [181]
Модель на рисунке 3.11 свидетельствует, что структура модификатора образована мицеллами гидроксида железа /w[Fe(OH)3]rtFeO+, окруженными оболочками из ионов хлора. Оболоч ки представлены адсорбционным и диффузионным слоями, которые связывают катионы Na , стабилизирующие [Si(OH)4]„ в гидросиликатах натрия.
Исходя из этого, можно выдвинуть гипотезу, что привитые на поверхность микросфер мицеллы комплексного наномодификатора будут обладать образующей пространственный каркас активной кремнийкислородной оболочкой, которая позволит связать гидроксид кальция и увеличить прочность контакта на границе раздела фаз.
Расход компонентов для приготовления наноразмерного модификатора определяется исходя из особенностей системы, в которую он вводится. Так, в бетонах влияние на эффективность модифицирования будут оказывать рецептурные особенности конкретного состава. Выбор концентрации коллоидного раствора гидроксида железа сводится к решению задачи по обеспечению достаточного количества связанных ионов натрия в его силикатах для достижения наилучшего модифицирующего эффекта.
Качество строительных материалов является комплексной характеристикой, оцениваемой по показателям свойств, устанавливаемых потребителем (или заказчиком). Для новых материалов значения показателей отдельных свойств могут быть установлены на основе нормативных документов (стандартов, технических условий) или анализа качества современной продукции. При решении оптимизационных задач строительного материаловедения для качества материала невозможно найти скалярное представление, позволяющее перейти к задаче математического программирования. Качество материала можно характеризовать только множеством свойств (скалярных, или индивидуальных показателей качества; критериальных функций) qJ,j = \jn (3.30) (где т - размерность критериального пространства), которые, в зависимости от выбранного метода скаляризации, могут включать значения контрольных показателей. Критериальные функции составляют векторный критерий качества 4 = (qx,q2,...,qm). (3.31) Методика скаляризации критерия (3.31) выбирается исходя из целей оптимизационной задачи. В простейшем случае аналитическое выражение для скалярного критерия качества FK (целевой функции) представляет собой линейную комбинацию критериальных функций: =ХМяР; 0 0 (3-32) возрастание каждой из которых соответствует повышению качества.
Весовые коэффициенты Р7 линейной свертки определяются в результате неформальных процедур (например, методом экспертных оценок). Такое представление допустимо при решении задач сокращения размерности факторного пространства (исключении незначимых управляющих переменных) и/или уменьшении области факторного пространства (предварительной оценке оптимальных уровней управляющих переменных). Как правило, именно представление (3.32) используется в том случае, когда размерность критериального пространства невелика (глава 4).
На значения коэффициентов весомости обычно накладывают условие нормировки: 2 ,=1. (3.33) В целом, качество наномодифицированных высокопрочных легких бетонов (в соответствии с декомпозицией системы критериев качества) оценивается по следующим свойствам: подвижность бетонной смеси, средняя плотность, пористость, прочность при сжатии и изгибе (удельная прочность), модуль упругости, коэффициент интенсивности напряжений (трещино-стойкость), водопоглощение, коэффициент стойкости в воде, коэффициенты тепло- и температуропроводности, удельная теплоемкость, морозостойкость и стойкость к циклическому увлажнению-высушиванию. На основе эмпирических значений показателей свойств в соответствии с соотношениями (3.34)...(3.44) были вычислены значения критериальных функций.
Теплофизические свойства
Добавка «Одолит-Т», представляющая собой водный раствор, при интенсивном перемешивании приводит к образованию пены, наличие которой способствует снижению средней плотности и формированию открытой пористости. Это подтверждается графиком изменения средней плотности бетона (в возрасте 1 суток) от содержания пластификатора (п. 4.3).
Применение пластификатора «Melment F10» в рекомендуемом диапазоне концентраций не обеспечивает требуемой подвижности бетонной смеси (150 мм). Это можно объяснить выраженным стерическим эффектом действия такой добавки; эффективность добавки для смесей с высокой водопотребностью не очевидна. Кроме того, данный пластификатор имеет склонность к коагуляции при перемешивании, что приводит к образованию вязких агломератов, плохо растворимых в воде. Вязкий осадок затрудняет гомогенизацию, что будет сопровождаться увеличением продолжительности технологического цикла и повышением энергозатрат на перемешивание.
Поликарбоксилатные пластификаторы серии «Melflux» оказывают сильный пластифицирующий эффект. Так, увеличение концентрации добавки «Melflux 164IF» на 0,2 % приводит к повышению подвижности на 15...25 %. При концентрации 1,2 % диаметр расплыва составляет 185 мм, что характеризует бетонную смесь как высокоподвижную. Очевидно, что подвижная бетонная смесь обладает лучшей удобоукладываемостью и позволяет изготавливать изделия с более плотной структурой цементно-минеральной матрицы [3]. Это также подтверждается полученной зависимостью средней плотности бетона (возраст 1 сутки) от концентрации добавки (п. 4.3). Зависимость Др = Др(Сд) для суперпластификатора «Melflux 265IF» по форме соответствует зависимости для добавки «Melflux 164IF». Из полученных результатов следует, что введение пластификатора «МеШих 164IF» в количестве 1,0 % от массы цемента позволяет получить бетонную смесь с диаметром расплыва 178 мм. Это, вместе с аналитическим выражением для ЭС-модели, свидетельствует, что для обеспечения расплыва конуса 185 мм потребуется на 10 % меньше добавки (по сравнению с «Melflux 164IF»).
Суперпластификаторы серии «Sika» представляют собой водную композицию модифицированных поликарбоксилатных эфиров и рекомендуются для использования при изготовлении высокотехнологичных бетонных смесей с нормальным временем твердения. Полученные экспериментальные данные указывают, что исследуемые пластификаторы в верхних границах рекомендуемого рабочего диапазона обеспечивают подвижность, соответствующую расплыву диаметра конуса 141 мм. Из таких бетонных смесей можно получить плотный бетон при выполнении ряда дополнительных условий (п. 4.3): при малых концентрациях наблюдается увеличение средней плотности, которое после превышения оптимального значения количества добавки (1,3 %) вследствие воздухововлечения сменяется разуплотнением бетона.
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о том, что наибольший пластифицирующий эффект оказывают пластификаторы на поликарбоксилатной основе. Применение таких модификаторов за счет дополнительного водоредуцирующего действия позволяет сочетать как умеренную подвижность бетонной смеси, так и плотную структуру цементного камня с низкой пористостью (п. 4.3). Уставлено, что суперпластификаторы серии «Melflux» обеспечивают наибольшую подвижность для смесей с полыми алюмосиликатным микросферами. Применение «Melflux 164IF» увеличивает диаметр расплыва конуса до 180 мм, а аналог «МеШих 265IF» - обеспечивает такую же текучесть смеси при более низких концентрациях (15...20%).
Поскольку применение комплексного наноразмерного модификатора способствует снижению реологических характеристик исследуемых бетонных смесей, то для оценки эффективности действия выбранных пластификаторов «Melflux 1651F» и «Melflux 265IF» были изготовлены составы наномодифицированного высокопрочного легкого бетона с различным расходом пластификаторов. Концентрация золя гидроксида железа (III) составляла 1 %, расход прекурсора был выбран равным а = 1,25 .
Результаты проведенных исследований показывают, что немодифицированные высокопрочные легкие бетонные смеси обладают большей подвижностью при низких концентрациях пластификатора (рисунок 4.10). Однако с увеличением расхода добавки «Melflux 165IF» и «Melflux 265IF» более 0,9 % диаметры расплыва бетонных смесей отличаются несущественно.
Таким образом, проведенные исследования показали, что полые микросферы обладают высокой водопотребностью, связанной с шероховатостью их поверхности. Установлено, чтр эффективными пластификаторами для исследуемых смесей являются добавки на поликарбок-силатной основе: пластификаторы производства BASF серии Melflux - «Melflux 165IF» и «Melflux 265IF». Указанные пластификаторы обеспечивают получение высокоподвижных бетонных смесей. Это дает основания считать, что при их использовании возможно получение высокопрочных легких бетонов со средней плотностью 1300... 1500 кг/м3 конструкционного назначения.
Применение комплексного наномодификатора способствует снижению подвижности бетонной смеси. Его негативное влияние на подвижность бетонной смеси высокопрочных легких бетонов закономерно нивелируется увеличением расхода пластифицирующей добавки (более 0,9 % от массы цемента).
Очевидно, что определяющим фактором, влияющим на среднюю плотность наномодифи цированных высокопрочных легких бетонов, является количество полых микросфер и их свой 102 ства. Формирование закрытой поровой структуры в исследуемых составах осуществляется преимущественно за счет газовой фазы микросфер, поэтому свойства микросфер будут оказывать определяющее влияние на среднюю плотность бетона. Увеличение объемного содержания микросфер приводит к закономерному снижению средней плотности бетона (рисунок 4.11). «s 2500 -, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Объемное содержание микросфер, % —О— Полые стеклянные микросферы —D— Полые алюмосиликатные микросферы
Сравнительный анализ представленных на рисунке 4.11 зависимостей свидетельствует, что при увеличении объемного содержания микросфер средняя плотность легких бетонов на стеклянных сферах снижается существеннее по сравнению с плотностью бетона на керамических микросферах. Это связано с меньшей плотностью стеклянных микросфер.
Для повышения прочности строительных материалов на цементном вяжущем часто используют микрокремнезем. Он уплотняет микропоры в цементном камне за счет формирования дополнительного количества гиросиликатов кальция [200]. Исследования, проведенные на составах с различным содержанием микрокремнезема (рисунок 4.12), показали, что заполнение пустот между частицами цемента приводит к уплотнению цементно-минеральной составляющей высокопрочного легкого бетона. В то же время, увеличение количества микрокремнезема сверх 25 % от массы цемента приводит к снижению средней плотности бетона. Это объясняется закономерным уменьшением доли (замещением) более тяжелого компонента - портландцемента (плотность 3100 кг/м3).
