Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния вопросов в области сухих смесей и модифицирующих добавок для цементных композиций
1.1 Сухие строительные смеси: составы, свойства, технологии 14
получения
1.1.1 Классификация, особенности состава, технологии производства и свойства сухих строительных смесей
1.2 Способы модифицирования сухих строительных смесей 20
1.2.1 Механоактивация компонентов сухих строительных смесей 21
1.2.2 Полимерные модифицирующие добавки: применение, принцип действия, особенности получения
1.2.3 Минеральные модифицирующие добавки: применение, принцип действия, особенности получения
1.3 Применение местного сырья в производстве сухих строительных смесей
1.3.1 Опыт применения местного сырья для производства сухих смесей, строительных растворов и бетонов на цементном вяжущем
1.3.2 Способы модифицирования торфа 34
1.4 Постановка задач исследований 43
Выводы по главе 44
2 Характеристика сырьевых материалов и методика проведения эксперимента
2.1 Характеристики сырьевых материалов 46
2.2 Методика проведения эксперимента
2.2.1 Методика приготовления модифицирующей добавки 48
2.2.2 Оценка свойств вяжущего и заполнителя 49
2.2.3 Исследование физико-механических свойств цементно-песчаных растворов
2.2.4 Физико-химические исследования модифицирующих добавок и структур твердения цементного камня
2.2.5 Математическая обработка результатов исследований
Выводы по главе 54
3 Исследование влияния способов и режимов получения модифицирующих добавок на основе торфа на реологические свойства цементного теста и физико-механические характеристики цементного камня
3.1 Классификация торфяного сырья применительно к производству модифицирующих добавок
3.2 Обоснование выбора способов и режимов активации торфа для получения модифицирующих добавок
3.3 Влияние модифицирующих добавок на основе торфа на свойства цементного теста и цементного камня
3.3.1 Исследование влияния модифицирующих добавок на основе торфа на реологические характеристики цементного теста
3.3.2 Исследование влияния модифицирующих добавок на основе торфа на прочностные характеристики цементного камня
3.3.3 Исследование влияния модифицирующих добавок на основе торфа на водопоглощение цементного камня
3.3.4 Физико-химические исследования цементного камня, с модифицирующими добавками на основе торфа
3.4 Исследование свойств цементного камня с комплексом модифицирующих добавок
3.5 Область применения модифицирующих добавок на основе торфа
Выводы по главе 90
4 Разработка составов и исследование свойств сухих строительных смесей и растворов на их основе
4.1 Влияние фракционного состава и пустотности заполнителя на свойства модифицированных строительных растворов
4.2 Влияние модифицирующих добавок на свойства готовых к применению растворов
4.2.1 Водоудерживающая способность цементно-песчаных растворов 95
4.1.1 Стойкость клеевых растворов к сползанию с вертикальной поверхности
4.3 Влияние модифицирующих добавок на свойства затвердевших растворов
4.3.1 Прочностные характеристики раствора 99
4.3.2 Гидрофизические характеристики раствора 106
4.3.3 Исследование прочности сцепления модифицированных цементных растворов с основанием
4.3.4 Исследование морозостойкости модифицированных цементных растворов
4.4 Математическая обработка результатов исследований 114
4.5 Рекомендуемые составы сухих строительных смесей и их свойства Выводы по главе 126
5 Технико-экономическая эффективность и технология 127
производства сухих строительных смесей с
модифицирующими добавками на основе торфа
5.1 Технологическая схема и описание технологии производства сухих строительных смесей
5.2 Опыт промышленного производства разработанных сухих модифицированных смесей
5.3 Эффективность разработанных добавок и составов сухих строительных смесей
5.3.1 Экологическая эффективность добавок на основе торфа 135
5.3.2 Энергоэффективность технологии производства добавок на основе торфа
5.3.3 Экономическая эффективность сухих строительных смесей, модифицированных добавками на основе торфа
5.3.4 Экономическая эффективность сухих строительных смесей, модифицированных добавками на основе торфа
Выводы по главе 5 144
Заключение 146
Список литературы
- Минеральные модифицирующие добавки: применение, принцип действия, особенности получения
- Исследование физико-механических свойств цементно-песчаных растворов
- Влияние модифицирующих добавок на основе торфа на свойства цементного теста и цементного камня
- Исследование прочности сцепления модифицированных цементных растворов с основанием
Введение к работе
Актуальность работы. Применение сухих строительных смесей при выполнении кладочных, отделочных и монтажных работ существенно повышает качество и производительность труда, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики готовой продукции. Начиная со второй половины 90-х годов, на российском рынке наблюдается увеличение объемов производства и потребления сухих строительных смесей на основе цементного вяжущего.
Разнообразие потребительских свойств таких смесей определяет необходимость применения комплекса модифицирующих добавок различного назначения. Использование добавок импортного производства в составе сухих строительных смесей приводит к существенному их удорожанию. Производство импортозамещающих конкурентоспособных по свойствам добавок в строительные смеси является важной народнохозяйственной задачей.
Одним из способов решения данной проблемы является организация производства модифицирующих добавок на основе местного сырья. Сырьевая база Сибирского региона позволяет создавать модифицирующие добавки на основе торфа для регулирования свойств сухих строительных смесей. Запасы этого частично возобновляемого ресурса в Томской области составляют 29,3 млрд. тонн в расчете на 40% влажность. По этому показателю Томская область занимает второе место в России, уступая лишь Тюменской.
Вещественный состав торфа представлен разнообразными органическими и минеральными соединениями. Наличие в нем химически активных органоминеральных функциональных групп обеспечивает возможность применения различных способов модифицирования сырья: термического, химического, механического или сочетания нескольких видов воздействия и получения продуктов различного назначения, в том числе и эффективных добавок для сухих строительных смесей. В этой связи, работа, посвященная разработке модифицирующих добавок на основе торфа для сухих строительных смесей и исследованию их влияния на свойства цементных композиций, является актуальной. Работа проводилась при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК».
Степень проработанности проблемы исследования. Вопросы, связанные с составом и свойствами сухих строительных смесей изложены в работах Ю.М. Баженова, В.А. Безбородова, Л.Х. Загороднюк, В.Ф. Коровякова, В.И. Корнеева, В.В. Козлова. В работах большое внимание уделяется подбору и оптимизации состава сухих смесей. Вопросами применения местных материалов в составе сухих строительных смесей занимались В.И. Калашников, А.П. Пичугин, В.Г. Хозин, В.В. Строкова, В.С. Демьянова, Н.М. Дубошина, C. Kulasuriya, V. Vimonsati. Большинство работ посвящено разработке наполнителей для сухих смесей на основе местных материалов. Недостаточно изученной остается проблема разработки
модифицирующих добавок для сухих строительных смесей на основе местного природного сырья.
Цель диссертационной работы заключается в разработке научно обоснованных составов и технологии получения сухих строительных смесей модифицированных добавкой из торфа, с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Задачи исследований:
обоснование возможности использования низинного торфа как сырья для производства модифицирующих добавок для сухих строительных смесей в зависимости от способа их получения;
выбор способа и режимов получения добавок на основе торфа, исследование их состава и свойств;
изучение влияния модифицирующих добавок на основе торфа на свойства цементного камня;
изучение влияния модифицирующих добавок на основе торфа на свойства сухих строительных смесей и растворов из них;
разработка составов сухих строительных смесей с модифицирующей добавкой на основе торфа;
разработка технологии производства сухих строительных смесей с модифицирующей добавкой на основе торфа и расчет технико-экономических показателей.
Научная новизна работы.
– Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность применения торфа для получения функциональных добавок, регулирующих свойства строительных смесей. Исследованы свойства добавок, полученных методом термической активации торфяного сырья без доступа воздуха. Установлены закономерности формирования органоминеральных и минерал-органических комплексов в зависимости от состава и свойств исходного сырья, а также условий термической обработки. Установлено, что наибольшей активностью обладает добавка, полученная при температуре обработки торфа 600 С. В этих условиях вероятность протекания реакций окисления снижена, что приводит к повышению содержания в добавке минерал-органических комплексов типа (R-CОО)nKat, где Kat – Са, Si, Al.
Установлено, что добавки, полученные при температуре 600 С, способствуют увеличению прочности цементного камня на 43 %, что связано с процессами взаимодействия минерал-органических соединений добавки с продуктами гидратации цемента, увеличением объема новообразований и формированием тоберморитоподобных соединений в твердеющей композиции. Показано, что оптимальным является содержание добавки 0,5 % от массы портландцемента.
Установлены особенности формирования прочностных и эксплуатационных свойств цементно-песчаных растворов, связанные с микроармирующим эффектом и формированием более однородной структуры цементного камня при введении модифицирующих добавок на основе торфа, в результате чего, прочность при сжатие цементно-песчаного
раствора увеличивается на 20 %, прочность при изгибе – на 15 %, повышается морозостойкость и снижается величина водопоглощения раствора на 18 %.
- Установлено, что введение модифицирующих добавок на основе торфа в
составе строительных растворов приводит к повышению прочности
сцепления затвердевших растворов с основаниями до 40 %, что может быть
связано с сорбированием на поверхности подложки веществ органических
групп, содержащихся в добавке и обладающих низким поверхностным
натяжением, что обуславливает увеличение числа и площади контактов
срастания взаимодействующих фаз и, следовательно, способствует
увеличению адгезионной прочности.
Теоретическая и практическая значимость работы:
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения модифицирующих добавок на основе торфа для регулирования свойств цементных композиций. На ранних стадиях гидратации добавка, обладая низкой плотностью, структурирует матрицу цементного камня, что приводит к образованию дополнительного объема пор. Далее, в процессе гидратации, минерал-органические соединения, присутствующие в добавке, взаимодействуя с продуктами гидратации цемента, способствуют увеличению объема новообразований, что приводит к повышению прочности, уплотнению и упрочнению межпорового пространства. Формирование дополнительного объема пор, преимущественно закрытых, приводит к улучшению гидрофизческих характеристик материала. Предложены принципы получения сухих строительных смесей с высокими строительно-техническими свойствами, заключающиеся в регулировании этих свойств путем подбора компонентов, составов сырьевых смесей и технологией их переработки.
получена модифицирующая добавка для регулирования свойств строительных растворов из сухих смесей на основе термоактивированного торфа;
исследованы и разработаны составы сухих строительных смесей различного назначения с модифицирующей добавкой из торфа;
разработана технологическая схема производства сухих строительных смесей, включающая технологические операции по производству модифицирующих добавок из торфа.
Получен патент на полезную модель № 107151 «Установка для получения модифицирующей торфяной добавки и производства сухих строительных смесей с указанной добавкой».
Разработаны технические условия на модифицирующие добавки для сухих строительных смесей на основе торфа и технологический регламент на производство сухих строительных смесей.
Методология и методы исследования. Методологической основой работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области исследования составов, структуры и свойств композиционных строительных материалов, а также современные методики исследования: математическое
планирование экспериментов, рентгенофазовый анализ, дифференциально-термический анализ, электронная микроскопия, лазерная гранулометрия, ИК-спектроскопия
Положения, выносимые на защиту:
Особенности применения торфяного сырья для получения модифицирующих добавок из торфа для сухих строительных смесей
Особенности получения модифицирующей добавки для регулирования свойств цементных систем на основе термоактивированного без доступа воздуха торфа;
Разработанные составы сухих строительных смесей различного назначения с модифицирующими добавками из торфа;
Зависимости эксплуатационных свойств строительных растворов от вида и содержания модифицирующих добавок из торфа;
Разработанная технологическая схема производства сухих строительных смесей, включающая технологические операции по производству модифицирующих добавок из торфа.
Достоверность полученных результатов и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных методов испытаний, применением лабораторного поверенного и аттестованного испытательного оборудования и измерительных инструментов, обработкой результатов экспериментов статистическими методами, достаточным количеством проведенных опытов, обеспечивающих адекватность и воспроизводимость результатов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены на: ХVII Международной научно-практической конференции «Качество – стратегия XXI века», г. Томск, 2012 г., Первой всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве», г. Томск, 21–25 октября 2013 г., VII – XI Международных конференциях студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, 2010 – 2014 гг., Международной научно-практической конференции «Научные исследования, нано-системы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» XIX научные чтения, г. Белгород, 5- 8 октября 2010 г., Новые технологии в строительном материаловедении. Международной научно-технической конференции «Новые технологии в строительном материаловедении» в рамках международной выставки «СТРОЙ-СИБ-2012» 1-3 февраля 2012 г., IV Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей, г. Санкт-Петербург, 2-4 декабря 2013г. Проект, разработанный в рамках диссертационных исследований «Модифицирующие добавки на основе торфа для регулирования свойств цементных композиций» участвовал в финальном мероприятии по программе «УМНИК» (2013; II-е полугодие)
Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований внедрены в производственный процесс при производстве кладочных и клеевых строительных растворов в ООО «РЕСКОМ», г. Томск, Полученные сухие смеси использовались предприятием ООО ИСЦ «Стройпроект» при производстве строительно-монтажных работ на объектах Березовской электростанции, г. Шарыпово. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «ТГАСУ» при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 3 статьи в журналах, из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК, получен патент на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, приложений и списка литературы, включающего 125 источника, изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 35 таблиц.
Минеральные модифицирующие добавки: применение, принцип действия, особенности получения
Требования, предъявляемые к свойствам сухих строительных смесей на цементном вяжущем, регламентируются ГОСТ 31357-2007 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Общие технические условия», ГОСТ 33083-2014 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем для штукатурных работ. Технические условия», ГОСТ 31358-2007 «Смеси сухие строительные напольные на цементном вяжущем. Технические условия», а также ГОСТ 28013-98 «Растворы строительные. Общие технические условия».
Состав сухих строительных смесей традиционно представлен следующими компонентами: вяжущее вещество, наполнитель и модифицирующие добавки.
Вид применяемого вяжущего выбирается в зависимости от условий твердения и требуемых эксплуатационных свойств сухих смесей. В производстве сухих смесей могут использоваться как минеральные, так и полимерные вяжущие материалы. Среди минеральных вяжущих обычно применяются цемент, гипс, ангидрит, гашеная известь возможно использование смешанных и композиционных вяжущих. Портландцемент является одним из наиболее распространенных вяжущих при производстве сухих строительных смесей. Рекомендуется использовать алитовый цемент, не содержащий минеральных добавок, для обеспечения стабильности химического и минералогического состава. Белый цемент используется для шпатлевок и декоративных составов. Глиноземистый цемент применяется для корректирования отдельных свойств растворной смеси и затвердевшего раствора, а также для быстротвердеющих и расширяющихся смесей, предназначенных для аварийно-ремонтных работ [1].
В качестве инертного наполнителя чаще всего применяется кварцевый песок. Наполнитель в составе затвердевшего раствора выполняет функции каркаса, воспринимающего внешние нагрузки и нагрузки от внутренних напряжений, возникающих в процессе гидратации и эксплуатации. Для наиболее эффективной работы наполнителя в системе, необходимо учитывать его гранулометрический состав. А.И. Панченко и Г.В. Несветаев рекомендуют применять не менее трех разных фракций наполнителя [7]. Кроме того, следует обращать внимание на количество примесей в песке. Содержание 1,5 % глинистых частиц может привести к увеличению водопотребности смеси, развитию неуправляемых усадочных деформаций, снижению прочности сцепления затвердевшего раствора с основанием в два раза и к снижению морозостойкости. Органические примеси существенно замедляют процесс гидратации цемента [8].
Для обеспечения теплотехнической однородности кладки из теплоэффективных материалов используют легкие кладочные растворы. Для получения таких растворов применяют заполнитель из пористых вспученных песков: вермикулитовый, керамзитовый, перлитовый, а также, золу-унос и золы гидроудаления [9].
Для получения однородных смесей с плотной упаковкой зерен актуальным является применение тонкодисперсных наполнителей на основе кремнеземсодержащих и карбонатсодержащих пород. Зерна наполнителя заполняют пустоты между частицами цемента и заполнителя, что способствует увеличению прочности контактов между ними, повышению плотности, прочности и долговечности материала. Высокая дисперсность и большая удельная поверхность таких наполнителей обуславливают улучшение реологических свойств, увеличение водоудерживающей способности и плотности строительных растворов [10, 11]. Существуют также специальные наполнители, например армирующие волокна, основной функцией которых является сдерживание развития микротрещин. При этом важную роль играет правильный выбор вида волокон, а эффективность дисперсного армирования сухих строительных смесей в значительной степени зависит от совместимости волокон с минеральной матрицей, процента армирования, равномерности распределения волокон в объеме материала и условий эксплуатации изделий [12].
Применение модифицирующих добавок позволяет получить сухие строительные смеси с требуемыми реологическими и эксплуатационными характеристиками. Для регулирования свойств сухих строительных смесей наиболее часто применяются пластификаторы, стабилизаторы, водоудерживающие и водоредуцирующие добавки, кроме того могут использоваться добавки, регулирующие сроки схватывания, противоморозные, гидрофобизирующие и воздухововлекающие модификаторы [13, 14].
Принято считать, что существует два уровня модификации сухих смесей с использованием химических добавок. Первичное модифицирование достигается введением в состав сухих смесей эфиров целлюлозы. В задачи такого модифицирования входит пластификация, увеличение водоудерживающей способности и открытого времени раствора. Раствор в этом случае может наноситься более тонким слоем, что позволяет существенно сократить норму расхода смеси. Второй, более сложный, способ модифицирования предполагает введение в состав сухих смесей редиспергируемых сополимерных порошков, которые позволяют улучшить адгезию к основанию, повысить прочность на изгиб, морозостойкость, снизить водопоглощение [8, 15]. Стоит отметить, что стоимость таких добавок составляет от 80 до 97 % от стоимости модифицированных сухих смесей в зависимости от сложности состава.
Традиционно технология производства сухих смесей включает следующие технологические операции: поступающий с карьера песок или другой наполнитель подвергается тепловой обработке в сушильных агрегатах, где их влажность доводят до 0,5 %, затем производят рассев на ситах. Разделенный на фракции песок после дозирования направляется в смеситель принудительного действия. В этот же смеситель загружают и другие компоненты в необходимом количестве. Отдозированные материалы перемешивают до получения однородной массы. Для тонкодисперсных наполнителей необходимо обеспечить более интенсивное перемешивание, что достигается при использовании принудительных смесителей, оснащенных вращающимися лопастями или другими устройствами. При модифицировании сухих смесей армирующей фиброй время перемешивания увеличивается в зависимости от длины волокон и содержания добавки [9]. Полученную смесь фасуют и подают на склад готовой продукции. Если затаривание не предусмотрено, то смесь сразу поступает в бункер склада готовой продукции.
Классической считается вертикальная технологическая схема, когда в верхней части смесительной башни располагаются силосы для хранения сырьевых материалов. Под ними находится оборудование для порционного весового дозирования компонентов, их смешивания и упаковки готовой продукции.
На некоторых заводах по производству сухих строительных смесей технологическая линия включает узел по приготовлению предварительно смешанных композиций добавок для производства определенных видов сухих строительных смесей, называемых премиксами.
Необходимо подчеркнуть, что на всех этапах производства сырьевые материалы, и готовая сухая смесь не должны контактировать с водой. Увлажнение приводит к коагуляции частиц полимерных модификаторов и гидратации минеральных вяжущих веществ. В практике производства сухих смесей отсутствуют примеры, когда получение модифицирующих добавок было бы включено в общую технологическую схему, что существенно снизило бы стоимость готовой продукции.
Исследование физико-механических свойств цементно-песчаных растворов
Полученная добавка вводилась в цемент в различных количествах. Сначала перемешивались сухие компоненты, после чего смесь затворялась водой. Водоцементное отношение соответствовало нормальной густоте и составляло 0,28. Прочность цементного камня при сжатии определялась на образцах-кубиках, твердеющих в нормальных условиях.
Определение основных физико-механических характеристик цемента (нормальная густота, сроки схватывания цементного теста, марочная прочность) с осуществлялось в соответствии с ГОСТ 310.3-76
Испытание песка проводилось в соответствии с ГОСТ 8735-88. Определялся зерновой состав и модуль крупности песка, насыпная плотность, истинная плотность, пустотность песка, содержание пылеватых и глинистых частиц, содержание органических примесей в песке. Определение предела прочности при сжатии проводилось на образцах - кубах с размерами 202020 мм, хранившихся семь, четырнадцать и двадцать восемь суток в воздушно -влажных условиях.
Водопоглощение цементного камня определялось в соответствии с ГОСТ 12730.3-78. Размеры образцов составляли 20х20х20 мм. Исследование свойств цементно-песчаных растворов осуществлялось в соответствии с ГОСТ 5802-86, ГОСТ 31356-2013 на образцах - кубах с размерами 70x70x70 мм, хранившихся семь, четырнадцать и двадцать восемь суток в воздушно - влажных условиях.
Исследовалась подвижность, плотность, водоудерживающая способность свежеприготовленных растворов, прочность затвердевших растворов на растяжение при изгибе и при сжатии, водопоглощение по массе, водопоглощение при капиллярном подсосе, прочность сцепления растворов с основанием, морозостойкость растворов.
Стойкость клеевых растворов к сползанию с вертикальной поверхности и прочность сцепления раствора с основанием определялись в соответствии с ГОСТ Р 56387-2015.
Адгезия затвердевших растворов к бетонному и кирпичному основаниям определялась адгезиметром ПСО-XМГ4С.
Для исследования деформативных характеристик цементно-песчаных растворов проводилось испытание образцов цементно-песчаного раствора размером 40х40х40 мм на прочность при сжатии в испытательной машине Instron №3382 при скорости нагружения 2 мм/с. Оценка влияния модифицирующих добавок на характер формирования полей деформаций образцов цементно-песчаного раствора осуществлялась с применением оптической системы измерения полей деформаций Vic 3D Correlated Solutions. 2.2.4 Физико-химические исследования модифицирующих добавок из торфа и структур твердения цементного камня Фазовый состав образцов исследовался на дифрактометре XRD - 60000 на CuK - излучении. Анализ фазового состава проведен с использованием баз данных PCPDFWIN и PDF-4+, а также программы полнопрофильного анализа POWDERCELL 2.5. Электронно-микроскопический анализ и анализ элементного состава добавок осуществлялся с помощью растрового электронного микроскопа СаmScan-4 в режимах обратно рассеянных и вторичных электронах и режиме элементного анализа.
ИК-спектроскопия проводилась на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 5700, совмещенном анализаторе SDT-Q600 и дифрактометре ДРОН-4М ИКС. Дериватографический анализ осуществлялся с помощью прибора SDT Q600bV20.9 Build 20.
Распределение частиц добавки по размерам исследовалось методом лазерного гранулометрического анализа на приборе Laser Diffraction Analyzer LA-950.
Водородный показатель модифицирующей добавки измерялся pH метром PHS-3D (Sanxin), удельная поверхность добавки измерялась прибором ПСХ-10а. Измерения проводились в соответствии с инструкцией, прилагаемой к приборам.
Математическая обработка результатов проведенных исследований производилась с применением принципов полного факторного эксперимента.
Планирование эксперимента позволяет варьировать исследуемые факторы и оценивать их влияние на функцию отклика. При применении статистического подхода математическая модель объекта или процесса представляется в виде отрезка ряда Тейлора. Чаще всего используют полиномы второго порядка, так как они легко поддаются систематизации и исследованию на экстремум.
Для описания поверхности отклика полиномами второго порядка исследуемые факторы должны принимать не менее трех разных значений.
При преобразуют в кодированные X по формуле 2.2: у X—XQ Ах Где хо - базовое значение фактора, в кодированной форме равное 0. Тогда верхний и нижний уровень варьирования фактора в относительных единицах равны соответственно +1 и -1 [73]. С целью сокращения числа опытов используют композиционные планы. Композиционный план содержит 2к экспериментов, где к - количество факторов, к которым добавляют эксперимент в центре плана и 2k в так называемых звездных точках, в которых кодированные значения всех факторов, кроме одного равны 0. Тогда общее количество опытов N рассчитывается по формуле 2.3: N = N0 + 2к + п0, (2.3) Где По- количество опытов в центре плана, k - число факторов, No - число опытов полного факторного эксперимента 2k. Для двухфакторного эксперимента уравнение регрессии примет следующий вид (формула 2.4): f(x,y) = b0 + btx + b2y + b12xy + bltx2 + Ь22у2, (2-4) Для того, чтобы матрица планирования обладала свойством ортогональности, необходимо ввести столбцы с дополнительными значениями уровня x, которые вычисляются по формуле 2.5:планировании полного факторного эксперимента натуральные значения факторов х
Влияние модифицирующих добавок на основе торфа на свойства цементного теста и цементного камня
С введением добавок на основе термически обработанного торфа в гидратированном цементе идентифицируются дополнительные пики низкоосновных гидросиликатов кальция, сходных по структуре с афвиллитом С3S2H3 (1,924; 2,44 А), фошагитом С4S3H (1,82; 1,55 А). Кроме того в модифицированном цементном камне появляются пики тоберморитободобных соединений С5S6H5 (5,6; 1,83 А), а также соединений, сходных по структуре с минералом гиролитовой группы трускоттитом Сб8юНз (3,8; 2,63; 1,921; 1,762; 1,557 А). Формирование дополнительного количества низкоосновных гидросиликатов кальция обусловлено связыванием оксидов кальция функциональными группами минерал-органических комплексов, присутствующих в добавке МТ-600, что приводит к повышению прочности модифицированного цементного камня.
Данные дериватографического анализа представлены на рисунке 3.16. Можно предположить, что значения максимума температуры теплового потока, степени влагонасыщенности частиц и дисперсности структур являются взаимосвязанными величинами. По смещению максимума температуры теплового потока можно оценить изменение дисперсности или размеров обводненных торфоминеральных комплексов с уравнением [100]: 1-10 КАг , (3.1) где Аг - изменение среднего размера частиц (или изменение дисперсности); То -температура максимальной потери массы контрольного образца, п и К -константы характерные для данного вида вещества. 1)
Термогравиметрические кривые цементного камня без добавок (1) и цементного камня с добавкой МТ-600 (2) Очевидно, что первые пики эндоэффектов связаны с удалением слабосвязанной воды с поверхности частицы.
Вторые пики эндоэффектов практически ничем не отличаются и, вероятно, связаны с процессами разложения минеральных составляющих торфа. Данные, представленные на дерватограммах, показывают увеличение содержания связанной воды в цементном камне с добавкой МТ-600 (17,4 %) по сравнению с контрольным образцом (14,8 %), что также подтверждает предположение о повышении содержания новообразований в процессе гидратации, влияющих на прочность цементного камня. 1 – контрольный цементный камень; 2 – цементный камень, модифицированный добавкой МТ-600; 3 – модифицирующая добавка МТ-600.
Сравнение и анализ спектрограмм контрольных образцов цементного камня и цементных образцов с модифицирующими добавками на основе торфа (рисунок 3.17) показал, что на ИК-спектре цементного камня с добавками появляются дополнительно: характерные полосы аминосодержащих соединений и их производных в области 1661 и 485 см–1 появляются в цементном камне с добавкой МТ-600. Вероятнее всего, в цементном камне происходит связывание Са(ОН)2 ионами NH2 в нерастворимые соли, что может снизить высолообразование в цементном камне; полосы поглощения в областях 800 – 400 см-1 указывают на возникновение новых химических связей типа Ca-O, Si-O-Si и других образующихся органоминеральных комплексов, формирующих наноразмерные иерархические организованные образования; полосы в областях 1107, 1087, 957 см–1 свидетельствуют об образовании силикатов всех типов, сульфатов и кремнийорганических соединений Si-C6H5 в модифицированном цементном камне.
В области (500-1500) см–1 отмечается повышение интенсивности поглощения пика в области 1440 см–1, что, характеризует образование несимметричных (возможно сопряженных) полимерных цепочек из атомов углерода Сn (по типу фуллеренов). Согласно литературным данным, этот интервал характеризует колебания двойных С=С связей.
В области поглощения (400-1000) см–1 преимущественно проявляются соединения типа Ca-O-Ca, Ca-O-Si, Al-O-Si, Mg-O-Si, и др. Приведенные данные позволяют предположить, что в условиях термической деструкции торфа при температурах 600 и 800 С наблюдается образование несимметричных наноструктур из атомов углерода. Таким образом, полученные ИК-спектры цементного камня с добавкой на основе торфа подтверждают выводы о характере и ее участии в процессе структурообразования цементного камня.
Минерал-органические комплексы добавки адсорбируются на поверхности зерен цемента и, выполняя функцию центров кристаллизации, способствуют интенсификации процессов твердения вяжущего.
Адсорбция минерал-органических комплексов добавки к поверхности вяжущего может происходить по одному из следующих вариантов (рисунок 3.18).
Между атомами водорода, входящими в состав функциональной группы добавки и атомами кислорода исходного вяжущего возникает электростатическое притяжение, что приводит к внедрению водорода вглубь поверхностного слоя вяжущего с образованием гидроксильных групп. В результате чего энергия связи кислорода с катионами поверхностного слоя резко уменьшается. Это облегчает диффузию ионов кальция, кремния и т.д. и ОН-групп с образованием, так называемых слоев Тейлора-Сычева. Топохимический механизм взаимодействия цемента, добавки и воды дополняется «сквозьрастворным» механизмом, что приводит к зарастанию слоев Тейлора-Сычева или сварке межчастичных зазоров по Д.И. Чемоданову [101]. Вследствие чего цементное тесто переходит в камнеподобное состояние.
Для исследования микроструктуры цементного камня модифицированного добавкой ТМ 600 были проведены электронно-микроскопические исследования поверхности образцов. На рисунках 3.18 и 3.19 представлены электронно-микроскопические снимки контрольного и модифицированного цементного камня при увеличении в 5000 раз.
Исследование прочности сцепления модифицированных цементных растворов с основанием
На диаграмме, представленной на рисунке 4.10, видно, что введение добавки МТ-600 в клеевую смесь также увеличивает адгезионную прочность раствора на 27-40 %. При введении комплекса добавок (состав №3) прочность сцепления увеличивается более чем в два раза. Нормативное значение прочности сцепления не менее 0,3 МПа, поэтому для большинства случаев применения растворных смесей введение добавки МТ-600 в состав раствора вполне достаточно для обеспечения высокой прочности сцепления.
Согласно закону сохранения энергии при адгезии, с увеличением поверхностных натяжений исходных компонентов и уменьшением межфазного натяжения работа адгезии, характеризующая прочность адгезионных связей, возрастает [112].
Таким образом, можно предположить, что наличие незначительного количества органики в составе добавки, даже связанной в минерал-органические комплексы, способствует снижению межфазного натяжения, что приводит к увеличению числа и площади контактов срастания и, следовательно, к увеличению работы адгезии.
Эксплуатация строительных конструкций в условиях переменных положительных и отрицательных температур приводит к постепенному снижению прочности цементно-песчаных растворов. Известно, что материалы, обладающие невысокой водопоглощающей способностью, лучше сохраняют свои прочностные характеристики под воздействием перепадов температур. Таким образом, показатель морозостойкости зависит от наличия, количества и размера пор в его структуре, характера пористости, качественного состава цемента, способности материала сопротивляться растяжению при замерзании воды в порах под воздействием отрицательных температур [113].
Существует два способа повышения морозостойкости затвердевшего раствора. Первый способ предполагает повышение плотности конгломерата, уменьшение объема макропор и их водопроницаемости. Такое изменение структуры материала может достигаться при помощи снижения водоцементного отношения, гидрофобизации пор модифицирующими добавками, или кольматации пор путем пропитки специальными составами. Второй способ заключается в формировании в материале дополнительного объема закрытых воздушных пор, не заполненных водой. Это резервное пространство заполняется вытесненной из насыщенных пор водой по мере возрастания давления при замерзании жидкости [114]
Для проведения экспериментальных исследований морозостойкости кладочно-монтажных растворов готовились цементно-песчаные составы, соотношение цемент : песок составляло 1:3 в качестве заполнителя использовался фракционированный песок двух фракций 1,25-2,5 и 0,16-0,31 в соотношении 70:30. Подвижность растворных смесей составляла 8-9 см.
Первая серия образцов готовилась из смеси вяжущего и заполнителя без применения модификаторов. В состав второй серии образцов включалась добавка МТ-600 в количестве 0,5 % от массы вяжущего (Глава 3). Третья серия была модифицирована добавкой МТ-600 (0,5 % от массы цемента) и редиспергируемым полимерным порошком VINNAPAS 5044 N в количестве 0,2 % от массы цемента. Исследования проводились на образцах-кубиках размером 70х70х70 мм, которые в течение первых суток хранились в нормально-влажностных условиях, а затем в воде в течение 28 суток. Оценка морозостойкости кладочно-монтажных растворов производилась в соответствии с ГОСТ 10060-2012. Результаты исследований приведены в таблице 4.5.
Проведенные исследования показали, что применение добавок МТ-600 и редиспергируемого порошка позволяет увеличить марку раствора по морозостойкости. Причиной повышения морозостойкости является формирование резервной пористости в цементном камне при введении добавки МТ-600, как было показано в Главе 3, повышение предела прочности при сжатии за счет эффекта микроармирования цементного камня волокнистыми структурами, который, возможно, способствует и повышению прочности на разрыв.
Качество материала зависит от его строительно-технических характеристик. Создание конкурентоспособных строительных смесей предполагает высокий уровень технологических и эксплуатационных свойств. Большое количество параметров, определяющих качество смесей, усложняет процесс проектирования их составов [115]. Расчетно-экспериментальное проектирование составов модифицированных сухих строительных смесей требует наличия системы взаимосвязей для прогнозирования свойств растворов и критерия оптимальности в зависимости от базовых параметров смеси (содержания добавки, цементно-песчаного отношения, зерновой состав заполнителей и др.). Система расчетных зависимостей может быть получена статистической обработкой экспериментальных данных в виде уравнений регрессии.
Проектирование и оптимизация составов смесей с использованием математико-статистических моделей позволяет количественно учесть влияние добавки на свойства строительных смесей с учетом взаимодействия с другими факторами [116]. Оптимизация составов сухих смесей проводилась методами математического планирования эксперимента. Одной из наиболее распространенных математических моделей поведения системы является модель «черного ящика», согласно которой известны только параметры «входа» – факторы X и «выхода» – параметры оптимизации, критерии эффективности Y, при этом внутренняя структура системы остается недоступной для наблюдения. При разработке математической модели системы для определения влияния факторов на критерии эффективности используется метод полного факторного эксперимента [117].
В ходе эксперимента факторы варьировались на двух уровнях N-е число раз (N=2n), где n - число факторов. В матрице планирования строки отвечают опытам, столбцы факторам. В качестве оптимизируемых величин приняли предел прочности затвердевших растворов при сжатии и изгибе и адгезионную прочность раствора к кирпичу.