Методи направленого формування мікроструктури цементної матриці на основі шлаколужних в"яжучих систем. Виробництво шлаколужних бетонів зі стабільними властивостями при експлуатації в умовах циклічних змін температури і вологості навколишнього середовища.
При низкой оригинальности работы "Генезис структури і властивостей шлаколужних цементів і бетонів в умовах циклічних змін вологості і температури", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Фундаментальні дослідження вчених НДІВМ в галузі направленого формування структури і властивостей шлаколужних цементів і бетонів дозволили значно розширити зону застосування цих матеріалів у різних галузях будівництва і промисловості. Аналіз інформації про вплив структурних характеристик вяжучих систем, що твердіють, на властивості штучного каменю, а також про способи направленого формування структури і властивостей шлаколужних цементів дозволяє висунути гіпотезу про можливість одержання шлаколужних бетонів з високою стабільністю властивостей при експлуатації у змінних температурно-вологісних умовах навколишнього середовища за рахунок оптимізації співвідношення в структурі штучного каменю гідратних фаз силікатного й алюмосилікатного складу і ступеня упорядкування їх структури, а також оптимізації характеру розподілу пор у поровому просторі шляхом введення у вяжучу систему органомінеральної добавки на основі термоактивованого цеоліту й петролатуму. дослідити закономірності процесів формування структури і властивостей шлаколужних вяжучих у присутності модифікуючих добавок на основі природного й термоактивованого цеоліту та петролатуму; розробити й оптимізувати склади модифікованих шлаколужних цементів і бетонів на їх основі з заданими характеристиками у змінних температурно-вологісних умовах; розроблено принципи стабілізації структури і властивостей штучного каменю на основі шлаколужних вяжучих систем у змінних повітряно-вологих умовах шляхом введення до складу вяжучих комплексної органомінеральної добавки на основі термоактивованої цеолітової породи та емульсії петролатуму, що забезпечує синтез дрібнокристалічних новоутворень, які щільно заповнюють цементну матрицю, фазовий склад якої представлено поряд з низькоосновними гідросилікатами кальцію, анальцимом, натролітом, ватерітом і змішаними натрій-кальцієвими сполуками складу (Na2,Ca)Al2Si4O12 6H2O, а поровий простір характеризується ромбоедричними порами з високою регулярністю розподілу їх в обємі.
Список литературы
З теми дисертації опубліковано 16 друкованих праць, у тому числі 3 публікації - у наукових фахових виданнях, 6 - у збірниках і журналах, 5 - тези доповідей на вітчизняних і міжнародних конференціях і семінарах і 2 - у бюллетнях відкриттів і винаходів.
Структура і обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації становить 177 сторінок. Основна частина роботи викладена на 125 сторінках та складається зі вступу, пяти розділів, висновків і містить 22 таблиці та 37 рисунків. Крім основної частини дисертація включає список використаних літературних джерел зі 159 найменувань та 9 додатків.
ЗМІСТ РОБОТИ
В вступі обґрунтовано актуальність дисертації, сформульовані основна мета і задачі досліджень, зазначено найбільш важливі положення, закономірності, що отримані автором і мають наукову і практичну цінність.
У першому розділі на основі аналізу відомих праць О.Е. Шейкіна, Ю.М. Баженова, О.Я. Берга, Т.К. Пауерса, показано, що основним фактором, який дозволяє регулювати міцнісні характеристики штучного каменю, і особливо деформаційні властивості цементів і бетонів, є фактор направленого регулювання мікроструктури штучного каменю на стадії коагуляційно-кристалізаційних процесів, що забезпечують направлений синтез і швидкість кристалізації, а також морфологію гідратних фаз, обсяг порового простору, розмір пор і ступінь їхньої рівномірності в обємі штучного каменю.
Управління властивостями цементного каменю може реалізуватись у напрямку регулювання фазового складу продуктів гідратації, зміни співвідношення кристалічної і гелєвидної фаз, коригування порової структури. При цьому морфологія, пористість, щільність і хімічний склад - це взаємозалежні фактори, що визначають характер структури та властивості матеріалу.
У свою чергу будова і взаємозвязок елементів мікроструктури цементного каменю, розмір і характер пор, співвідношення між фазовими складовими залежать від складу продуктів гідратації, що визначаються хіміко-мінералогічним складом вихідних вяжучих речовин і кількістю води замішування, за умови дотримання оптимальної технології приготування й укладання бетонної суміші, часу і режиму тверднення.
Ці підходи дозволяють отримати цементи і бетони з високими експлуатаційними характеристиками. Однак для шлаколужних систем ці положення не знайшли реалізації в достатній мірі, що є стримуючим фактором більш широкого впровадження їх у виробництво. Недостатня і суперечлива інформація про зміну міцності на розтяг при згині і деформаційних характеристиках шлаколужного штучного каменю в часі, залежно від вологозмінних та температурних навантажень, не дозволяє належним чином прогнозувати стабільність властивостей шлаколужних бетонів.
Виходячи з аналізу інформації про вплив структурних характеристик вяжучих систем, що твердіють, на властивості штучного каменю, а також про способи управління мікро- і макроструктурою цементів, у тому числі шлаколужних вяжучих систем, дозволили висунути гіпотезу про можливість одержання шлаколужних вяжучих і бетонів на їх основі з високою стабільністю властивостей в умовах циклічних змін вологості і температури навколишнього середовища за рахунок забезпечення в складі штучного каменю, що синтезується, оптимального співвідношення гідратних фаз гідросилікатного та гідроалюмосилікатного складу і ступеня упорядкованості їх структури за рахунок введення кристалічних затравок, а також оптимізації характеру і розміру пор у поровому просторі шляхом введення органічної добавки, що кольматує пори.
В другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів, використаних для виготовлення модифікованих шлаколужних вяжучих і бетонів.
Як алюмосилікатний компонент шлаколужної вяжучої речовини використовували доменний гранульований шлак Запорізького металургійного заводу (Мо=1,19).
Як лужний компонент вяжучого використовували силікат натрію розчинний із силікатним модулем Мс=(1; 1,5; 2; 2,5), густиною ?=1250; 1270; 1300кг/м3.
Модифікування і коригування складів здійснювалися введенням до складу шлаколужної вяжучої речовини мінеральної й органічної добавок.
Як мінеральну добавку використовували цеолітову породу Сокирницького родовища, представлену в основному анальцимом.
Як органічну добавку обрано петролатум, оскільки він має високу поверхневу активність та гідрофобні властивості.
Органічну добавку вводили до складу вяжучих у вигляді емульсії, що являє собою систему “ олія-вода ”.
Для регулювання строків тужавлення шлаколужних вяжучих застосовували уповільнювач - натрій щавелевокислий.
Для дослідження пористої структури цементного каменю на рівні мікро-і капілярних пор було використано метод ізотерм десорбції води.
Визначення фазового складу вихідних речовин і продуктів гідратації здійснювали за допомогою комплексу фізико-хімічних методів дослідження: рентгенофазового аналізу, ІЧС, ДТА, електронномікроскопічного та хімічного аналізів.
Стабільність властивостей вяжучих і бетонів на їх основі оцінювали за динамікою та величиною змін фізико-механічних і деформаційних характеристик отриманих матеріалів при твердінні в перемінних температурних і вологісних умовах.
У третьому розділі представлено дослідження механізму стабілізації фізико-механічних властивостей шлаколужного цементного каменю в умовах змінного зволоження та висушування, який полягає в направленому перерозподілі співвідношення гелевидних та кристалічних новоутворень при формуванні структури твердіючих вяжучих в напрямку підвищення закристалізованості синтезованих гідратних фаз цеолітової структури та зміни характеру порового простору з розвитком пор з ефективним радіусом 2-11 нм.
Дослідження шлаколужних вяжучих показали, що чим вищі проектні міцнісні показники штучного каменю, тим більш значні їх коливання можуть спостерігатися при зміні умов експлуатації.
Для вивчення впливу вологості середовища експлуатації на міцнісні й деформаційні характеристики шлаколужного цементного каменю за базовий склад було прийнято склад вяжучої речовини, що включає основний доменний гранульований шлак і рідинне натрієве скло.
Дослідження впливу цеолітової породи на процеси структуроутворення шлаколужного цементного каменю здійснювали на оптимізованих за міцнісними характеристиками складах вяжучих композицій.
Дослідженнями встановлено, що оптимальна кількість цеолітової породи у складі вяжучої речовини складає 10-12% від маси шлаку, при цьому найбільший ефект проявляється при термічній обробці цеолітів при температурі 750°С. Максимальні міцнісні характеристики вяжучих отримані при використанні в якості лужного компонента розчинного силікату натрію з модулем Мс=2.
Аналіз впливу термоактивованої цеолітової породи на властивості вяжучих проводили за результатами порівняння фізико-механічних і деформаційних характеристик модифікованого шлаколужного вяжучого і вяжучого без добавок.
Фізико-хімічні дослідження процесів структуроутворення шлаколужних цементів показали, що у присутності термоактивованої цеолітової породи склад новоутворень штучного каменю представлено підвищеним, порівняно з бездобавочним складом вяжучих, вмістом гідратних сполук кристалічної структури, ідентифікованих як CSH(I), анальцимом, а також змішаними натрієво-кальцієвими гідроалюмосилікатами складу (Na2,Ca)Al2Si4O12 6H2O.
Такий напрямок процесів структуроутворення підтверджується результатами диференційно-термічного аналізу систем, що тверднуть. Про перерозподіл в гідратованій системі гелевидної та кристалічної фаз CSH складу, зміну морфології структуроутворюючих сполук гідросилікатного складу, яка повязана з підвищенням співвідношення Ca/Si, свідчать: переміщення в область знижених температур (з 143°C для бездобавочного складу на 120°C для складів з термоактивованою цеолітовою породою) на ДТА кривій ендотермічного максимуму, а також зміщення екзоефекту на ДТА кривій, який повязаний з утворенням волостаниту, в область підвищених температур (з 772°C для бездобавочного цементу на 790°C для модифікованого складу).
Наявність у системі, що твердне, кристалічних фаз цеолітного складу підтверджується ендоефектами на ДТА кривій в області температур 430°С та 600°С, характерних видаленню кристалізаційної і цеолітної води з натрієвих і змішаних натрієво-кальцієвих гідроалюмосилікатів.
Данні ІЧ-спектроскопії також підтверджують наявність у складі продуктів гідратації досліджуваної вяжучої системи вищеописаних гідратних фаз. При цьому відзначене підвищення інтенсивності смуг поглинання при 870 см-1 в модифікованій вяжучій системі, що характеризують утворення в продуктах твердіння підвищеної кількості натрієво-кальцієвих гідроалюмосилікатів субмікрокристалічної і кристалічної структури.
Характер зміни і загальне зменшення втрати маси на ТГ кривій гідратованої модифікованої системи, порівняно з бездобавочним цементом, свідчить про підвищення в складі штучного каменю кристалічних структуроутворюючих сполук і зниження в системі, що твердне, вільної кристалізаційної води, характерної для гідросилікатів кальцію. При цьому характер розвитку ТГ кривих свідчить про підвищення в модифікованих цементах кількості кристалізаційної і цеолітної води, характерних для цеолітових складових, що визначає підвищення ступеня упорядкування структури штучного каменю, щільності й міцності.
При введенні до складу шлаколужного вяжучого термоактивованої цеолітової породи значно зменшується кількість пор з радіусом близько 1 нм, переважають пори з радіусом 2…11 нм. При цьому зі збільшенням радіуса пор розходження між їх розподілом у бездобавочному складі й у складі з добавкою термоактивованого цеоліту підсилюється, середній радіус часток глобулярної форми збільшується з 21 нм у бездобавочних складів до 32 нм у вяжучих системах з добавкою цеоліту, що обумовлює зменшення питомої поверхні новоутворень штучного каменю з 58 м2/г до 38 м2/г, тобто підтверджує підвищення ступеня кристалізації.
Це дозволяє відзначити формування в штучному камені щільної регулярної структури. Про це також свідчить збіг значень середнього ефективного радіуса пор, отриманого сорбційним методом (13 нм) і методом капілярного просочення (7 нм). Щільність пакування гідратних новоутворень на мікрорівні відповідає гексогональній структурі порового простору з деформованими ромбоедричними порами. Це повязано з тим, що вода, адсорбована в тонких порах цеолітів, утримується досить міцно, і в той же час енергія звязку цієї води менше енергії гідратації. Інакше кажучи, наявність цеолітів відіграє роль “депо” води і забезпечує продовження гідратації і додаткового структуроутворення на пізніх стадіях, що призводить до організації більш мікропористої структури зі збільшеною кількістю контактів між частками.
Позитивний ефект введення термоактивованої цеолітової породи пояснюється її кристалохімічними особливостями. Зокрема, при гідратації досліджуваної вяжучої композиції спостерігається редегідратація добавки, тобто майже повне відновлення структури тривимірних каркасних цеолітів Na2O?Al2O3?(6?10)?SIO2? NH2O, що ініціюють за рахунок прискорення катіонно-обмінних процесів кристалізацію з гелевої фази новоутворень каркасної структури. Отже, при введенні до складу вяжучого термоактивованої цеолітової породи, прискорюється завершення гідратаційних і кристалізаційних процесів, підвищується щільність структури цементного каменю, який твердне, що й обумовлює відносну стабільність у часі його міцнісних і деформаційних характеристик порівняно з аналогічними показниками бездобавочної шлаколужної вяжучої речовини.
Введення до складу цементу емульсії петролатуму також сприяє підвищенню упорядкування кристалізаційної структури, зменшенню в штучному камені кількості слабозвязаної води в структурі гідросилікатів кальцію і перерозподілу пор за розмірами у напрямку підвищення кількості дрібних (менш 1 нм) пор.
Дослідження структуроутворюючих процесів шлаколужного цементу, модифікованого петролатумом, при його гідратації та твердненні в умовах ТВО показує, що, на відміну від бездобавочного цементу, у фазовому складі продуктів тверднення має місце синтез додаткової кількості кристалічної фази, ідентифікованої як CACO3, структура якого подібна до структури ватеріту. Причиною появи останньої є, очевидно, блокування найбільш активних граней гідросилікатів кальцію хемосорбуючими органічними молекулами, що у свою чергу призводить до зміни морфології гідросилікатів кальцію і розмірів їх кристалів. Це підтверджується зменшенням у модифікованих емульсією петролатуму цементах дифракційних характеристик, що характерні для гідросилікатів кальцію, і зміщенням їх в область підвищених міжплощинних відстаней на кривих РФА, а також зміщенням на кривій ДТА ендотермічних ефектів, характерних для гідросилікатів кальцію, в область знижених температур (140°C і 220°C для модифікованих петролатумом складів та 143°C і 230°C для бездобавочного цементу) і більш плавним характером екзотермічного ефекту при 780°C, характерного для псевдоволастоніту.
Введення до складу щлаколужного цементу добавки емульсії петролатуму сприяє підвищенню ступеня кристалізації цеолітних складових і змішаних натрієво-кальцієвих сполук, про що свідчить поява додаткових дифракційних максимумів на кривій РФА, характерних для сполук складу (Na2,Ca)Al2Si4O12 6H2O, d = (0,594; 0,425; 0,330; 0,287; 0,241; 0,165; 0,155 нм), а також максимумів, що відносяться до анальциму, d = (0,370; 0,359; 0,330; 0,273 нм).
На наявність вищеописаних сполук у структурі штучного каменю і підвищення ступеня їх кристалізації вказують також характеристики кривих ДТА і ТГ. Відзначено зміщення ендотермічного ефекту (t = 553°C та t = 720°C) в область підвищених температур, а на ТГ кривій відзначено значне зменшення втрати маси зразків в інтервалі температур 100-950°C. Також на ІЧ-спектрі вяжучого, модифікованого петролатумом, на відміну від спектра вяжучого, що містить термоактивований цеоліт, відзначена поява смуги поглинання при 1419 см-1, що характеризує наявність карбонату кальцію волокнистої структури, ідентифікованого як ватеріт.
Зміщення на кривих ІЧС смуги поглинання, що характеризує наявність молекулярної води, в область підвищених частот (1633 см-1) свідчить про знижений вміст у досліджуваній системі адсорбованої води, а поява дуплету смуг поглинання при 2950 см-1 и 2850 см-1, відповідає коливанням -СН2- груп, що свідчить про синтез у продуктах твердіння органосилікатных сполук, утворених внаслідок взаємодії петролатуму та гідратних мінеральних фаз.
Такий напрямок структуроутворення призводить до звуження функції розподілу пор за розмірами, що виявляється в значному зростанні кількості дрібних гелевих пор радіусом близько 1 нм за рахунок зменшення обєму капілярів радіусом 2...5 нм і зменшення розподілу пор з радіусом 3...10 нм. Це можна пояснити адсорбцією полімеру на зернах шлаку та у поровом просторі.
При цьому у вяжучому з добавкою петролатуму при твердненні в нормальних умовах транспорт вологи із системи гелевих пор радіусом 1 нм істотно ускладнений, що сприяє зменшенню вологісної усадки в два рази порівняно зі штучним каменем на основі бездобавочного складу.
Ефект дії емульсії петролатуму в такий спосіб можна пояснити протіканням фізико-механічних процесів, зокрема утворенням нерозчинних кальцієво-органічних сполук, і хімічною адсорбцією ізомеру на поверхні зерен шлаку й гідратних новоутворень. Це у свою чергу обумовлює створення дрібнокристалічної та тонкокапілярної бездефектної структури, що обумовлює високі фізико-механічні властивості й більш однорідну структуру шлаколужного вяжучого з рівномірним розподілом внутрішніх напружень і, відповідно, гарантує стабільність міцнісних характеристик при зволоженні і висушуванні, а також зниження усадочних деформацій.
Найбільший ефект стабілізації міцнісних і деформаційних властивостей високоміцного штучного каменю досягається при одночасному введенні до складу шлаколужної вяжучої речовини термоактивованої цеолітової породи й емульсії петролатуму.
За результатами проведених досліджень визначено, що оптимальний вміст мінеральної й органічної добавок відповідно складає: термоактивованої цеолітової породи - 10% від маси шлаку; емульсії петролатуму - 2% від маси шлаку.
Виявлено, що введення до складу шлаколужного цементу комплексної добавки сприяє поглибленню процесів гідратації шлаку, підвищенню ступеня кристалізації структуроутворюючих сполук і підвищенню основних будівельно-технічних характеристик штучного каменю.
При аналізі дифракційних характеристик штучного каменю на кривій РФА відзначається наявність чітко виражених дифракційних максимумів, характерних для кристалічних сполук з високим ступенем досконалості структури. При цьому ідентифікування новоутворень показує, що їх мінералогічний склад, переважно, представлений сполуками складу і структури анальциму (d = 0,389; 0,334; 0,291; 0,287; 0,248; 0,217 нм), натроліту (d = 0,655, 0,427, 0,389, 0,313, 0,268, 0,217 нм), змішаних натрієво-кальцієвих сполук складу (Na2,Ca)Al2Si4O12 6H2O (d = 0,594; 0,427; 330; 0,287; 0,164; 0,156 нм), карбонатом кальцію структури ватеріту (d = 0,359; 0,330; 0,273; 0,222; 0,1820; 0,156 нм), а гідросилікатна фаза представлена тоберморитоподібним гелем і слабко закристалізованими гідросилікатами складу CSH(II) (рис.1).
Це підтверджується даними ДТА і ТГ. Так, на кривій ДТА відзначено чіткі ендоефекти, що характерні для лужних і лужно-лужноземельних гідроалюмосилікатів, і ендоефект, що підтверджує утворення ватеріту, структура якого характеризується волокнистою будовою або скелетними формами агрегатів, які нагадують сніжинки. Про підвищений ступінь кристалізації структуроутворюючих сполук свідчить також характер кривої ТГ і низька загальна втрата маси штучного каменю в інтервалі температур 100-950°С.
Характер ІЧ-спектру і мікроскопічні дослідження також підтверджують формування в модифікованій комплексною добавкою вяжучій системі, що твердне, зазначених гідратних фаз, а дослідження сорбційних характеристик шлаколужного цементного каменю показують наявність новоутворень щільної структури з високим ступенем регулярності та упорядкування (ефективний радіус пор визначений методом капілярного просочення та сорбційним методом практично співпадають і складають відповідно 12 та 11 нм).
Рис. 1 Рентгенограма штучного каменю на основі шлаколужного вяжучого: 1 - без добавок; 2 - модифікованого термоактивованою цеолітовою породою й емульсією петролатуму.
При дослідженні порової структури цементного каменю на основі вяжучого, що містить комплексну органомінеральну добавку, спостерігається деяке превалювання пор радіусами 5...10 нм порівняно з порами радіусом 1 нм і 2...5 нм. Для цього складу характерна відносно розширена функція розподілу пор за розмірами (рис.2).
Введення до складу шлаколужного вяжучого добавок цеоліту й емульсії петролатуму дозволяє створити усередині самої системи, яка формується, більш “комфортні” умови гідратації і формування структури на мікро і макрорівнях, що забезпечують стабільність властивостей штучного каменю і високу стійкість до атмосферних впливів.
Четвертий розділ присвячено розробці складів і дослідженню властивостей важкого бетону на основі модифікованих вяжучих речовин.
У дослідженнях при підборі складу бетону ставилося завдання одержати такі показники: міцність, яка дорівнює проектному класу бетону; жорсткість бетонної суміші, що створює належне ущільнення виробів або конструкцій; економічність, що полягає в можливо меншій витраті шлаку на одиницю обєму бетону.
Рис. 2 Диференційні криві розподілу пор за розмірами у штучному камені на основі шлаколужного вяжучого: а) без добавок; б) з добавкою термоактивованої цеолітової породи й емульсії петролатуму.
Оптимальне вирішення поставленого завдання можливе при підборі складу бетону з урахуванням ущільненості заповнювачів і визначення їх оптимального співвідношення, що створює мінімальну пустотність.
У даній роботі проектування складу важкого бетону здійснювали з урахуванням гранулометрії компонентів бетонної суміші відповідно до методики, розробленої І.О. Кириєнко.
Експериментальним шляхом визначали співвідношення щебеню двох фракцій і піску, що дає максимальне значення середньої густини в ущільненому стані й отже мінімальну пустотність суміші заповнювачів.
Для вивчення впливу розчинно-шлакового відношення вяжучого і жорсткості бетонної суміші на міцнісні й деформаційні властивості досліджуваних бетонів було обрано трирівневий двофакторний план постановки експерименту.
Як змінні фактори було обрано розчинно-шлакове відношення цементного тіста для бетонної суміші та її жорсткість, яка регулюється зміною вмісту вжучого в бетоні.
Проведений аналіз отриманих у результаті реалізації плану залежностей основних міцнісних і деформаційних характеристик шлаколужного бетону показує, що досягти максимальної міцності й мінімальної деформативності важкого бетону можна призначенням жорсткості бетонної суміші у межах 27 30 с при розчинно-шлаковому відношенні цементного тіста 0,27.
Для подальших досліджень було виготовлено серії зразків з використанням бездобавочного та модифікованого шлаколужного вяжучого.
Для першої серії зразків використовували вяжуче без добавок. Друга серія включала вяжучі з добавкою термоактивованої цеолітової породи, а третя серія - комплексну добавку на основі термоактивованої цеолітової породи і емульсії петролатуму (табл.1).
Таблиця 1. Характеристика складів вяжучого для важкого бетону
№ складу Шлак Запорізький, мас.% Щавлево- кислий натрій, мас.% Цеолітова термоактивована порода, мас.% Емульсія петролатуму, мас.% Лужний компонент Розчинно-шлакове відношення
I 98,5 1,5 - - Na2O 2SIO2, ?=1300 кг/м3 0,27
II 88,5 1,5 10 - 0,27
III 86,5 1,5 10 2 0,27
Результати випробувань основних міцнісних і деформаційних характеристик досліджуваних бетонів наведено в табл. 2.
Прийнята методика підбору складу бетонів, а також технологія виготовлення дослідних зразків дозволяє одержати досить однорідні результати. Максимальний коефіцієнт варіації становить 7,5 %, що майже в два рази менше закладеного в нормах.
Стабілізуючий ефект модифікуючих добавок в бетонах, як і для вяжучих композицій, спостерігається незалежно від умов твердіння випробуваних зразків.
Найбільш стабільними є показники для бетонних сумішей, модифікованих термоактивованою цеолітовою породою й емульсією петролатуму.
Усі деструктивні процеси, повязані зі зміною умов експлуатації бетонів, відбуваються в контактній зоні між заповнювачами, де простір між зернами піску і щебеню заповнений цементним каменем. Характер зміни міцнісних характеристик бетону практично цілком залежить від властивостей шлаколужного вяжучого, що входить до його складу.
Як характеристики для вивчення деформативності бетону було прийнято такі властивості матеріалу, як усадка і повзучість.
Таблиця 2. Міцнісні і деформаційні характеристики важкого бетону після ТВО
Номер складу бетону Шифр зразка Початковий модуль пружності, Eb·10-3, МПА Міцність при стиску (кубикова), Rm, МПА Міцність при стиску (призмова), Rb, МПА
Середнє значення і коефіцієнт варіації 35,0 4,9% 100,8 5,0% 82,9 3,0%
Аналіз результатів досліджень усадки і повзучості бетонів говорить про те, що за показниками усадки і повзучості зразки всіх серій бетонів близькі між собою. Відмінність спостерігається тільки в строках досліджуваних процесів.
Так, на початковій стадії випробувань у віці бетону 60 діб після тепловологісної обробки, коли вологість навколишнього середовища складала 90-95%, у всіх складах спостерігався процес набухання. Однак для третьої серії бетонів, модифікованих термоактивованою цеолітовою породою і емульсією петролатуму, цей процес закінчився до 20-ї доби, і при цьому величина деформацій набухання склала 4·10- 5 відн. од., у той час як набухання бетону немодифікованого складу закінчилося до 60 доби при максимальній величині деформацій 10·10- 5 відн. од.
При зниженні вологості повітря нижче ніж 85% процеси усадки превалюють над процесами набухання. Аналогічна картина спостерігається і при вивченні повзучості. При вологості повітря 90-95% процеси набухання і повзучості практично рівні між собою. Як усадка, так і повзучість усіх складів стабілізуються до 260 доби після ТВО, та їхні величини для різних складів до часу їхньої стабілізації досить близькі між собою.
Проведені дослідження дозволяють прогнозувати поведінку бетону при перемінних повітряно-вологісних умовах.
У пятому розділі наведено результати дослідно-промислового впровадження розроблених складів шлаколужних вяжучих і бетонів з підвищеною стабільністю властивостей у перемінних температурно-вологісних умовах, які були використані при виготовленні станин гнучкого технологічного модуля для обробки прецизійних поверхонь і верстатів для прецизійного різання, а також елементів зміцнення конусу шафової стінки підвалини при проведенні ремонтно-відбудовних робіт на обєкті “Арковий металевий міст” (р. Старий Дніпро, м.Запоріжжя) та ділянки підпірної стіни при реконструкції вул. Космічної в м.Запоріжжі. Економічний ефект, що очікується від впровадження розробки, з урахуванням продовження терміну служби до першого капітального ремонту за рахунок поліпшення експлуатаційних показників, склав 181,29 грн. на 1м3 виробів.
На підставі експериментальних досліджень, виконаних на кафедрі будівельних матеріалів КНУБА, і з урахуванням особливостей експлуатації виробів, було розроблено “Технологічний регламент на виготовлення бетонних сумішей для виробництва важких шлаколужних бетонів з підвищеною стабільністю властивостей у змінних температурно-вологісних умовах”.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Теоретично обґрунтована і практично підтверджена можливість одержання шлаколужних бетонів з підвищеною стабільністю властивостей у змінних температурно-вологісних умовах навколишнього середовища за рахунок формування мікроструктури матеріалу в напрямку оптимізації співвідношення гідратних фаз гідросилікатного й алюмосилікатного складу і ступеня упорядкування їх структури, а також оптимізації характеру і розміру пор у поровому просторі штучного каменю, що твердне, шляхом введення у вяжучу систему органомінеральної добавки на основі термоактивованого цеоліту і петролатуму.
2. Вивчено закономірності впливу добавки термоактивованої цеолітової породи на формування фазового складу і структури шлаколужних вяжучих. Встановлено, що процеси структуроутворення в такій системі, на відміну від бездобавочних вяжучих, обумовлені формуванням на початкових стадіях тверднення поряд з низькоосновними гідросилікатами кальцію, гідроалюмосилікатів цеолітового ряду з підвищеним ступенем закристалізованості структури. Це забезпечує формування штучного каменю з щільною регулярно розподіленною кристалоподібною структурою та підвищення міцності штучного каменю і зниження власних деформацій.
3. Досліджено взаємозвязок структури і властивостей штучного каменю, що формується на основі шлаколужного вяжучого з добавкою емульсії петролатуму. Відзначено, що за наявності органічної добавки підвищується питома поверхня структуроутворюючих гідратних фаз і має місце перерозподіл пор за розмірами у поровому просторі штучного каменю. Так, у складі порового простору штучного каменю на основі вяжучого з добавкою емульсії петролатуму, на відміну від бездобавочних систем і систем, модифікованих добавкою цеолітового ряду, переважають гелеві пори з ефективним радіусом менше 1 нм. Це забезпечує синтез штучного каменю з підвищеною щільністю і стабільними показниками власних деформацій (усадки-набухання) при поперемінному зволоженні і висушуванні.
4. Встановлено основні принципи композиційної побудови шлаколужних вяжучих зі стабільними деформаційними характеристиками в умовах змінної вологості і температури шляхом їх модифікації комплексною добавкою складу “термоактивований цеоліт петролатум”. Такий склад вяжучої композиції забезпечує формування мікроструктури цементуючої матриці з підвищеною щільністю і однорідністю, що визначає високі експлуатаційні характеристики бетонів, у тому числі й стабільність деформацій у повітряно-вологісних умовах, що змінюються. При цьому фазовий склад продуктів тверднення в таких системах представлений анальцимом, натролітом і змішаними натрієво-кальцієвими гідроалюмосилікатами складу (Na2,Ca)Al2Si4O12 6H2O з високим ступенем питомої поверхні й упорядкування структури, карбонатом кальцію зі структурою ватеріту, гідросилікатними сполуками тоберморитового ряду і CSH(II), а поровий простір характеризується перевагою ромбоедричних пор з ефективним радіусом 2-11 нм і високою регулярністю їх розподілу.
5. Методом математичного планування експерименту оптимізовано склади модифікованих вяжучих систем. Встановлено, що максимальні міцнісні характеристики вяжучих композицій відповідають складам, що включають 10% від маси шлакового компонента термоактивованої при t = 750°C цеолітової породи і 2% емульсії петролатуму від маси шлаку. Такі композиції, залежно від виду лужного компоненту, характеризуються міцністю при стиску 80-110 МПА, міцністю на розтяг при згині 7,5-11,5 МПА, власними деформаціями усадки 0,4-0,72 мм/м.
6. Розроблено й оптимізовано склади і технологію одержання важких бетонів на основі модифікованих комплексною добавкою шлаколужних вяжучих із застосуванням як лужного компоненту дисилікату натрію. Отримані бетони характеризуються міцністю при стиску 90-102 МПА, призмовою міцністю 76,3-89,2 МПА, початковим модулем пружності (Eb.10-3) 31,7-37,0 МПА, вологісною усадкою (?sh·105) 25,25-30,48 відн. од. і високою однорідністю (коефіцієнт варіації - 7,5%).
7. Встановлено, що динаміка зміни міцності при стиску важкого бетону на основі модифікованого шлаколужного цементу при експлуатації в різних повітряно-вологісних умовах не супроводжується спадами міцності у часі. Відзначено, що в період 1-360 діб такі бетони характеризуються підвищенням міцності при стиску на 17-20%, яка після 360 діб твердіння бетонів становить 117-120 МПА.
8. Досліджено вплив температурно-вологісного режиму експлуатації та циклічності його впливу на стабільність міцнісних характеристик, деформації усадки-набухання і повзучості бетонів. Показано, що розроблені склади бетонів, на відміну від бездобавочних складів, характеризуються стабільністю властивостей при циклічній дії температурно-вологісних умов. Так, міцність при стиску розроблених бетонів незалежно від умов тверднення (вода, повітряно-сухі умови) не має спадів у період 28-360 діб спостереження, величина спадів міцності на розтяг при згині при поперемінному зволоженні й висушуванні бетонних зразків на основі модифікованих бетонів зменшується в 2,5-4 рази. При цьому відзначено, що величина деформації набухання при вологісному (W = 90-100%) зберіганні зразків модифікованих складів характеризується значеннями (3-4)·10-5 відн.од. і стабілізацією цього процесу на 20 добу твердіння, у той час як набухання немодифікованих бетонів досягає значення 10·10-5 відн.од, а процес стабілізації фіксується тільки після 60-ї доби твердіння у вологих умовах. Розвиток повзучості бетонів, модифікованих і немодифікованих складів, розвивається аналогічно характеристиці набухання.
9. Розроблені шлаколужні бетони пройшли виробничу й експлуатаційну перевірку при виробництві бетонних станин гнучкого технологічного модуля для обробки прецизійних поверхонь і верстатів для прецизійного різання, що експлуатувалися в НДІЕПМ КНПО “Маяк”, а також виготовленні елементів зміцнення конуса шафової стінки підвалини при проведенні ремонтно-відбудовних робіт на обєкті “Арковий металевий міст” (р. Старий Дніпро, м.Запоріжжя) та ділянки підпірної стіни при реконструкції вул. Космічної в м.Запоріжжі. Отримані у виробничих умовах бетони характеризувалися міцністю при стиску 98,0 МПА, призмовою міцністю 90,6 МПА, міцністю на розтяг при згині 7,8 МПА і модулем пружності 36,9·103 МПА відразу після ТВО (пропарювання). Після 2-х років спостереження характеристики зразків, що зберігалися в умовах роботи конструкцій, показали наступні зміни властивостей: міцність при стиску 110,2 МПА, призмова міцність 93,8 МПА, міцність на розтяг при згині 7,3МПА і модуль пружності 37,8 103МПА. Економічний ефект від впровадження розробки, з урахуванням подовження терміну служби до першого капітального ремонту за рахунок поліпшення експлуатаційних показників, склав 181,29 грн. на 1м3 виробів.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Кривенко П.В., Константиновский Б.Я., Щербина Л.В. Шлакощелочные бетоны модифицированные полимерами // Труды 3-й Всесоюз. науч.-практ.-конф. “Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции”. - Том 2. - К.: КИСИ. - 1989. - С. 39-40.
Досліджено можливість використання полімерів (олігомерів) для просочення шлаколужних бетонів з метою підвищення стабільності його властивостей.
2. Кривенко П.В., Щербина Л.В. Повышение стабильности свойств шлакощелочного цементного камня при циклическом воздействии влаги // Труды XXII Междунар. конф. в области бетона и железобетона (Иркутск-90). - М.: Стройиздат. - 1990. - С. 80-81.
Встановлено і досліджено ефект стабілізації характеристик міцності і деформування шлаколужних вяжучих модифікованих, органічними добавками (емульсією петролатуму).
3. Кривенко П.В., Щербина Л.В. Работоспособность шлакощелочных бетонов под действием переменных факторов // Работоспособность строительных материалов на основе и с применением местного сырья и отходов промышленности. - Казань. - 1991. - С. 100-105.
Приведено результати досліджень підвищення довговічності шлаколужних бетонів шляхом введення добавки термоактивованого цеоліту і петролатуму.
4. Кривенко П.В., Щербина Л.В. Шлакощелочные бетоны для корпусных деталей станков // Труды XXIII Междунар. конф. в области бетона и железобетона (Волг-Балт-91). - М.: Стройиздат. - 1991. - С. 97-98.
На підставі аналізу кінетики зміни характеристик міцності і деформування шлаколужних вяжучих, модифікованих емульсією петролатуму, розглянута можливість їхнього використання для виготовлення корпусних деталей верстатів.
5. Кривенко П.В., Пушкарева Е.К., Щербина Л.В. Повышение стабильности физико-механических характеристик шлакощелочных вяжущих в условиях попеременного увлажнения и высушивания // Цемент. - 1991. - № 11-12. - С. 9-16.
Досліджено можливість комплексного використання цеолітової породи й емульсії петролатуму як добавки до шлаколужної вяжучої речовини з метою підвищення стабільності фізико-механічних характеристик штучного каменю в умовах циклічного впливу вологи.
6. Кривенко П.В., Константиновский Б.Я., Ракша В.А., Клименко В.А., Щербина Л.В. Шлакощелочные вяжущие и бетоны для корпусных деталей станков // Цемент. - 1991. - № 11-12. - С. 34-39.
Експериментально підтверджена можливість використання модифікованих шлаколужних вяжучих і бетонів для виготовлення корпусних деталей верстатів.
7. Кривенко П.В., Константиновский Б.Я., Щербина Л.В. Физикотехнические свойства шлакощелочных бетонов модифицированных полимерами // Комплексное использование минерального сырья и попутных продуктов при производстве строительных материалов: Сб. науч. тр. - Киев.: УМЛ ВО, 1991. - С. 18-27.
Досліджено взаємозвязок між видом і кількістю органічної добавки у складі шлаколужних вяжучих і бетонів і фізико-технічними властивостями отриманих модифікованих матеріалів.
8. Ракша В.А., Щербина Л.В. Повышение стабильности свойств композиционных материалов на основе шлакощелочного вяжущего // Труды 6-й национальной конф. “Механика и технология композиционных материалов”. - София. - 1991. - С. 294-297.
Досліджено підвищення стабільності фізико-механічних і гідрофізичних властивостей композиційних матеріалів на основі високоміцних шлаколужних вяжучих і органічних добавок.
9. Кривенко П.В., Казанский В.М., Клименко В.А., Щербина Л.В. Управление микропоровой структурой высокопрочного шлакощелочного вяжущего // Труды научн.-техн. конф. “Прогрессивные строительные материалы и изделия на основе использования природного и техногенного сырья”. - Ленинград. - 1992
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
