WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

       На правах рукописи

ГРИБОВА Валерия Сергеевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

МЕЛКОЗЕРНСТОГО БЕТОНА КОМПЛЕКСНЫМИ

ГИДРОФОБИЗИРУЮЩИМИ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМИ

МОДИФИКАТОРАМИ

05.23.05  –  Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Москва  2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель

- доктор технических наук, доцент

  Ткач Евгения Владимировна

Официальные оппоненты

- Соловьёв Виталий Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», кафедра Строительства ядерных установок, профессор

- Башлыков Николай Фёдорович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ООО «НПЦ-ПолиРелакс», технический директор

 

Ведущая организация

- ГУП «НИИМосстрой»

Защита состоится «24» декабря 2012 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, телестудия «Открытая сеть», ауд. № 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан  «  » ноября  2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Алимов Лев Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Мелкозернистые бетоны широко применяются при производстве различных элементов конструкций, отделочных материалов и изделий, в том числе тротуарных и дорожных покрытий. Наряду с достоинствами мелкозернистые бетоны, имеют: повышенные пористость и водопоглощение, что снижает его прочность и морозостойкость.

       Решение проблем повышения эффективности мелкозернистых бетонов может быть осуществлено путем введения в них комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов, имеющих в своем составе тонкодисперстный резиновый порошок - продукт переработки амортизированных шин, позволяющий повысить эксплуатационные характеристики мелкоштучных фигурных элементов мощения, в том числе тротуарной плитки.

Работа выполнена в соответствии с НИР МГСУ, программой «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса («У.М.Н.И.К.»)», Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» (мероприятие 1.2.2.), Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы» (мероприятие 5.2).

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы явилась разработка эффективного мелкозернистого бетона, модифицированного комплексными гидрофобизирующими органоминеральными  модификаторами  для элементов мощения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить  следующие задачи исследований:

- обосновать возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов  с комплексными гидрофобизирующими органоминеральными модификаторами (ГДМ), на основе технических лигносульфонатов, кубовых остатков синтетических жирных кислот, солей неорганических кислот, известкового молока и вторичного сырья от переработки амортизированных автошин с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

разработать составы и технологию получения комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов;

- исследовать структуру и свойства мелкозернистого бетона, модифицированного предлагаемыми  комплексными гидрофобизирующими органоминеральными модификаторами;

- разработать нормативно-техническую документацию для внедрения в производство предлагаемых технических решений;

- провести опытно-производственные работы по внедрению разработанных составов комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов в производстве  эффективного мелкозернистого бетона, изделий на его основе с и оценить технико-экономическую эффективность принятых решений.

Научная новизна работы:

- обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования  комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов (ГДМ), на основе технических лигносульфонатов, кубовых остатков синтетических жирных кислот, солей неорганических кислот, известкового молока и тонкодисперстного резинового порошка, которые наряду с обеспечением  микрокристаллической структуры цементного камня, гидрофобизации межпоровых мембран, модифицируют гидратные образования, что определяет повышенную морозостойкость бетона. 

-  обосновано применение комплексного гидрофобизирующего органоминерального модификатора  ГДМ (в жидкой и твердой отпускной форме) в мелкозернистых бетонах, обеспечивающего сдерживание развития деструктивных процессов в  структуре мелкозернистого бетона в условиях воздействия циклических нагрузок; (ударно-динамических, попеременного замораживания и оттаивания, водонасыщения);

- установлены многофакторные зависимости прочности при сжатии и водопоглощении мелкозернистого бетона от соотношения вяжущего к заполнителю Ц:П; В/Ц и дозировки гидрофобизирующего органоминерального модификатора ГДМ;

- установлена зависимость активности взаимодействия компонентов модификатора (ГДМ) от длительности механохимической активации в присутствии известкового молока;

- установлены с помощью планирования эксперимента математические зависимости повышенных эксплуатационных свойств от состава мелкозернистой бетонной смеси;

-  установлены зависимости  водопотребности, водоотделения и расслаиваемости бетонной смеси от вида гидрофобизирующего органоминерального модификатора и его количества;

- рентгенофазовым, микроструктурным и химическим анализами установлено, что введение предлагаемого модификатора уплотняет и упрочняет структуру цементного камня за счет формирования низкоосновных гидросиликатов и аморфной составляющей;

- установлены зависимости стойкости модифицированного мелкозернистого бетона к ударно-динамическим нагрузкам от состава и структуры.

Практическая значимость работы:

       - разработаны составы комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ, способных регулировать гидрофизические свойства мелкозернистого бетона. Разработана технология приготовления комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ в отпускной форме в виде эмульсии (ГДМ-С) и гранулированного порошка (ГДМ-Т);

       - разработаны и оптимизированы составы мелкозернистого бетона с комплексным гидрофобизирующим органоминеральным модификатором типа ГДМ, способным повысить эксплуатационные характеристики мелкозернистого бетона  в условиях воздействия циклических нагрузок  (ударно-динамические, попеременное замораживание и оттаивание) для производства фигурных элементов мощения;

       - разработаны технологии  получения комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов  типа ГДМ, позволяющих повысить эксплуатационные свойства мелкозернистых бетонов.

       Внедрение результатов исследований:

- разработаны технологический регламент на изготовление модифицированных органоминеральных модификаторов  типа ГДМ и ТУ 5745-001-79962927-2012 – «Мелкозернистый бетон, модифицированный органоминеральной добавкой ГДМ».

- выпущена опытно - промышленная партия  бетонных тротуарных плит из модифицированного комплексными гидрофобизирующими органоминеральными модификаторами мелкозернистого бетона на фирме ООО «СК-Строй».

- экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет  180,49 руб. на 1 м3 бетона.

Апробация работы:

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: международной научно практической конференции «Новости передовой науки - 2012» (София, 2012г.); международной научно-практической конференции «Эффективные инструменты современных наук» (Прага, 27 апреля – 5 мая 2012г);  международной научно-практической конференции «Европейская наука XXI века» (Польша, 07-15 мая 2012г);  XV Международной межвузовской  научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ 2012); международной научно-практической конференции «Наука и образование ведущий фактор стратегии» (Казахстан, КарГТУ, г. Караганда, 2011г);  научных чтениях, посвящённых памяти Горчакова Г.И. и 75-летию с момента основания кафедры «Строительные материалы» МГСУ (Москва, МГСУ, 2009); V Международной конференции «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, ВолГАСУ, 2009 г.); научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов института строительства и архитектуры (Москва, МГСУ, 2006г.).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в  10-ти научных статьях, в том числе 3 в рецензированных изданиях, рекомендованных ВАК.

Научные положения, выносимые на защиту:

- оптимизация и технологии получения комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ;

- зависимость физико-технических свойств цементных материалов от количества и вида предлагаемого комплексного органоминерального модификатора ГДМ;

- строительно-технические свойства отвердевшего модифицированного  мелкозернистого бетона;

- результаты опытно-промышленного внедрения и технико-экономическая оценка предлагаемых технических решений.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 123 наименование, и 3  приложения. Работа изложена на 153 страницах текста, иллюстрирована 31 рисунком, имеет 47 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одной из эффективных возможностей управления технологией и универсальными способами улучшения и придания новых нехарактерных свойств для бетонной смеси и бетонов является применение химических добавок.

В настоящее время номенклатура рекомендуемых добавок включает не­сколько сот наименований, среди которых  особое место, занимают добавки, из­вестные под названием суперпластификаторы и модификаторы, содержащие в своем составе гидрофобизирующие ингредиенты. Эти модификаторы не дефицитны, недорогие по стоимости и не вызывают интоксикации организма человека. Кроме того, гидрофобизи­рующие добавки положительно влияют на физико-технические свойства бетона и железобетона не только в ранние сроки, но и на весь период эксплуатации их в строительных объектах.

Однако использование в строительном комплексе мелкозернистых бетонов для изготовления изделий различного назначения, в том числе и для дорожного строительства, требует создания новых гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов, обеспечивающих улучшение их физико-технических  и эксплуатационных свойств.

При этом в технической литературе не приводятся системные сведения о применении тонкодисперсного резинового порошка (ТДРП) при изготовлении модифицированного мелкозернистого бетона, в том числе в случае изготовления дорожных бетонных тротуарных плит.

Для достижения диссертационной цели и соответствующих  задач была составлена рабочая гипотеза следующего содержания. Как известно, мелкоштучные изделия, в том числе фигурные элементы мощения (бетонная тротуарная плитка), изготавливают методом вибролитья. Однако такие мелкозернистые бетонные смеси требуют повышенного расхода вяжущего и существенных энергозатрат для проведения тепловой обработки изделий. При этом используемая бетонная смесь не обеспечивает регулирования роста прочности во времени, величин водопоглощения и морозостойкости, что, в определенной мере, ограничивает применение такого мелкозернистого бетона в дорожном строительстве. Использование известных модификаторов, таких как С-3, ГПД, ОМД, КОМД-С и др. позволяет улучшить прочность, водопоглощение и морозостойкость и т.п. Однако все это не обеспечивает повышенную сопротивляемость к циклическим нагрузкам мелкозернистого бетона, что является причиной развития деструктивных процессов, приводящих к разрушению дорожного покрытия.

В связи с этим необходимо модифицировать мелкозернистый бетон гидрофобизирующей органоминеральной добавкой, в составе которой, помимо известных ингредиентов – прямой эмульсии кубовых остатков синтетических жирных кислот в водном растворе технических лигносульфонатов, совмещенных с солями неорганических кислот необходимо их совместить с тонкодисперсным резиновым порошком (ТДРП) в присутствии известкового молока Са(ОН)2. Предлагаемые ингредиенты должны:

-  ТДРП в гидрофобизированном мелкозернистом бетоне обеспечить сдерживание деструктивных процессов в структуре фигурных элементов мощения в условиях воздействия циклических нагрузок;

-  Са(ОН)2 обеспечить получение качественной тонкодисперсной прямой эмульсии, которая в дальнейшем будет способствовать лучшему совмещению ТДРП с модификатором и его распределению объеме бетонной смеси.

Совместное применение вышеуказанных ингредиентов в виде совмещенного  продукта – комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов должно обеспечить получение эффективного мелкозернистого бетона с требуемыми  эксплуатационными свойствами, на основе которого, в частности, можно организовать производство  тротуарной плитки.

Исследования проводились на следующих материалах. В качестве вяжущего использовали портландцементы заводов ЗАО «Осколцемент» и ЗАО «Ульяновскцемент». Химический и минералогический составы цементов приведены в таблицах 1 и 2. Испытания цементов производили по ГОСТ 310.1-76, ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы испытаний».

Таблица 1 – Химический состав портландцементов

Завод - изготовитель

Марка цемента

Условная марки-ровка

Химический состав, мас. %

SiO2

AL2O3

Fe2O

CaO

MgO

SO3

ЗАО «Осколцемент»

500-ДО-Н

1

21,41

5,67

5,12

65,97

0,48

0,27

ЗАО «Ульяновск-  цемент»

ЦЕМ I 42,5Н

2

21,11

5,58

4,33

65,4

0,95

0,9

Таблица 2 – Минеральный состав портландцементных клинкеров

Условная маркировка

цемента

Содержание минералов в клинкере,%

C3S

C2S

C3A

C4AF

1

59,7

16,3

6,4

15,5

2

57,9

16,8

7,5

13,2

       Результаты испытаний цементов приведены в таблице 3 (по ГОСТ 310.1… ГОСТ 310.4.84  – «Цементы. Методы испытаний»). Данные цементы, как видно из результатов испытаний, представленных в таблице 3, соответствуют требованиям ГОСТа 10178-85 «Портландцемент, шлакопортландцемент. Технические условия». 

       Таблица 3 - Результаты испытаний цементов

Условная маркировка цемента

Насып-ная плот-ность,

кг/м3

Удельная поверх-ность,

см2/г

Остаток на

сите 008,

%

Нормальная густота, %

Предел прочности в возрасте 28 сут., МПа

сжатие

изгиб

1

1300

3200

95,1

26,5

50,0

7,4

2

1320

3150

95,5

26

47,2

7,5

       

       В качестве мелкого заполнителя применяли природные пески карьеров, расположенных в Волоколамском районе Московской области и п. Хромцово Ивановской области. Свойства песка определяли методами ГОСТа 8735–88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний». Результаты испытаний мелкого заполнителя разных карьеров приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Результаты испытаний песков

Месторождение

песка

Характеристика песка

Модуль крупности

Насыпная плотность

кг/м3

Истиннная плотность,

кг/м3

Пустот-ность,

%

Загрязнен-ность, %

ОАО «Хромцовский карьер»

2,5

1600

2600

38,46

1,8

ООО «Сычевский ПТК»

2,5

1550

2620

40,84

2

Результаты испытаний показали, что пески по содержанию глинистых, пылевидных и органических примесей, гранулометрическому составу соответствуют стандартным требованиям (ГОСТ 8376-93, ГОСТ 8267-93).

Для затворения бетонной смеси использовалась вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТа 23732. Вода не должна содержать сульфатов более 2700 мг/л (в пересчете на SO4) и всех солей более 5000 мг/л.

Для приготовления комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов в качестве ингредиентов применяли различные органические и неорганические соединения. Выбор ингредиентов осуществлялся на основе изучения опыта работы передовых предприятий стран ближнего и дальнего зарубежья с учетом требований к добавкам-модификаторам действующих нормативных  документов, в частности ГОСТа 24211-2003 "Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические требования".

В качестве гидрофобизирующего ингредиента применяли кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК), удовлетворяющие требованиям ГОСТа 23239-89. В качестве пластифицирующего ингредиента применяли технические лигносульфонаты (ЛСТ), которые соответствовали (ТУ 2455-028-00279580-2004). Для ускорения твердения цемента в состав модификатора включен тиосульфат натрия (ТСН) - Na2S2O3 (ГОСТ 244-76 "Натрий тиосульфат кристаллический. Технические условия"). В качестве трегера  использована зола-уноса ТЭС от сжигания углей, соответствующая требованиям ГОСТ 25818-91.  Для повышения стойкости к трещинообразованию и улучшения деформативных характеристик цементного камня использовался тонкодисперсный резиновый порошок с размерами частиц менее 0,5 мм, который получали из отработанных резиновых шин в дезинтеграторе. Известковое молоко, непрозрачная белая суспензия гидроксида кальция в воде, было применено для улучшения глобулярного состава получаемой эмульсии.

Основные свойства бетона, такие как прочность при сжатии и растяжении, призменная прочность, деформационные свойства, морозостойкость, водопроницаемость, определены в соответствии с действующими стандартами ГОСТ 24452-80(2005) "Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона", ГОСТ 24544-81 "Бетоны. Методы определения деформации усадки и ползучести", ГОСТ 10060.1-95 "Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости". ГОСТ 12730.5-84 "Бетоны. Методы определения водонепроницаемости". Для изучения вещественного состава сырьевых материалов, фазовых и структурных превращений был применен комплекс методов физико-химического анализа, который включал микроскопический,  рентгенофазовый анализ, электронную микроскопию.  Структурную пористость цементного камня и растворной части бетона исследовали методами ртутной порометрии, световой микроскопии и дилатометрии.

Составы гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ, рекомендованных для получения исследуемых мелкозернистых бетонов,  определились следующим образом, в  % от массы вяжущего:

ГДМ-С – 0,15% ЛСТ + 0,15% КОСЖК + 2,7% ТСН + 7% ТДРП + 0,01% Известковое молоко;

ГДМ-Т – 0,15%ЛСТ + 0,15% КОСЖК + 2,7% ТСН + 5% ТДРП + 8% Зола - унос + 0,01% Известковое молоко.

       Нами были выполнены рекогносцировочные опыты по установлению влияния компонентов модификатора на основные физико-технические свойства мелкозернистого бетона и  проведены экспериментальные проверки полученных результатов путем применения статистических методов. Полученные результаты позволили определить рекомендуемые дозировки предлагаемых гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ. При оптимзации мелкозернистой бетонной смеси с гидрофобизирующим органоминеральным модификатором ГДМ-С (в виде прямой эмульсии)  в качестве переменных были выбраны следующие входные факторы:

X1 – дозировка модификатора  ГДМ-С, % от массы цемента;

X2 – водоцементное отношение (В/Ц);

X3 – соотношение  вяжущее : песок.

Анологичным образом решалась задача по оптимизации мелкозернистого бетона с модификаторм ГДМ-Т.

Полученные уравнения переменных имели вид:

Уравнение Y1  – прочности бетона на сжатие в возрасте 28 суток

для состава мелкозернистого бетона с ГДМ-С:

Y1 = -791,1757 + 33,9325·X1 + 1771,4521·X2 + 220,7773·X3 - 1,7444·X12 - 2277,5030·X22 - 36,1110·X32

для состава мелкозернистого бетона с ГДМ-Т:

Y1 = - 1042,9887 + 52,3673·X1 + 1862,4399·X2 + 206,3611·X3 - 1,6667·X12 - 2333,6057·X22 - 33,7500·X32

Уравнение Y2  – водопоглощение образцов из мелкозернистого бетона:

для состава мелкозернистого бетона с ГДМ-С:

Y2 = 336,4877 - 1,3444·X1 - 1303,3315·X2 - 47,6940·X3 + 0,0667·X12 + 1666,6643·X22 + 7,9166·X32

для состава мелкозернистого бетона с ГДМ-Т:

Y2 = 357,9554 - 0,8735·X1 - 1425,6836·X2 - 41,5554·X3 + 0,0278·X12 + 1777,9380·X22 + 6,9444·X32

Достоверность результатов была проверена по критериям Стьюдента и Фишера. Ошибка аппроксимации для всех уравнений находилась в интервале 3…5 %. Оптимальный состав мелкозернистой  бетонной смеси при В/Ц=0.39 с соотношением Ц:П=1:3 и дозировкой гидрофобизирующего органоминерального модификатора 10% ГДМ-С (от массы вяжущего) полученный мелкозернистый бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток  Y1 = 55,4958  МПа и водопоглощение Y =3,0781%.

Оптимальный состав модифицированной мелкозернистой бетонной смеси для получения бетона с заданными физико-техническими свойствами: при В/Ц=0.4 с  соотношением Ц:П=1:3 и дозировкой гидрофобизирующего органоминерального модификатора 16 % ГДМ-Т (от массы вяжущего) полученный модифицированный мелкозернистый бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток  Y1 = 55,1531 МПа и водопоглощение Y = 3,1209 %.

       На основе анализа научно-практического опыта, описанного в вышеуказанных работах, нами была разработана принципиальная технологическая схема приготовления жидких модификаторов ГДМ-С в виде прямой эмульсии КОСЖК в одном растворе ЛСТ. По глобулярному составу полученная прямая эмульсия относится к тонкодисперсным со средним диаметром глобул  в пределах 10-20 нм.

Далее также нами была разработана технологическая схема  приготовления гранулированного гидрофобизирующего органоминерального модификатора ГДМ-Т.

Полученные комплексные гидрофобизирующие органоминеральные модификаторы  типа ГДМ в жидкой и твердой отпускной форме исследовали их влияние на свойства цементных паст, бетонных смесей и отвердевшего бетона.

Нами было исследовано влияние гидрофобизированных органоминеральных  модификаторов на подвижность бетонной смеси. Из рисунка 1 видно, что  предлагаемые  модификаторы ГДМ-С и  ГДМ-Т повышают удобоукладываемость  бетонной смеси на 11% соответственно, чем С-3 (состав 2).  Результаты исследований качества бетонной смеси по удобоукладываемости позволяют сделать вывод, что модификатор ГДМ-С и ГДМ-Т не только сопоставим с известным суперпластификатором С-3, но  и превышают его в малой степени по разжижающему эффекту. 

1 состав – 0,3% ГПД плюс 3% ТСН; 2 состав  – 0,4 % С-3; 3 состав – 10% ГДМ-С; 4 состав – 16 % ГДМ-Т;

Рисунок 1 – Влияние модификаторов на подвижность бетонной смеси

Высокое качество бетонных смесей с модификатором ГДМ-С и ГДМ-Т подтверждается опытами по определению влияния расхода воды на водопотребность, водоотделение и расслаиваемость, определяющих их удобоукладываемость (таблицы 5, 6, 7). Гидрофобизирующие комплексные органоминеральные модификаторы типа ГДМ улучшают вязкопластические свойства, тесто нормальной густоты получается при сниженном расходе воды затворения на 17-20%. При этом обеспечивается рабочая стабильность свойств бетонной смеси  по однородности при воздействии внешних  механических усилий, в частности во время их транспортирования и формования. Это стало возможным благодаря включению в состав дисперсии известкого молока, позволяющего получить высокое стабильное качество глобулярного состава прямой эмульсии.

Таблица 5 – Влияние гидрофобизирующих комплексных модификаторов на водопотребность и плотность бетонной смеси

Добавка, % от массы цемента

Водопотребность,

л/м3

Снижение водопотребности, %

Средняя плотность,

кг/м3

Без добавки

249

0

2300

0,4% С-3 плюс 4% ТСН

202

19

2334

0,3% ГПД плюс 3% ТСН

210

17

2338

10% ГДМ-С

192

22

2395

16% ГДМ-Т

193

21

2400

Предлагаемые модификаторы ГДМ-С и ГДМ-Т, как показали исследования, позволяют получать бетонные смеси требуемого качества в широком диапазоне подвижности: расплыв конуса до 20см, что сопоставимо по разжижающему эффекту  с известным суперпластификатором С-3.

Таблица 6 – Водоотделение бетонных смесей

Добавка, % от массы

цемента

В/Ц

Водоотделение

бетонной смеси, %

Без добавки

0,48

0,9

0,4% С-3 плюс 4% ТСН

0,41

0,6

0,3% ГПД плюс 3% ТСН

0,42

0,4

10% ГДМ-С

0,39

0,2

16% ГДМ-Т

0,40

0,3

Все образцы изготовлены с одинаковой подвижностью 110мм.

Таблица 7 – Расслаиваемость бетонных смесей (ГОСТ 10181.5-81)

Добавка, % от массы

цемента

Содержание растворной

составляющей, %

Показатель раствороотделения Пр, %

в верхней части

в нижней части

Без добавки

51,09

47,40

3,74

0,4% С-3 плюс 4% ТСН

50,18

48,00

2,18

0,3% ГПД плюс 3% ТСН

50,16

48,10

2,12

10% ГДМ-С

50,24

47,70

1,44

16% ГДМ-Т

50,22

47,60

1,50

Нами исследован характер пористости в цементном камне с предлагаемыми модификаторами. Результаты  исследований пористости цементного камня приведены в таблице 8  и рисунке 2.

Таблица 8 – Микропористость цементного камня, %

Модификатор,

% от массы цемента

Общая

Гелевая, 10<d50

Капиллярная

50<d20 мкм

субмикропоры

50<d0,1мкм

микропоры

0,1мкм<d20 мкм

Без модификатора

32,15

9,98

13,05

1,7

0,4% С-3 плюс 4% ТСН

35,81

13,05

15,88

1,32

0,3% ГПД плюс 3% ТСН

34,95

10,60

14,95

1,59

10% ГДМ-С

36,85

14,08

17,48

1,28

16% ГДМ-Т

36,83

14,03

17,54

1,29

Установлено, что в цементном камне с модификатором ГДМ-С улучшается качество распределения пор в сторону увеличения количества мелких  пор  70%  в сравнении с цементным камнем без модификатора и на 30% - с модификатором С-3. Специфика данного процесса обусловлена не только известными причинами:  снижением поверхностной энергии воды и образованием  аморфизированных продуктов гидратации под действием ПАВ (ЛСТ и КОСЖК), но и вследствие специфического действия ТДРП на процессы гидратации и структурообразования.

а) –  без добавки

б)  – 10 % ГДМ-С

Рисунок 2 – Микроструктура цементного камня

Результаты рентгенофазового анализа цементного камня, представленного в таблице 9  и рисунке 3, показывают, что предлагаемый модификатор способствует: повышению количества кристаллической гидратной фазы CSH(I ( возрастает от 7,4 до 8,9 о.е.);  снижению количества гелеобразных гидратных аморфных составляющих ( 14 снижается от 20,1 до 11,8 о.е.).

Таблица 9 – Рентгенофазовый анализ цементного камня с различными модификаторами

Модификатор, % от массы цемента

Интенсивность рентгеновского рассеяния (о.е.)

Гидратные фазы

Клинкерные минералы

Аморфные

Кристаллические

ΣJ14

ΣJ9

ΣJ Ca(OH)2

ΣJ CSH(1)

Без модификато-ров (контрольный)

20,1

0,52

0,86

7,4

4,3

4. 0,4 % С-3 плюс 4 % ТСН

13,6

-

0,42

7,6

5,4

0,3% ГПД плю

с 3 % ТСН

14,4

-

0,33

8,1

6,4

10 % ГДМ-С

11,8

-

0,26

8,9

6,9

Установлено, что модификатор ГДМ-С благоприятно действует на улучшение дифференциальной пористости цементного камня, приводит к образованию системы резервных условно-замкнутых пор сферической формы диаметром от 10 до 100 мкм, которые, прерывая капиллярные поры, способствуют высокой плотности цементного камня. Введение в состав цементного камня модификатора ГДМ-С приводит к снижению капиллярной (диаметр пор от 510-3 до 10 мкм) и увеличению гелевой (диаметр от 110-3 до 510-3 мкм) пористости, что приводит к понижению температуры замерзания жидкости в поровом пространстве и предопределяет высокую морозостойкость материала.

Рисунок 3  Рентгенограмма цементного камня: 1 – без модификатора;

2 – с модификатором ГДМ-С

Результаты исследований показывают, что прочность бетона с модификатором ГДМ-С выше  1,7-1,8 раза в сравнении с прочностью бетона без добавок и  50% выше – с модификатором С-3 плюс ТСН.

Таблица 10 – Усталостная прочность бетона

Модификатор, % от массы цемента

Прочность бетона, МПа

Куст.п.

R28

Rд28

Без добавок

46,3

41,0

0,13

0,4 % С-3плюс4% ТСН

50,5

46,3

0,09

0,3 % ГПДплюс3% (ТСН)

53,2

49,2

0,08

10% ГДМ-С

52,4

50,0

0,05

16% ГДМ-Т

52,6

50,1

0,05

Примечание. Куст.п- коэффициент усталостной прочности, определяемый по формуле: где R28 - предел прочности бетона на сжатие в возрасте 28 суток; RД 28 - то же, после испытания на пульсирующем прессе.

Установлено, что  мелкозернистый бетон с модификатором ГДМ-С имеет высокий потенциал сохранения своих физико-технических свойств в условиях воздействия ударно-динамических нагрузок. Исследования проводились на пульсирующем прессе при нагружении в один миллион колебаний. Результаты представлены в  таблице 10.

       Из таблицы 10 видно, что коэффициент усталости у бетона с модификатором ГДМ-С и ГДМ-Т составляет всего Куст.п.= 0,05, тогда как у бетона без добавок Куст.п. = 0,13, модифицированный мелкозернистый бетон имеет стойкость  к воздействию ударно-динамических нагрузок в 2,6 раза выше в сравнении с бетоном без модификатора.

       1 – без модификатора; с модификаторами: 2 – 0,4% С-3 плюс 4%; 3 – 0,3% ГПД плюс 3% ТСН; ТСН; 4 – 10% ГДМ-С; 5 – 16% ГДМ-Т.

Рисунок 4– Водонепроницаемость бетона

Результаты испытаний показывают, что бетоны с модификатором ГДМ-С имеют улучшенные гидрофизические свойства, а именно:

- водопоглощение и капиллярный подсос  бетона с ГДМ-С имеют минимальные значения в сравнении с бетоном без модификатора и с ГПД плюс ТСН (ниже соответственно в 3,5 и 2 раза);

-  водонепроницаемость  бетона с ГДМ-С повышается почти на 6 ступеней (марок) в сравнении с бетоном без модификатора (и на 2-4 ступени с модификаторами ГПД плюс ТСН и С-3 плюс ТСН) (рисунок 4).

Улучшение гидрофизических свойств бетона с модификатором ГДМ-С можно объяснить:

- высокой плотностью структуры цементного камня и бетона в целом. Достигается высокая плотность модифицированием продуктов гидратации;

- отсутствием макропор в результате их дробления под действием ПАВ. Большая часть пор формируется в структуре цементного камня как гелевые;

- наличием гидрофобизированных «вкрапленников»,  сдерживающих фильтрацию воды в теле бетона;

- высокой прочностью межпоровых мембран (стенок), обеспечивающих работоспособность материала  при воздействии высоких давлений воды.

Установлено, что образцы бетона с ГДМ-С даже после 400 циклов попеременного замораживания и оттаивания не начали разрушаться. Вследствие известных процессов самозалечивания коэффициент морозостойкости бетона после 400 циклов  Кмрз=1,00. Данный результат свидетельствует о более высокой эффективности ГДМ-С в сравнении с модификаторами ГПД плюс ТСН и С-3 плюс ТСН (Кмрз соответственно 0,98 и 0,89). Можно считать, что в бетоне с модификаторами ГПД плюс ТСН и С-3 плюс ТСН  процессы расшатывания структуры вследствие морозного пучения начинаются после 400 циклов.

Гидрофобизирующий модификатор ГДМ-С, наряду с обеспечением мелкокристаллической структуры цементного камня и гидрофобизацией межпоровых мембран модифицирует гидратные образования в процессе "самозалечивания" и снижает действие корразии,  что и определяет повышенную морозостойкость бетона.

Предлагаемые модификаторы в 2-3 раза и более повышают коррозионную стойкость бетона, улучшают защитные свойства против действия агрессивных сред на стойкость арматурной стали и износостойкость тяжелого бетона. Обобщенно можно констатировать, что предлагаемый модификатор ГДМ-С по совокупности функциональных проявлений может быть отнесен к гидрофобизирующим модификаторам пролонгированного действия – к высокоэффективным модификаторам нового поколения.

Применение модификаторов типа ГДМ позволило в производственных условиях получать мелкозернистый бетон с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Изготавливаемые изделия должны соответствовать ГОСТу 17608-91 «Плиты бетонные тротуарные». В работу были включены заводские составы бетона (вяжущее : песок в соотношении 1:3) и составы  с предлагаемым  модификатором типа ГДМ. Основные физико-механические свойства полученного гидрофобизированного  мелкозернистого бетона приведены в таблице 11.

Таблица 11 –  Свойства гидрофобизированного  мелкозернистого бетона

Модификатор, % от массы цемента

В/Ц

Прочность бетона на сжатие, МПа

Водопоглощение, % (по массе)

Морозостойкость, циклы

Истираемость, г/см2

После ТВО

28 сут

Без добавки

0,48

32

46

5

200

0,35

10% ГДМ-С

0,39

39

57

2,5

300

0,14

16% ГДМ-Т

0,40

38

55

2,8

300

0,15

Были проведены работы по сокращению продолжительности тепловой обработки. Полученные результаты позволили считать оптимальный режим тепловой обработки модифицированного бетона 1,5+2+3+1,5 ч при изотермическом прогреве 80 °С, т.е. в производственных условиях можно снизить энергозатраты на тепловую обработку бетона почти в 1,5 раза.  Анализ результатов таблицы 11 показывает, что качество полученных изделий высокое. Прочность мелкозернистого и бетона с предлагаемыми комплексными органоминеральными модификаторами ГДМ-С и ГДМ-Т увеличивается в сравнении с контрольным на 16-19 %, соответственно.  Существенно улучшаются и другие  характеристики гидрофобизированного бетона:  водопоглощение снижается  в 1,7- 2 раза, на истираемость  в 2,5 раза.

Результаты выполненных работ по  внедрению предлагаемых технических решений и полученные при этом данные показали состоятельность и техническую эффективность предлагаемого комплексного гидрофобизирующего органоминерального модификатора типа ГДМ.

Выполненные расчеты  доказали, что экономический эффект от применения предлагаемого органоминерального модификатора марки ГДМ составляет 180,49 руб  на 1 м3 тяжелого мелкозернистого бетона (в ценах 2012 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

  1. Обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования  комплексных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ГДМ, на основе технических лигносульфонатов, кубовых остатков синтетических жирных кислот, солей неорганических кислот, известкового молока и тонкодисперстного резинового порошка, которые наряду с обеспечением  микрокристаллической структуры цементного камня, гидрофобизации межпоровых мембран, модифицируют гидратные образования в процессе «самозалечивания», что определяет повышенную морозостойкость бетона.
  2. Разработан состав комплексного гидрофобизирующего органоминерального модификатора типа ГДМ с учетом проявления всех функций ингредиентов модификатора как на стадии его приготовления в виде прямой дисперсии или в виде гранулированного порошка, так и при комплексном действии в цементных пастах и  бетоне.
  3. Предложена технология получения гранулированных модификаторов типа ГДМ. Полученный гранулированный модификатор марки ГДМ-Т однороден по гранулометрии зерен, хорошо распускается в воде и поддается быстрой активации в диспергаторе типа РПА перед применением в бетоне. 
  4. Методом математического планирования эксперимента определен оптимальный состав  модифицированной мелкозернистой бетонной смеси для получения бетона с заданными физико-техническими свойствами:  при В/Ц=0.4 с соотношением Ц:П=1:3 и дозировкой гидрофобизирующего органоминерального модификатора 16% ГДМ-Т (от массы вяжущего). Полученный модифицированный мелкозернистый бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток  Y1 = 55,1531 МПа и водопоглощение Y = 3,1209%.

       Установлен оптимальный состав мелкозернистой  бетонной смеси при В/Ц=0,39 с соотношением Ц:П=1:3 и дозировкой гидрофобизирующего органоминерального модификатора 10 % ГДМ-С (от массы вяжущего) полученный мелкозернистый бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток  Y1 = 55,4958  МПа и водопоглощение Y =3,0781%. Достоверность результатов была проверена по критериям Стьюдента и Фишера.

  1. Установлено, что введение гидрофобизирующего органоминерального модификатора ГДМ в цементное тесто в оптимальном количестве улучшает его вязкопластические свойства: тесто нормальной густоты получается при уменьшенном расходе воды затворения на 17-20%. Данный результат стал возможным благодаря включению в состав дисперсии известкового молока, что позволило улучшить качество глобулярного состава прямой эмульсии.
  2. Установлено, что применение модификатора ГДМ позволяет получать удобоукладываемые бетонные смеси в широком диапазоне подвижности (расплыв конуса до 20 см), препятствует их расслаиванию (расслаиваемость на 40% ниже, чем бетонной смеси без модификатора) и водоотделению (снижение водоотделения 1,7-1,8 раза)
  3. Установлено, что предлагаемый модификатор ГДМ позволяет получать микроструктуру  цементного камня нового качества путем существенного увеличения доли мелких и гелевых (до 70%) пор.
  4. Установлено, что прочность бетона с модификатором типа ГДМ на 35-40% выше, чем бетона без добавки и на 15-17% выше, чем бетона с известным модификатором С-3 плюс ТСН.

Показано, что деформативно-прочностные свойства бетона с модификатором ГДМ, его сопротивляемость ударно-динамическим воздействиям (в 2,1-2,4 раза) в сравнении со свойствами бетона без добавок, снижены водопоглощение и капиллярный подсос  в (2-2,5 раза), повышены существенно морозостойкость, коррозионная стойкость и износостойкость.

  1. Результаты внедрения на предприятии показали состоятельность выполненных исследований. Предлагаемые технические решения, связанные с применением в технологии мелкозернистого бетона, разработанных модификаторов типа ГДМ, позволяют получить  высокоэффективный бетон.

10. Расчетный экономический эффект от внедрения новой технологии получения цементных материалов  с использованием органоминерального модификатора ГДМ составляет  180,49 руб. на 1 м3 бетона (по ценам 2012 года).

Список публикаций по результатам исследований в изданиях, рекомендованных ВАК:

    1. Ткач Е.В. Высококачественные химические модификаторы для получения бетонов заданных свойств / Е.В. Ткач, М.А. Рахимов, Г.М. Рахимова, В.С. Грибова // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. – 2012. – №3. – С. 126-130.
    2. Ткач Е.В.  Технологические аспекты получения высококачественных модифицированных бетонов заданных свойств/ Е.В. Ткач, Д.В. Орешкин, В.С. Семенов, В.С. Грибова // Научно-технический производственный журнал «Промышленное и гражданское строительство». – 2012. – №2. – С. 65-68
    3. Ткач Е.В. Реологические свойства цементных паст и растворов на основе модифицированного коллоидного цементного клея / Е.В. Ткач, В.С. Грибова // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. – 2011. – №1. т. 2 – С. 317-321.

А также в других изданиях:

1.  Ткач Е.В. Эффективный способ приготовления гидрофобизирующего органоминерального модификатора ГДМ /  Е.В. Ткач, В.С. Грибова // VIII международная научно практическая конференция «Новината за напреднали наука – 2012»: сборник – София, 2012. т. 23 – С. 83-85.

2. Рахимов М.А.  Способы получения гидрофобизирующих комплексных органоминеральных модификаторов / М.А. Рахимов, Г.М. Рахимова, Р.Ф.Серова, М.О. Иманов, Е.В. Ткач, В.С. Грибова / VIII международная научно-практическая конференция «Эффективные инструменты современных наук»: сборник. – Прага, 2012. т. 31 – С. 17-19.

3.  Рахимов М.А.  Влияние гидрофобизирующих органоминеральных комплексных модификаторов на свойства мелкозернистых бетонных смесей/ М.А. Рахимов, Г.М. Рахимова, Р.Ф.Серова, М.О. Иманов, Е.В. Ткач , В.С. Грибова / VIII международная научно-практическая конференция «Европейская наука XXI века»: сборник. – Пшемысль, 2012. т. 21 – С. 94-97.

    1. Ткач Е.В. Получение высокоэффективных модифицированных бетонов заданных физико-технических свойств / Е.В. Ткач, В.С. Грибова, М.А. Рахимов// Труды Междунар. научно-практ. конф. «Наука и образование – ведущий фактор стратегии Казахстан-2030». – Караганда, 2011. – С.92 – 95.
    2. Беляев К.В. Применение  гиперпластификаторов в сверхлёгких тампонажных материалах / К.В. Беляев, Ю.В. Макаренкова, В.С. Грибова // V международная научно-техническая конференция «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов»: Сборник материалов. - Волгоград,  2009.  – С. 53 - 57.
    3. Беляев К.В. Применение торкрет-бетона в строительстве / К.В. Беляев, В.С. Грибова // Современные строительные материалы: Сборник трудов научных чтений, посвященных памяти Горчакова Григория Ивановича и 75-летию с момента основания Кафедры «строительные материалы». МГСУ (1 октября 2009г.) – М.: МГСУ, 2009. – С. 288 - 292
    4. Орешкин Д.В. Сверхлегкие цементные тампонажные материалы с полыми стеклянными микросферами /  Д.В. Орешкин, В.С. Семенов, А.В. Савельев, В.С. Грибова // Сборник материалов научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов института строительства и архитектуры. – М.: МГСУ, 2006. – С. 53-54.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.