Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
- 2 -
ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
Кадол Лариса Василівна
УДК 666.972.59
СУЛЬФАТОСТІЙКИЙ БЕТОН НА ЗВИЧАЙНИХ
ПОРТЛАНДЦЕМЕНТАХ З ОРГАНО-МІНЕРАЛЬНИМ КОМПЛЕКСОМ
05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ - 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти України.
Науковий керівник
доктор технічних наук, старший науковий співробітник,
Нікіфоров Олексій Петрович,
Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, професор кафедри технології будівельного виробництва.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Cавін Лев Сергійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри екології;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Бігун Олександр Іванович, Дніпропетровський державний аграрний університет, доцент кафедри експлуатації гідромеліоративних систем і технології будівництва.
Провідна установа
Одеська державна академія будівництва та архітектури, кафедра виробництва будівельних виробів та конструкцій Міністерства освіти України, м. Одеса.
Захист відбудеться “27” січня 2000р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул.Чернишевського, 24-а, ауд. 202.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.
Автореферат розісланий “25” грудня 1999р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми
Становлення економіки Української держави висунуло новий комплекс завдань, націлених як на вдосконалення технології виробництва, так, особливо, на ресурсозбереження та використання вторинних техногенних продуктів промислового виробництва.
Науково-технічний прогрес будівельної індустрії неможливо уявити без вирішення завдань підвищення якості, економічної ефективності збірного залізобетону. Особливо слід виділити досить актуальну проблему підвищення експлуатаційної стійкості бетону та виробів на його основі, які в період експлуатації піддаються дії агресивних сульфатних вод та грунтів.
Сульфатостійкість бетону показує його здібність зберігати заданий рівень міцності впродовж всього передбаченого терміну служби у агресивних умовах експлуатації. Тому дослідження сульфатостійкості бетону на звичайних портландцементах зв’язано з виявом умов оптимального структуроутворення під впливом комплексу технологічних факторів. До таких факторів належить віднести використання у бетонній суміші органо-мінерального комплексу поліфункціональної дії, спрямованого на структуроутворення довговічних та економічно вигідних матеріалів та виробів. Така постановка завдання найбільш актуальна для оцінки та прогнозування стійкості бетону елементів, які розташовані у засолених грунтах і зазнають впливу сульфатних вод.
Проведені дослідження та набутий виробничий досвід виявили, що на сучасному етапі багато які аспекти підвищення корозійної стійкості бетону ще недосконало вивчені, дослідні дані відокремлені, а комплексні дослідження їх впливу на сульфатостійкість бетону з використанням техногенних продуктів виробництва мають певні межі.
Робота спрямована на вирішення актуального завдання - дослідження та розробку ресурсозберігаючої технології модифікованих бетонів підвищеної корозійної стійкості за рахунок використання місцевих хімічних домішок у сполуці з шламовими відходами ГЗК та особливими активаторами реакцій гідратації. В основі лежить застосування ефективного органо-мінерального комплексу (ОМК), який внаслідок сполучення фізичної, хімічної та фізико-хімічної дій забезпечує сульфатостійкість бетону як на сульфатостійких, так і на звичайних середньоалюмінатних цементах. При цьому необхідно з’ясувати властивості головних компонентів місцевих відходів промисловості, які в сполуці з пластифікаторами комплексно впливають на структуроутворення матеріалу. Ці умови визначають необхідний рівень ресурсозбереження в технології сульфатостійкого бетону при забезпечені фізико-хімічної стійкості матеріалу.
База сировини для виробництва сульфатостійкого бетону на території України вельми значна, що утворює передумови для масового використання бетону з обумовленими властивостями і, зокрема, низькою собівартістю.
Зв’язок роботи з науковими програмами,
планами, темами.
Тема дисертації відповідає державній науково-дослідній роботі, що виконується кафедрами технології бетонів та в,яжучих і будівельних матеріалів Придніпровської державної академії будівництва та архітектури “Розробка нових ефективних будівельних матеріалів та виробів, використання відходів різних галузей народного господарства, інтенсифікація технологічних процесів”.
Мета і задачі дослідження
Метою роботи є розробка технологічних основ бетону підвищеної сульфатостійкості на звичайних низько- та середньоалюмінатних портландцементах за рахунок використання високоефективного органо-мінерального комплексу, отриманого із вторинних ресурсів гірничо-збагачувального промислового виробництва.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
Наукова новизна одержаних результатів.
Практичне значення одержаних результатів.
Полягає у розширенні сировинної бази основних матеріалів для ресурсозберігаючої технології бетонів підвищеної сульфатостійкості. Доведена можливість застосування звичайних середньоалюмінатних цементів з домішкою ОМК для отримання бетонів належної експлуатаційної стійкості. Зокрема, виявлена висока ефективність сполуки лігносульфонатів, вторинних продуктів за рахунок використання ефективної структуроутворюючої домішки до бетону, яка виявляє поліфункціональну дію.
Рекомендації з технології бетонних та залізобетонних виробів були надані ОП “Моноліт” (м. Кривий Ріг). На цьому підприємстві випущено понад 1 тис. м виробів підвищеної сульфатостійкості на звичайних портландцементах для різних регіонів України. Орієнтовний річний економічний ефект склав понад 90 тис. гривень за рахунок зниження собівартості бетону, економії та заміни виду цементу.
Особистий внесок здобувача
Основні результати роботи отримані автором самостійно, виконано аналіз літературних та дослідних даних про механізм корозійної дії агресивного середовища на бетон та його компоненти. Розроблена методика призначення складів сульфатостійких бетонів з ОМК із зниженою витратою звичайних портландцементів. Розроблені технологічні рекомендації та виконана організація виробництва виробів із сульфатостійкого бетону. З опублікованих в співавторстві результатів автором дисертації виконані: досліди щодо визначення оптимального складу органо-мінерального комплексу як високоефективної домішки до бетонної суміші, а також експерименти з вивчення технологічних властивостей важких бетонів у різноманітних умовах.
Апробація результатів дисертації
Головні положення дисертації повідомлені на IV міжнародній науковій конференції “Матеріали для будівельних конструкцій” ICMB’, Дніпропетровськ, ПДАБтаА, 1996р., на другий республіканській науково-технічній конференції “Індивідуальний житловий будинок”, Вінниця, 1998 р., на науково-практичному семінарі “Добавки до бетону. Система Релаксол”, Запоріжжя, 1999р.
Публікації
Основні положення дисертаційної роботи викладені в 7 роботах.
Структура і обсяг дисертації
Дисертаційна робота складається з вступу, п,яти розділів, загальних висновків та рекомендацій, переліку літератури з 106 найменувань та додатків.
Робота викладена на 156 сторінках машинописного тексту, включає 45 малюнків і 23 таблиці.
основний Зміст дисертації
У вступі обгрунтовано актуальність, викладені мета та задачі дисертаційної роботи, сформульовані основні положення, які автор виносить на захист.
В першому розділі аналізується стан питань, пов,язаних з проблемою підвищення сульфатостійкості бетону, які відображені у вітчизняній та закордонній літературі, та досвід використання різних видів бетону в сульфатному середовищі.
Проблемі підвищення корозійної стійкості бетону приділялась постійна увага у вітчизняній та закордонній дослідній роботі. У працях Бабушкіна В.І., Баженова Ю.М., Власова О.Е., Гончарова В.В, Кривенка П.В., Кунцевича О.В., Міронова С.А., Мощанського Н.А., Пахомова В.А, Ребіндера П.О., Скрамтаєва Б.Г., Стольнікова В.В., Шестоперова С.В., а також Валента М., Даніельсона Уд., Коллінза Н., Кеннеді Т., Пауерса Т. розвинуті теоретичні та експериментальні основи підвищення загальної стійкості та сульфатостійкості бетону.
Значні дослідження проведені у різних країнах з вивчення стійкості бетону у сульфатному середовищі. Особливе значення мають роботи Олексєєва С.Н, Бабушкіна В.І, Батракова В.Г., Гуревича Е.А., Мінаса А.І., Москвіна В.М., Сегалової Е.Е, Скрильникова В.П., Юнга В.Н. та ін. Однак при виробництві конструкцій, що знаходяться під дією агресивного сульфатного середовища, рекомендовано використовувати спеціальні сульфатостійкі цементи ускладненого виробництва. Це бетонні елементи гідротехнічних, промислових, сільськогосподарських споруд, розташованих у верхньому шарі грунту або в зоні змінного зволоження та висушування. Експлуатаційну стійкість, а також довговічність цих бетонів можна визначити їх опором дифузії агресивного оточення в середину матеріалу та хімічною стійкістю його структурних новоутворень. Робіт, присвячених розв’язанню проблеми підвищеної стійкості бетону на звичайних портландцементах у подібних умовах, ще вкрай мало: окремі питання таких досліджень мають місце у роботах Кривенка П.В. у сумісництві з Пушкарьовою Є.К., а також Вербицького Г.П., Грудемо О., Давідсона М.Г., Мощанського Н.А. та ін.
Аналіз сучасних праць та узагальнення експериментальних даних дає змогу запропонувати р о б о ч у г і п о т е з у дослідження. Підвищення експлуатаційної стійкості бетонів можливо на звичайних портландцементах, які експлуатуються у сульфатному агресивному середовищі, шляхом спрямованого структуроутворення та зміни морфології продуктів гідратації внаслідок дії трьохкомпонентного органо-мінерального комплексу як домішки до бетону. Приведені теоретичні передумови і робоча гіпотеза покладені в основу сформульованої мети та задач роботи.
Другий розділ присвячений обгрунтуванню вибору видів цементу та дрібних і крупних заповнювачів для виконання дослідних робіт. Показано, що цементи Балакліївського, Амвросіївського та Криворізького заводів найбільш характерні для південного регіону України, де має місце дія сульфатних середовищ на бетон. Для дослідів використано модифікатор бетонної суміші ПФМ-БС, розроблений і впроваджений у виробництво д.т.н. Файнером М.Ш. Модифікатор є вторинним продуктом Лужанського гідролізного заводу. Для виготовлення ОМК застосовано водну дисперсію пилуватого шламу Інгулецького ГЗК.
Доведено, що пилуватий шлам як продукт помелу залізовміщуючого кварциту складається на 80% з кремнеземистого компоненту, частки якого мають аморфизовану поверхню з активними центрами хімічної взаємодії. Водна суспензія шламу містить розчини сульфатів та хлоридів у стані електролітичної дисоціації.
Виконано також обгрунтування основних методів дослідження, обробки та планування експериментів імовірно-статистичним методом, запропонованим проф. Вознесенським В.А.
Третій розділ присвячений дослідженню фізико-хімічної взаємодії сульфатного середовища з цементним каменем та основними мінеральними фазами цементу.
Підвищення сульфатостійкості цементних систем під дією сульфатного середовища може бути досягнено комплексом технологічних заходів, а саме: зниженням величини В/Ц при необхідній легкоукладальності бетонної суміші, керуванням розвитком поруватості мікроструктури цементного каменю та переведенням хімічно нестійких мінералів цементу в термодинамічно стійке становище. Сукупність таких різнопланових завдань можна здійснити, використовуючи спеціальний комплекс, який являє собою модифікатор властивостей цементного тіста, бетонної суміші і бетону цілеспрямованої поліфункціональної дії. Такий органо-мінеральний комплекс (ОМК) має володіти вказаним спектром дій, відрізнятися низькою собівартістю та недефіцитністю в умовах становлення української економіки.
Пластифікатором у складі ОМК обраний водний розчин технічних лігносульфонатів (ПФМ-БС), що відрізняється високою ефективністю та низькою собівартістю. Також вивчено механізм його дії у складі ОМК на портландцементи різного мінералогічного складу та на клінкерні мономінерали. Пластифікуюча дія лігносульфонатів зв'язана з адсорбцією молекул домішки на поверхні часток цементу та продуктах їх гідратації з утворенням поверхневої плівки. Наявність такої плівки, яка виконує роль “мастила”, пояснює зниження сили тертя між компонентами бетонної суміші та підвищення її легкоукладальності.
Значним недоліком бетонів з ЛСТ є уповільнення процесу гідратації цементу і внаслідок цього зниження його міцності, що викликано гальмуванням процесів гідратації цементу на початковій стадії твердіння завдяки виникненню значного дифузійного опору у перехідних поверхневих шарах часток цементу. Введення цих домішок вимагає чіткого дотримування встановлених меж дозування, тому що незначне підвищення їх кількості значно зменшує міцність бетону.
Другим компонентом ОМК, який забезпечує комплексну стійкість бетону, є електроліт - енергійний прискорювач твердіння (розчини NaSO; CaCl). Саме тому запропоновано використати водну суспензію шламбасейнів, наприклад, Інгулецьского ГЗК, яка містить у собі, окрім сульфату натрію, також сульфати заліза та деякі хлориди.
При цьому важливо оцінити зв’язок сульфатостійкості бетонів з мінералогічним складом портландцементного клінкеру. Найбільшою стійкістю при дії сульфатних розчинів характеризується цементний камінь з белітового портландцементу, найменшою - з високоалюмінатного. Звичайні портландцементи займають проміжне положення. Вирішальний вплив вмісту у цементі трьохкальцієвого алюмінату на сульфатостійкість цементного каменю незаперечний. Стандарт на сульфатостійкі портландцементи вимагає, щоб склад клінкеру відповідав таким вимогам: вміст СА - не більше 5%, сума СА+САF - не більше 22%, а кількість СS - не більше 50%.
Отже, підвищення сульфатостійкості бетону можна пояснити дією сульфат-іонів, які при взаємодії з алюмінатами утворюють гідросульфоалюмінат кальцію. На придбання цементним тістом і бетонною сумішшю механічної міцності це не справляє небезпеки, а навпаки, ущільнює їх та модифікує морфологічний склад цементного каменю. Утворення гідросульфоалюмінату кальцію у подальший термін твердіння не відбувається внаслідок розвитку певного концентраційного бар’єру.
Останній компонент ОМК - дрібнозернистий наповнювач, що представляє собою активну мінеральну домішку з аморфізованого шламового кремнезему. Такі пуцоланічні домішки зв’язують Са(ОН) з утворенням низькоосновних гідросилікатів кальцію змінного складу з загальною формулою СSН(I). При цьому концентрація СаО у рідкій фазі знижується з 1,2...1,3 г/л до 0,06...0,08 г/л, що сприяє також перекристалізації високоосновних гідроалюмінатів у низькоосновні. Істотний вплив на підвищення сульфатостійкості цементів з ОМК відіграють низькоосновні гідросилікати кальцію колоїдної дисперсності, які релаксують кристалізаційний сульфатний тиск новоутвореної структури.
Особлива увага приділена технології виготовлення ОМК, спрямованого на підвищення модифікуючої дії водної суспензії шламів ГЗК з питомою поверхнею 70...280 м/кг. Барботування суспензії, яка містить розчин ПФМ-БС, призводить до його сепарації та адсорбції довголанцюгових комплексів лігносульфонатів на частках шламу. У той же час частина коротко- та середньоланцюгових комплексів ПФМ-БС залишається у розчині і є надійним пластифікатором бетонної суміші, який не знижує міцність бетону. Рівень пластифікації модифікованим лігносульфонатом ПФМ-БС наближався до дії СП при співвідношенні Оккінц до Окпочатк близько 7...8. Водний розчин, який містить сульфати та комплекс хлоридів і є електролітом, не тільки прискорює твердіння, але й
виступає модифікатором мінералогічного складу новоутвореної в’яжучої речовини. При наявності 5<СА<10% у середньоалюмінатних цементах домішка водної суспензії замість 10...20% води затворювання переводить звичайні бетони до розряду сульфатостійких. Таким
чином, модифікована шламова суспензія з домішкою ПФМ-БС та аморфізованим кремнеземом характеризується поліфункціональною дією: енергійно пластифікує бетонну суміш, прискорює твердіння і кінцеву міцність бетону, переводить нестійкі
гідроалюмінати у гідросульфоалюмінати. При цьому внаслідок розвитку порового тиску у пластичній суміші відбувається перетворення мікропоруватості цементного каменя. Капілярна поруватість змінюється до умовно замкненої або чіточної форми, диференційна поруватість зміщується у бік переваги пор з діаметром 10-30 нм. Бетон на звичайних портландцементах відрізняється розвитком “концентраційного бар’єру” з алюмінатних новоутворень та утворенням ущільнюючих структур з високосульфатних гідратних фаз.
Ці положення доведені дослідами складів цементного каменю з додатками різної кількості сульфат-іонів (табл. 1), а також перевірена їх дія на гідросилікатні та алюмоферитні фази цементного каменю.
Результати хімічного аналізу показують, що кількість SО- у цементному камені знизилася в 5...7 разів у результаті взаємодії сульфату з мінералами в’яжучої речовини.
Проведені дослідження з використанням рентгенофазового аналізу, ДТА та інфрачервоного спектрального аналізу довели, що склад гідратів цементного каменю відповідає даним таблиці 1. Встановлена також наявність невеликої кількості -кварцу (менше 1,2), ксонотліту, а також низькоосновних фаз С-S-Н. Морфологія часток С-S-Н характерна більш округлими подовженими частками кристалогідратів, листоподібні кристали зустрічаються рідко.
Таблиця 1
Вплив сульфату на його залишкову кількість у цементному камені
|
Номера сумішей |
Кількість додатку, % |
Результати хімічного аналізу,% |
||
|
SО- |
SО |
SО- |
SО |
|
|
1 |
- |
- |
- |
- |
|
2 |
,84 |
,32 |
0,27 |
|
|
3 |
,50 |
,44 |
0,37 |
|
|
4 |
,17 |
,52 |
0,44 |
|
|
5 |
,83 |
,49 |
0,41 |
|
|
6 |
,83 |
,75 |
1,46 |
|
|
7 |
,67 |
,05 |
4,21 |
Важливо було дослідити також особливості гідратації алюмоферитних фаз цементного тіста під впливом ОМК. Встановлено, що на протязі 2-х годин із СА утворюється САН, а подальша реакція призводить до появи етрингіту. Через вісім годин гідратації сліди СА відсутні, таким чином, ОМК впливає як каталізатор реакцій гідратації. При цьому присутній поруч з моносульфатним гідросульфоалюмінатом дрібнокристалічний етрингіт забезпечує високу щільність новоутвореної структури цементного каменю.
Сукупна дія шламового мікронаповнювача, що утворює низькоосновний С-S-Н, та сульфатної фази ОМК призводить до підвищення міцності цементного каменю, як показано на
рис. 1.
1
R,
3
2
4