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
Національний університет “Львівська політехніка”
УДК 666. 942.015
ПЛАСТИФІКОВАНІ портландцементи з ВИСОКОЮ
МІЦНІСТЮ в РАННЬОМУ ВІЦІ
05.17.11 - технологія тугоплавких неметалічних матеріалів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дисертацією є рукопис
|
Робота виконана в |
Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України |
|
Науковий керівник |
- доктор технічних наук, професор Саницький Мирослав Андрійович Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, директор Інституту будівництва та інженерії довкілля |
|
Офіційні опоненти |
- доктор технічних наук, професорКривенко Павло ВасильовичКиївський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри будівельних матеріалів - кандидат технічних наук, доцент Лівша Роман Якович Національний університет „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри автомобільних шляхів |
|
Провідна установа |
Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, кафедра хімічної технології композиційних матеріалів |
Захист відбудеться “01” липня 2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 в Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, пл. Святого Юра 9, навчальний корпус 9, кім. 214.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м.Львів-13, вул. Професорська, 1).
Автореферат розісланий 29 травня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук, доцент Я.І. Вахула
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Суттєве зростання останнім часом в Україні та промислово розвинутих країнах світу обсягів монолітного будівництва зумовлює підвищення вимог до цементів, що пов’язано із забезпеченням ефективності вкладання бетону, розпалубки монолітних споруд у якнайкоротші терміни при достатній якості останніх, виготовленням тонкостінних густоармованих конструкцій підвищеної міцності, можливістю проведення будівельних робіт у зимових умовах. Тому при монолітному бетонуванні виникає потреба в розробці портландцементів, що забезпечують підвищені показники рухливості, ранньої та марочної міцностей, а також тверднення при понижених додатніх і від’ємних температурах. Згідно ДСТУ Б В.2.7-46-96 зросли вимоги до пластифікованих портландцементів щодо показника рухливості. З метою гармонізації якісних характеристик цементів в Україні передбачається поступовий перехід на методи випробувань за європейським стандартом ЕN 196 при водоцементному відношенні В/Ц=0,5, що в більшій мірі відповідає вимогам монолітного будівництва. Слід відзначити, що портландцементи загальнобудівельного призначення при підвищеній рухливості характеризуються сповільненим набором міцності в ранній період, що суттєво обмежує їх використання при монолітному бетонуванні і вимагає пошуку шляхів їх активації.
Узагальнення результатів у області хімії та технології в’яжучих речовин свідчить, що створення пластифікованих портландцементів нової генерації, які характеризуються підвищеною рухливістю і високою міцністю в ранньому віці, а також покращеними будівельно-технічними властивостями, досягається шляхом їх модифікування високоефективними комплексними додатками поліфункціональної дії, що містять поверхнево-активні речовини (ПАР) та солі лужних металів, в якості яких представляє інтерес використання електролітів з підвищеною розчинністю - натрію тіосульфату та роданіду.
Тому актуальними з теоретичної та практичної точок зору є дослідження, спрямовані на вивчення впливу комплексних хімічних поліфункціональних додатків нового типу на основі ПАР, натрію тіосульфату та роданіду на процеси гідратації і тверднення портландцементних систем, а також на розробку пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці із заданими будівельно-технічними властивостями, в тому числі при понижених додатніх і від’ємних температурах.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з науково-технічною програмою Міністерства освіти і науки України за напрямком “Нові речовини і матеріали” і проекту Державного комітету України з науки, техніки і промислової політики № 0102U001165 (шифр ДБ/50.МС) “Розробка теоретичних засад створення сухих сумішей для різних температурних умов експлуатації на основі композиційних в’яжучих речовин нового покоління, модифікованих полімерними редиспергованими порошками та поліфункційними хімічними додатками”.
Мета роботи і задачі дослідження. Розробка пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці шляхом модифікування портландцементу комплексними хімічними додатками поліфункціональної дії, оптимізація їх складів, дослідження процесів гідратації та структуроутворення, в тому числі при понижених додатніх та від’ємних температурах.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
- з метою уніфікації якісних показників портландцементів згідно ГОСТ 310.1-4 та ЕN 196 встановити вплив технологічних факторів на фізико-механічні властивості портландцементів та процеси їх структуроутворення;
- дослідити фізико-механічні властивості одержаних пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці з комплексними модифікаторами, в тому числі при понижених додатніх та від’ємних температурах;
- встановити вплив комплексних додатків-модифікаторів на основі ПАР, натрію тіосульфату та роданіду на процеси гідратації і тверднення портландцементних систем в умовах від’ємних температур;
- провести практичну апробацію розроблених пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці та бетонів на їх основі при монолітному бетонуванні, обґрунтувати їх техніко-економічну ефективність та раціональні області використання.
Об’єкт дослідження: пластифіковані портландцементи з високою міцністю в ранньому віці для монолітного будівництва, що тверднуть також в умовах знакозмінних та від’ємних температур, одержані шляхом модифікування портландцементу комплексними додатками поліфункціональної дії на основі ПАР, натрію тіосульфату та роданіду.
Предмет дослідження: процеси гідратації та тверднення пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці з комплексними модифікаторами, в тому числі при понижених додатніх та від’ємних температурах.
Методи дослідження. Експериментальні результати одержано із застосуванням методів фізико-механічних досліджень, а також комплексу сучасних методів фізико-хімічного аналізу, зокрема рентгенівської дифрактометрії, електронної мікроскопії, диференційно-термічного аналізу, калориметричного аналізу, низькотемпературної дилатометрії. Для оптимізації складів матеріалів використано метод експериментально-статистичного моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів:
- розкриті закономірності, що покладені в основу одержання пластифікованих портландцементів з високою ранньою міцністю шляхом модифікування, суть яких полягає у виявленні поліфункціональної ролі комплексних хімічних додатків на основі ПАР, натрію тіосульфату та роданіду як високоефективних пластифікаторів, а також інтенсифікаторів процесів механоактивації та гідратації портландцементів, у тому числі при твердненні в умовах понижених додатніх та від’ємних температур;
- визначені принципи одержання пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці з комплексними модифікаторами та встановлено область їх оптимальних складів, які забезпечують підвищену пластичність портландцементів, прискорення процесів гідратації та направлене формування структури цементного каменю для одержання в’яжучих з високими експлуатаційними характеристиками в різних температурних умовах;
- встановлено фізико-хімічні особливості процесів структуроутворення пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці в присутності комплексних модифікаторів, що визначаються підвищенням концентрації іонів кальцію та рН рідкої фази в початковий період гідратації, прискоренням гідролізу силікатних фаз, оптимальним розподілом продуктів гідратації в структурі цементного каменю, утворенням та стабілізацією структурно-активних АFm-фаз;
- методом низькотемпературної дилатометрії показано можливість зниження температури початку льодоутворення та деформацій розширення, що відбуваються при заморожуванні, при використанні модифікованих портландцементів; на основі кристалохімічного аналізу розкрито механізм протиморозної дії додатків натрію тіосульфату та роданіду, які внаслідок підвищеної активності забезпечують наявність рідкої фази при від’ємних температурах та зменшують енергію активації реакції гідратації в 1,3-2 рази, що сприяє інтенсифікації тверднення портландцементних систем в умовах від’ємних температур.
Практичне значення одержаних результатів. На основі отриманих експериментальних даних розроблено ефективні технологічні методи виготовлення пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці з комплексними модифікаторами на основі натрію тіосульфату та роданіду для монолітного бетонування, що характеризуються підвищеними рухливістю, ранньою та марочною міцностями, а також твердненням при понижених додатніх та від’ємних температурах.
Проведено випуск пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці в кількості 200 т на ВАТ “Івано-Франківськцемент”. Розроблені модифіковані портландцементи були використані ЗАТ “Карпаткурортбуд” при монолітному будівництві в м. Львові. Використання модифікованого портландцементу забезпечило одержання бетонів класу В25-В30, в тому числі при знакозмінних температурах (+10...-5ºС), а також у сухих жарких умовах (при температурах +30...+35ºС).
Здійснено апробацію модифікованих портландцементів у виробничих умовах на заводі ЗБВ ВАТ “Івано-Франківськцемент” при монолітному бетонуванні в умовах знакозмінних та від’ємних температур. При використанні пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці вартість 1 м бетону зменшується на 5-10 грн у залежності від виду конструкції та умов тверднення. Розроблено технічні умови на пластифіковані портландцементи з високою міцністю в ранньому віці ТУ У 26.5-02071010-080-2003.
Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, впровадженні результатів роботи в виробництво. Постановка завдання та формулювання основних положень і висновків проводились під керівництвом наукового керівника д.т.н., професора Саницького М.А. та к.т.н., доцента Соболь Х.С.
Особистий внесок здобувача в наукові роботи:
- вивчено вплив додатків-модифікаторів на раннє структуроутворення та процеси гідратації портландцементу та клінкерних мінералів [1, 4, 8];
- досліджено вплив додатків-модифікаторів на температуру початку льодоутворення та деформації розширення портландцементів методом низькотемпературної дилатометрії [2];
- проведено дослідження міцності портландцементів з комплексними хімічними додатками поліфункціональної дії [3];
- проведено оптимізацію складів модифікованих портландцементів, що тверднуть в умовах понижених додатніх та від’ємних температур [5, 7];
- вивчено вплив додатків модифікаторів на раннє структуроутворення та склад рідкої фази тверднучого портландцементу та виявлено механізм їх прискорюючої дії [6];
- досліджено фізико-механічні властивості пластифікованих портландцементів з високою міцністю в ранньому віці, в тому числі при від’ємних температурах [9];
- досліджено вплив мікроструктури портландцементного каменю на його міцність [10];
- розроблено склади органо-мінеральних додатків на основі натрію тіосульфату та роданіду для модифікування портландцементів [11].
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на конференціях: 38-му міжнародному семінарі МОК’„Прогнозирование в материаловедении” (Одеса, 1999); науково-практичному семінарі “Енергозберігаючі технології в будівництві і будівельній індустрії (Київ, 1999 р.); ІІ Міжнародній конференції з хімії та технології цементу (Москва, 2000 р.); науково-практичному семінарі “Шляхи підвищення якості будівельної продукції” (Чернівці, 2000 р.); науково-практичному семінарі “Енергозберігаючі технології цементів та бетонів” (Київ, 2000 р.); науково-технічному семінарі “Практика застосування добавок до цементів, бетонів та будівельних розчинів” (Київ, 2001 р.); Міжнародному науково-практичному семінарі “Шляхи підвищення ефективності технології бетону з хімічними додатками” (Запоріжжя, 2001 р.); ІІ Міжнародній конференції RILEM “Frost Resistance of Concrete” (Ессен, Німеччина, 2002 р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми бетону та його технологій” (Київ, 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Химические и минеральные добавки в цементы и бетоны” (Запоріжжя, 2002 р.); науково-практичному семінарі “Нові закономірності в бетонознавстві та їх практичне застосування” (Київ, 2002 р.); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Національного університету "Львівська політехніка" 1998-2002 р.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 наукових праць, з яких 7 статей, 3 публікації в матеріалах Міжнародних конференцій та 1 тези доповіді.
Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури (167 найменувань) та 4 додатків. Робота викладена на 180 сторінках машинописного тексту, які містять 36 таблиць, 45 рисунків.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета, визначений напрям роботи та коло вирішуваних задач. Перераховані основні положення, одержані автором, що мають наукову новизну та практичну цінність. Сформульовані основні положення, які автор виносить на захист.
У першому розділі на основі аналізу сучасного стану будівельного виробництва промислово розвинутих країн світу та України показано, що останнім часом перевага надається монолітному будівництву. При цьому важливого значення набуває також така характеристика бетонної суміші, як її рухливість. Саме тому згідно європейського стандарту EN 196-1 випробування портландцементів проводяться на поліфракційному піску при підвищеній пластичності (В/Ц=0,5). З метою уніфікації якісних показників портландцементу та гармонізації його споживчих властивостей концепція переходу цементних заводів України на методи випробувань цементів за європейським стандартом EN 196 передбачає паралельні випробування портландцементів за ГОСТ 310.4 та EN 196. Згідно ДСТУ Б В.2.7-46-96, сучасні пластифіковані портландцементи повинні забезпечити розплив стандартного конуса не менше 135 мм. Разом з тим, при монолітному бетонуванні для підвищення легковкладальності бетонної суміші та зменшення трудоємності робіт виникає потреба в розробці середньопластифікованих (РК≥150 мм) та сильнопластифікованих (РК≥180 мм) портландцементів. Проте використання в якості пластифікаторів широко розповсюджених багатотоннажних відходів промисловості типу лігносульфонатів технічних (ЛСТ), мелясної випареної післядріжджової барди (ВПБ) та ін. спричиняє зниження міцності пластифікованих портландцементів у ранні терміни тверднення, а введення суперпластифікаторів на нафталін-, меланін-формальдегідній основі призводить до швидкої втрати рухливості бетонної суміші. На основі цього зроблено аргументований висновок про необхідність пошуку нових технічних рішень для створення ефективних в’яжучих, що задовольняють вимогам монолітного бетонування.
Аналіз даних в області одержання пластифікованих портландцементів, а також відомих закономірностей синтезу в’яжучих речовин з наперед заданими властивостями на основі взаємозв’язку склад-структура-властивості дозволяє висунути гіпотезу про доцільність модифікування портландцементу шляхом механо-хімічної активації з комплексними високоефективними додатками поліфункціональної дії, до складу яких входять ПАР та електроліти нового типу –натрію тіосульфат та роданід, що внаслідок синергізму забезпечить зростання рухливості цементно-піщаного розчину та кінетики набору його міцності в ранній період. Використання комплексних хімічних додатків поліфункціональної дії на основі ПАР і солей лужних металів створює можливість покращення будівельно-технічних властивостей портландцементів за рахунок явища адсорбційного модифікування продуктів гідратації, стабілізації гексагональних гідроалюмінатних фаз, усунення деструктивних явищ у цементному камені та забезпечує їх тверднення при понижених додатніх та від’ємних температурах.
У заключній частині огляду літератури сформульовано мету дисертаційної роботи, визначені завдання, які необхідно вирішити в ході її виконання.
У другому розділі наведені характеристики вихідних матеріалів, описані основні методи фізико-механічних випробувань та фізико-хімічного аналізу.
При проведенні експериментів використано портландцементи ПЦ ІІ/А-Ш-400, ПЦ І-500 ВАТ “Івано-Франківськцемент” та ПЦ ІІ/А-Ш-400-Н, ПЦ ІІ/А-К-400 ВАТ “Миколаївцемент”. Для підвищення ефективності та забезпечення заданих властивостей цементних систем у якості хімічних додатків було використано пластифікатори на основі відходів целюлозної та спиртової промисловості –лігносульфонат технічний (ЛСТ), мелясна випарена післядріжджова барда (ВПБ), суперпластифікатори, а також електроліти нового типу - натрію тіосульфат та роданід, що складають основу багатотоннажних відходів коксохімічної промисловості.
Дослідження фракційного складу та тонини розмелювання модифікованих портландцементів проводили ситовим аналізом та визначенням питомої поверхні на поверхнемірі ПМЦ-500, а також розподілу частинок за розмірами за допомогою лазерного аналізатора зернистості LAU-14.
Вивчення фазового складу вихідних речовин, продуктів тверднення та властивостей одержаних в’яжучих здійснювали з допомогою комплексу фізико-хімічних методів аналізу: рентгенофазового, диференційно-термічного, растрової електронної мікроскопії, ІЧ-спектроскопії, низькотемпературної дилатометрії. Калориметричні дослідження гідратації зразків портландцементів здійснювали на диференційному мікрокалориметрі конструкції ХДТУБА. Концентрацію іонів водню рідкої фази тверднучого портландцементу визначали за допомогою іонометра універсального ЭВ-74. Оптимізацію складів модифікованих портландцементів проводили за допомогою методів експериментально-статистичного моделювання з використанням дисоціативно-крокового методу оптимізації.
У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень по виявленню впливу технологічних факторів та додатків-модифікаторів на фізико-механічні властивості пластифікованих портландцементів і встановленню особливостей процесів їх гідратації в присутності додатків-модифікаторів різних класів.
Дослідженнями пластифікованих портландцементів згідно ГОСТ 310.4 встановлено (рис. 1), що при В/Ц=0,4 досягається підвищена рухливість
135
,
c3 310.4 (/=0,4)
e2,
EN 196
Rf1,