Исследование влияния кремнеземосодержащих добавок на свойства бетона

В планах экономического и социального развития Российской Федерации, предусмотрено ускорить создание и внедрение прогрессивных технологий в строительном производстве, улучшить структуру применяемых строительных материалов, обеспечить значительное снижение их материалои энергоемкости за счет широкого вовлечения в сферу производства материалов попутной добычи, вторичного сырья и отходов других отраслей промышленности.

Бетон и железобетон, — основные строительные материалы. Главным компонентом, во многом определяющим свойства бетона, является вяжущее, в качестве которого широко применяется портландцемент.

Увеличить объем изготовляемого бетона можно путем уменьшения расхода цемента, что и реализуется на практике за счет применения различных цементосберегающих технологий. Они предполагают использование химических (суперпластификатор) и минеральных добавок, интенсивных методов приготовления бетонных смесей.

Среди многочисленных отходов и побочных продуктов наибольший интерес представляет использование (доменные гранулированные шлаки, золы ТЭС) обладающих сравнительно высокой гидравлической активностью.

В отвалах ТЭС находится без малого 1,5 миллиарда тонн золошлаков. Кроме того, ежегодно электростанции производят до 30 миллионов тонн отходов, из которых используется лишь 3 миллиона (10 процентов). А в строительстве и промышленности строительных материалов — всего 3−5 процентов. В 2000 году по сравнению с 1995 годом применение золошлаковых отходов в качестве добавки в бетоны в России сократилось в 50 раз.

В прежние годы в стране вопросами утилизации золошлаковых материалов занимались свыше 400 научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций. Было разработано около 300 различных технологий переработки золошлакоотходов по 23 направлениям, соответствующим мировому уровню. Например, технология, разрешающая вводить 100−200 кг активной золы на кубометр бетона, дает возможность экономить до 100 килограммов цемента.

Впрочем, продукты на основе золошлаков могут стать и источником инвестиций на техническое перевооружение ТЭС и покрытия экологических платежей на содержание золоотвапов. На площадях или вблизи ТЭС можно и нужно производить многопередельные сухие продукты на основе золошлаков ^ (бесклинкерные и малоклинкерные вяжущие, шлаковый песок, щебень, сухие строительные смеси и т. д.) с использованием технологий перемешивания, дробления, помола и расфасовки.

В результате доля транспортных расходов по доставке многопередельного золошлакового продукта на месте его потребления должна снизиться в 20 — 40 раз по сравнению с долей транспортных затрат в цене ЗШО франко — ТЭС. Рентабельность предлагаемых технологий производства многопередельных продуктов из золошлаков на ТЭС значительно превысит рентабельность производства самой электроэнергии. Многопередельные продукты на основе зол по своей конкурентоспособности позволяют ориентироваться на рынки всей России, стран СНГ и дальнего зарубежья, а не быть привязанными только к потребителю в радиусе максимум 100 километров.

Расфасованные многопередельные продукты на основе золошлаков могут быть подвержены длительному хранению в складских помещениях на ТЭС без снижения своих потребительских свойств.

Перечень сухих золошлакопродуктов высокой потребительской стоимости для производства из отходов на многопередельных модульных заводах, устанавливаемых на площадках или вблизи ТЭС, представлен:

1-й продукт — сухие золоклинкерные вяжущие на основе кислых, ультракислых и высокоосновных зол ТЭС;

2-й продукт — сухие бесклинкерные вяжущие на основе высокоосновных зол КАТЭКа;

3-й продукт — мелкодисперсный песок на основе рассева золы из форкамер;

4-й продукт — мелко-, среднеи крупнозернистый песок на основе дробленого шлака;

5-й продукт — многофракционный щебень на основе дробленого шлака;

6-й продукт — сухие строительные смеси для растворов различного назначения (кладочные, штукатурные, шпаклевочные, клеевые, гидрофобные, наливные и т. д.) на основе 1 — 4 продуктов;

7-й продукт — сухие бетонные смеси различного назначения на основе 1 -5 продуктов;

8-й продукт — удобрения для сельского хозяйства;

9-й продукт — раскислители кислых почв, особенно Нечерноземья, на основе высоко-кальциевых зол углей КАТЭКа;

10-й продукт — под покрытия автомобильных дорог из монолитного бетона подстилающие сухие подсыпки из высококальциевых зол КАТЭКа, обладающих мощной гидратационной теплоемкостью с I = 80 — 90 °C, высокоэффективных при строительстве дорог в условиях относительно низких положительных температур;

11-й продукт — на принципах 10-го продукта изготовление одноразовых нагревателей различного назначения для бытовых, производственных и нужд МЧС, использующих мощную гидратационную энергию при затворении водой;

12-й продукт — зольная микросфера многоцелевого использования;

13-й продукт — усредненная по физико-химическим характеристикам за счет смешивания сухая зола для добавки в бетоны, растворы, для производства шлакопортландцемента на цементных заводах.

Объемы производства многопередельных продуктов на основе золошлаков ТЭС позволят в 2005 году довести производство цемента в России до 40 миллионов тонн. От замены хотя бы на 10 процентов цемента смешанного малоклинкерного вяжущего на смешанное бесклинкерное вяжущее можно получить ежегодную прибыль до двух миллиардов рублей, ежегодно экономить 500 тысяч тонн жидкого топлива. В Германии добавки зол ТЭС при производстве цемента обеспечивают 35 — 37 процентов клинкерной его части.

Короче, ежегодная прибыль от производства и использования многопередельных золошлакопродуктов в строительстве может составить в 2005 — 2007 годах около 12 миллиардов рублей /1/.

Проблема экономного потребления материальных и энергетических ресурсов в строительной индустрии, а также интенсификации производства бетона и сборного железобетона при сохранении или улучшении их проектных свойств в изделиях и конструкциях на современном этапе может быть связана с использованием минеральных модификаторов индивидуально и в комплексе с химическими добавками.

Анализ проблемы использования минеральных добавок к вяжущим веществам для бетона показывает, что этот класс добавок, являющихся в основном вторичным сырьем (доменные гранулированные шлаки, золы и золошлаковые смеси ТЭС и др.), позволяет получать многокомпонентные системы с определенными эксплуатационными характеристиками, а также способствует созданию безотходных технологий и улучшению экологического состояния окружающей среды. Следует отметить, что многокомпонентные цементы обычно характеризуются пониженной прочностью, а это положение сдерживает использование минеральных модификаторов в производстве бетона и сборного железобетона, т.к. требует удлинения режимов ТВО, повышенных расходов цемента и т. д.

Кроме того, сдерживающим фактором является также отсутствие расчетно-экспериментального метода подбора состава бетона с минерально-химическими модификаторами и нестабильность их свойств. Поэтому разработка оптимального дисперсного состава бетона и методики подбора его состава, в т. ч. с химическими добавками, обеспечивающими массовое применение многокомпонентных цементных систем является актуальной.

Цель диссертационной работы:

Целью исследования является, разработка оптимальной технологии использования минеральных модификаторов к вяжущим веществам для бетона с целью повышения качества и снижения себестоимости, а также интенсификации производства бетона и сборного железобетона за счет оптимизации дисперсного состава многокомпонентных цементов при индивидуальном и комплексном использовании минеральных и химических модификаторов (суперпластификаторов) с оптимальными параметрами.

Сократить расходы многокомпонентных цементов в бетоне представляется целесообразным за счет изыскания путей повышения их собственной активности, а также за счет комплексного использования таких видов цементов с химическими добавками. Однако целенаправленных исследований по влиянию химических добавок на свойства многокомпонентных цементов (основная продукция цементной промышленности) и бетонов на их основе практически не проводилось.

В диссертационной работе на основе обобщения научного и практического опыта использования минеральных добавок к вяжущим веществам теоретическими и экспериментальными исследованиями определено новое научное направление, а также разработаны физико-химические и методологические основы и получены базовые зависимости по оптимизации гранулометрического состава многокомпонентных цементов для бетона с целью экономного их потребления в строительной индустрии. Показано, что при использовании минеральных модификаторов в составе многокомпонентных цементов с оптимальной дисперсностью, имеющей функциональную связь с дисперсностью клинкерного компонента и только в оптимальном количестве, зависящем от собственной физико-химической активности добавки и дисперсности клинкерного компонента, прочность таких композиционных систем может находиться на уровне прочности бездобавочного цемента.

Оптимальная дисперсность использования минеральных добавок к вяжущим веществам для бетона должна превышать дисперсность клинкерного компонента в цементе в 1,15. 2,1 раза.

Рассмотрены вопросы с позиций физико-химической механики высококонцентрированных дисперсных систем в агрегируемости и распределения частиц клинкера и добавки в многокомпонентных цементных системах, а также вопросы управления структурообразованием и синтезом свойств многокомпонентных цементных систем и бетонов на их основе, в т. ч. с химическими добавками (суперпластификаторами).

В зависимости от физико-химической активности минеральных добавок, введено понятие пороговой дисперсности клинкерного компонента для многокомпонентных цементов, при котором не происходит снижение их прочности относительно бездобавочных портландцементов и разработана количественная оценка такой дисперсности клинкерного компонента.

В процессе научно-исследовательских работ выявлены специфические особенности использования минеральных модификаторов к вяжущим веществам для бетонаопределено оптимальное содержание суперпластификаторов в многокомпонентных системах с оптимизированным гранулометрическим составом тонкомолотыми доменными гранулированными шлакамиисследованы технологические особенности использования многокомпонентных цементов с тонкомолотыми доменными гранулированными шлаками в бетонах, изготавливаемых из бетонных смесей различной удобоукладываемости и разработана гипотеза о проявлении «эффекта упорядочения структуры», характерного для дисперсных силикатных частиц аморфной и нестабильной кристаллической структуры, при твердении многокомпонентных цементов с тонкомолотым шлаком, позволившая рекомендовать использование шлакопортландцементов (изготавливаемых в настоящее время цементной промышленностью) в умеренно-подвижных и жестких смесях и особенно с химическими добавками с целью получения максимального технико-экономического эффекта в строительной индустрииразработаны составы высокопрочных бетонов ПЦ700. ПЦ800 с низким содержанием клинкерного компонента (220.330 мкг/м3) на основе комплексного использования тонкомолотых шлаков с суперпластификаторамиисследованы и разработаны оптимальные режимы ТВО тяжелых бетонов на основе многокомпонентных цементов с оптимизированным гранулометрическим составом, в т. ч. с химической добавкойисследована возможность использования закономерностей оптимизации гранулометрического состава многокомпонентных микрогетерогенных систем для грубодисперсных (на примере с золами и золошлаковыми смесями ТЭС) с целью повышения физико-механических свойств и экономного потребления цемента при их производствеисследована и разработана рациональная технология приготовления бетонной смеси, в т. ч. с химической добавкой, заключающаяся в изменении схемы введения компонентов в бетоносмеситель и режима их перемешивания, позволяющая получить экономию цемента в бетоне в количестве 5. 10%.

Внедрение рекомендаций по результатам исследований в зависимости от использовании разработанных технологических приемов позволяет экономить от 10 до 70% цемента.

Установлена возможность редуцирования водосодержания бетонной смеси на 5 — 7% при комплексном использовании минерально — химических модификаторов относительно составов бетона только с химическими модификаторами. Разработана базовая таблица для определения водосодержания и методика для проектирования состава тяжелого бетона с минерально — химическими модификаторами.

Кроме того, разработка математической модели технологии производства бетонной смеси с минеральными и химическими модификаторами.

Фактический экономический эффект от реализации научных положений, разработанных в диссертации, составляет около 700 — 800 млн руб., а ожидаемый — более 2 млр. руб. в год.

Научная новизна диссертационной работе, заключается в следующем: разработаны физико-химические и методологические положения, а также получены базовые зависимости по оптимизации дисперсного состава бетона, обеспечивающие повышение эффективности использования минеральных модификаторов в цементных системах с целью повышения их качества и снижения себестоимости за счет эквивалентной замены цемента в количестве 20.80%- разработаны принципы и способы управления структурно-реологическими и строительно-техническими свойствами многокомпонентных цементных систем с оптимизированным дисперсным составом, в т. ч. с химическими модификаторамиустановлены закономерности, определяющие оптимальные параметры использования тонкодисперсного доменного гранулированного шлака в бетоне в зависимости от технологии производства изделий и конструкцийразработаны расчетно-экспериментальная методика подбора состава тяжелого бетона с минерально-химическими модификаторами.

Практическое значение работы:

Внедрение рекомендаций по результатам исследований в зависимости от использования разработанных технологических приемов позволяет экономить от 10 до 70% цемента, в большинстве случаев сокращает водопотребность бетонной смеси на 5−7%, с одновременным сокращением продолжительности и температуры изотермического прогрева ТВО бетона при сохранении или улучшении его проектных свойств в изделиях и конструкциях.

Установлена возможность редуцирования водосодержания бетонной смеси на 5−7% при комплексном использовании минерально-химических модификаторов относительно составов бетона только с химическими модификаторами. Из опытных данных и данных из рекомендаций разработана базовая таблица для определения водосодержания и методика для проектирования состава тяжелого бетона с минерально-химическими модификаторами.

Апробация работы:

Результаты исследований доложены на научно-технической конференции студентов и аспирантов «МИКХиС — 2000» (г. Москва, 2000 г.) — на «Юбилейной научно-технической конференции» (г. Москва, 30 мая 2001 г.) и на конференции творческой молодежи «Новые идеи развития бетона и железобетонных конструкций» (г. Москва, 2002 г.). Публикации:

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Теоретически и экспериментально установлена возможность получения композиционных систем, состоящих из минеральных добавок разной активности и клинкерного компонента, по прочности не уступающих бездобавочным цементам.

2. Получены физико-химические и методологические основы и базовые зависимости оптимизации состава многокомпонентных систем, дающие новое научное направление, имеющее важное народнохозяйственное значение.

3. Определены зависимости оптимальной дисперсности для многокомпонентных цементов, содержание и физико-химической активности микронаполнителя к дисперсности и содержанию клинкерного компонента. Выявлено, что оптимальная дисперсность минеральных добавок должна превышать дисперсность клинкерного компонента в 1,15.2,1 раза.

4. Экспериментально установлено, что для каждой минеральной добавки в зависимости от её физико-химической активности имеется пороговая дисперсность клинкерного компонента, при которой прочность многокомпонентной системы находится на уровне прочности клинкерного вяжущего. Количественной характеристикой пороговой дисперсности может быть величина агрегатов в многокомпонентном цементе.

5. При производстве высокопрочных бездобавочных цементов могут быть использованы закономерности оптимизации гранулометрического состава многокомпонентных цементов с целью повышения их активности на 1.2 марки, что эквивалентно экономии цемента в бетоне на 10.25%, они могут распространятся и на другие, в том числе и на грубодисперсные системы.

6. Зависимость изменения, как определено структурно-реологическими исследованиями, водопотребности многокомпонентных цементов от дисперсности минеральных добавок, носит экстремальный характер, а её минимальное значение соответствует системам с оптимизированным гранулометрическим составом. Ускоряет структурообразование в цементном тесте использование суперпластификаторов СП С-3 индивидуально и в комплексе для редуцирования водосодержания, снижая негативное действие минеральных добавок на эту характеристику.

7. Высокую однородность распределения частиц цемента и минеральных добавок многокомпонентной системе определили исследования ДТА в растровом электронном микроскопе с микроанализом, выявлено также наличие в них агрегатов размером 100. Л50 мкм, состоящих в основном из частиц размером 1.15 мкм и частиц 50.60 мкм, при этом наблюдается сокращение объема на 0,6.7,4%.

8. Определено, что структура цементного камня и бетона содержит меньше трещин, фазовый состав новообразования характеризуется увеличенным содержанием низкоосновных гидросиликатов кальция типа СБН (I) и незначительным содержанием гидроксида кальция.

9. Выявлены технологические особенности использования многокомпонентных цементов с тонкомолотыми доменными гранулированными шлаками в бетонных смесях различной удобоукладываемости. Определено, что для жестких и умеренно-подвижных смесей при введении в состав бетона до 60% шлака увеличивается его прочность на 35.74%, а высокоподвижных и литых смесях-20.40% шлака увеличивает прочность бетона на 2.7%. Подтверждена научная гипотеза о проявлении «эффекта упорядочения структуры» при твердении многокомпонентных систем с тонкомолотым шлаком и это позволило рекомендовать использование шлакопортландцементов в умеренно-подвижных и жестких смесях.

Ю.Установлено, что продолжительность изотермического прогрева железобетонных изделий из тяжелых бетонов с микронаполнителями может быть сокращена на 2.4 ч, а с использованием минеральных и пластифицирующих добавок эффект может быть еще более значительным. Продолжительность предварительного выдерживания бетона перед ТВО имеет экстремальный характер и должна составлять 1.3 ч при индивидуальном использовании микронаполнителей и 3.4 ч с пластифицирующими добавками.

11.Бетоны на основе многокомпонентных цементов имеют морозостойкость и деформативные свойства на уровне обычных портлапдцементных бетонов.

12.Разработана методика проектирования состава бетона с комплексным использованием минерально-химических модификаторов (в качестве минеральных модификаторов приняты тонкодисперсные шлаки и золы ТЭС).

13.В производственных условиях выпущены опытно-промышленные партии бетонов на шлакоцементном вяжущем индивидуально и в комплексе с суперпластификатором С-3. Экономический эффект от опытно-промышленного внедрения составил 700 тыс. руб. при объеме производства размере 336 тыс. м3 бетона в год.