Смеси с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог с использованием отходов КМА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Исаченко, Елена Ивановна

• Исаченко, Елена Ивановна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Исаченко, Елена Ивановна

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Состояние дорожной сети региона.

1.2. Устройство оснований дорожных одежд.

1.3. Анализ научно-исследовательских работ по использованию отходов КМА в дорожном строительстве.

1.4. Состав, строение, классификация и способы получения пластифицирующих добавок.

1.5. Механизм пластифицирующего действия добавок в цементных системах.

1.6. К проблеме снижения расхода цемента.

1.7. Влияние состава и свойств минерального наполнителя (заполнителя) на процессы взаимодействия с вяжущим.

Выводы к главе 1.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

2.1. Методика отбора проб из хвостохранилища.

2.2. Методы исследований.

2.2.1. Рентгенофазовый анализ

2.2.2. Дифференциальный термический анализ

2.2.3. Электронно-микроскопический анализ

2.2.4. Изучение свойств бетонных смесей

2.3. Применяемые материалы.

2.4. Выбор пластифицирующей добавки.

Выводы к главе 2.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТМЦ.

3.1. Энергия техногенного воздействия и кристаллохимические характеристики кварца отходов ММС. ч 3.2. Энергоемкость помола и водопотребность в зависимости от вида компонентов ТМЦ.

3.3. Технология производства вяжущих с использованием отходов

Выводы к главе 3.

4. КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ ПАСТ

НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТОВ И ТОНКОМОЛОТЫХ

ЦЕМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ММС.

4.1. Адсорбция суперпластификатора СБ-3 на вяжущие.

4.2. Влияние СБ-3 на электрокинетический потенциал вяжущих.

4.3. Предельные напряжения сдвига и пластическая вязкость вяжущих с использованием отходов ММС.

4.4. Седиментационная и агрегативная устойчивость ТМЦ.

Выводы к главе 4.

5. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ ПАСТ ^ И ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ

ОТХОДОВ ММС И ДОБАВОК.

5.1. Влияние количества микронаполнителей и суперпластификатора СБ-3 на сроки схватывания и нормальную густоту цементных паст.

5.2. Влияние СБ-3 на кинетику твердения вяжущих.

5.3. Влияние микронаполнителей и добавок на водопоглощение и пористость вяжущих.

Выводы к главе 5.

6. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ fe КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СМЕСЕЙ С ВЫСОКОЙ ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ.

6.1. Структурные аспекты формирования каркасных композитов.

6.2. Гидравлические аспекты получения каркасных композитов.

6.3. Обоснование использования модельной системы для определения проникающей способности пропиточных композиций.

Выводы к главе 6.

7. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙВТВА УКРЕПЛЕННЫХ ДОРОЖНЫХ ОСНОВАНИЙ НА ОСНОВЕ ТОНКОМОЛОТЫХ ЦЕМЕНТОВ. П

7.1. Требования к материалам, используемым для строительства автомобильных дорог.

7.2. Определение проникающей способности цементосодержащих композиций.

7.3. Свойства оснований автомобильных дорог, укрепленных смесями с высокой проникающей способностью.

7.4. Технико-экономическое сравнение и расчет вариантов дорожной одежды.

Выводы к главе 7.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Смеси с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог с использованием отходов КМА»

Развитие дорожной сети России необходимо и должно осуществляться путем перехода на создание сложных композитных конструкций дорожных одежд полифункционального значения, которые обеспечивают повышенную комфортность, долговечность и высокие транспортно-эксплуатационные свойства автомобильных дорог. Такой качественный скачок возможен за счет реализации концепции перехода на строительство укрепленных конструкций дорожных одежд. Снижение материалоемкости и себестоимости строительства подобных дорогих инженерных сооружений до уровня традиционных конструкций возможно за счет применения местных сырьевых ресурсов и, в первую очередь, отходов промышленности. Об этом свидетельствует, в частности, структура себестоимости строительства автомобильных дорог по Белгородской области, где транспортные расходы составляют около 20 %.

Решение проблемы комплексного использования минеральных ресурсов КМА позволило начать широкомасштабное использование отходов горнорудного производства для производства дорожно-строительных материалов, тяжелого и легкого бетонов, силикатного кирпича, штукатурных и кладочных растворов и т.д.

В качестве рабочей гипотезы было высказано предположение, что в дорожном строительстве в качестве наполнителя при производстве дорожного бетона могут применяться отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС), содержащие 70-75% кварца. Выполненный авторами анализ сырьевых ресурсов КМА показал, что отходы ММС являются наиболее крупнотоннажным техногенным сырьем, и на их долю ежегодно приходится около 80 % добытой из недр горной массы.

В то же время высокая себестоимость устройства дорожных оснований традиционными способами предопределяет необходимость широкого использования для строительства укрепленных оснований смесей с высокой проникающей способностью (СВПС). Для снижения самого дорогостоящего компонента смеси - цемента - актуальной является задача разработки многокомпонентного вяжущего, обладающего необходимыми реологическими и физико-механическими параметрами с повышенной удельной поверхностью.

Применение смесей с высокой проникающей способностью из тонкомолотых цементов (ТМЦ) с использованием отходов ММС железистых кварцитов требует особого регулирования реологических свойств и агрегативной устойчивости этих смесей. Процессы течения и структурообразования в водных минеральных суспензиях и способы их регулирования относятся к числу наиболее актуальных проблем коллоидной химии. Одним из наиболее эффективных способов регулирования этих процессов является применение пластификаторов и суперпластификаторов.

Таким образом, разработка и применение СВПС с использованием отходов ММС и пластифицирующей добавки является актуальной задачей и позволит снизить материалоемкость дорожных одежд и улучшить экологическую обстановку благодаря утилизации отходов ММС.

Работа выполнялась в рамках Российского фонда фундаментальных исследований, проект 03-03-96426 "Агрегативная устойчивость водных минеральных суспензий с полиэлектролитами"

Цель и задачи работы. Разработка эффективных смесей с высокой проникающей способностью с использованием отходов ММС железистых кварцитов и технологий их производства и применения в дорожном строительстве.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование вещественного состава и строения техногенных отходов ММС как компонента вяжущего;

- изучение фазового состава новообразований при твердении ТМЦ и влияние отходов ММС на этот фазовый состав;

- изучение коллоидно-химических закономерностей в цементных пастах на основе ТМЦ при использовании суперпластификатора СБ-3;

- разработка технологии производства и изучение физико-механических свойств многокомпонентных вяжущих с использованием отходов ММС;

- разработка методики определения проникающей способности СВПС;

- разработка технологии производства смесей с высокой проникающей способностью на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и применения их для устройства оснований автомобильных дорог;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Установлена размалываемость компонентов разработанных вяжущих, увеличивающаяся в ряду клинкер—► шлак—ютходы ММС. Выявлен характер зависимости удельной поверхности от времени помола и состава смеси, при этом показано, что введение отходов ММС приводит к увеличению начальной скорости и снижению коэффициента торможения помола.

Установлены зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости СВПС с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3. Показано, что с введением 50 % отходов ММС в ТМЦ возможно достижение прочности, соизмеримой с прочностью исходного портландцемента, за счет механохимиче-ского модифицирования системы и, как следствие, оптимизации структуры новообразований при твердении.

Установлены закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных паст на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и суперпластификатором СБ-3, заключающиеся в снижении прочности контактов в коа-гуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора на поверхности дисперсной фазы и позволяющие получить предельно агрегативно устойчивые суспензии с жид-кообразным характером течения.

Разработана математическая модель и методика определения проникающей способности СВПС, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Установлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве миниконуса более 120 мм, что соответствует значениям предельного напряжения сдвига менее 25 Па.

Показано, что при твердении системы ТМЦ с использованием отходов ММС введение этих отходов практически не влияет на фазовый состав структуры. При этом образуется скрытокристаллическая структура гидросиликатов кальция, а также гидроалюминаты и гидрофериты кальция.

Практическое значение работы. Предложена рациональная область использования крупнотоннажных отходов железорудных месторождений - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов - в качестве сырьевых компонентов при производстве многокомпонентных вяжущих.

Разработана технология получения и состав смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора СБ-3.

Предложена технология устройства оснований автомобильных дорог I-IV категории с использованием смесей с высокой проникающей способностью.

Получены СВПС с прочностью на сжатие 45-62 МПа, позволяющие получать укрепленные основания с прочностью на сжатие 16-25 МПа и морозостойкостью до 150 циклов.

Внедрение результатов исследований.

Проведены опытные испытания СВПС при устройстве укрепленных дорожных оснований, которые подтвердили эффективность данной технологии.

Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.06 и 29.10. На защиту выносятся:

- результаты исследования особенностей минерального состава и гранулометрии отходов ММС железистых кварцитов;

- закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных паст на основе ТМЦ с использованием отходов ММС и суперпластификатора СБ-3;

- зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости ТМЦ с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3;

- методика определения проникающей способности СВПС;

- зависимости свойств СВПС от вида и характеристик ТМЦ;

- оптимальные составы и технологии устройства оснований автомобильных дорог I-IV категории с использованием СВПС;

- результаты внедрения.

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 научных работ. Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, 7глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена настраницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 31 рисунок и фотографии, списка литературы из 184 наименований, 2приложений.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Исаченко, Елена Ивановна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения и состав смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении тонкомолотых цементов с использованием отходов ММС железистых кварцитов и суперпластификатора СБ-3.

2. Установлена энергоемкость помола компонентов разработанных вяжущих, уменьшающаяся в ряду клинкер шлак—>отходы—»ММС. Показано, что кинетика помола вяжущих хорошо описывается уравнениями теории переноса, при этом, введение отходов ММС приводит к увеличению начальной скорости и снижению коэффициента торможения помола.

3. Установлены зависимости подвижности, водопотребности, прочности, пористости, морозостойкости СВПС с использованием отходов ММС от удельной поверхности и количества суперпластификатора СБ-3. Показано, что введение 50% отходов ММС в ТМЦ приводит к незначительному снижению прочности по сравнении с исходными портландцементами, что обусловлено механохимической активацией системы и оптимизацией структуры при твердении.

4. Установлены закономерности изменения реологических, седиментаци-онных и электроповерхностных свойств СВПС, заключающиеся в снижении прочности контактов в коагуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора и увеличения одноименного заряда частиц. Это позволяет получить предельно агрегативно-устойчивые суспензии с жидкообразным характером течения.

5. Разработана математическая модель и методика определения проникающей способности СВПС, позволяющая определить степень проникновения смеси в каркас основания под действием собственной силы тяжести в зависимости от времени и реологических параметров смеси. Установлено, что полное проникновение смеси в каркас достигается при расплыве миниконуса более 120 мм, что соответствует значениям предельного напряжения сдвига менее 25 Па.

6. Разработана технология устройства оснований автомобильных дорог I -IV категории с использованием СВПС, позволяющая уменьшить число технологических операций. Получены СВПС с прочностью на сжатие 45-62 МПа, позволяющие получить укрепленное основание с прочностью на сжатие 16-25 МПа и морозостойкостью до 150 циклов.

7. Результаты экспериментальных исследований подтверждены опытными испытаниями. Технико-экономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорожной одежды и снижения материалоемкости экономический эффект составит 516329 руб на 1 км строящейся дороги. I

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Исаченко, Елена Ивановна, 2004 год

1. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и . экология. М.: Изд-во АСВ, 1994. - 264 с.

2. Баженов Ю.М., Плотников В.В. Активация вяжущих композиций в роторно-пульсационных аппаратах. Брянск.: БГИТА, 2001- 336 с.

3. Удачкин Н.Б. Активные кремнеземсодержащие компоненты как ин-тенсификаторы. производства автоклавных материалов и изде-лий//Автореф. дисс. док. техн. наук. М., 1987. - 32 с.

4. Баженов Ю.М. Многокомпонентные бетоны с техногенными отхода-ми//Современные проблемы строительного материаловедения. Материалы международной конференции. Самара, 1995. - Ч. 4. - С.

5. Ш4акощелочные вяжущие и мелкозернистые бетоны на их основе/Под ред. проф. Глуховского В.Д. Ташкент: Узбекистан, 1980. - 484с.

6. Рыбьев И.А. Общий курс строительных материалов: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1987. - 584 с.

7. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М.: Строй-издат, 1986. - 325 с.

8. Рыбьев И.А. Открытие закона створа, его сущность и значимость. — Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 1999. №3-4.-С. 21-23.

9. Комохов П.Г., Грызлов B.C. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. Вологда, 1992. - 318 с.

10. Беляев A.M. Асфальтобетон с использованием минерального порошка из промышленных отходов Курской магнитной аномалии. Автореф. дис. .канд. тех. наук. Москва, 1999. - 21 с.

11. Программа совершенствования и развития автомобильных дорог РФ "Дороги России" на 1995- 2000 гг. М.: Минтранс РФ, 1994. - 78 с.

12. Кубасов А.У., Чумаков Ю.Л., Широков С. Д. Строительство, ремонт исодержание автомобильных дорог. Москва: Транспорт, 1985. - 254 с.

13. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. М.: Высшая школа, 1969. - 396 с.

14. Фахратов М. А. Эффективная технология использования промышленных отходов в производстве бетона и железобетона// Строительные материалы.-2003.-№ 12.-С. 48-51.

15. Коваль С. В. Бетоны, модифицированные добавками: моделирование и оптимизация// Строительные материалы. 2004. - № 6. - С. 23-25.

16. Юсупов Р. К. Процесс схватывания как отражение кинетики контактных взаимодействий в бетоне// Бетон и железобетон. — 2003. №3. -С.25-27.

17. Ферронская А. В., Олейников В. В. Баранов И. М. Модифицированный бетон для ремонта железо'бетонных конструкций транспортных сооружений// Строительные материалы. 2004. - № 4. — С. 50-52.

18. Санжаасурэн Р. и др. Исследование влияния некоторых местных добавок на свойства портландцемента// Известия вузов. 2002. - №3. - С. 41-44.

19. Шумпанов В. А., Орловский В. М., Погореляк О. А., Чудновский С. М. Расчет оптимальных дозировок пластификаторов бетонных смесей с• учетом минералогического и вещественного состава цемента// Бетон ижелезобетон. 2004. - №2. - С. 10-12.

20. Чистяков Б. Е. И др. ПАВ в народном хозяйстве. М. : Химия, 1989. -248с.

21. Мурог В. Ю., Вайтехович П. Е. Влияние домола цемента на прочность бетонных изделий// Строительные материалы. 2004. - № 6. - С. 36-38

22. Звездов А. И., Гамов М. Ч. Применение энергоэффективного заполнителя в бетонах// Бетон и железобетон. — 2004. №5. - С.2-4.

23. Краснов А. М. Морозостойкость и ползучесть высоконаполненного высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона// Бетон и железобетон. 2003. - №5. - С.10-13.

24. Борисов А. А. О возможности использования дисперсных техногенных отходов в мелкозетнистых бетонах// Строительные материалы. -2004. -№ 8.-С. 38-40.

25. Дворкин О. JI. Эффективность химических добавок в бетонах // Бетон и железобетон. 2003. - №4. - С.23-24.

26. Сальников А. В., Хозин В. Г., Морозова Н. Н., Демьянова В. С. Влияние комплексного модификатора на свойства цементного вяжущего// Строительные материалы. 2004. - № 8. - С. 36-38.

27. Гридчин А. М., Лесовик В. С. и др. Рекомендации по производству иприменению литых асфальтобетонных смесей на основе сырья КМА. -Белгород, 2001. 35 с.

28. Васильев Ю. М., Агафончева В. П., Исаев В. С и др. Дорожные одежды с основаниями из укрепленных материалов. М.: Транспорт, 1989. -191 с.

29. Проценко П. В. крупнопористый бетон: технология и свойства. М.: Стройиздат, 1977. - 120 с.а

30. Белов Н. В. Структура ионных кристаллов и металлических фаз. М.: Изд-во АН СССР, 1967. - 243 с.

31. Ерофеев В. Т., Соломатов В. И., Селяев В. П. Расчет модуля упругости

32. Ь1-- каркасных композитов// Научные исследования и их внедрение встроительной отрасли. Саранск, 1989. - С 12-14.

33. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970.-223 с.

34. Сиденко В. М. Технология строительства автомобильных дорог: Учебник/ В. М. Сиденко, О. Т. Батраков. 2 части

35. Дорожные одежды с основаниями из укрепленных материалов. М. Транспорт, 1989. — 192 с.

36. Щербакова Р.П., Шестаков В.Н. Температурные деформации и коэффициенты линейного расширения влажного цементогрунта. JI.: Энергия, 1971.-357 с.

37. Чистов Ю. Д., Тарасов А. С. Строительство — формирование среды жизнедеятельности//4-я традиционная научно-практическая конф.молодых ученых, асп. и докт. М., - 2001. - С 193-194.

38. Марченко К.И., Чунзменко Е.В., Ревенко Р.И. Тяжелые бетоны из отходов руд Днепропетровского ГОКа// Комплексное использование нерудных пород КМА в строительстве. М.: МИСИ, БТИСМ, 1975. -Вып. 13.-Т. Г-С. 13-17.

39. Зощук Н.И., Бабин А.Е. Кристаллические сланцы Курской магнитнойуаномалии как заполнители для бетонов// Комплексное использование нерудных материалов пород КМА в строительстве. — М.: МИСИ, БТИСМ, 1975.-Вып. 13.-Т. 1.-С. 100-119.

40. Зощук Н.И., Боровский А.П., Карпов Г.Н. Свойства кристаллических сланцев Старооскольского железорудного района // Комплекс-ное исf пользование нерудных пород КМА в строительстве. — М.: МИСИ,

41. БТИСМ, 1975.-Вып. 13.-Т. 1.-С. 25-35.

42. А.с. 867418 СССР. Способы измельчения дробленого минеральнного материала/ Зощук Н.И., Сопин М.В., Филонич B.C., Шухов В.И. -Опуб. в Б.И., 1981, № 36.

43. Зощук Н.И., Малыхина B.C., Стамбулко В.И. Структура и прочность бетона на заполнителях из кристаллических сланцев КМА// Комплексное использование нерудных пород КМА в строительстве. М.: МИСИ, БТИСМ, 1977. - Вып. 27. - С. 10- 21.

44. Шухов В.И. Дорожные цементобетоны с заполнителями из железистых отходов горнорудной промышленности Курской магнитной аномалии: Автореф. дис. .канд. тех. наук. Харьков, 1990. - 20 с.

45. Гридчин A.M., Королев И.В., Шухов В.И. Вскрышные породы КМА в дорожном строительстве. Воронеж: Центрально-Черноземное издательство, 1983. - 95 с.

46. Требуков A.J1. Применение твердеющей закладки при подземной добыче руд. -М.: Недра, 1981. 172 с.

47. Каушанский В.Е., Шелудько В.П., Романкулов М.Р., Тарарин В.К., Ра-химбаев Ш.М. Обжиг сырьевой смеси, содержащей отходы железорудной промышленности/ЛДемент. 1989. № 8. - С. 18-19.

48. Лесовик Р.В. Мелкозернистые бетоны для дорожного строительства с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов. Дисс. . к. т. н., Белгород, 2003. — 206 с.

49. Пъячев В. А. И др. Портландцементный клинкер на основе хвостов обогащения качканарских руд. Цемент и его применение, 2001. №4. -с.35-38.

50. Гафуров А., Магрунов М. А., Умаров А. В. Расчет расстояния между частицами наполнителя в композиционных материалах// Пластические массы. 1993. - №9. - С.59-60

51. Лугинина И. Г., Коновалов В. М. Цементы из некондиционного сырья. Новочеркасск, Новочеркасский государственный технический университет, 1994.

52. Рахимбаев Ш. М. И др. Использование отходов добычи и обогащения железистых руд КМА в технологии производства портландцемента.//i