Совершенствование структуры и свойств материалов посредством механохимической активации в дезинтеграторной установке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Османов Артем Бейбалаевич

• Османов Артем Бейбалаевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Османов Артем Бейбалаевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Аналитический обзор

1.1 Предпосылки создания реакционно-порошкового бетона

1.2 Порошково-активированные бетоны нового поколения

1.3 Композиционные цементные вяжущие

1.4 Механоактивация компонентов для композиционного цементного вяжущего

1.5 Высокодисперсные наполнители для композиционного цементного вяжущего

1.6 Выводы по главе

1.7 Постановка задачи исследования

Глава 2. Материалы и методы исследования

2.1 Характеристики исходных материалов

2.2 Дезинтеграторная установка ДСЛ-94 для активации материалов

2.3 Методология и методы исследования

2.3.1 Физические методы исследования

2.3.2 Физико-механические методы исследования

2.3.3 Физико-химические методы исследования

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Влияние механической активации на дисперсность и свойства цемента

3.1 Закономерности изменения гранулометрического состава и дисперсной структуры активированного цемента

3.2 Влияние активации на физические свойства цемента

3.3 Изменение микроструктуры активированного цемента

3.4 Влияние активации на гидравлические и прочностные свойства цемента

3.5 Выводы по 3 главе

Глава 4. Влияние механической активации на дисперсность и свойства отвального шлака

4.1 Закономерности изменения гранулометрического состава и дисперсной структуры активированного отвального шлака

4.2 Влияние активации на физические свойства отвального шлака

4.3 Изменение микроструктуры активированного отвального шлака

4.4 Закономерности изменения гранулометрического состава и дисперсной структуры золошлакового отхода

4.5Изменение микроструктуры активированного золошлакового отхода

4.6 Выводы по 4 главе

Глава 5. Влияние механической активации на структуру и свойства высокодисперсных наполнителей на основе песка

5.1 Закономерности изменения гранулометрического состава и дисперсной структуры активированного песка

5.2 Влияние активации на морфологию частиц песка и их микроструктуру

5.3 Влияние активации на физические свойства песка

5.4 Выводы по 5 главе

Глава 6. Проектирование составов композиционного цементного вяжущего

6.1 Состав композиционного цементного вяжущего

150

6.2 Технологические и эксплуатационные свойства бетонов

6.3 Выводы по 6 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение АРекомендации по получению композиционного цементного вяжущего посредством механохимической активации компонентов в дезинтеграторной установке

Приложение БАкт о изготовлении опытно-промышленной партии мелкозернистой бетонной смеси

Приложение ВАкт о внедрении результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование структуры и свойств материалов посредством механохимической активации в дезинтеграторной установке»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Создание многокомпонентных порошково-активированных бетонов различных видов соответствует долгосрочной стратегии развития производства строительных материалов, изделий и конструкций. Вопросы энерго- и ресурсосбережения приобретают большее значение в связи с необходимостью снижения расхода цемента за счет активных тонкодисперсных наполнителей. Для создания новых композиционных материалов перспективным может быть применение метода активации вяжущих веществ и заполнителей с помощью методов механохимии. Такой подход может обеспечить необходимую эффективность получения тонкомолотых композиционных материалов, обеспечивающих плотную упаковку его компонентов в единице объема при сохранении невосстанавливающихся природных ресурсов.

Рациональное использование отходов, а также тонкозернистые кварцевые пески совместно с суперпластификаторами, позволяет не только утилизировать отходы в производстве бетонных и железобетонных изделий, но и создать бетоны нового поколения - многокомпонентные порошково-активированные бетоны различных видов и марок, характеризующиеся низким удельным расходом цемента на единицу прочности. Поэтому разработка композиционных материалов с использованием тонкодисперсных наполнителей посредством механохимической активации компонентов является актуальным.

Работа выполнена в рамках государственной программы Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации подпункт _а_ пункта 20 Стратегии НТР РФ (Указ Президента Российской Федерации от 01.12.2016 № 642) и Стратегии развития строительной отрасли и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации на период до 2030 года с прогнозом до 2035 года, а также в рамках реализации Программы развития университета НИУ МГСУ «ПРИОРИТЕТ 2030». Проект 3.1 «Научный

прорыв в строительной отрасли - новые технологии, новые материалы, новые методы».

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время мировые тенденции в области реакционно-порошковых бетонов рассматривают его как развивающийся композиционный материал, который позволяет бетонной промышленности оптимизировать использование материалов, генерировать экономические выгоды и строить прочные, долговечные и чувствительные к окружающей среде конструкции. Порошково-активированные бетоны содержат 7-9 компонентов и имеют низкий удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии. Набор сухих компонентов выбирается по принципу непрерывной гранулометрии частиц от макро- до микромасштабного уровней. Не смотря на высокий интерес ученых в активации различных сырьевых компонентов, вопрос о получении высокодисперсного материала с необходимыми свойствами остается недостаточно изученным. Дополнительной проработки требуют вопросы, связанные с установлением взаимосвязи между дисперсностью порошка, физико-химическими и механическими характеристиками его частиц, затратами энергии и параметрами измельчительного механизма. Дезинтегратор является наиболее перспективным измельчителем ударного действия, как для лабораторной практики, так и для промышленности. В настоящее время имеющиеся результаты дают предпосылки для создания научной технологии дезинтеграторной обработки сырьевых материалов для бетонной смеси.

Научная гипотеза. Направленное регулирование гранулометрического состава тонкомолотых композиционных материалов обеспечивающих плотную упаковку его компонентов в единице объема может быть достигнуто механической активацией материалов в дезинтеграторной установке. Повышение активности как портландцемента, так и тонкодисперсных наполнителей обеспечивается как уменьшением размеров частиц материалов, увеличением кривизны поверхности частиц и ростом

вклада поверхностных слоев материалов, так и нарушением кристаллической структуры поверхностных слоев твердых тел, приводящих к переходу их в квазиаморфное метастабильное состояние с повышенным значением свободной энергии.

Целью исследования является установление закономерностей совершенствования структуры и свойств порошковых бетонов посредством механохимической активации исходных компонентов композиционных материалов, обеспечивающих их реакционную способность и плотную упаковку в единице объема.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить физико-химические закономерности механохимической активации исходных компонентов композиционных материалов (портландцемента, кварцевого песка, шлака и золошлаковых отходов) в дезинтеграторе для регулирования гранулометрического состава;

- установить характер эффектов, возникающих на поверхности и в объеме зерен высокодисперсных порошков исходных компонентов композиционных материалов, прошедших обработку в дезинтеграторе в зависимости от энергии, затрачиваемой на активацию;

- установить степень полидисперсности активированных исходных компонентов композиционных материалов, прошедших обработку в дезинтеграторе в зависимости от энергии, затрачиваемой на активацию;

- установить влияние механохимической активации исходных компонентов композиционных материалов (портландцемента, кварцевого песка, шлака и золошлаковых отходов) в дезинтеграторе на их физические свойства;

- установить влияние механохимической активации исходных компонентов композиционных материалов (портландцемента, кварцевого песка, шлака и золошлаковых отходов) в дезинтеграторе на дефектность их кристаллов и зерен, изменение кристаллической решетки, приводящее к

нарушению структуры поверхностных слоев и к переходу их в квазиаморфное метастабильное состояние;

- установить оптимальное соотношение тонкомолотых компонентов композиционных материалов (портландцемента, кварцевого песка, шлака и золошлаковых отходов) обеспечивающих плотную их упаковку в единице объема и определить свойства цементной матрицы для создания реакционно-порошковых бетонов;

- апробировать композиционный материал в составе реакционно-порошковых бетонов, отличающихся по требуемым свойствам конечного продукта и изучить их основные свойства;

- провести опытно-производственное апробирование результатов исследования и разработать рекомендации по получению композиционного цементного вяжущего посредством механохимической активации компонентов в дезинтеграторной установке.

Объектом исследования являются композиционный материал и его тонкодисперсные компоненты (портландцемент, кварцевый песок, шлак и золошлаковый отход) для реакционно-порошковых бетонов.

Предметом исследования является установление закономерностей механохимической активации исходных компонентов композиционных материалов, обеспечивающих их реакционную способность и плотную упаковку в единице объема, и совершенствование структуры и свойств материалов на их основе.

Научная новизна. Научно обосновано и экспериментально доказано получение композиционного материала на основе портландцемента, кварцевого песка и шлака или золошлакового отхода посредством механохимической активации исходных компонентов, обеспечивающих их реакционную способность и плотную упаковку в единице объема за счет направленного регулирования гранулометрического состава тонкомолотых композиционных материалов. Повышение активности как портландцемента, так и тонкодисперсных наполнителей кварцевого песка, шлака и

золошлакового отхода обеспечивается уменьшением частиц крупных фракций и увеличением частиц мелких фракции, при этом характеристический размер частиц цемента изменяется на 19% и составляет 33,91 мкм против 41,89 мкм без активации, кварцевого песка на 57% и составляет 52,3 мкм против 91,8 мкм и шлака на 81,9% и составляет 45,2 мкм против 249,9, а также увеличением кривизны поверхности частиц и ростом вклада поверхностных слоев материалов за счет роста удельной поверхности портландцемента на 16-26%, кварцевого песка на 25 % и шлака на 87%.

Определено увеличение числа контактов частиц в 50 раз, за счет активации компонентов композиционного материала, а также показана агрегация частиц, что связано с повышением их поверхностной энергией и накоплением электростатического заряда частиц, образовавшегося в процессе механического удара частиц о рабочие роторы установки.

Установлено, что многостадийная активация компонентов композиционного материала приводит к изменению их кристаллической решетки, сопровождающейся увеличением дефектности кристаллов, что приводит к нарушению структуры поверхностных слоев твердых тел, приводящих к переходу их в квазиаморфное метастабильное состояние с повышенным значением свободной энергии.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Теоретическая значимость работы заключается в расширении представлений о влиянии механохимической активации в дезинтеграторе различных неорганических материалов на дефектность их кристаллов и изменение кристаллической решетки, приводящее к нарушению внутренней структуры и поверхностных слоев, и к переходу их в квазиаморфное метастабильное состояние.

Практическая значимость состоит в том, что:

- разработан состав композиционного материала, содержащего тонкодисперсные компоненты портландцемент, кварцевый песок и шлак или золошлаковый отход, и имеющий плотную упаковку в единице объема,

который может быть использован как материал для реакционно-порошковых бетонов;

- создан эффективный композиционный материал на основе тонкодисперсных компонентов, обеспечивающий снижение расхода цемента за счет активных тонкодисперсных наполнителей при сохранении невосстанавливающихся природных ресурсов;

- разработаны рекомендации по получению эффективного композиционного материала на основе тонкодисперсных компонентов различного гранулометрического состава для обеспечения плотной их упаковки в единице объема;

- проведено опытно-производственное апробирование результатов исследования и определены рациональные области применения композиционного материала в составе реакционно-порошкового бетона.

Методология и методы исследования. Работа выполнена с использованием системно-структурного подхода. Методологической основой диссертационной работы являются научные разработки в области строительного материаловедения, современных реакционно-порошковых бетонов, предварительной активации компонентов бетонной смеси, системного анализа. Литературную базу составляют научные разработки отечественных и зарубежных ученых по исследуемому направлению.

Для оценки физико-химических, а также структурных характеристик применялись физико-химические методы анализа: рентгенофазовый, электронно-микроскопический, инфракрасная спектроскопия. Физико-механические испытания материалов проводили в соответствии с действующими национальными и межгосударственными стандартами и методиками на аккредитованном оборудовании. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с применением программных комплексов.

Положения, выносимые на защиту:

- научное обоснование возможности использование дезинтеграторной

установки для получения композиционного материала на основе портландцемента, кварцевого песка, шлака и золошлакового отхода посредством механохимической активации исходных компонентов;

- результаты экспериментальных исследований влияния энергии, затрачиваемой на активацию в дезинтеграторе на физико-химические и физико-механические свойства исходных компонентов композиционного материала;

- установленный характер эффектов, возникающих на поверхности и в объеме зерен (дзета-потенциал, дефектность кристаллов и изменение кристаллической решетки) высокодисперсных порошков исходных компонентов композиционных материалов, прошедших обработку в дезинтеграторе в зависимости от энергии, затрачиваемой на активацию;

- разработанные составы композиционного материала при оптимальном соотношении тонкомолотых компонентов композиционных материалов (портландцемента, кварцевого песка, шлака и золошлакового отхода) обеспечивающих плотную их упаковку в единице объема и обеспечивающие необходимые свойства цементной матрицы для создания реакционно-порошковых бетонов;

- результаты исследования композиционного материала в составах реакционно-порошковых бетонов и оптимизированную технологию их приготовления;

- результаты опытно-производственных испытаний и разработанные рекомендации по получению композиционного цементного вяжущего посредством механохимической активации компонентов в дезинтеграторной установке.

Степень достоверности результатов работы обеспечена использованием современных методов определения физико-химических и физико-механических характеристик исследуемых материалов с использованием поверенного лабораторного оборудования. Выводы по полученным результатам в рамках данной работы сделаны на основании

данных, полученных с использованием современных средств измерений и исследований. Полученные результаты работы дополняют опубликованные ранее экспериментальные данные других авторов и не расходятся с общепринятыми положениями.

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач, разработке программы и выборе методов исследований, в анализе и обобщении опубликованных данных об исследованиях отечественных и зарубежных специалистов в области композитных материалов, в проведении экспериментов, анализе и обработке результатов, формулировании выводов. Кроме того, в личный вклад автора входит подготовка статей для публикации и участие в конференциях, проведение опытно-промышленных испытаний и разработка рекомендаций.

Апробация результатов работы. Основные положения работы доложены на международных научно-практических конференциях, в том числе: IV Национальная конференция «Актуальные проблемы строительной отрасли и образования»; III Всероссийская конференция «Строительное материаловедение: настоящее и будущее»; Семьдесят пятая и Семьдесят шестая всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием; VIII Международная научная конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», IPICSE; Актуальные проблемы строительной отрасли и образования - 2021-2022 гг.; Smart Build-2021 «Стройка Политеха» 2021 г.

Публикация работы. Материалы диссертации достаточно полно изложены в 8 научных публикациях, из которых 4 работы опубликовано в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 194 страницах машинописного текста, состоит из введения, основной части,

включающей 6 глав, заключения, списка литературы из 154 наименований и 3 приложений, содержит 80 рисунков, 28 таблиц.

Глава 1. Аналитический обзор 1.1 Предпосылки создания реакционно-порошкового бетона

ВЛ4=015

Эволюция бетонной смеси, а так же изучение, составляющих ее компонентов продолжается более 70 лет. Большое количество ученых внесли свой вклад в развитие науки о бетоне - бетоноведение.

Советский и Российский ученый-материаловед Баженов Ю.М. в своей работе отобразил этапы развития бетона с 1950 г. до 2020 г. [1]. Состав и развитие бетонов нового поколения, так же отмечены в работе В.И. Калашникова [2].

Кб, МПа

2

300 250 200 150 100 50

ЩЪА 8Ц=0<

Годы

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Рисунок 1.1 - График развития бетонной смеси [1] 1 - повышение прочности при уменьшении В/Ц; 2 - повышения прочности за счёт уменьшения В/Ц и модернизации структуры в следствии применения различных

технологических приёмов. Примечание: П - пластификаторы, Ф - фибра, СП - суперпластификаторы, МКЗ -микрокремнезём, ГП - гиперпластификатор, МВ - микроволокна, НЧ - наночастицы, ВКБ - высококачественный бетон, СУБ - самоуплотняющийся литой бетон, РПБ -

реакционный порошковый бетон.

НЧ У РЛЙ

т/ /

т/ У /олу ац=о;

л ф спНИ &Ц43

шц=о.< 64=04 __

Из приведенного графика, отображенного на рисунке 1.1 можно подробно рассмотреть этапы эволюции бетонной смеси.

В конце 40-ых, начале 50-ых годов прошлого столетия в бетонную смесь начали внедрять различные пластифицирующие добавки [1]. Пластифицирующие добавки подразделяют на 4 классификации: слабые, средние сильные и суперпластификаторы [3].

По принципу действия пластификаторы разделяются на 2 вида: гидрофильные и гидрофобизующие [4], [5]. Главная функция добавок первого вида состоит в повышении пластичных и текучих свойств бетона. Пластификаторы второго вида насыщают бетонную смесь кислородом, что в свою очередь снижает натяжение влаги в смеси [4] [6].

Однако, имеется основной недостаток пластификаторов, который проявляется в увеличении времени застывания бетонной смеси, что сказывается на сроках, а в дальнейшем и стоимости, строительства [4].

С 1960-ых годов начинает развиваться направление бетоноведения, которое получило название фибробетон. Фибробетон - мелкозернистый материал, одним из составляющих которого является армирующий наполнитель. По виду армирующего наполнителя, фибра разделяется на 2 вида: металлическая (исходным веществом является сталь) и неметаллическая (исходным материалом является стекло, акрил, хлопок, базальт, карбон и другие). Основное распространение неметаллическая фибра получила с середины 2000-ых годов [7].

Применение фибры в бетоне ведет к снижению расхода бетона, также, в отличие от остальных видов бетона - фибробетон не теряет своих технических характеристик даже после окончания срока службы, поскольку в связи с наличием фибры - материал становится более вязким. Фибра может применяться как в газо-, так и в пенобетонных конструкциях, в ходе армирования в газобетоне происходит процесс поризации и как следствие наблюдается его устойчивость [7], [8], однако, основным минусом применения фибробетона является высокая стоимость по сравнению с обычным бетоном [7], [9].

С увеличением монолитного строительства, в середине 70-ых продолжает развиваться направление с использованием различных пластификаторов в бетонных смесях.

Для увеличения прочности бетона начали применять суперпластификаторы (СП). Отличительной особенностью от обычных поверхностно-активных веществ (ПАВ) является снижение поверхностного напряжения, вследствие этого смеси не обладают воздухововлекающей способностью, вызывающей значительное уменьшение прочности бетона или раствора при сжатии [10].

Максимальная пластифицирующая эффективность СП достигается при введении в бетонную смесь до 1% массы цемента, в то время как ввод сульфито-дрожжевой барды даже в количестве более 0.25-0,3% массы цемента вызывает большое снижение прочности бетона вследствие вовлечения в бетонные смеси значительного объема воздуха [10].

С целью развития бетонных технологий посредством добавления микрокремнезема в бетонную смесь, в последние несколько десятилетий происходили интенсивные изучения ультрадисперсных минеральных добавок с высоким содержанием диоксида кремния [11], [12], [13], [14], [15], [16].

Микрокремнезем является побочным продуктом производства кремния или ферросилиция, представляющий собой аморфный диоксид кремния -БЮ2 в виде шарообразных частиц [1], [11], [17]. Из-за своей химической природы и физических свойств, микрокремнезем является высокоактивной пуццолановой добавкой в бетон, повышая прочностные характеристики бетонного камня [18].

Установлено, что с применением 5% микрокремнезема прирост прочности бетонного камня составляет 10%. Введение 25% добавки позволяет увеличить прочность на 85%. Полученные значения подтверждают теорию о том, что использование микрокремнезема позволяет повысить прочность бетона [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17].

Так же изучено, что с увеличением доли процентного содержания микрокремнезема, увеличивается прочность по полиномиальной зависимости второго порядка: у = 0.2143x2 + 0.851х + 12.629, с величиной достоверности аппроксимации R2 = 0.9999. С увеличением количества вводимой добавки увеличивается прирост прочности бетона [19].

В начале 90-ых годов, в связи с увеличением мелкодисперсных составляющих бетонной смеси, а так же для увеличения прочности бетонных конструкций широко начали применять суперпластификаторы на поликарбоксилатной основе (гиперпластификаторы) [20], [21], [22], [23].

В работе [24], авторами было выполнено исследование влияния отечественного гиперпластификатора на физико-механические свойства тяжелого бетона. Введение в бетонную смесь гиперпластифицирующих добавок позволило обеспечить существенное повышение плотности, прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона. Все применяемые авторами добавки обладают высокой водоредуцирующей способностью, позволяющей получить прочность бетонного камня более 50 МПа.

С 2010 г. начинается развитие бетонов нового поколения, получивших название - реакционные порошковые бетоны [1], [25], [26]. Основоположником реакционно-порошковых бетонов является Калашников В.И. [2], [27], [28], [29], [30], [31]. Создание и история новых бетонов, так же отмечается в работах [25], [32], [26].

Разработка реакционно-порошковых бетонов не преследовала целей кардинально изменить реологию бетонных смесей с суперпластификаторами, а была направлена на необходимость снижения расхода цемента за счет активных тонкодисперсных наполнителей [29].

Создание многокомпонентных порошково-активированных бетонов различных видов соответствует долгосрочной стратегии развития производства строительных материалов, изделий и конструкций на период 2020 г. согласно Минрегионразвития РФ [33].

1.2 Порошково-активированные бетоны нового поколения

Реакционно-порошковый бетон — это развивающийся композиционный материал, который позволяет бетонной промышленности оптимизировать использование материалов, генерировать экономические выгоды и строить прочные, долговечные и чувствительные к окружающей среде конструкции. Реакционно-порошковый бетон разработан в 1990-х годах лабораторией «Bouygues» во Франции, и представляет собой новый класс материалов на основе портландцемента с прочностью на сжатие в диапазоне 200 МПа. [34].

Многочисленными исследованиями как в нашей стране, так и за рубежом показано, что при рациональном использовании отходов (каменной муки, шлаков, зол, микрокремнеземов, отсевов дробления и т.д.), а также местных материалов, таких как тонкозернистые кварцевые пески совместно с суперпластификаторами, возможно не только утилизировать такие отходы в производстве бетонных и железобетонных изделий, но и создать бетоны нового поколения - многокомпонентные порошково-активированные бетоны различных видов и марок (низкомарочные, средних марок, высокопрочные и особовысокопрочные) [35], [36], [34], [37].

Такие бетоны характеризуются низким удельным расходом цемента на единицу прочности [2], [3], [5], [31]

Основными компонентами образующие реакционно-порошковый бетон -являются: портландцемент, суперпластификатор, микрокремнезем, молотый кварцевый песок, тонкозернистый кварцевый песок, вода . [38], [39], [40], [41], [42].

По данным [43], в порошково-активированных песчаных и щебеночных бетонах нового поколения наиболее важными компонентами, определяющими реологию, являются реологически-активные дисперсные добавки, цемент и каменная мука с частицами близкого микрометрического масштабного размера [44]. Компоненты порошково-активированных

щебеночных бетонов нового поколения с микро- и наномасштабными наполнителями представлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Компоненты порошково-активированных щебеночных бетонов нового поколения с микро- и наномасштабными наполнителями [43]

Как правило порошково-активированные бетоны содержат 7-9 компонентов и имеют низкий удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии. Набор сухих компонентов выбирается по принципу непрерывной гранулометрии частиц от макро- до пикомасштабного уровней [2], [39].

В научных трудах Sanchez F. и Sobolev K. [45], [46] отображено сравнение размеров частиц компонентов различных бетонов, представленное на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Изменение удельной поверхности, а также размеров частиц

компонентов различных бетонов [45], [46] Концепция снижения расхода цемента в полной мере соответствует глобальной стратегии уменьшения эмиссии углекислого газа при производстве портландцемента, которая оценивается в количестве более 5% от всех выбросов СО2 в мире, а производство цемента постоянно наращивается высокими темпами [47], ориентируясь на производство бетонов старого поколения.

Для порошково-активированных бетонов нового поколения важное значение имеет оптимальное сочетание в бетонной смеси реологической матрицы, состоящей из цемента, высокодисперсного наполнителя и тонкого песка, с мелким заполнителем или песчано-щебеночным заполнителем. Во всех составах песчаных бетонов нового поколения всегда должен присутствовать высокодисперсный компонент, дополнительно добавляемый к цементу, а для снижения водопотребности и оптимизации реологических свойств необходимо введение суперпластификаторов. Для повышения прочности добавляется микрометрический или нанометрический реакционно-активный стекловидный или аморфный кремнезем [48], [49].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Османов Артем Бейбалаевич, 2024 год

/ \

10

л

т с о

X

а

и с

х

е т

X

3

2 0

0-1

5-7

14-20

32-36

50-56

80-90

140-160

Размер частиц, мкм -Песок С

8

6

4

Рисунок 5.6 - Дифференциальная кривая распределения частиц песка С

14 12

0-1 7-10 25-28 45-50 80-90 160-180

Размер частиц ■ Песок Е17 "Песок Е34 "Песок Е51 □ Песок С

Рисунок 5.7 - Дифференциальная кривая распределения частиц песка с разной

энергией, затраченной на активацию

0-1 5-7 14-20 32-36 50-56 80-90 140-160

Размер частиц, мкм ---Песок Е17---Песок Е34 ---Песок Е51 -Песок С

Рисунок 5.8 - Интегральная кривая распределения частиц песка с разной энергией, затраченной на активацию

Также стоит отметить агрегацию частиц с каждым последующим проходом через дезинтеграторную установку, которая выражается пиками на графике, а именно - увеличением количества частиц крупных и средних фракций. Так при анализе частиц песка Е51 данные пики проявляются в размерах частиц: 6 мкм, 30 мкм, 60 мкм. Агрегация частиц связана с приобретением поверхностной и электростатической энергии частиц.

По полученным данным содержания частиц различной фракции после активации частиц песка, для определения характеристических размеров частиц песка с разной энергией, затраченной на активацию выполнено построение графика по методу Розина-Раммлера-Беннета (рисунок 5.9).

Размер частиц, мкм - Песок Е17--Песок Е34 Песок Е51 Песок С R=36,8%

Рисунок 5.9 - График Розина-Раммлера-Беннета песка с разной энергией,

затраченной на активацию

По тангенсу угла наклона кривых находили показатель степени, характеризующий рассеяние частиц по крупности (коэффициент однородности материала значение т), а по пересечению прямой линии для R=36,8% определяли действительную крупность материала. Результаты определений приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Определение характеристических размеров частиц

№ п/п Образец Удельная поверхность, м2/кг т Характеристический размер частиц, мкм

1 Песок Е17 45,9 0,86 91,8

2 Песок Е34 69,2 0,96 88,1

3 Песок Е51 84,7 1,11 71,7

4 Песок С 246,0 0,67 52,3

Полученные результаты показывают, что увеличение энергии, затраченной на активацию кварцевого песка, приводит к ухудшению равномерности распределения частиц по размерам, что связано с образованием (в процессе агрегации частиц) отдельных крупных фракций об этом свидетельствует высокий показатель т. Однако, при активации песка в сепарационном режиме позволяет получить более равномерное распределение частиц по размерам, в связи уменьшением количества частиц крупной фракции, уменьшив максимальный размер частиц до 70 мкм, при этом характеристический размер частиц кварцевого песка составляет 52,3 мкм.

5.2 Влияние активации на морфологию частиц песка и их

микроструктуру

Одной из характеристик кварцевого песка, как мелкого заполнителя для бетона, определяющей плотность упаковки компонентов бетона, является коэффициент формы частиц. По результатам электронной микроскопии выполнено определение площади произвольной сферической частицы, проектированного диаметра и коэффициента формы частиц песка (Кфп).

Определение проводилось по наиболее встречающейся форме частиц.

Результаты определений для исходного кварцевого песка представлены на рисунке 5.10.

Песок Е0

Песок Е17

Бп=915 мкм2 ёп=34,1 мкм Кш=0,98

8п=54634 мкм2 ёп=263,8 мкм Кф=0,95

Песок Е34

Бп=1751 мкм2 ёп=47,2 мкм Кш=0,93

Песок Е51

Бп=526 мкм2 ёп=25,8 мкм Кш=0,77

Песок С

Бп=627,82 мкм2 ёп=28,28 мкм Кш=0,77

Рисунок 5.10 - Определение коэффициента формы частиц измельченного

кварцевого песка при различных энергиях активации

Полученные результаты показывают, что все три размера частиц примерно одинаковы, что характерно для сферических или шарообразных частиц, и это позволяет отнести частицы исходного кварцевого песка к изометрическим.

На основании определения коэффициента формы частиц активированного кварцевого песка установлено, что Песок Е17 характеризуется Кфп = 0,98, т.е. его частицы приобретают шарообразную форму при значительном уменьшении проектированного диаметра (йп) который достигает значения 34,1 мкм, что в 7,7 раз меньше исходных частиц.

При втором проходе через дезинтегратор кварцевого песка его проектируемый диаметр несколько увеличивается за счет налипания мельчайших частиц на более крупные, однако частицы остаются шарообразной формы Кфп = 0,92.

При третьем проходе через дезинтегратор кварцевого песка его проектируемый диаметр уменьшается йп = 25,8 мкм, появляется большое число угловатых частиц неправильной формы, коэффициента формы частиц песка уменьшается Кфп = 0,77.

Увеличение угловатых и осколочных форм частиц кварцевого песка будет обеспечить лучшее сцепление частиц как между собой, так и с другими компонентами композиционного материала.

Как показано на примере цемента, при механохимической активации происходит нарушении кристаллической структуры и увеличение дефектности кристаллов, что обусловливает изменение в поверхностных слоях твердых тел. Для установления этого положения для активированного в дезинтеграторе кварцевого песка был проведен рентгенофазовый анализ (РФА) сепарированного песка (рисунок 5.11). Поскольку при активации кварцевого песка приобретенные дефекты быстро релаксируются, нами была проведена активация песка по второму режиму в присутствии пластификатора. Пластификатор, согласно теории Ребиндера, усиливает

эффект активации и позволяет зафиксировать полученные дефекты в твердом теле длительное время.

Спектры

Рисунок 5.11 Сравнение рентгенограмм активированного кварцевого

песка после сепарирования

По результатам РФА оценивались такие параметры как интенсивность пика, ширина пика на его полувысоте, площадь пика и отношение площади пика к его интенсивности. Результаты определений представлены в таблице 5.2 и на рисунке 5.12.

Таблица 5.2 Рентгеновские характеристики сепарированного песка и песка с пластификатором сепарированного

Образец Угол Площадь пика Интенс. пика Полушир. пика Межполск d, мкм. % Площ Пл/Инт

О и о 26,636 797,48 6257 0,1175 3,3438 100 0,1275

36,533 61,4 462 0,1225 2,4574 7,7 0,1329

о и с 50,1 97,76 811 0,1112 1,8192 12,26 0,1206

59,9 79,92 572 0,1289 1,5428 10,02 0,1398

Песок С +Пл 26,633 1007,12 7498 0,1238 3,3442 100 0,1343

36,54 91,43 613 0,1375 2,457 9,08 0,1491

50,1 116,77 866 0,1244 1,8192 11,59 0,1349

59,916 102,26 779 0,121 1,5425 10,15 0,1312

0,14

0,135

.д е 0,13

н.

т о 0,125

ь л е

т а 0,12

з

а к

о оП 0,115

0,11

0,105

Полушир. ■ Песок С

Пл/Инт

Песок С+Пл

Рисунок 5.12 - Изменение отношения площади пика (по пику с1 = 0,334 нм) к его интенсивности и ширины пика на полувысоте при активации кварцевого песка

с сепарированием

Приведенные результаты показывают, что при активации кварцевого песка в дезинтеграторной установке с сепарированием происходит искажение кристаллической решетки кварца, о чем свидетельствует увеличение ширины пика кварца на его полувысоте и увеличение площади пика к его интенсивности.

Об искажениях в структуре кварцевого песка также свидетельствуют данные ИК-спектроскопии. ИК-спектры активированных образцов кварцевого песка представлены на рисунке 5.13.

4000

3500

3000

Волновое число, см-1 2500 2000

1500

1000

500

1 035

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

е и н

й

а р

т

О

Песок Е17

Песок Е34

Песок Е51

0

Рисунок 5.13 - ИК-спектры кварцевого песка

Как видно из представленных данных, активация песка при энергиях 17 кДж/кг и 34 кДж/кг не вызывает существенных изменений в колебаниях связей БьО в тетраэдрах БЮ44-. Увеличение колебаний как валентных, так и деформационных связей Si-O в структуре кварца происходит при активации при энергии 51 кДж/кг. Об этом свидетельствует увеличение интенсивности полос поглощения и их уширение.

Т.е. исходя из полученных результатов можно утверждать, что при активации кварцевого песка происходит искажение его кристаллической структуры и повышается дефектность кристаллов, о чем также свидетельствует увеличение дзета-потенциала частиц песка.

5.3 Влияние активации на физические свойства песка

Механические воздействия на твердые тела изменяют не только их кристаллическую структуру, но и значительно влияют на физические свойства, которые необходимо учитывать в технологических процессах.

Влияние активации кварцевого песка в дезинтеграторной установке на его физические свойства, такие как насыпная плотность и пустотность представлено на рисунке 5.14.

1600

1400

и

«

¡5 1200

О

я

О 1000

ч с

к

«

я с

2

и «

Я

800 600 400 200

13 44 13 27 12 44 6 9,0

146 3 ---- ч

\ >

5 0,0 5 0,7 5 3,8 \ ч ч

4 5,6 8 33

Песок Е0 Песок Е17 Песок Е34 Песок Е51 Песок, С

Образец

---Насыпная плотность -Пустостность, %

80,0 70,0 60,0

%

50,0 ,ьтс

о н

40,0 отт

тс

у

30,0 П 20,0 10,0

Рисунок 5.14 - Изменение насыпной плотность, пустотности кварцевого песка с разной энергией, затраченной на активацию

По результатам определения изменения насыпной плотности и пустотности активированного кварцевого песка видно, увеличение пустотности в процессе активации кварцевого песка, полученные значения связаны с раздвижкой частиц песка при их активации, а, следовательно, с увеличением расстояния между частицами активированного песка. С данным свойством связано также уменьшение насыпной плотности.

По результатам расчета изменения степени агломерации частиц (Рисунок 5.15) , изменения степени полидисперсности (Рисунок 5.16) активированного песка, установлено, что повышение степени агломерации частиц песка после первого прохода через дезинтеграторную установку связано с повышением их поверхностной энергией, а также накоплением электростатического заряда частиц, образовавшегося в процессе механического удара цемента о рабочие роторы установки, что приводит к налипанию более мелких частиц цемента к крупным частицам.

После второго прохода частиц песка через дезинтеграторную установку происходит разрушение образовавшихся конгломератов после первого прохода (песок Е17). Дальнейшее увеличение энергии активации (песок Е51) приводит вновь к агрегированию частиц за счет приобретения дополнительного электростатического напряжения в процессе механоактивации.

Однако, стоит отметить, что активация песка в сепарационном режиме (песок С) значительно снижает степень агломерации по сравнению с контрольным образцом. Данный эффект можно объяснить раздвижкой и выносом активированных частиц воздушным потоком через сепарационную камеру.

Рисунок 5.15 - Изменение степени агломерации частиц кварцевого песка с разной

энергией, затраченной на активацию

Рисунок 5.16 - Изменение степени полидисперсности кварцевого песка с разной

энергией, затраченной на активацию

При анализе полученных результатов изменения степени полидисперсности частиц отмечено, что после первого прохода песка (песок Е17) происходит уменьшение степени полидисперсности, что связано с образованием различных агломератов в связи с накоплением электростатического заряда частиц в процессе активации. При дальнейшем увеличении энергии активации происходит увеличение степени полидисперсности, что связано с образованием мелких фракций.

Так, увеличение степени полидисперсности после второго прохода (песок Е34) в сравнении с образцом после первого прохода (песок Е17) составляет 22,5% что связано с увеличением частиц мелких фракций. Однако, увеличение степени полидисперсности у образца «песок Е51» в сравнении с образцом «песок Е34» составляет 80%, что связано с резким увеличением частиц мелких фракций в следствие накопления дефектов в частицах после первого и второго проходов песка через дезинтеграторную установку, таким образом система стремится к монофракционному составу.

Высокое значение степени полидисперсности образца «песок С» связано с выносом мелких частиц в приемный бункер через сепарационную камеру и, как следствие, отсутствием частиц крупной фракции.

Изменение формы частиц песка, в процессе активации, оказывает влияние на изменение смачиваемости частиц водой. Данная характеристика мелкого заполнителя определяет скорость затворения сухих компонентов бетонной смеси водой. Результаты определения смачиваемости кварцевого песка, подвергнутого многократной активацией в дезинтеграторе представлены на рисунке 5.17.

8

и «

Ч и к

I

<и

3

о

4

и о а к

ч

о

100 80 60 40 20 0

(-* (- (- -о

5 10 20 30 40 50

Время контакта слоя материала к влажной подложкой, с.

Песок Е0 —*—Песок Е17--Песок Е34 -«-Песок Е51

60

0

Рисунок 5.17 - Изменение смачиваемости кварцевого песка с разной энергией,

затраченной на активацию

Уменьшение скорости смачиваемости активированного песка связано с увеличением шероховатости поверхности частиц после их активации и увеличением краевого угла смачиваемости. Также, стоит отметить, что жидкость контактирует с твердой поверхностью частицы только на вершинах шероховатостей, образующих поверхность, при этом в полостях шероховатой поверхности остается воздух.

Влияние предварительной активации кварцевого песка также оказывает на изменение дзета-потенциал частиц (Рисунок 5.18).

0,25

0,20

и

ч «

а- 0,15 я '

<и н о 1=

й 0,10

0,05

0,00

0,215550

0,195534

0,168980

I

I I

0,091249

Образец

Песок Е0 Песок Е17 ■ Песок Е34 Песок Е51 Песок С

Рисунок 5.18 - Значения дзета-потенциала активированного песка

На основании полученных данных, можно отметить положительное значение дзета-потенциала активированных частиц кварцевого песка. Из построенного графика видно, что после каждого последующего прохода кварцевого песка через дезинтеграторную установку происходит увеличение значения дзета-потенциала. Повышение дзета-потенциала в процессе активации кварцевого песка происходит за счет обнажения новых поверхностей активированных частиц. Однако, полученные результаты дзета-потенциала песка активированного в сепарационном режиме в 2,4 раза меньше в сравнении с активацией песка Е51. Полученные результаты можно объяснить уменьшением количества ударов частиц песка об рабочие роторы дезинтегратора, в связи с сепарационным выносом мелких частиц песка в бункер-накопитель, а, следовательно, уменьшением значения приобретенной энергии в процессе активации, уменьшением количества обнажения поверхностных оболочек частиц.

Общие экспериментальные данные, полученные для контрольного и активированных кварцевых песков отображены в сводной таблице 5.3

Таблица 5.3 - Общие экспериментальные данные

Образец

Показатель Песок Е0 Песок Е17 Песок Е34 Песок Е51 Песок С

Истинная плотность, кг/м3 2690

Насыпная плотность, кг/м3 1463 1344 1327 1244 833

Пустотность, % 45,6 50,0 50,7 53,8 69,0

Удельная поверхность, м2/кг 17,3 45,9 69,2 84,7 246,0

Средний размер частиц, мкм 225,2 83,6 68,6 48,7 28,7

Степень агломерации 0,5726 0,5470 0,6917 0,5673 0,3477

Число контактов, (на ед. пов. м2) 1,97*107 1,27*108 4,61*108 4,65*108 1,47*109

Степень полидисперсности 0,005761 0,0024 0,0031 0,0158 0,0298

Коэффициент формы частиц 0,95 0,98 0,93 0,77 0,77

Дзета-потенциал, В 0,065178 0,168980 0,195534 0,215550 0,091249

5.4 Выводы по 5 главе

1. На основании полученных результатов установлено, что каждый проход кварцевого песка через дезинтегратор в режиме прямой активации увеличивает удельную поверхность в среднем на 25%, однако, наибольшее влияние на изменение удельной поверхности оказывает активация песка в сепарационном режиме, которое позволяет получить удельную поверхность

песка соизмеримой с цементом, увеличив ее в 14,6 раз в сравнении с исходным песком.

2. Сепарационный режим активации кварцевого песка позволяет получить частицы фракций менее 70 мкм, с максимальным количеством частиц размером 28 - 30 мкм, что позволяет использовать его в качестве мелкодисперсного наполнителя в составе композиционного материала. Отмечено, что в процессе сепарационного режима активации кварцевого песка в дезинтеграторе, происходит увеличение электростатической энергии частиц, что приводит к повышенной агрегации частиц, а следовательно, к увеличению количества частиц крупных и средних фракций.

3. Определено, что увеличение энергии, затраченной на активацию кварцевого песка, приводит к ухудшению равномерности распределения частиц по размерам, что связано с образованием (в процессе агрегации частиц) отдельных крупных фракций. Однако, активация песка в сепарационном режиме позволяет получить более равномерное распределение частиц по размерам, в связи уменьшением количества частиц крупной фракции, уменьшив максимальный размер частиц до 70 мкм при этом характеристический размер частиц кварцевого песка составляет 52,3 мкм.

4. Установлено, что при активации кварцевого песка увеличивается число угловатых и осколочных форм частиц, о чем свидетельствуют электронно-микроскопические исследования и уменьшение коэффициента формы частиц песка с Кфп = 0,95 у исходного песка до Кфп = 0,77 у активированного. Образование подобных форм частиц песка при его активации будет обеспечивать лучшее сцепление частиц как между собой, так и с другими компонентами бетонной смеси, однако, данное изменение формы частиц сопровождается увеличение шероховатости их поверхности, что снижает скорость их смачиваемости, а это может неблагоприятным образом сказываться на скорость приготовления бетонной смеси.

5. Установлено, что при активации кварцевого песка в дезинтеграторной установке с сепарированием происходит искажение кристаллической решетки кварца, о чем свидетельствует увеличение ширины пика кварца на его полувысоте и увеличение площади пика к его интенсивности. Об искажениях в структуре кварцевого песка также свидетельствуют данные ИК-спектроскопии. Показано, что увеличение колебаний как валентных, так и деформационных связей Si-O в структуре кварца происходит при энергии 51 кДж/кг, затраченной на активацию. Активация песка при энергиях 17 кДж/кг и 34 кДж/кг не вызывает существенных изменений в колебаниях связей Si-O в тетраэдрах SiO44-. То есть, заметных изменений в структуре кварцевого песка можно достичь при значительных затратах энергии на его активацию.

6. Показано, что при активации кварцевого песка в дезинтеграторе происходит обнажение новых поверхностей активированных частиц, о чем свидетельствует повышение дзета-потенциала частиц кварцевого песка. Повышение дзета-потенциала прямо пропорционально энергии, затраченной на активацию, что говорит об увеличении поверхности частиц с каждый последующим их проходом через дезинтегратор.

7. Установлено, что значение дзета-потенциала песка, активированного в сепарационном режиме в 2,4 раза меньше в сравнении с активацией песка при энергии, затраченной на активацию равной 51 кДж/кг. Это обусловлено уменьшением количества ударов частиц песка о рабочие роторы дезинтегратора, в связи с сепарационным выносом мелких частиц песка в бункер-накопитель, а, следовательно, уменьшением значения приобретенной энергии в процессе активации и уменьшением количества обнажения поверхностных оболочек частиц.

8. Показано, что при активации кварцевого песка в дезинтеграторе его насыпная плотность снижается, а пустотность увеличивается, что связано с увеличением расстояния между частицами активированного песка.

Глава 6. Проектирование составов композиционного цементного

вяжущего

6.1 Состав композиционного цементного вяжущего

Для порошково-активированных бетонов, как показано в главе 1, важное значение имеет оптимальное сочетание в бетонной смеси композиционного цементного вяжущего, состоящего из цемента, высокодисперсного наполнителя и тонкдисперсного песка, с мелким заполнителем или песчано-щебеночным заполнителем. Во всех составах бетонов всегда должен присутствовать высокодисперсный компонент, дополнительно добавляемый к цементу, а для снижения водопотребности и оптимизации реологических свойств необходимо введение суперпластификаторов.

На основании полученных материалов, описанных в главах 3-5, выполнено проектирование состава композиционного цементного вяжущего. Вяжущее проектировалось в двух составах в зависимости от включаемых компонентов.

Для достижения качественных показателей композиционного цементного вяжущего его состав должен обеспечивать плотную упаковку его компонентов в единице объема. Известно большое количество способов расчета, основной целью которых является получение максимально возможной плотности упаковки применяемых заполнителей и наполнителей [130], [131], [132], [133],

По результатам гранулометрических составов компонентов представленные в разделах 3-5, был выполнен расчет плотности упаковки в программе Granumetric 5.0.3.

Методика расчета плотности упаковки выполнена в соответствии с уравнением Функа-Дингера, расчет выполнялся по формуле (6.1):

А\ = [100 • (а + (1 - а) • (Б]1 - Б^п)/(Б%ах - Б»ы] (6.1)

где:

А'- «полный проход» частиц через условное сито с размером ячейки Б].

Втах/тт - наибольший/наименьший размер зерна в смеси. п - коэффициент распределения. а - коэффициент формы частиц.

Коэффициент формы частиц компонентов композиционного цементного вяжущего представлен в таблице 6.1.

Таблица 6.1 Коэффициент формы компонентов композиционного цементного вяжущего.

Компонент Цемент Е0 Цемент Е17 Цемент Е34 Цемент Е51

Коэффициент формы 0,79 0,94 0,92 0,92

Компонент Песок Е0 Песок Е17 Песок Е34 Песок Е51 Песок С

Коэффициент формы 0,95 0,98 0,93 0,77 0,77

Компонент Отвальный шлак Е17 Отвальный шлак Е34 Отвальный шлак Е51 Отвальный шлак Е17 с инт. помола Золошлаковый отход, С

Коэффициент формы 0,96 0,76 0,94 0,74 0,81

Результаты расчета максимальной плотности упаковки компонентов составов композиционного цементного вяжущего, приводнены в таблице 6.2, графики расхождения плотности упаковки эталонного и проектируемого состава вяжущего представлены на рисунках 6.1 и 6.2

Таблица 6.2 - Соотношение компонентов составов композиционного цементного вяжущего

№ состава/содержание компонента

Компонент Состав №1 Состав №2

Цемент Е0 5% 8%

Цемент Е17 - -

Цемент Е34 26,6% 25%

Цемент Е51 - -

Песок Е0 - -

Песок Е17 - 11,86%

Песок Е34 30,2% 40,63%

Песок Е51 - 1,21%

Песок С 10,65% 8,13%

Шлак отвальный Е17 - -

Шлак отвальный Е34 6,9% -

Шлак отвальный Е51 25% -

Шлак отвальный с инт. помола - -

Доменный шлак, С - 6,24%

Поликарбоксилатный 1% от массы цемента 1% от массы цемента

пластификатор БК-100

Рисунок 6.1 - График расхождения плотности упаковки эталонного и проектируемого состава вяжущего №1

А, % 100

90

80

Р 70

| 60

л

-в-

§ 50

Н

О

и 40 30 20 10 о

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Э, мкм

Размеры частиц, мкм

^^ Проектируемый состав Эталонный состав

Рисунок 6.2 - График расхождения плотности упаковки эталонного и проектируемого состава вяжущего №2

Удельная поверхность сухих композиционного цементного вяжущего состава №2 составила 373,2 м2/кг, что на 128,15 м2/кг выше, чем удельная поверхность сухих компонентов композиционного цементного вяжущего состава №1. Увеличение удельной поверхности связано с большим количеством мелкодисперсных частиц, заполняющих межзерновые пустоты между компонентами.

На основании выполненного расчета по прочности упаковки, были приготовлены композиционные вяжущие, которые испытывали на прочность при сжатии. Для этого готовилась смесь нормальной густоты. В качестве образцов приняты кубики 20х20х20 мм. Полученные результаты кинетики набора прочности представлены в таблице 6.3 и на рисунке 6.3.

Таблица 6.3 - Кинетика набора прочности образцов композиционного цементного вяжущего

№ состава В/Ц, % Прочность на сжатие в возрасте (сутки), МПа

1 3 7 14 21 28

1 0,55 4,0 10,4 19,2 24,9 28,0 28,8

2 0,58 6,7 23,8 26,9 28,2 31,9 35,5

40

« В

30

.а

н и

я 20

т

о

а

В

10

0

Состав №1

Состав №2

■■ || || И II II

6,73

10,4

23,77

19,2

26,91

14

24,9

28,22

21

28

31,9

28

28,8

35,54

Сутки

Рисунок 6.3 - Кинетика набора прочности образцов композиционного

цементного вяжущего

Согласно данным таблицы 6.3 наибольшей прочностью на сжатие обладают образцы состава №2, максимальная прочность в возрасте 28 суток составила 35,54 МПа.

Увеличение значений прочности на сжатие образцов состава №2 в сравнении с составом №1 связано с большим значением удельной поверхности сухих компонентов состава №2, а также меньшим процентным расхождением эталонного и проектируемого составов плотности упаковки.

1

3

7

4

Данные результаты получены за счет наличия большего количества мелкодисперсных частиц, повышающих общую плотность упаковки сухих компонентов.

Однако оба состава имеют повышенное содержание песка и низкое содержание портландцемента, а также повышенное водоцементное отношение, что в итоге сказывается на их низких прочностных показателях.

В связи с этим дальнейшее проектирование состава композиционного вяжущего осуществлялось с позиций замены лишь 30% портландцемента тонкомолотыми кварцевым песком и золошлаковым отходом ТЭС.

В процессе приготовления образцов отмечено, что высокое содержание мелкодисперсных частиц увеличивает количество воды для получения смеси нормальной густоты, данное явление связано с уменьшением скорости смачиваемости мелкодисперсных, активированных частиц водой (рисунок 6.4), что приводит к введению дополнительного количества воды для получения смеси нормальной густоты.

Рисунок 6.4 - Затворение композиционного цементного вяжущего водой

Составы композиционного вяжущего на основании расчета плотности упаковки в программе Granumetric 5.0.3 приведены в таблице 6.4.

Таблица 6.4 - Соотношение компонентов составов композиционного цементного вяжущего

Компонент Состав №1 Состав №2 Состав №3 Состав №4 Состав №5 Состав №6 Состав №7 Состав №8 Состав №9 Состав №10 Состав №11 Состав №12 Состав №13

Цемент Е0 40 45 50 35 35 30 40 40 40 50 50 50 50

Цемент Е17 30 25 20 25 20 25 20 10 30 20 20 20 20

Цемент Е34 0 0 0 10 15 15 10 20 0 0 0 0 0

Цемент Е51 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Песок Е17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0

Песок Е34 15 15 15 15 15 15 15 15 15 8 7 20 10

Песок Е51 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0

Песок С 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5

Золошлаковый отдох,С 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 10 15

Отклонение

проектной и

эталонной кривых плотности 23,02% 22,97 22,92 23,41 23,59 23,64 23,37 23,72 23,02 26,68 26,3 18,66 26,71

упаковки

По результатам расчетов из исследований исключили составы №10, №11 и №13, так как отклонение проектной и эталонной кривых плотности упаковки превышает 25%. Остальные составы были приготовлены и испытаны согласно ГОСТ 310.1-76, ГОСТ 310.3-76 и ГОСТ 310.4-81. Также проводили определение прочности образцов после пропаривания.

Пропаривание образцов выполняли по режиму (2+3+6+2) при температуре изотермического прогрева 85+5оС. Через сутки после изготовления пропаренные образцы расформовывали и раскладывали на хранение. Результаты испытаний композиционных вяжущих представлены в таблице 6.5.

Таблица 6.5 Результаты испытания композиционных вяжущих (испытания по ГОСТ 310.4-81)

№ КВ по табл. 6.4 В/Ц Расплыв конуса, мм Предел прочности, МПа (при сжатии - в числителе, при изгибе - в знаменателе)

Нормальное твердение После пропаривания

1 сут 3 сут 7 сут 28 сут 1 сут 28 сут

1 0,38 114 6,4/1,7 15,5/2,8 25,1/3,7 43,0/6,3 25,5/5,4 38,0/5,2

2 0,38 114 6,4/1,6 15,0/2,6 25,8/3,7 43,2/6,1 25,9/5,6 38,5/5,4

3 0,38 114 6,5/1,8 15,8/2,8 25,0/3,8 43,3/6,2 25,6/5,5 38,4/5,3

4 0,40 115 6,8/1,8 17,5/2,9 26,1/4,1 43,9/6,3 27,8/5,4 40,2/5,2

5 0,40 115 7,0/1,7 17,7/2,9 26,8/4,1 42,0/6,1 26,7/5,4 39,2/5,1

6 0,40 115 7,0/1,8 16,9/2,9 26,4/3,9 41,6/6,0 25,7/5,4 39,9/5,0

7 0,40 115 6,8/1,7 17,8/2,7 26,6/4,0 44,1/6,1 28,0/5,6 42,2/5,2

8 0,40 113 6,8/1,6 17,9/2,5 25,9/4,1 43,8/6,0 27,8/5,6 42,3/5,1

12 0,38 115 7,0/1,8 18,3/3,0 26,8/4,3 44,8/5,8 28,0/4,3 44,2/5,0

13* 0,36 112 7,2/1,8 18,9/3,0 27,1/4,5 45,1/5,9 28,1/4,4 44,5/5,0

* - контрольный цемент

Как видно из полученных результатов прочности композиционных вяжущих, содержащих тонкомолотые кварцевый песок и золошлаковый отход несколько ниже исходного портландцемента. Отклонение по прочности составляет в первые сутки не более 12%, а в 28 суток не более 8%. Полученные результаты позволяют говорить о пригодности предлагаемых композиционных вяжущих для реакционно-порошковых бетонов.

6.2 Технологические и эксплуатационные свойства бетонов

Разработанное композиционное вяжущее испытывалось в составе бетонов. Для испытаний использовался состав №12 по таблице 6.4, т.к. он показал наилучшие результаты по прочности близкие к портландцементу и имеет плотность упаковки близкой к эталонной.

Определение количества воды затворения для смеси выполнялось экспериментальным путем согласно методам испытаний определения нормальной густоты цементного теста по ГОСТ 310.3-76. После определения количества воды затворения были проведены пробные замесы, для корректировки необходимого количества воды.

Процесс приготовления смеси заключался в следующем. Перед приготовлением смеси композиционного цементного вяжущего были предварительно приготовлены компоненты путем их активации в установке ударного действия дезинтеграторного типа, которые потом перемешивались без измельчения в шаровой лабораторной мельнице в течение 10 - 15 мин.

Предварительно перемешанную сухую смесь компонентов затворяли водой с растворенным суперпластификатором DK-100 Polycarboxylate Superplasticizer в количестве 1% от общей массы композиционного цементного вяжущего, при постоянном перемешивании в высокоскоростной мешалке в течение трех минут.

При изготовлении мелкозернисных бетонов в смесь добавляли кварцевый песок и снова перемешивали. При изготовлении щебеночных

бетонов в смесь добавляли щебень фракции 5 - 10 мм. Приготовленная смесь помещалась в формы 100х100х100 мм.

Контроль консистенции бетонных смесей осуществлялся по осадке стандартного конуса (ОК) или по жесткости (Ж) согласно ГОСТ 10181.1-81.

Результаты испытаний представлены в таблице 6.6. Как видно из полученных результатов, используя разработанное композиционное цементное вяжущее можно изготавливать реакционно-порошковые мелкозернистые бетоны и реакционно-порошковые щебеночные бетоны с удельным расходом цемента от 4,4 - 4,5 кг на единицу прочности.

Таблица 6.6 - Составы и свойства бетонных смесей

Вид бетона Составы и показатель свойств Реакционно-порошковый мелкозернистый бетон Реакционно-порошковый щебеночный бетон

Состав бетонной смеси, % КЦВ Ц 18 % 17 %

Ц Е17 8% 7%

П Е34 8 % 7 %

ЗШО С 4 % 3 %

Песок 54 % 15 %