Повышение механических свойств бетонных изделий путём механической активации цементных суспензий

На правах рукописи

РАСЦВЕТОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БЕТОННЫХ

ИЗДЕЛИЙ ПУТЁМ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ

ЦЕМЕНТНЫХ СУСПЕНЗИЙ

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре «Производство строительных материалов»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Гуюмджян Перч Погосович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Христофорова Ирина Александровна

ГОУ ВПО «Владимирский государствен-ный университет»

Кандидат технических наук, доцент

Цыбакин Сергей Валерьевич

ФГОУ ВПО «Костромская государственная сельскохозяйственная академия»

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»

Защита диссертации состоится «1» июля 2011 года в 10 часов на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.060.01 при ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: г. Иваново, ул. 8 Марта, 20 ( http://www.igasu.ru ) в ауд. Г-204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20).

Автореферат разослан «1» июня 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент Заянчуковская Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях бетон занимает передовые позиции в общей мировой номенклатуре производства строительных материалов, изделий и конструкций. Это один из самых массовых строительных конгломератов, во многом определяющий уровень развития общества. Вместе с тем, бетон – достаточно сложный искусственный композиционный материал, обладающий совершенно уникальными свойствами, а именно, способностью работать как в условиях пониженных, так и повышенных температур. Наряду с этим производство бетона связано с большой затратой сырьевых компонентов, особенно вяжущих веществ. Ежегодно для производства бетонных, железобетонных изделий и конструкций расходуются миллионы тонн вяжущих веществ, особенно цемента, стоимость которого достаточно высока. Только на предприятиях г. Иваново и Ивановской области, занятых выпуском строительных материалов на основе цемента, в том числе в виде товарного бетона, ежегодно расходуются сотни тонн этого вяжущего.

Создание высококачественных бетонов и растворов требует новых перспективных методов приготовления бетонной смеси, позволяющих повысить физико-механические свойства готовой строительной продукции и технико-экономические показатели производства. Вопросы экономии цемента и других вяжущих веществ относятся к числу важнейших и трудно решаемых задач.

Одним из основных компонентов, определяющих физико-механические и реологические свойства готовой бетонной смеси является вода. От правильного подбора водоцементного (В/Ц) отношения зависят многие характеристики бетона. Вода является не только затворителем цемента, но и принимает активное участие в его последующих превращениях. В связи с этим проблему бетоноведения невозможно рассматривать без учета свойств затворителя бетона. Поэтому исследования в области влияния жидкости затворения на свойства бетона и изделий на его основе являются актуальными.

Цель работы: Исследование, разработка и промышленное внедрение в производство мелкозернистых и крупнозернистых бетонных изделий метода, основанного на высокоскоростной механической активации водно-цементных суспензий, позволяющей получить строительные материалы с высокой механической прочностью.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследовать влияние механоактивированных водно-цементных суспензий на физико-механические и реологические свойства цементного камня и бетона, а также на их строительно-технические показатели.
2. Установить наиболее рациональные режимы активации жидкостей затворения при их высокоскоростной механической обработке.
3. Разработать технологию производства строительных материалов и изделий из бетона с использованием заполнителя различной крупности и применением метода высокоскоростной механоактивации воды затворения и водно-цементных суспензий.
4. Внедрение техники и технологии высокоскоростной механической обработки воды и водно-цементных суспензий в производства, выпускающие различные изделия на основе цементного вяжущего.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Научно обоснована возможность интенсификации процессов гидратации и твердения цементных систем, затворенных водой и водно-цементной суспензией, активированных в смесителе интенсивного действия при высокоскоростной обработке.
2. Установлено, что при механической активации водно-цементной суспензии в смесителе интенсивного действия происходит преобразование структуры жидкости затворения, приводящее к изменению ее ИК спектра, а также взаимное диспергирование компонентов.
3. Доказано, что ускорение процессов гидратации и твердения бетона связано с изменением энергии связи молекул воды в структуре цементного камня при высокоскоростной механической активации компонентов.
4. Исследованы процессы изменения эксплуатационных свойств бетонных изделий на основе механоактивированной жидкости затворения.
5. Найдены наиболее целесообразные параметры механической активации жидкостей затворения (воды и водно-цементных суспензий), при которых достигается наибольшая прочность бетона.
6. Определены закономерности релаксационных процессов, протекающих в структуре воды при её хранении во времени.

Практическая ценность работы

1. Разработана технология производства бетонных изделий различного функционального назначения, с использованием методов механической высокоскоростной обработки компонентов, включающей активацию водно-цементных суспензий с целью повышения прочности и снижения сроков схватывания.
2. Предложена схема технологической линии производства различных изделий на основе активированной водно-цементной суспензии с применением для этой цели смесителя интенсивного действия.
3. Определены и внедрены в производство наиболее рациональные режимы механической активации водно-цементных суспензий с подбором необходимого дополнительного оборудования.

Внедрение результатов работы

Разработана технология и технологическая линия производства различных изделий на основе механоактивированной воды и водно-цементных суспензий, внедрение которых позволит при одинаковых прочностных свойствах готовых изделий экономить от 10 % до 15% цемента.

Технология и технологическая линия производства бетонных изделий внедрена на ЗАО «Железобетон» (153015, г. Иваново ул. 13-я Березниковская, д. 1) с предполагаемым экономическим эффектом более 2,5 миллионов рублей в год.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на международных конференциях и на семинарах, проводимых на различных уровнях:

• Пятая научная конференция аспирантов и соискателей ИГАСУ;
• XIV Международная Научная Конференция Информационная среда вуза, 2007 г., ИГАСУ;
• Ученые записки инженерно-строительного факультета, Вып. 4, 2008 г., ИГАСУ;
• XV Международная Научная Конференция Информационная среда вуза, 2008 г., ИГАСУ.
• Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов, молодых ученых «Энергия молодых строительному комплексу», 2009 г., БГУ, Братск.

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы

Диссертационная работа общим объемом 144 страницы, состоит из введения, 5 глав, общих выводов и приложения, включает 26 рисунков, 27 таблиц, список используемых источников содержит 144 наименования.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с паспортом специальности 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия» п.1 «Разработка теоретических основ получения различных строительных материалов с заданным комплексом эксплуатационных свойств», п.6 «Создание теоретических основ получения строительных композитов гидратационного твердения и композиционных вяжущих веществ и бетонов».

На защиту выносятся следующие положения:

• результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов механической активации воды и водно-цементной суспензии, обработанных в смесителе интенсивного действия;
• параметры высокоскоростной обработки водно-цементных суспензий и воды затворения с подбором оборудования для её осуществления;
• технология производства бетонных и железобетонных изделий с улучшенными строительно-эксплуатационными свойствами, позволяющая при одинаковых прочностных характеристиках конечного продукта экономить до 10 % цемента;
• результаты внедрения техники и технологии высокоскоростной механической активации воды и водно-цементной суспензии в производство.

Работа выполнена в соответствие с планом важнейших исследований ИГАСУ в области «Рациональное использование ресурсов в строительстве и в промышленности строительных материалов» (код ГРНТИ 67.15 п.41 Производство бетонных и железобетонных изделий).

Содержание работы

Введение: приведена общая характеристика работы. Обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи, а также научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлена систематизация современного состояния проблемы приготовления различных бетонных смесей на основе цементного вяжущего. Приведен также обзор литературы, посвященной процессам активации воды.

Теоретическому обоснованию проблемы управления процессами гидратации, структурообразования в технологии строительных материалов, в том числе цементосодержащих, посвящены работы Ю.М. Баженова, А.В. Волженского, И.А. Рыбьева, П.И. Боженова, Л.М. Сулименко, В.А. Воробьёва и других исследователей.

Существующие методы ускорения процессов твердения и гидратации цемента можно подразделить на следующие группы:

- механические воздействия – тонкость помола, вибрация, термообработка, прессование в сухом или влажном состоянии;

- химическое воздействие – введение различных добавок, частичная дегидратация или регидратация, химическая обработка отдельных компонентов;

- электрофизические методы, базирующиеся на взаимодействии компонентов бетонной смеси с электрическими, электромагнитными и магнитными полями;

- термическая обработка – пропаривание, предварительный нагрев, импульсный нагрев. Обычно для повышения эффекта активации вяжущих веществ используют комбинированный метод воздействия, как правило, в сочетании с тепловой обработкой.

Высокоскоростная активация вяжущих веществ приводит к образованию на поверхности твердой фазы активных центров, которые в дальнейшем ускоряют процессы диффузионного массопереноса. В этих условиях высокоскоростная механическая обработка системы должна привести к существенному ускорению физико-химических процессов. Применительно к бетонам это скорость гидратации и твердения цементного камня. Одним из основных компонентов в производстве бетона является вода затворения, от состояния которой во многом зависят как скорость гидратации цементного камня, так и его механическая прочность. Поэтому проблема активации воды затворения имеет немаловажное значение при структурообразовании бетона.

На основании анализа литературных источников, посвященных вопросам активации компонентов бетона и воды затворения, сформированы цели и задачи исследований, направленные на повышение прочности готовых изделий. Была выдвинута гипотеза, что при высокоскоростной обработке водно-цементных суспензий возможно изменить физико-механические свойства бетонных изделий за счет структурных преобразований жидкой среды.

Во второй главе диссертации даны характеристики подлежащих исследованию материалов, приведена методика эксперимента, физико-механические свойства вяжущих и заполнителей, а также описано оборудование, с помощью которого осуществлялась механическая активация воды и водно-цементной суспензии.

Для приготовления состава бетонной смеси использовались следующие компоненты:

• портландцемент М 500, 42,5Б «Мордовцемент» ГОСТ 31108-2003;
• портландцемент М 500, 42,5Н «Осколцемент» ГОСТ 31108-2003, ГОСТ 30515-97;
• песок 1 класса (средний), ОАО «Хромцовский карьер» (г. Фурманов, Ивановская область) ГОСТ 8736-93;
• Щебень фракции 5/20 мм, ОАО «Хромцовский карьер» (г. Фурманов, Ивановская область) ГОСТ 8267-93;
• Водопроводная вода из городской сети.

Перед экспериментальными исследованиями все компоненты бетона подвергались контролю по химическому и минералогическому составу.

Описана методика затворения вяжущего, изготовления бетонных образцов, а также дана методика экспериментальных исследований и характеристика оборудования.

Гранулометрический состав мелкого и крупного заполнителя определялся методом ситового анализа для каждого конкретного опыта в отдельности. Экспериментально подобрано оптимальное водоцементное отношение (В/Ц), которое зависело от интенсивности механической обработки воды.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния скорости механической активации воды на её свойства. В качестве критерия оценки свойств воды затворения было выбрано изменение её водородного показателя (рН). Механической активации подвергалась как водопроводная, так и дистиллированная вода. Скорость механической обработки воды менялась в интервале от 200 до 1400 об/мин. Время обработки во всех случаях было постоянным и соответствовало 10 мин., так как более длительная обработка не давала ощутимых результатов.

На рис.1. представлена кривая зависимости рН воды от скорости обработки. Как видно из графика, значение рН воды зависит от скорости механической обработки и меняется в достаточно широком диапазоне. Изменение рН воды объясняется изменением её состояния. При высокоскоростной механической обработке воды в смесителе интенсивного действия происходит разрыв сплошности молекулярных цепей, приводящих не только к изменению её водородного числа, но и химической активности.

Рис. 1. Зависимость изменения водородного показателя (pH) воды от скорости вращения мешалки

Обработанная данным способом вода оказала существенное влияние на интенсификацию некоторых параметров, таких, например, как скорость гидратации цементного камня.

При высокоскоростной обработке происходит переориентация молекул воды, снижается вероятность протекания донорно-акцепторных взаимодействий, появляются активные центры. В результате деструктурирования молекул воды изменяется её рН, повышается активность, что подтверждается изменением ИК-спектров воды. Взаимодействие такой воды с вяжущим приводит к структурным изменениям в бетоне, повышающим его прочность и улучшающим другие характеристики. Обработка результатов эксперимента (рис. 1) позволила найти эмпирическую зависимость между рН водопроводной воды и скоростью вращения мешалки:

(1)

Где – скорость вращения мешалки, об/мин.

Кроме того, активированная вода интенсифицирует процесс кристаллообразования и твердения цементного камня (рис.2), повышая его прочность как при 7-ми суточном, так и 28-суточном твердении (рис.3).

Рис. 2. Зависимость сроков начала схватывания цементного теста от скорости обработки воды

С ростом скорости обработки активность воды возрастает, что приводит к резкому снижению срока схватывания. Наибольшее снижение сроков схватывания цементного теста (120 мин.) наблюдается при скорости 1200 об/мин. Именно при этой скорости происходит максимальный рост прочности цементного камня. Предел прочности при сжатии у образцов, затворенных активированной водой, на 10-30 % выше, чем при использовании водопроводной или дистиллированной воды.

Рис. 3. Зависимость предела прочности при сжатии цементного камня от скорости вращения мешалки.

Процессы схватывания напрямую связаны с интенсивностью перемешивания. Ускорение сроков гидратации при использовании активированной воды может быть обусловлено несколькими причинами:

• повышением химической активности воды за счет изменения её молекулярного состояния, вызванного тем, что при подводе энергии к молекулам воды протекает реакция по схеме :

е + Н2О		Н2*О + е
		Н• + ОН•
ОН• + ОН•		Н2О2