close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

207601

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
МАВЛИЕВ ЛЕНАР ФИДАЕСОВИЧ
ЦЕМЕНТОГРУНТ С КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКОЙ
НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань – 2015
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Казанский государственный архитектурно-строительный университет».
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент
Вдовин Евгений Анатольевич
Официальные оппоненты
Барабаш Дмитрий Евгеньевич
доктор технических наук, профессор, ФГКВОУ
ВПО «Военный учебно-научный центр военновоздушных сил «Военно-воздушная академия
имени профессора Н.Е. Жуковского и
Ю.А. Гагарина» Министерства обороны
Российской Федерации, начальник кафедры
изыскания и проектирования аэродромов
Войтович Владимир Антонович
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ
ВПО
«Нижегородский
государственный
архитектурно-строительный
университет»,
доцент кафедры технологии строительства
Ведущая организация
ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный
технологический университет», г. Йошкар-Ола
Защита состоится “21” декабря 2015 года в 13.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.077.01 на базе Казанского государственного
архитектурно-строительного университета по адресу: 420043, г. Казань,
ул. Зеленая, д. 1, КГАСУ, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
Казанского государственного архитектурно-строительного университета и на
сайте http://diss.kgasu.ru
Автореферат разослан “____”___________ 2015 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Рахимова Наиля Равилевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
В настоящее время в Российской Федерации реализуется Транспортная
стратегия на период до 2030 года, которая предусматривает обеспечение
постоянной круглогодичной связи всех сельских населенных пунктов, имеющих
перспективы развития, по дорогам с твердым покрытием с сетью автомобильных
дорог общего пользования.
Следует отметить, что в ряде регионов страны отсутствуют запасы прочных
каменных материалов, необходимость транспортировки которых значительно
увеличивает стоимость строительства автомобильных дорог. Известно, что
отказаться от использования привозного щебня возможно путем применения
цементогрунта (грунта, укрепленного портландцементом) в конструкциях
дорожных одежд. Повышение эффективности и качества цементогрунта
дорожного назначения является актуальной проблемой, которая не может быть
успешно решена, без модификации химическими добавками, влияющими на
структуру и свойства получаемого материала.
Наиболее перспективным направлением в решении данной проблемы
является применение добавок кремнийорганических соединений (КОС),
позволяющих получить гидрофобные и морозостойкие материалы, а также
электролитов, придающих цементогрунтам высокие прочностные показатели.
Работа выполнена при финансовой поддержке: Фонда содействия развитию
малых форм предприятий в научно-технической сфере и Инвестиционновенчурного фонда Республики Татарстан по программе «УМНИК» и «МИП»;
Академии наук Республики Татарстан по молодежным грантам, договор субсидии
№10-15/2012(Г).
Степень разработанности темы
Проблеме повышения эффективности и качества цементогрунтов посвящены
многочисленные работы российских и зарубежных исследователей. Анализ
литературы показал, что для повышения физико-механических свойств
цементогрунта, особенно прочности, эффективны добавки электролитов,
способные также оказывать прямое воздействие на цемент и продукты его
гидролиза и гидратации. Отдельно можно выделить применение для
модификации строительных материалов, в том числе цементогрунтов,
кремнийорганических соединений, фиксирующихся на поверхности материала и
гидрофобизирующих стенки пор и капилляров, тем самым снижающих
водопоглощение и повышающих морозостойкость материала. Таким образом,
решение проблемы прочности, морозостойкости и долговечности цементогрунта
возможно с помощью применения комплексной добавки, состоящей из
кремнийорганического соединения и электролита. Однако, недостаточно
исследовано влияние такой комплексной добавки на физико-механические
свойства, долговечность, особенности структуры цементогрунта, а также на
изменение его прочности и морозостойкости от воздействия технологических
факторов.
4
В связи с этим, применение комплексной добавки на основе
кремнийорганических соединений и электролитов, изучение особенностей ее
влияния на качество, структуру и долговечность цементогрунта является
актуальным и перспективным исследованием в области модификации дорожностроительных материалов.
Цель и задачи
Целью работы является получение цементогрунта с высокими физикомеханическими свойствами, отличающийся повышенной долговечностью за счет
модификации
его
структуры
комплексной
добавкой
на
основе
кремнийорганических соединений и электролитов.
Для достижения поставленной цели сформулированы задачи:
− определить оптимальные компоненты комплексной добавки среди
кремнийорганических соединений и электролитов;
− оптимизировать состав цементогрунта с комплексной добавкой с учетом
области применения в конструкциях дорожных одежд;
− изучить структуру цементогрунта, модифицированного комплексной
добавкой;
− установить влияние комплексной добавки на показатели долговечности
цементогрунта;
− изучить взаимодействие основных компонентов грунта с цементом и
комплексной добавкой;
− исследовать влияние технологических факторов на физико-механические
свойства цементогрунта с комплексной добавкой;
− осуществить производственную проверку результатов исследований и
определить технико-экономическую эффективность применения цементогрунта,
модифицированного комплексной добавкой в конструкциях дорожных одежд
сельских автомобильных дорог.
Научная новизна:
Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность
модификации
цементогрунта
комплексной
добавкой
на
основе
кремнийорганического соединения и электролита. Определено, что введение в
состав цементогрунта октилтриэтоксисилана в комплексе с гидроксидом натрия
приводит к увеличению его гидрофобности (снижение водопоглощения по массе
с 7,4 % до 1,1 %) и формированию оптимальной микроструктуры (снижение
капиллярной пористости с 15,3 % до 2,3 % и увеличение условно-закрытой с
7,7 % до 13,7 %).
Установлены зависимости влияния комплексной добавки на основе
октилтриэтоксисилана и гидроксида натрия на физико-механические свойства
глинистых минералов, песчаной и пылевато-глинистой составляющей
цементогрунта, обуславливающие прирост прочности материала на 32 % и
морозостойкости на 62 %.
Выявлен механизм действия октилтриэтоксисилана в комплексе с
гидроксидом натрия на цементогрунт, заключающийся в формировании более
плотной и однородной структуры материала, снижении количества
5
адсорбционной воды, связанной с глинистыми минералами, а также уменьшении
образования свободного гидроксида кальция.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Доказана возможность направленного регулирования оптимальной
влажности и максимальной плотности, физико-механических свойств, а также
долговечности цементогрунта дорожного назначения за счет применения
комплексной
добавки
на
основе
кремнийорганического
соединения
октилтриэтоксисилана и электролита гидроксида натрия.
Разработаны технические условия на комплексную добавку на основе
октилтриэтоксисилана и гидроксида натрия для модификации цементогрунта.
Проведена опытно-экспериментальная апробация результатов исследований
цементогрунта с комплексной добавкой при строительстве участка
автомобильной дороги.
Обоснована экономическая эффективность устройства конструкций
дорожных одежд сельских автомобильных дорог с применением цементогрунта,
модифицированного комплексной добавкой.
Техническая новизна решений, представленных в диссертации, подтверждена
патентами на изобретение № 2519283 от 17 октября 2012 г. и № 2545228 от 25
ноября 2013 г., на полезную модель № 138502 от 15 августа 2013 г.
Методология и методы диссертационного исследования
Теоретической и методологической основой диссертационного исследования
послужили современные положения теории и практики получения
цементогрунтов с применением модифицирующих добавок, разработки
отечественных и зарубежных ученых в области материаловедения, технологии
бетонов, грунтоведения. Информационной базой явились монографические
работы, статьи в периодических изданиях, материалы научных конференций,
статьи в научных сборниках. При проведении научных исследований
использовались стандартные средства измерений, методы исследования физикомеханических свойств цементогрунтов и физико-химических процессов
структурообразования, полученных с использованием современных приборов и
оборудования,
методы
планирования
эксперимента
и
другие
высокоинформативные методы, обеспечивающие необходимую достоверность
полученных результатов.
Положения, выносимые на защиту:
− результаты
исследований
влияния
наиболее
эффективных
кремнийорганических соединений и электролитов на свойства цементогрунтов;
− результаты исследований по оптимизации состава цементогрунта с
комплексной добавкой, с учетом области применения в конструкциях дорожных
одежд;
− результаты рентгеноструктурных, комплексных термических и
электронно-микроскопических исследований структуры цементогрунта с
комплексной добавкой;
− результаты
исследований
влияния
комплексной
добавки
на
атмосферостойкость и выносливость цементогрунта;
6
− результаты исследований взаимодействия основных компонентов грунта
с цементом и комплексной добавкой;
− результаты исследований влияния технологических факторов на физикомеханические свойства цементогрунта с комплексной добавкой;
− результаты строительства опытно-экспериментального участка сельской
автомобильной дороги и технико-экономическое обоснование применения
модифицированного цементогрунта.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы
подтверждается применением стандартных методов испытаний, современных
методов исследования структуры и свойств (РФА, ДТА, электронно-растровая
микроскопия), использованием лабораторного метрологически аттестованного
испытательного оборудования и измерительных инструментов, обработкой
результатов
экспериментов
статистическими
методами,
применением
математического планирования эксперимента, достаточным количеством
проведенных опытов, обеспечивающих адекватность и воспроизводимость
результатов.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях Казанского
государственного архитектурно-строительного университета (2009-2015 г.г.), на
Международной научно-практической конференции XV Академических чтениях
РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизация
строительной индустрии» (Казань, 2010 г.), на VI Международной научнопрактической конференции «Автомобиль и техносфера» (ICATS’2011) (Казань,
2011 г.), на Международной научно-практической конференции “Актуальные
проблемы строительного и дорожного комплексов” (Йошкар-Ола, 2013 г.), на
Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы,
технологии и оборудование для строительства современных транспортных
сооружений» (Белгород, 2013 г.), на Международной научно-практической
конференции VIII Академических чтениях РААСН «Механика разрушения
строительных материалов и конструкций» (Казань, 2014 г.), на XIV
Международном симпозиуме по реологии грунтов «Перспективные направления
развития теории и практики в реологии и механике грунтов» (Казань, 2014г.).
Внедрение результатов исследований
Результаты диссертационных исследований апробированы при устройстве
покрытия из модифицированного укрепленного грунта на автомобильной дороге
подъезд к н.п. Кульбаево-Мараса Нурлатского района Республики Татарстан.
Личный вклад
Личный вклад соискателя в решение исследуемой проблемы заключается в
обобщении, систематизации и развитии теоретических составляющих
исследуемых вопросов, а также получении и анализе результатов исследований.
Публикации
Результаты
исследований,
отражающие
основные
положения
диссертационной работы, изложены в 9 научных статьях, из них 6 в российских
7
рецензируемых научных журналах и изданиях, получены 2 патента на
изобретение и патент на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка
литературы из 195 наименований и 3 приложений. Основная часть работы
изложена на 144 страницах машинописного текста, содержащего 45 рисунков и 28
таблиц, приложения изложены на 14 страницах.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю – к.т.н.,
доценту Вдовину Евгению Анатольевичу за помощь в проведении
экспериментальных и теоретических исследований, д.т.н., профессору Строганову
Виктору Федоровичу и коллективу Института транспортных сооружений КГАСУ
за оказанное содействие при выполнении работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, степень разработанности,
сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна работы, ее
теоретическая и практическая значимость, методология и методы исследований,
степень достоверности и апробация результатов.
В первой главе представлен анализ литературных данных о получении и
применении цементогрунта в дорожном строительстве, опыта его модификации, а
также рассмотрены кремнийорганические соединения и электролиты как добавки,
увеличивающие физико-механические свойства и долговечность строительных
материалов.
Разработке эффективных материалов для конструктивных слоев дорожных
одежд на основе укрепленных грунтов посвящены работы ряда отечественных и
зарубежных ученых – В.М. Безрука, Ю.М. Васильева, Л.В. Гончаровой, В.М.
Кнатько, В.А. Кельмана, В.В. Охотина, П.А. Ребиндера, М.М. Филатова, Ю.В.
Карася, C.W. Correns, C.S. Dunn, J. Hashimoto, J.K. Mitchell, G.H. Hilt, D.T.
Davidson, J.G. Laguros, T.W. Lambe, R.C. Mainfort и др. При этом отмечено, что
одним из наиболее эффективных, экономичных и универсальных методов
считается укрепление цементом, придающим грунтам требуемые физикомеханические свойства.
Известно, что морозостойкость является одним из показателей, влияющих на
качество и долговечность цементогрунта. Однако, как показали исследования,
грунт даже при обработке его портландцементом, значительно теряет свою
прочность уже на первых циклах замораживания-оттаивания. Поэтому рядом
ученых были предприняты попытки модифицировать цементогрунт введением
различных добавок для повышения его прочностных свойств и морозостойкости.
Анализ литературы показал, что для повышения физико-механических
свойств цементогрунта, особенно его прочности, эффективны добавки
электролитов, способные также оказывать прямое воздействие на цемент и
продукты его гидролиза и гидратации. Отдельно можно выделить применение для
модификации строительных материалов, в том числе цементогрунтов,
8
кремнийорганических соединений, фиксирующихся на поверхности материала и
гидрофобизирующих стенки пор и капилляров.
Таким образом, одним из наиболее перспективных направлений в решении
проблемы прочности, морозостойкости и долговечности цементогрунта является
применение добавок кремнийорганических соединений, позволяющих получить
гидрофобные материалы, а также электролитов, придающих цементогрунтам
высокие прочностные показатели. Однако, недостаточно исследовано влияние
добавок кремнийорганических соединений в комплексе с электролитами на
физико-механические свойства, долговечность, особенности структуры
цементогрунта, а также воздействие технологических факторов на его прочность
и морозостойкость.
В связи с этим, применение комплексной добавки на основе
кремнийорганических соединений и электролитов, изучение особенностей ее
влияния на качество, структуру и долговечность цементогрунта является
актуальным и перспективным исследованием в области модификации дорожностроительных материалов.
Во второй главе приведены характеристики применяемых материалов,
описание инструментальной базы и методов исследования.
При проведении экспериментальных исследований в качестве основных
компонентов для получения образцов использовались:
− грунт: суглинок легкий песчанистый;
− вяжущее: портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н;
− кремнийорганические соединения: октилтриэтоксилисилан (ОТЭС),
полиэтилгидросилоксан (ЖГ 136-41), метилсиликонат калия (ГКЖ-11К),
фенилэтоксисилоксан (ФЭС-50), смесь тетраэтоксисилана и силоксанов (Силор);
− электролиты: гидроксид натрия (ГН), карбонат натрия (КН), сульфат
натрия (СН), хлорид кальция (ХК).
При исследовании структуры и свойств цементогрунта применены
стандартные методы испытаний, изложенные в соответствующих ГОСТ, а также
современные методы физико-химического анализа - комплексный термический,
рентгенофазовый анализ и электронная растровая микроскопия. Для оптимизации
состава цементогрунта с комплексной добавкой использовано математическое
планирование эксперимента.
В третьей главе представлены исследования по выбору компонентов
комплексной добавки, повышающей физико-механические свойства получаемого
материала, а также результаты оптимизации состава цементогрунта дорожного
назначения, модифицированного комплексной добавкой, путем реализации
трехфакторного плана эксперимента.
В
качестве
компонента
комплексной
добавки,
повышающего
морозостойкость,
изучены
кремнийорганические
соединения
октилтриэтоксилисилан
(ОТЭС),
полиэтилгидросилоксан
(ЖГ
136-41),
метилсиликонат калия (ГКЖ-11К), фенилэтоксисилоксан (ФЭС-50), смесь
тетраэтоксисилана и силоксанов (Силор). Исследовано их влияние на
оптимальную влажность Wo (%), максимальную плотность ρmax (гр/см3), предел
9
прочности на сжатие Rсж (МПа), предел прочности на растяжение при изгибе Rизг
(МПа) и коэффициент морозостойкости Kмор цементогрунта. Результаты
экспериментов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Влияние оптимальных дозировок кремнийорганических соединений
на показатели стандартного уплотнения и физико-механические свойства
цементогрунта
Показатели
Расход
Содержание добавок,
Физико-механические
стандартного
№ цемента,
% от массы грунта
свойства
уплотнения
п/
% от
п массы
ЖГ
ГКЖ- ФЭСρmax,
Rсж,
Rизг,
Силор Wo, %
Kмор
грунта ОТЭС 136-41 11К
50
гр/см3 МПа МПа
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
8
8
8
8
8
8
10
10
10
10
10
10
12
12
12
12
12
12
0,03
0,03
0,03
-
0,01
0,01
0,01
-
0,05
0,05
0,05
-
0,01
0,01
0,01
-
0,1
0,1
0,1
15,5
13,7
15,2
12,7
15,1
13,8
14,7
13,1
14,4
11,7
14,3
13,1
14,1
12,6
13,8
10,9
13,7
12,1
1,91
1,90
1,90
1,95
1,89
1,91
1,94
1,94
1,93
1,98
1,92
1,94
1,96
1,96
1,94
2,01
1,94
1,96
2,93
3,22
3,13
3,63
3,18
3,48
3,61
3,93
3,81
4,36
3,89
4,17
4,48
4,86
4,73
5,39
4,83
5,15
0,65
0,66
0,65
0,75
0,67
0,72
0,71
0,74
0,74
0,84
0,75
0,82
0,82
0,88
0,88
0,98
0,88
0,92
0,48
0,78
0,70
0,60
0,73
0,67
0,53
0,84
0,76
0,65
0,79
0,73
0,60
0,90
0,84
0,77
0,85
0,81
Установлено, что все изучаемые добавки в большей степени влияют на
повышение морозостойкости цементогрунта, наилучшие показатели достигнуты
при введении добавки ОТЭС. Использование ГКЖ-11К помимо роста
морозостойкости привело и к увеличению прочности. Исходя из наибольшей
эффективности влияния на морозостойкость цементогрунта, для дальнейших
исследований в качестве компонента добавки выбрано кремнийорганическое
соединение ОТЭС.
В качестве второго компонента добавки, повышающего прочность
цементогрунта, изучены добавки электролитов: гидроксид натрия (ГН), карбонат
натрия (КН), сульфат натрия (СН), хлорид кальция (ХК). Применение
электролитов также положительным образом отразилось на физико-механических
свойствах и показателях стандартного уплотнения. Результаты исследований
оптимальной влажности, максимальной плотности и физико-механических
свойств цементогрунта с электролитами приведены в таблице 2.
10
Таблица 2 – Влияние оптимальных дозировок электролитов на показатели
стандартного уплотнения и физико-механические свойства цементогрунта
Расход Содержание добавок,
№ цемента,
% от массы грунта
п/ % от
п массы
грунта ГН КН СН ХК
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
8
8
8
8
8
10
10
10
10
10
12
12
12
12
12
0,1
0,1
0,1
-
0,2
0,2
0,2
-
0,15
0,15
0,15
-
0,2
0,2
0,2
Показатели
стандартного
уплотнения
Wo, %
15,5
13,6
14,0
14,5
15,6
14,7
12,8
13,2
13,7
14,8
14,1
12,2
12,6
13,1
14,2
ρmax,
гр/см3
1,91
1,93
1,92
1,91
1,93
1,94
1,96
1,95
1,94
1,96
1,96
1,98
1,97
1,96
1,98
Физико-механические
свойства
Rсж, МПа Rизг, МПа
2,93
3,84
3,18
3,03
3,46
3,61
4,54
3,88
3,73
4,16
4,48
5,46
4,8
4,65
5,08
0,65
0,84
0,72
0,67
0,81
0,71
0,91
0,79
0,74
0,88
0,82
1,04
0,92
0,87
1,01
Kмор
0,48
0,53
0,51
0,49
0,57
0,53
0,59
0,57
0,55
0,63
0,60
0,68
0,66
0,64
0,72
Выявлено, что все изучаемые добавки электролитов оказывают наибольшее
влияние на прочность цементогрунта. Наилучшие показатели по прочности
достигнуты при введении добавки ГН. Для дальнейших исследований в качестве
компонента добавки повышающей прочность выбран электролит ГН.
На основе анализа теоретических основ повышения прочности и
морозостойкости цементогрунта и экспериментальных данных получена
комплексная добавка, состоящая из кремнийорганического соединения ОТЭС и
электролита ГН. Для выявления особенностей влияния комплексной добавки на
прочность и морозостойкость материала, произведена оптимизация состава
модифицированного цементогрунта с учетом области применения в конструкциях
дорожных одежд.
Оптимизация состава комплексной добавки проведена путем реализации
трехфакторного планового эксперимента второго порядка по методу БоксаУилсона. В качестве исходных независимых переменных определены следующие
факторы: содержание портландцемента ПЦ (8-12 %), кремнийорганического
соединения ОТЭС (0,01-0,05 %), электролита ГН (0,05-0,25 %), от массы грунта. В
качестве отклика выбраны предел прочности на сжатие (Rсж) и растяжение при
изгибе (Rизг), а также коэффициент морозостойкости (Kмор) цементогрунта.
Графическая интерпретация результатов математической модели, отражающей
влияние компонентов комплексной добавки на прочность и морозостойкость
цементогрунта с расходом цемента 10 %, приведена на рисунке 1.
Обработка результатов математического планирования позволила получить
следующие зависимости:
11
Rсж = 2,72425 – 0,17625*Х1 + 4,80*Х2+7,190*Х3 – 0,02925*Х12 – 70,00*Х22 – 17,30*Х32 +
(1)
+ 0,425*Х1*Х2+1,00*Х2*Х3 ,
Rизг = 1,21875 + 0,132*Х1+1,825*Х2+0,885*Х3 + 0,00925*Х12 – 20,00*Х22 – 1,80*Х32 –
(2)
– 0,025*Х1*Х2 – 0,005*Х1*Х3 + 0,50*Х2*Х3 ,
Кмор = 0,18975 + 0,05325*Х1 + 13,275*Х2 + 0,025*Х3 – 0,001*Х12 – 147,50*Х22 + 0,10*Х32 –
(3)
– 0,10*Х1*Х2 + 0,005*Х1*Х3 – 0,50*Х2*Х3 ,
Рисунок 1 – Влияние состава комплексной добавки на предел прочности при
сжатии, растяжении при изгибе и коэффициент морозостойкости цементогрунта
(расход цемента 10 % от массы грунта)
Как следует из уравнений регрессии, с увеличением расхода электролита
наблюдается рост прочности. Увеличение расхода КОС приводит к повышению
прочности и морозостойкости, а затем к их снижению. Понижение показателей
прочности и морозостойкости при превышении оптимальных дозировок, повидимому, объясняется блокирующим действием кремнийорганического
соединения на частицы цемента.
С комплексной добавкой получен цементогрунт марки по прочности М40 и
морозостойкости F15. На основе математического планирования эксперимента
определено, что марка по прочности М40 и максимальный коэффициент
морозостойкости после 15 циклов замораживания-оттаивания с учетом
технологического коэффициента достигнуты при расходе цемента 10 %,
дозировке ОТЭС – 0,03 %, ГН – 0,1 % от массы грунта. Предел прочности на
сжатие цементогрунта составил 4,75 МПа, прочности на растяжение при изгибе –
0,96 МПа, коэффициент морозостойкости после 15 циклов замораживанияоттаивания – 0,86. Данный состав принят для исследования влияния комплексной
добавки на структуру и долговечность цементогрунта, а также на его физикомеханические свойства при изменении технологических факторов.
В четвертой главе приведены результаты исследования влияния
комплексной добавки на структуру и долговечность цементогрунта.
Проведены исследования образцов цементогрунта и гидроксида кальция с
комплексной добавкой и без нее с использованием дифференциальнотермического анализа, результаты которого представлены на рисунке 2.
На кривых ДТА образцов цементогрунта контрольного состава и с
комплексной добавкой отмечен эндоэффект с максимумом при 164 °С, вызванный
удалением слабосвязанной воды из гелеобразной массы цементного камня и
адсорбционной воды из минералов группы смектитов. Очевидно, меньшая потеря
массы модифицированного состава объясняется тем, что при введении
12
комплексной добавки уменьшилась оптимальная влажность грунта, а,
следовательно, и количество связываемой воды. Эндоэффект при температуре
325-425 °С связан с дегидратацией минералов группы смектитов. Разница потери
массы при этом объясняется насыщением комплекса ионами Na+. Эндоэффект с
максимумом 460-470 °С вызван дегидратацией гидроксида кальция. При этом у
образцов с комплексной добавкой наблюдалась меньшая потеря массы,
следовательно, меньшее образование свободного гидроксида кальция.
а)
ДТГ /(%/мин)
ДСК /(мВт/мг)
[1]
экзо
3.0
0.00
ТГ /%
-1.36 %
100
99
2.5
781.5 °C
-1.65 %
-0.05
[1]
98
2.0
-0.10
97
403.7 °C
-0.53 %
96
1.5
-0.15
-0.83 %
95
1.0
-0.20
164.0 °C
94
-2.62 %
84.7 °C
0.5
93
-0.25
-0.28 %
[1]
100
б)
-0.09 %
729.8 °C
462.5 °C
92
200
300
400
500
600
Температура /°C
700
800
0.0
900
ДТГ /(%/мин)
ДСК /(мВт/мг)
[2]
экзо
[2]
ТГ /%
-1.21 %
100
0.00
2.5
99
856.9 °C
-1.52 %
-0.05
929.2 °C
2.0
98
-0.10
97
-0.46 %
1.5
202.3 °C
96
-0.71 %
-0.15
1.0
95
92.5 °C
164.0 °C
-0.20
-2.63 %
94
0.5
463.5 °C
-0.25
93
-0.32 %
730.1 °C
[2]
0.0
92
100
в)
200
ТГ /%
300
400
500
600
Температура /°C
700
800
900
Ca(OH)2 с комплексной добавкой
Ca(OH)2
ДТГ /(%/мин)
396 .3 °C
100
0.0
[1
[2
-0.5
243 .2 °C
95
296 .1 °C
-1.0
-1.5
90
-2.0
85
[2
-2.5
486 .2 °C
-3.0
80
450 .8 °C
100
200
300
Температура /°C
400
[1
500
-3.5
600
Рисунок 2 – Кривые ДТА образцов
а) цементогрунта; б) цементогрунта с комплексной добавкой;
в) Ca(OH)2 с комплексной добавкой и без добавки
13
Полученные результаты объясняются взаимодействием Ca(OH)2 c
кремнийорганической добавкой, что подтверждается исследованием образцов
гидроксида кальция с комплексной добавкой и без нее, а также согласуется с
данными В.Г. Батракова.
На рисунке 3 представлена структура цементогрунта контрольного состава и
с комплексной добавкой, а также каолинита, укрепленного цементом с
комплексной добавкой и без нее.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 3 – Электронно-микроскопические снимки образцов
а) цементогрунта; б) цементогрунта с комплексной добавкой; в) каолинита, укрепленного
цементом ; г) каолинита, укрепленного цементом с комплексной добавкой
Исследованы поверхности внутренних сколов образцов и их
морфологические особенности. Поверхности представляли собой плотную
упаковку из хаотично расположенных удлиненных частиц микронных размеров,
отдельных раковин, пор и изометричных зерен. Текстура поверхности
скрытокристаллическая, пелитоморфная, без тенденции к отслаиванию.
Гранулярный состав однородный, размер частиц не превышал 100 мкм. В образце
цементогрунта с комплексной добавкой наблюдалось меньшее количество
скоагулированных грунтовых агрегатов в сравнении с образцом без добавки, что
привело к образованию более плотной и однородной структуры. Очевидно, это
явилось следствием диспергирующего действия комплексной добавки на грунт, за
счет чего увеличилась доступность поверхности грунта к вносимому цементу и,
следовательно, полнота их взаимодействия. Исследование образцов укрепленного
каолинита подтверждает диспергирующее действие комплексной добавки.
14
Водопоглощение цементогрунта определялось двумя методами. Первая
методика по ГОСТ заключалась в установлении водопоглощения по массе и по
объему, которое использовалось для определения открытой и условно-закрытой
пористости. Вторая методика по международному стандарту RILEM заключалась
в определении водопоглощения под низким давлением («метод трубки»).
Согласно экспериментальным данным, приведенным в таблице 3,
максимальная пористость характерна для цементогрунта контрольного состава
без добавок. Данный цементогрунт обладал более высокой оптимальной
влажностью, что способствовало формированию пористой капиллярной
структуры. При повышенном водопоглощении и содержании капиллярных пор не
достигается высокая морозостойкость цементогрунта. Модифицированному
материалу характерно снижение водопоглощения по массе в 6,7 раз, открытой
капиллярной пористости в 6,6 и открытой некапиллярной в 3,5 раз, а также
увеличение условно-закрытой пористости в 1,8 раз.
Средняя плотность
образцов
Полный объем пор,
%
Водопоглощение по
массе, %
Водопоглощение по
объему, %
Водопоглощение
методом трубки, мл
Краевой угол
смачивания, град
1
Цементогрунт
2,07
23,08
7,39
15,30 15,30 0,14
7,64
0,11
5,0
63
2
Цементогрунт
с комплексной
добавкой
2,09
16,06
1,11
2,32
13,70
0,47
0,1
108
2,32
0,04
Объем условнозакрытых пор
образцов, %
Показатель
микропористости
Наименование
материала
Объем открытых
некапиллярных пор, %
№ состава
Объем открытых
капиллярных пор, %
Таблица 3 – Показатели поровой структуры и водопоглощения цементогрунта
Водопоглощение, мл
Из рисунка 4 следует, что введение комплексной добавки значительно
снизило водопоглощение под низким давлением.
За
6
часов
образцом
5
4,5
цементогрунта
контрольного
4
состава поглощено 5,0 мл воды. За
3,5
это же время цементогрунт с
3
комплексной добавкой поглотил 0,1
2,5
2
мл воды, а через 24 часа после
1,5
начала испытаний этот показатель
1
достиг 0,3 мл.
0,5
Известно,
что
материалы,
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 применяемые
в
конструкциях
Время, ч
дорожных одежд, подвергается
Рисунок 4 – Кинетика водопоглощения
постоянному
воздействию
методом трубки RILEM II.4
противогололедных реагентов при
– – – – – – – цементогрунт
–––––––––– цементогрунт с комплексной добавкой замораживании-оттаивании.
15
Предел прочности на
сжатие, МПа
Коэффициент морозостойкости
Поэтому для изучения влияния комплексной добавки на морозостойкость
средой насыщения и оттаивания выбраны 5 % растворы хлоридов. Результаты
исследования показаны на рисунке 5.
Морозостойкость
0,88
0,86
1
0,83
цементогрунта
с
комплексной
0,8
добавкой при различных средах
0,6
0,53
насыщения и оттаивания меняется
0,45
0,6
незначительно, что объясняется его
0,4
высокой
гидрофобностью.
0,2
Снижение водопоглощения при
введении комплексной добавки
0
вода
5% раствор 5% раствор
привело к росту морозостойкости
NaCl
CaCl₂
цементогрунта.
Это
можно
Среда насыщения/оттаивания
объяснить тем, что электролит в
Цементогрунт с комплексной добавкой Цементогрунт
составе
комплексной
добавки
Рисунок 5 – Коэффициент
морозостойкости цементогрунта после 15 максимально снизил оптимальную
влажность,
и,
следовательно,
циклов замораживания-оттаивания
открытую
пористость,
а кремнийорганическое соединение гидрофобизировало стенки пор и частицы
грунта, одновременно создавая условно-закрытые «резервные» поры,
воспринимающие внутреннее напряжение при образовании льда.
Покрытие автомобильных дорог испытывает динамическое воздействие
различных подвижных нагрузок. Для установления выносливости цементогрунта
под действием подвижных нагрузок определено изменение прочности на сжатие
при суммарном числе приложений расчетной нагрузки 40000, соответствующей 8
годам эксплуатации автомобильной дороги переходного типа. Результаты
испытаний представлены на рисунке 6.
Проведенные исследования показали, что при введении комплексной
добавки в состав цементогрунта снизилось негативное влияние многократного
циклического нагружения на прочность, что увеличило его выносливость.
8
Согласно исследованиям Ю.М.
7,5
Баженова, большей выносливостью
7
0,95
0,93
обладают
материалы,
которые
6,5
0,90 0,87
6
имеют хорошее сцепление между
0,96
5,5
0,90
заполнителем и цементным камнем,
0,86
5
0,79
повышенную
однородность
и
4,5
4
меньшее
количество
дефектов
3,5
структуры.
3
Минералогический
состав
0
10000
20000
30000
40000
Число приложений нагрузки
грунта оказывает значительное
влияние на его физические свойства
Рисунок 6 – Зависимость выносливости
и результат укрепления. Для
цементогрунта от числа приложений
исследования влияния комплексной
нагрузки
– – – – – – – цементогрунт
добавки на основные составляющие
–––––––––– цементогрунт с комплексной добавкой
16
цементогрунта проведены испытания физических свойств, прочностных и
деформативных
характеристик
грунта,
физико-механических
свойств
укрепленных цементом глинистых минералов – монтмориллонита и каолинита,
песчаной и пылевато-глинистой фракции грунта с комплексной добавкой.
Введение комплексной добавки положительным образом отразилось на
физических, прочностных и деформативных характеристиках грунта: предел
пластичности снизился на 17 %, угол внутреннего трения увеличился на 12 %,
удельное сцепление на 18 %, а модуль деформации на 15 %.
Максимально достигаемые результаты по прочности и морозостойкости
каолинита, монтмориллонита, песчаной и пылевато-глинистой фракции грунта,
укрепленных 10 % портландцемента и модифицированных добавкой ОТЭС и ГН,
представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Влияние добавок ОТЭС и ГН на морозостойкость каолинита,
монтмориллонита, песчаной и пылевато-глинистой фракции грунта, укрепленных
10 % портландцемента
№
Наименование компонента
1
2
3
4
5
6
7
8
Каолинит
Каолинит
Монтмориллонит
Монтмориллонит
Песчаные частицы
Песчаные частицы
Пылевато-глинистые частицы
Пылевато-глинистые частицы
Расход
ОТЭС, %
0
0,15
0
0,15
0
0,015
0
0,06
Расход
ГН, %
0
0,2
0
0,2
0
0,05
0
0,1
Прочность на
сжатие, МПа
1,6
3,5
0
3,0
2,0
2,5
5,0
7,0
Марка по
морозостойкости
F10
F5
F10
F15
F5
F10
Введение добавок КОС совместно с электролитами оказало наибольшее
влияние на прочность укрепленных глинистых минералов и пылевато-глинистых
частиц. Значительное повышение морозостойкости наблюдалось также и на
укрепленных цементом песчаных частицах. Согласно полученным данным
установлено, что песчаные частицы в составе естественного грунта обеспечили
материалу морозостойкость, а пылевато-глинистые – прочность. Модификация
таких частиц добавкой ОТЭС и ГН позволила добиться повышения физикомеханических свойств как отдельно песчаной и пылевато-глинистой фракции, так
и их естественной смеси.
В пятой главе приведено исследование влияние технологических факторов
на физико-механические свойства цементогрунта с комплексной добавкой.
В таблице 5 обобщены допустимые отклонения основных технологических
факторов и их влияние на физико-механические свойства цементогрунта (Rсж –
предел прочности на сжатие, МПа, Rизг – предел прочности на растяжение при
изгибе, МПа, Kмор – коэффициент морозостойкости).
Введение комплексной добавки позволило снизить отрицательное влияние
неоднородности смеси и недостаточной степени размельчения грунтовых
агрегатов. При этом максимальное возможное содержание агрегатов крупнее 5 мм
составило 25 %. Требуемый коэффициент уплотнения цементогрунта с
комплексной добавкой должен быть не менее 0,98, а изменение влажности
17
модифицированной смеси возможно в пределах 10 % от оптимальной.
Применение комплексной добавки позволило увеличить длительность
технологического процесса до 2 часов без значительной потери прочности и
морозостойкости.
Таблица 5 – Влияние допустимых отклонений технологических факторов на
физико-механические свойства цементогрунта
Технологические факторы
содержание
продолжикоэффивлажность
влажность
без учета
грунтовых
тельность
циент
смеси (выше смеси (ниже
Показаизменения
агрегатов
технологичесуплотнения оптимальной оптимальной
тели
факторов крупнее 5 мм
кого процесса
(0,98)
на 10%)
на 10%)
(до 25%)
(2 часа)
Rсж
Rизг
Kмор
Д
4,75
0,96
0,86
К
3,61
0,71
0,53
Д
4,18
0,84
0,77
К
3,03
0,58
0,45
Д
4,43
0,85
0,8
К
3,32
0,67
0,51
Д
4,32
0,83
0,79
К
3,62
0,70
0,52
Д
4,55
0,85
0,8
К
3,32
0,62
0,48
Д
4,35
0,83
0,78
К
2,73
0,55
0,46
Д – цементогрунт с комплексной добавкой; К – цементогрунт контрольного состава
В шестой главе описана производственная проверка и техникоэкономическая эффективность применения цементогрунта с комплексной
добавкой.
В целях производственной проверки результатов исследований на
автомобильной дороге подъезд к н.п. Кульбаево-Мараса Нурлатского района
Республики Татарстан построен экспериментальный участок, на котором
покрытие выполнено из цементогрунта, модифицированного комплексной
добавкой.
Физико-механические свойства образцов, отобранных с покрытия
экспериментального участка, соответствуют нормативным требованиям и
заданной марке по прочности М40 и морозостойкости F15.
Экономия сметной стоимости работ по устройству дорожной одежды из
цементогрунта с комплексной добавкой составила 42,3 % в сравнении с
применением традиционных привозных материалов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования:
1. На основе анализа отечественной и зарубежной литературы и
экспериментальной проверки выбраны наиболее эффективные составляющие
комплексной добавки и произведена оптимизация состава модифицированного
цементогрунта с учетом области применения в конструкциях дорожных одежд.
Оптимальный состав цементогрунта с комплексной добавкой: грунт – 100 %,
портландцемент – 10 % от массы грунта, октилтриэтоксисилан – 0,03 % от массы
грунта и гидроксид натрия – 0,1 % от массы грунта;
18
2. Введение комплексной добавки в состав цементогрунта позволило
повысить прочность на сжатие на 31,6 %, прочности на растяжении при изгибе на
35,2 %, морозостойкости на 62,3 %.
3. Повышение прочности и морозостойкости материала при введении
комплексной добавки обеспечивается за счет формирования плотной и
однородной структуры, характеризующейся пониженной с 15,3 % до 2,3 %
капиллярной и увеличенной с 7,6 % до 13,7 % условно-закрытой пористостью, а
также высокой гидрофобностью, обусловленной пониженным с 7,4 % до 1,1 %
водопоглощением по массе и с 5,0 мл до 0,1 мл водопоглощением под низким
давлением.
4. Выявлено, что комплексная добавка способствует увеличению
доступности поверхности грунта к вносимому цементу за счет диспергации
грунтовых частиц, что приводит к образованию более плотной и однородной
структуры. Введение комплексной добавки в состав цементогрунта уменьшает
количество адсорбционной воды, связанной с глинистыми минералами, что
придает материалу большую морозостойкость. Кроме того, рост физикомеханических свойств цементогрунта с комплексной добавкой объясняется также
меньшим образованием гидроксида кальция вследствие взаимодействия его c
кремнийорганическим соединением.
5. Установлено, что введение комплексной добавки способствует
увеличению
долговечности
цементогрунта.
Так,
морозостойкость
цементогрунтовых образцов, модифицированных комплексной добавкой достигла
марки F15, при этом коэффициент морозостойкости повысился с 0,45-0,60 до
0,83-0,88 в зависимости от среды насыщения и оттаивания. Также введение
комплексной добавки в состав цементогрунта привело к снижению негативного
влияния многократного циклического нагружения на прочность при сжатии
с 21 % до 13 %, что увеличило его выносливость.
6. Изучено влияние комплексной добавки на физико-механические
свойства песчаной и пылевато-глинистой составляющей, а также глинистых
минералов цементогрунта. В исследуемом диапазоне дозировок применение
комплекса добавок привело к приросту прочности укрепленного каолинита более
чем в 2 раза, а укрепленный монтмориллонит приобрел прочность близкую к
прочности укрепленного каолинита. Прочность укрепленных песчаных и
пылевато-глинистых частиц увеличилась в 1,3 и 1,5 раз соответственно. Введение
оптимальных дозировок ОТЭС и ГН в состав укрепленного каолинита привело к
увеличению марки по морозостойкости с 0 до F10, монтмориллонита – с 0 до F5,
песчаных частиц – с F10 до F15 и пылевато-глинистых – c F5 до F10.
7. Исследованы технологические показатели приготовления смесей и
устройства слоев дорожных одежд из модифицированных цементогрунтов.
Установлено, что при приготовлении модифицированной смеси наибольшую
эффективность показали способы увлажнения грунта до и после введения
вяжущего, в сравнении с использованием водоцементной суспензии. Введение
комплексной добавки позволило снизить отрицательное влияние неоднородности
смеси и недостаточной степени размельчения грунтовых агрегатов. Требуемый
19
коэффициент уплотнения цементогрунта с комплексной добавкой должен быть не
менее 0,98, а изменение влажности модифицированной смеси возможно в
пределах 10 % от оптимальной. Применение комплексной добавки позволяет
увеличить длительность технологического процесса до 2 часов без значительной
потери прочности и морозостойкости. Цементогрунт с комплексной добавкой
приобрел большую прочность и морозостойкость в ранние сроки твердения в
сравнении с цементогрунтом контрольного состава.
8. Проведена производственная проверка результатов исследований при
строительстве участка автомобильной дороги. Установлено, что физикомеханические свойства образцов цементогрунта с комплексной добавкой,
отобранных из конструкции дорожной одежды соответствуют проектным
данным, нормативным требованиям и области применения. Определено, что
экономия сметной стоимости строительно-монтажных работ по устройству
дорожной одежды с применением модифицированного цементогрунта составила
42,3 % в сравнении с применением привозных материалов.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы
Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы
могут
быть
рекомендованы
для
внедрения
дорожно-строительными
предприятиями при строительстве и ремонте автомобильных дорог, а также в
учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров направлений
«Строительство».
Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в направлении:
– расширения спектра используемых компонентов комплексной добавки,
обеспечивающих повышение строительно-технических и экономических
показателей:
ПАВ,
микроармирующие
компоненты,
активированные
наполнители.
– изучения влияния различных ПАВ, микроармирующих компонентов,
активированных наполнителей, а также комплексных добавок на их основе на
физико-механические свойства и долговечность цементогрунта, а также его
песчаных, пылеватых, глинистых составляющих.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
1. Вдовин, Е.А. Повышение качества укрепленных грунтов введением
гидрофобизирующих добавок / Е.А. Вдовин, Л.Ф. Мавлиев // Известия
КазГАСУ. – 2012. – № 4 (22). – С. 373-377.
2. Вдовин, Е.А. Пути повышения эффективности укрепления грунтов
для строительства дорожных одежд / Е.А. Вдовин, В.Ф. Строганов, Л.Ф.
Мавлиев // Вестник СибАДИ. – 2013. – № 1 (29). – С. 52-58.
3. Вдовин,
Е.А.
Исследование
влияния
гидрофобизирующих
кремнийорганических соединений на физико-механические свойства грунтов,
укрепленных цементом / Е.А. Вдовин, В.Ф. Строганов, Л.Ф. Мавлиев //
20
Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов: Материалы
международ. науч.-практ. конф. – Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. – С. 363-366.
4. Вдовин,
Е.А.
Опытно-промышленная
проверка
работы
цементогрунтового слоя в конструкции дорожной одежды / Е.А. Вдовин, Л.Ф.
Мавлиев // Механика разрушения строительных материалов и конструкций:
Материалы VIII Академических чтений РААСН. – Казань: КГАСУ, 2014. –
С. 54-58.
5. Мирсаяпов, И.Т. Исследование выносливости цементогрунта дорожного
назначения при циклическом нагружении / И.Т. Мирсаяпов, Е.А. Вдовин,
Л.Ф. Мавлиев, П.Е. Буланов // Перспективные направления развития теории и
практики в реологии и механике грунтов: Материалы XIV Международ.
симпозиума по реологии грунтов. – Казань: КГАСУ, 2014. – С. 126-129.
6. Вдовин, Е.А. Исследование долговечности модифицированного
цементогрунта дорожного назначения / Е.А. Вдовин, Л.Ф. Мавлиев //
Промышленное и гражданское строительство. – 2014. – № 11. – С. 76-79.
7. Гильфанов, Р.М. Оптимизация состава цементогрунта с комплексной
добавкой на основе кремнийорганических соединений / Р.М. Гильфанов, Е.А.
Вдовин, Л.Ф. Мавлиев // Известия КазГАСУ. – 2014. – № 4 (30). – С. 262-267.
8. Вдовин, Е.А. Исследование влияния кремнийорганических
соединений на показатели стандартного уплотнения и физико-механические
свойства цементогрунта / Е.А. Вдовин, В.Ф. Строганов, Л.Ф. Мавлиев,
П.Е. Буланов // Известия КазГАСУ. – 2014. – № 4 (30). – С. 255-261.
9. Вдовин, Е.А. Взаимодействие комплексной добавки на основе
октилтриэтоксисилана и гидроксида натрия с основными компонентами
грунта дорожного назначения / Е.А. Вдовин, Л.Ф. Мавлиев, П.Е. Буланов //
Известия КГАСУ. – 2015. – № 1 (31). – С. 165-170.
10. Патент №138502 Российская Федерация, U1 Е01С 21/00 Конструкция
дорожной одежды / Е.А. Вдовин, Л.Ф. Мавлиев, П.Е. Буланов; опубл.
20.03.2014, Бюл. №8.
11. Патент №2519283 Российская Федерация, С1 Е01С 21/00 Грунтовая
смесь для дорожного строительства / Е.А. Вдовин, Л.Ф. Мавлиев,
А.Н. Шайхутдинов; опубл. 10.06.2014, Бюл. №16.
12. Патент №2545228 Российская Федерация, С1 Е01С 21/00 Грунтовая
смесь для дорожного строительства (Варианты) / Е.А. Вдовин, Л.Ф. Мавлиев,
В.Ф. Строганов, П.Е. Буланов; опубл. 27.03.2015, Бюл. №9.
Подписано в печать «__»_________2015 г.
Формат 60х84/16
Печать RISO
Объем 1,0 п.л.
Заказ №
Тираж 100 экз.
______________________________________________________________________
Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ
420043, Казань, ул. Зеленая, 1
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 040 Кб
Теги
207601
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа