close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102979

код для вставкиСкачать
Ч Е Р Н Ы Ш Е В Алексей Юрьевич
ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИЕ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЕ
С М Е С И Д Л Я У К Р Е П Л Е Н И Я Щ Е Б Е Н О Ч Н Ы Х ОСНОВАНИЙ
АВТОМОБИЛЬНЬЕЧ: ДОРОГ
05.23.05 - Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание >'ченой степени
кандидата технических наук
Белгород-2005
Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом
университете (БГТУ) им. В. Г. Шухова
Научный
руководитель
доктор технических наук,
профессор
Лесовик Валерий
Станиславович
Официальные
оппоненты
- доктор технических наук,
профессор
- Чистов Юрий Дмшриевич
кандидат технических наук,
доцент
Клименко ВасЕпий Григорьевич
Ведущая
организация
- НИИ Мосстрой
Защита состоится 22 декабря 200Sгодав 14 час. 30 мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.014. в Белгородскомгосударственномтехнологическом
университете (БГТУ) им. В. Г. Шухова по а^есу: 308012,
г. Белгород, ул. Костюкова, 46. в ауд. 242 главного корпуса
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГТУ.
Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, просим направлять по
адресу. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ, отдел аспирантуры.
Автореферат разослан 22 ноября 2005 г.
Ученый се1фетарь
диссертационного Совета
докт. техн. наук, доцент
Г. А. Смоляго
гзз^'
3
Актуальность. При строительстве и ремонте автомобильных
дорог, особенно в условиях чрезвычайных снпгуаций, необходимо
применять ускоренные технологии. В настоящее время для устрой­
ства оснований дорог используются гравийные и щебеночные сме­
си, требующие значительного времени для фиксации и уплотнения,
что удлиняет сроки их строительства. Для сокращения сроков
строительства высокоэффективным может быть укрепление осно­
ваний дорог быстротвердеющими смесями. В качестве вяжущего
для таких смесей необходимо применять быстротвердеющие вя­
жущие, например водостойкие гипсовые, получаемые с примене­
нием техногенного сырья, в частности, отходов мокрой магнитной
сепарации железистых кварцитов (ММС). Бетоны и растворы на
этих вяжущих по своим свойствам сопоставимы с низкомарочными
бетонами на основе портландцемента, но превосходят их по скоро­
сти схватывания и твердения и обладают возможностью их регули­
рования в широких пределах. Кроме того, бетоны на водостойких
гипсовых вяжущих обладают малой энергоемкостью и простой
технологией. Исследования водостойких гипсовых вяжущих и бе­
тонов на их основе для использования в дорожном строительстве
ранее не проводились.
Диссертационная работа выполнялась в рамках тематического
плана по заданию Министерства образования в рамках единого за­
каз-наряда, шифр 1.3.04. и в соответствии с программой «Развитие
дорожной сети в сельскохозяйственных населенных пунктах облас­
ти и их благоустройство на 1999-2005г.г.». (Постановления главы
администрации Белгородской области от 23 сентября 1998 года №
494).
Цель работы. Разработка быстротвердеющих смесей для ук­
репления щебеночных оснований дорог, способствующих ускоре­
нию строительства, в том числе в условиях чрезвычайных ситуа­
ций, путем применения высокопроникающих быстротвердеющих
смесей на основе водостойкого гипсового вяжущего.
Задачи исследования:
-обоснование основных положений получения высокопрони­
кающих быстротвердеющих смесей на основе водостойкого
гипсового вяжзтцего для укрепления щебеночных оснований;
-исследование влияния добавок кремнеземсодержащих отходов
промышленности (ММС) на свойства затвердевшей смеси;
РОС НАЦИОНАЛЬНА
БИБЛИОТЕКА
i^^M ^
4
-разработка нормативной документации для реализации
экспериментальных исследований в промышленных условиях;
-апробация результатов исследований в промышленных усло­
виях и расчет экономической эффективности разработанных бетенных смесей.
Научная новизна. Предложены прин1щпы получения высо­
копроникающих быстротвердеющих смесей на основе концепции
создания композиционных водостойких гипсовых вяжущих моди­
фицированием гипсового вяжущего органо-минеральным модифи­
катором, получаемым совместной механо-химической активацией
портландцемента, кремнеземсодержащих и химических добавок.
Выявлены оптимальные параметры механо-химической ак­
тивации компонентов композиционных вяжущих на основе гипсо­
вого вяжущего, портландцемента и отходов М М С для оптимизации
гранулометрического состава частиц вяжущего с повышенным со­
держанием мелких фракций, обеспечивающих интенсификацию
твердения высокопроникающих смесей на его основе.
Установлено, что период проникающей способности разра­
ботанных смесей соответствует индукционному периоду структурообразования в системе вяжущее-вода и характеризуется преобла­
данием квазиобратных по прочности коагуляционных контактов,
при которых механические воздействия на тесто не снижают проч­
ности затвердевшего вяжущего.
Установлено влияние комплексной химической добавки, со­
стоящей из суперпластификатора и замедлителя сроков схватыва­
ния на длительность индукционного периода существования коагуляционной структуры.
Установлены оптимальные составы высокопроникающих
быстротвердеющих смесей для укрепления щебеночных оснований
автомобильных дорог.
Практическое значение работы.
Разработана технология получения и состав быстротвердею­
щих высокопроникающих смесей для строительства укрепленных
оснований автомобильных дорог, заключающаяся в получении
тонкомолотых смесей из гипсового вяжущего, портландцемента,
отходов М М С железистых кварцитов и суперпластификатора.
Предложена технология устройства оснований автомобиль­
ных дорог III-IV категории с использованием высокопроникающих
быстротвердеющих смесей (ВБС).
5
Получены высокопроникающие быстротвердеюище смеси на
основе водостойкого гипсового вяжущего (ВГВ), позволяющие по­
лучать укрепленные основания с прочностью на сжатие 3... 7 МПа
и морозостойкостью до 50 циклов.
Внедрение результатов исследований Проведены опытные
испытания высокопроникающих быстротвердеющих смесей на
водостойких гипсовых вяжущих при устройстве укрепленных ос­
нований экспериментальных участков автомобильных дорог в
х.Игнатово Алексеевского района, г.Строитель и в п.Веселая Лопань Белгородской области общей протяженностью 4,5 км, кото­
рые подтвердили эффективность данной технологии.
Теоретические и практические положения по созданию высокопроникаю1Щ1х быстротвердеющих смесей для укрепления щебе­
ночных оснований автомобильных дорог используются в учебном
процессе в БГТУ им. В.Г.Шухова при чтении лекций, выполнении
курсовых и дипломньпс проектов при обз^ении студентов по спе­
циальности 290600 «Производство строительных материалов, изде­
лий и конструидай»
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы представлены на: Международном студенческом форуме:
«Образование. Наука, Производство» (г.Белгород,2002); Междуна­
родной научно-практической конференции «Рациональные энерго­
сберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и
коммунальном хозяйстве» (г.Белгород, 2002); 11 Международном
студенческом форуме «Образование. Наука. Производство»
(г.Белгород,2004); Международной научно-практической конфе­
ренции «Современные технологии в промышленности строитель­
ных материалов и стройиндустрии» (г.Белгород, 2005)..
Публикации. По результатам работы опубликовано 6 научных
работ.
Объем и структура работы:
Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка лите­
ратуры и приложений. Работа изложена на 209 страницах машино­
писного текста, включающего 33 таблицы, 45 рисунков и фотогра­
фий, списка литературы из 131 наименования, 6 приложений.
На защиту выносятся;
- результаты получения высокопроникающих быстротвер­
деющих смесей на основе гипсового вяжущего и органоминерального модификатора, получаемого совместной механо-
6
химической активацией портландцемента, кремнеземсодержащеи и
химической добавок;
- результаты исследований дисперсности водостойкого гип­
сового вяжущего для высокопроникающих быстротвердеющих
смесей;
- результаты исследований реологических свойств высоко­
проникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойких
гипсовых вяжущих;
- результаты исследования процессов структурообразования
водостойких гипсовых вяжущих на основе отходов М М С ;
- результаты исследования свойств оптимальных составов
ВБС на В Г В и бетонов на их основе;
- технология устройства оснований автомобильных дорог
Ш-ГУ категории с использованием высокопроникающих быстрот­
вердеющих смесей на водостойких гипсовых вяжущих;
- результаты внедрения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Принципиально новым решением проблемы сокращения
сроков строительства автомобильных дорог является применение
для укрепления конструкций дорожных одежд эффективных быст­
ротвердеющих бетонных смесей на основе композиционных вяжу­
щих, получаемых из гипсового вяжущего, портландцемента и от­
ходов ММС. Анализ литературных данных показал, что в основа­
ниях под асфальтобетонные и цементобетонные покрытия тради­
ционно используются щебеночные материалы толщиной 28-42 см.
Такие констр)асции отличаются значительной материалоемкостью,
что в условиях сложившейся ценовой политики приводит к высо­
кой себестоимости дорожного строительства.
Укрепление щебеночных оснований высокопроникающими
быстротвердеющими смесями на В Г В с использованием отходов
М М С железистых кварцитов позволит снизить расход дорого­
стоящего щебня, вследствие чего снизятся транспортные затраты
при строительстве, материалоемкость дорожных одежд, а также
улучшить экологическую обстановку благодаря утилизации техно­
генного сырья - отходов ММС, сотни миллионов тонн которых
скопились в хвостохранилищах горнообогатительных комбинатов
КМА.
О возможности использования отходов К М А в дорожном
строительстве отмечается в работах М.И.Волкова, Н.И.Зощука,
7
И.М.Грушко,
А.М.Гридчина,
И.В.Королева,
В.С.Лесовика,
Ш.М.Рахимбаева, И.А.Рыбьева, В.В.Строковой, В.И.Шухова,
В.В.Ддыкиной Г.С.Духовного, А.И.Морозова и др.
О возможности у1фепления оснований дорог смесями на во­
достойких гипсовых вяжущих веществах отмечается в работах
Ю.М.Баженова, А.В.Ферронской, В.Ф.Коровякова. Но эти вяжу­
щие до настоящего
времени в дорожном строительстве не при­
менялись. Это обусловлено рядом причин, главными из которых
являются отсутствие в ряде регионов страны активных минераль­
ных добавок (АМД), необходимых для приготовления В Г В , недос­
таточная водостойкость и морозостойкость бетонов. Все это значи­
тельно сдерживает их применение в строительстве, в том числе до­
рожном.
Как показали А.В.Ферронская и В.Ф.Коровяков, значитель­
ного повышения эффективности В Г В можно достичь получением
композиционного гипсового вяжущего путем смешивания в опти­
мальных соотношениях исходных гипсовых вяжущих с органоминеральным модификатором (ОММ), получаемым совместной
механо-химической активацией портландцемента, кремнеземистых
и химических добавок, в процессе твердения которых образуются
стабильные, водонерастворимые, гидратные новообразования, ко­
торые обеспечивают высокие показатели свойств в начальный и
последующий период твердения вяжущего.
В качестве сырьевых материалов в работе использовали: гип­
совое вяжущее марки Г-5Б П Астраханского гипсового комбината;
трепел Брянского месторождения, активностью 248 мг/г; отходы
М М С железистых кварцитов (Лебединский ГОК); портландцемент
Ц Е М 1 (ПЦ 500 ДО) (ЗАО «Белгородский цемент»); песок Нижнеольшанского месторождения с модулем крупности 1,1; химические
добавки: цитратный фильтрат (ЦФ), суперпластификаторы С-3 и
СБ-3.
В данной работе было предложено использовать в качестве
активной кремнеземистой добавки в гипсоцементных композициях
отходы
мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов
(ММС), представляющие собой тонкозернистый техногенный пе­
сок (модуль крупности меньше 1), содержащий более 70% кварца.
Это отходы, представленные диагенетически измененным высоко­
реакционным кварцем (халцедоновая разновидность слабоупорядоченного кварца). Запасы такого песка в отвалах КМА составляют
8
сотни миллионов тонн, в которых «законсервирована» энергия, за­
траченная на горнодобывающие работы, на дробление и помол, а
также химическая пуццолановая гидратационная энергия.
Основной функцией активных минеральных добавок является
снижение концентрации гидроксида кальция в твердеющей систе­
ме. Количество добавки ММС в В Г В зависит от содержания в ней
аморфного Si02 и АЬОз. Химический состав отходов М М С пред­
ставлен в табл.1.
Таблица 1
Химический состав отходов ММС
Ferf,
SiOj
AljOj
FejOa
FeO
CaO
MgO
S
P
CO2
10,2
77,72
0,57
6,38
7,12
1.48
2,26
0,128
0,023
3,63
Для оценки свойств отходов М М С определялась их актив­
ность, под которой понимается способность содержащихся кислот­
ных оксидов вступать в химическую реакцию с гидроксидом каль­
ция. Полученные результаты представлены в табл.2. Установлено,
что исследуемые отходы ММС имеют хорошую активность, кото­
рая в возрасте 30 суток составила 125,08 мг/г, как известно добавки
с активностью менее 100 мг/г применяются как наполнители. Дол­
говечность гипсоцементно-кремнеземистых систем зависит в боль­
шой степени от правильного соотношения между количеством
кремнеземистых добавок (КД) и портландцемента.
Таблица 2
Определение свойств минеральных добавок
№
п/п
Добавка
1
Трепел
2
3
Отходы М М С
Транш-
Количество СаО в мг, поглощен­
ное 1г добавки через:
2е суток
30 суток
10,39
247,99
4,6
4,21
125,08
70,76
Объем осад­
ка, см^
21,36
5,59
5,09
Чем выше активность КД по поглощению гидроксида каль­
ция, тем меньше требуется ее в вяжущем для поддержания необхо­
димой концентрации по ТУ 21-31-62-89
Гипсоцементнопуццолановое вяжущее. Интенсивная механическая обработка по­
вышает химическую активность кремнеземистой добавки.
Для установления влияния дисперсности и соотношения ком­
понентов в В Г В на свойства и структуру твердеющей композиции
вяжущего с водой изучали влияние тонкости помола кремнеземи­
стой добавки из отходов ММС на основные физико-механические
свойства вяжущего. Помол производили в лабораторной шаровой
мельнице. Тонкость помола определяли с помощью прибора ПМЦ500, согласно ГОСТ 310.2-81, работающего по принципу воздухо­
проницаемости слоя уплотненного материала. Вяжущие готовили
тщательным перемешиванием всех компонентов, совмещенным с
кратковременным помолом в течение 1 минут.
В результате проведенных исследований установлено, что
отходы М М С довольно легко поддаются тонкому измельчению до
удельной поверхности 4500... 6000 см^г (60... 90 мин), при которой
они могут обеспечить снижение концентрации гидроксида кальция
до регламентированных пределов (в соответствии с ТУ 21-31-62-89
-Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее) - рис.1. Об эффективно­
сти действия тонкомолотой кремнеземистой добавки свидетельст­
вует снижение концентрации оксида кальция в растворе через 5
суток до 0,73...0,91 г/л, а на 7-е сутки - 0,64..0,82 г/л, что харак­
терно для составов, содержащих достаточное количество природ­
ных активных минеральных добавок.
ММС1800
5суг
ММС 1800
7сут
ММС 6000
5сут
ММС 6000
7сут
1:0,2
1:0,5
1:1
1:1,5
ПЦ:ММС
1:2,5
Рис.1. Изменение концентрации СаО в водной суспензии
ВГВ при введении отходов ММС
Способность связывать гидроксид кальция в присутствии во­
ды при обычных температурах обусловлена содержанием в отходах
М М С нескольких генераций кварца, беспорядочно распределенно­
го по всей массе отходов. В процессе измельчения КД еще более
снижается их степень упорядоченности и плотность, возрастая от
поверхности вглубь зерен. Это связано с образованием при из­
мельчении на поверхности зерен кварца нарушенного микрослоя,
содержащего в очень ограниченных количествах и аморфный ЗЮг.
В свою очередь, механическая дестр5лкция способствует сущест-
10
венному увеличению количества активных центров в единице объ­
ема материала. Учитывая полученные данные, рекомендл'ется
применять следующие составы быстротвердеющих В Г В (% по мас­
се): гипсовое вяжущее 50-70, портландцемент 10-20, кремнеземи­
стая добавка из отходов М М С 10-30. Составы В Г В и результаты
исследования их основных свойств приведены в табл.3.
Таблищ 3.
Влияние удельной поверхности КД из отходов ММС на
свойства ВГВ (В/В„=0,5)
к
п
/
п
Состав вяжущего,
%
Г
ц
ММС
70
15
15
1
2
3
Уде
л.
по­
верх
см'/г
Под
виж
мм
Сроки
схватывания,
мин., сек
Прочность при
МПа, через
7
суг.
175
Ко­
нец
1200
2ч
6000
Нача
ло
9-00"
5,5
4500
180
900'
12-00
5,3
3000
190
9'30"
12'30
5,1
сжатии.
Крвм
28
сут.
су­
хие
12,7
15,8
20,6
0,76
12.6
16,0
22
0,74
12,2
15,5
21,5
0,71
Особый интерес представляют исследования по определению
гранулометрического состава компонентов В Г В (рис.2). Анализ
гранулометрии составляющих компонентов В Г В осуществляли на
лазерном анализаторе частиц «Микросайзер 201С». Нарис.2 при­
ведены кривые зернового состава отходов ММС различной тонко­
сти помола, гипса, портландцемента и композиционного вяжущего.
В целом помол отходов ММС можно разделить на несколько
этапов. На первом этапе (помол от 1000 см7г до 3000 см^/г) проис­
ходит разр5тпение полиминеральных агрегатов с накоплением ба­
зовых частиц - механически более прочных, имеющих
приблизительно одинаковые размеры (в нашем случае это фракция
40...60 мкм) и мелких - более мягких частиц, находившихся между
базовыми, хорошо размалываемых, приводящих к накоплению
тонких фракций (в нашем случае фракции менее 15 мкм.).
На втором этапе, при дальнейшем измельчении до 4500 см^г,
происходит максимальное накопление близких по размеру базовых
частиц, сопровождающееся некоторым приростом мелких фракций,
дальнейший помол которых уже сдерживается вторичным агреги­
рованием.
На третьем этапе, при помоле до 6000 см^/г происходит из­
мельчение фракции, сложенной базовыми частицами, что сопрово-
11
^ ,* «^
^
^
.^^ 4- ■^ ^^
PMMtp 410114. мм
Рис.2 Кривые распределения частиц по размерам Белгородского порт­
ландцемента ПЦ 500 ДО, отходов ММС и ВГВ.
издается интенсивным накоплением мелкой фракхщи (менее 15
мкм).Если предположить, что базовые частицы, в основном, пред­
ставляют собой частицы кварца, то существенное повышение ак­
тивности отходов ММС по поглощению извести происходит при
их измельчении тоньше 4500...5000 см^/г, что подтверждается экс­
периментами по поглощению СаО. Однако, такое увеличение со­
держания тонких фракций при помоле до 6000 см^/г, должно сопровоиедаться повышением водопотребности как самой добавки,
так и В Г В , и некоторым снижением прочности, что так же под­
тверждается экспериментально. Поэтому, считаем целесообразным
измельчение отходов М М С до удельной поверхности 4500...5000
см^/г. Зерновой состав В Г В является более равномерным, чем от­
дельных составляющих его компонентов и характеризуется в 3...4
раза более высоким, по сравнению с портландцементом, содержа­
нием мелких фракций, привносимых гипсом. Это объясняет повы­
шенную водопотребность вяжущего.
Поскольку В Г В с оптимальными свойствами должны содер­
жать диспергируююцие добавки, нами были применены поверхно­
стно-активные вещества, снижающие водопотребность вяжущего и
способные диспергировать частицы твердой фазы, образуя на них
сольватные оболочки - суперпластификаторы С-3 и СБ-3. Для регу­
лирования сроков схватывания вяжущего использовали жидкие
отходы производства лимонной кислоты - нитратный фильтрат
(ЦФ). Пластифицирующий эффект ПАВ устанавливали по коней-
12
стенции паст при постоянном водовяжущем отношении. Добавки
вводились совместно с водой затворения (табл.4.)
Таблица 4
Влияние химических добавок на свойства ВГВ (В/В^=0,45)
№ Вид
п
/
добав­
ки
п
1
1
2
Без
добав­
ки
2
СБ-3
3
4
С-3
Цитратный
Фильт­
рат
(ЦФ)
5
б
СБ-3
(0,5%)
+ЦФ
(1,5%)
С-3
(0,5%)
+ЦФ
(1,5%)
Содержа­
ние добав­
ки, % мас­
сы вяжущ,
в расходе
на
сух.
вещ-во
3
Расплыв,
мм
Сроки схва-плвания, мин., сек.
качало
конец
Прочность при сжатии, МПа,
через
7
2 ч.
28
сух.
суг.
сут.
4
ПО
180*
5
Г4"
8'30"
6
9-4'
1Г30"
7
4,9
3,2
8
18.0
13,6
9
20.0
13.6
10
21.1
13,8
0,1
145
930"
12'00"
5,4
21,0
21,7
22,0
0,3
0,5
0,1
0,3
0,5
0,3
0,6
0,9
1,5
200
220
150
195
220
120
120
120
120
180025'00"
830"
8'30"
8-00"
ЮЗО"
15'30"
20'00"
2900'
22'2"
28'30"
1Г30"
1Г00"
1100"
15-30"
20'00"
25*00"
Зб'ОО"
3,75
2,9
5,5
5,1
4,9
5,5
4,5
4,25
3,85
19,2
17,5
22,0
21,5
19,0
17,0
16,0
14,2
11,5
20,0
18,0
23,3
22,0
20,5
17,2
16,9
14,5
13,2
21,5
19,8
23,8
23,0
21,8
17,8
17,5
15,0
13,75
180
53'00"
72"00"
4,25
9,0
11,5
12,25
180
44'30"
5700"
3,75
10,5
12,3
13,5
*ВЖя,=0,52
Анализ полученных результатов показал, что добавка С-3 в
дозировках 0,1-0,5 % практически не оказывает влияния на сроки
схватывания вяжущего, но значительно повышает прочность об­
разцов как в начальные сроки твердения, так и высущенных до по­
стоянной массы образцов. Добавка СБ-3 в количестве 0,1-0,5 % по­
зволяет регулировать в широких пределах сроки схватывания вя­
жущего (от 9,5 до 28,5 мин.) практически без снижения прочности
во все сроки твердения. Добавка ЦФ (цитратный фильтрат) не эф­
фективна как пластифицирующая, но она позволяет регулировать
сроки схватывания вяжущего. Введение ее в количестве 1,5% отда­
ляет начало схватывания до 36 мин. Значительное замедление сро-
13
ков схватывания приводит к снижению про»гаости образцов во все
сроки твердения. Применение комплексных добавок (С-З+Цф; СБ3+ЦФ) позволяет в широких пределах регулировать сроки схваты­
вания (от 44 до 72 мин.) и скорость твердения В Г В . Учитывая по­
лученные данные, рекомендуется применять следующие соста­
вы быстротвердеющих композиционных вяжущих (% по мас­
се): гипсовое вяжущее 50-70, портландцемент 10-20, кремнеземи­
стая добавка из отходов ММС 10-30.
При использовании высокопроникающих смесей для укреп­
ления дорожных оснований возникает вопрос определения их про­
никающей способности во времени, которая напрямую зависит от
степени их подвижности. Этот период называется «жизнеспособ­
ностью» системы вяжущее -вода и совпадает во времени с индук­
ционным периодом структурообразования.. В этот период на тесто
из В Г В возможны механические воздействия, которые не приводят
к понижению прочности затвердевшего камня.
В работе проводились исследова^гая реологических парамет­
ров дисперсных структур на тесте, приготовленном из В Г В при по­
стоянном В/Вяж отношении, на ротационном вискозиметре с коак­
сиальными цилиндрами Реотест-2 с помощью метода математиче­
ского планирования эксперимента. В качестве критериев оценки
эффективности всей технологии были приняты подвижность полу­
ченного вяжз^цего, время начала схватывания, прочность в разные
сроки твердения, условно-статический и условно-динамический
пределы текучести, вязкость.
В результате экспериментов были получены математические
выражения, связывающие основные свойства В Г В с принятыми
переменными факторами.
Как уже указывалось ранее, эффективным является получе­
ние О М М совместным помолом портландцемента, кремнеземистой
добавки (отходов ММС) и суперпластификатора, что способствует
достижению оптимальной тонкоти помола и зернового состава,
обеспечивающих высокую степень гидратации клинкерной части и
повышенную активность кремнезема, что в определенной степени
позволяет управлять процессом образования эттрингита. При на­
значении составов В Г В минимально необходимое содержание
О М М определяли из соображений максимального заполнения им
пустот в затвердевшем гипсовом камне. Для этого вычисляли по­
ристость, зная среднюю и истинную плотности затвердевшего вя-
14
жущего. По расчету эта пористость может колебаться в пределах
37...42 % в зависимости от водосодержания. № уравнения абсо­
лютных объемов абсолютный объем О М М равен 16...24 % для
теста из В Г В и воды. Количество О М М принято в пределах 20...30
% , а для сравнения до 50 % .
В качестве переменных факторов приняты: X i - содержание
О М М (цемент + ММС), % массы вяжущего; Хг - отношение коли­
чества отходов ММС к содержанию цемента в О М М (ММС/Ц); Хз
- содержание СБ-3, % массы В Г В ; Х4-удельная поверхность отхо­
дов ММС Уровни варьирования независимых переменных пред­
ставлены в табл.5.
Таблица 5.
Значение зфовней переменных факторов
-1
0
1
Интервал
варьиро­
вания
Уровни варьирования
Факторы
варьирования
Цемент + отходы М М С , %
X,
20
35
50
15
Отходы М М С /Ц
Хг
0,5
2Д5
4
1,75
Добавка СБ-3, %
Хз
0,3
0,65
1.0
0,35
Уд. поверхность, см'/г
Х4
3000
4500
6000
1500
Математической обработкой экспериментальных данных,
программой, написанной в среде Microsoft Excell получены уравне­
ния регрессии, которые позволяют провести графический анализ
влияния факторов варьирования на реологические и физикомеханические свойства
Анализ номограмм, иллюстрирующих влияние факторов
варьирования на условно-динамический предел текучести показал,
что наблюдаются четкие области минимальных значений этих па­
раметров. Так, минимальные значения величины Рк] наблюдаются
при соотношении ММС/Ц от 1,5 до 2,0 при содержании добавки СБ3 0,3 %. При увеличении содержания добавки до 1 % оптимальное
соотношение ММС/Ц повышается до 2,0-3,0. При этом с повыше­
нием удельной поверхности, необходимое количество добавки воз­
растает. Оптимальная удельная поверхность с точки зрения получе­
ния минимальных значений предела текучести находится в диапа­
зоне от 3500 до 4500 см^/г. Аналогичная зависимость наблюдается
при анализе номограммы влияния факторов варьирования на услов­
но-статический предел текучести.
15
Исследование зависимости подвижности паст от параметров
варьирования показало, что с повышением удельной поверхности
минимум расплыва конуса практически не зависит от суммарно­
го содержания цемента и отходов ММС. При этом, необходимое
количество добавки СБ-3 повышается с 0,5 до 1 % . Также величина
расплыва конуса снижается при росте соотношения ММС/Ц. Наи­
более важным реологическим параметром паст на основе В Г В явля­
ется его способность проникать между заполнителем. Установлено,
что при проникновении в заполнитель под действием гравитацион­
ных сил напряжение сдвига составляет порядка 25 Па.
Ога. МИСЛД-О,»
Отх. MMC/I^OlS
У А помрж'ЭФООсмЯ'г
*
1
I
,1 {
Д »5J^'>^ Ч_У •" лЧ •V
C^fit"
"Л,
аА\м.м^''-' •/ Х'к
\ Ч "'Ч«
>»,
па1Л. ;х^
и
^A
Отх. ММС/Ц425
Уд помрхн.>3000сн^/г
т
i
On. ММ01И.5
Уд. лов«рхн.>4000 сн^/г
\ . „ )
М
а
Уд. пов«рхн.в4бС0 см^/г
Отх. ММОЦ-2,25
Уд. пов«рхн.в4500 см?^г
Ц^Л
"
Отх.ММОЦ^25
Уд. повврхн.ввООО с Л г
\
N . •»
"' ЧД " О "' ^v\.X
ч X.
V.
М
Отх.ММСЛ>Ч0
Уд. пов«рхн.к3000 см^г
ТТЛ
■У У ^ Х
80
100
1»
'^^^
140
Отх. ММСЛ4-4,0
Уд. повврхн.«4500 см^г
I» иХ^Х^Ч -
ч "Ni "
«\. N.
^ Ч " "v^
14«м«нт4<1тходы ММС
Цемент»отходы ММС
чХ">». '*
АО
\
'у » Ч "
П
100
^^
120
140
Отх.ММОЦМ,0
Уд. повврхн.явООО см^/г
■ . . ч
• м
'Ч
1»
*ч
м.
■ \
■«,
• „ ,, »
'\-^>N,. "
^'Ч.^Ч^.-Л*
jX.'N.„44i^
Цвмент+отходы ММС
Обозначения: Ц+ММС=60-20 % , Ц+ММС=150-50 % .
Рис. 3. Влияние факторов варьирования на эффективную вязкость
при напряжении сдвига 25 Па. Цифры на 1фивых -величина эффек­
тивной вязкости Па^с
Поэтому, оптимальная проникающая способность соответству­
ет минимальной эффективной вязкости при напряжении сдвига 25
16
Па. Анализ номограммы (рис.3.) показывает, что минимальная
вязкость снижается с увеличением содержания добавки СБ-3, по­
вышением суммарного содержания цемент+отходы ММС, сниже­
нием удельной поверхности. Кроме того, эффективная вязкость при
напряжении сдвига 25 Па снижается при повышении соотношения
ммс/ц.
Анализ времени начала схватывания показывает, что практи­
чески для всех экспериментальных составов эта величина сокраща­
ется с увеличением фактора цемент+отходы М М С и увеличивается
с повышением содержания добавки СБ-3. При этом, при прочих
равных условиях, минимальные значения сроков схватывания на­
блюдаются при соотношении ММС/Ц равное 2,25. Кроме того, с
повышением удельной поверхности сроки схватывания также со­
кращаются.
Прочность на сжатие через 2 часа является максимальной
(2,25-4,0 МПа) в диапазоне соотношения ММС/Ц от 2,5 до 3, при
общем суммарном содержании цеметч-отходы М М С 20.. .25 % от
массы ВГВ. Следует отметить, что не зависимо от удельной по­
верхности наблюдается тенденция снижения прочности с повыше­
нием содержания добавки СБ-3. Максимальные значения прочно­
сти при сжатии (8,5 МПа) в 28 суточном возрасте соответствуют
составам с удельной поверхностью 4500 см^г при суммарном со­
держании цемент+отходы ММС 30...35 % от массы вяжущего.
Количество ОММ в дальнейигах исследованиях принято в преде­
лах 30 %.
Сравнительный анализ результатов испытаний показал, что
комплексные химические добавки дают значительное снижение
реологических параметров паст (рис.4). Так, при введении ком­
плексной добавки СБ-3 (0,5%) + ЦФ(1,5%) величина предельного
r^ZTTHCTIj
бсздобшкн
Напряжение сдвига, Па
Рис 4. Влияние добавок на реологические характеристики паст.
17
напряжение сдвига составила 7 Па, вязкость не разрушенной струк­
туры - 0,1584Па*с. У без добавочных паст значение предельного
напряжения сдвига составило 67Па, а вязкость не разрушенной
структуры - 0,7536 Па*с. По-видимому, это обусловлено замедле­
нием роста кристаллов новообразований и избытком структурных
элементов, способствующих возникновению множества новых
кристаллов и в целом созданию более равномерной и мелкозерни­
стой структуры затвердевшего В Г В . Использование реологических
характеристик в композиционных гипсовых системах позволяет с
большей точностью определять свойства теста и время, в течение
которого возможно производить формование без нарушения струк­
туры создающегося камня и без снижения его первоначальной
прочности.
В диссертационной работе методами рентгенографического,
дифференциально^гермического анализов, световой микроскопии
(рис.5) было установлено: наличие комплексных химических доба­
вок не приводит к изменениям химического состава новообразова­
ний, а лишь способствует уменьшению количества и размеров
крупнокристаллических блоков в микроструктуре затвердевшего
камня на В Г В с одновременным увеличением удельного количе­
ства новообразований (на 20 % ) , более совершенных по форме
кристаллов, что приводит к повышению прочности и плотности.
Структуру камня без добавок и с комплексной химической
добавкой изучали под электронным микроскопом.
а
б
х1500
х1500
Рис. 5. Микрофотографии образцов из ВГВ, твердевших в
нормальш>1х условиях 7 суток,
а) без добавки; б) с комплексной химической добавкой (СБ-З+ЦФ)
Было установлено, что для образцов без добавки характерно
образование крупных, неравномерно распределенных пор, значи­
тельное различие в толщине межпоровых перегородок. В образцах
18
затвердевшего В Г В с комплексной химической добавкой (СБ-3 +
ЦФ) не только уменьшается размер пор, но они становятся более
замкнутыми, изолированными друг от друга, равномерно распреде­
ленными по их размерам. Уменьшается общая пористость камня с
химическими добавками на 7-10 % , что положительно сказывается
на капиллярном водопоглощении (снижается на 15-20 % ) и прочно­
сти материала (увеличивается на 20-25 % ) .
Изменение структуры за счет уменьшения размера кристал­
лов гидратированных новообразований, уменьшения общей порис­
тости, изменения соотношения мелких и крупных пор за счет
уменьшения крупных обеспечивает повышенные прочностные и
дефбрмативные свойства, а также долговечность бетонов на В Г В .
Для обеспечения высоких показателей быстротвердеющих смесей
применена технология их приготовления, включающая тонкое из­
мельчение кремнеземистой добавки (отходов ММС) до удельной
поверхности 4500...5000 см^г с суперпластификатором и порт­
ландцементом с последующим перемешиванием с гипсовым вя­
жущим, совмещенным с кратковременным помолом. По этой тех­
нологии была получена опытная партия В Г В на основе строитель­
ного гипса с характеристикой марки по прочности 15 МПа.
Коэффициенты
размягчения
разработанных
составов Кр=
0,65... 0,72.
В качестве быстротвердеющих смесей предложены мелко­
зернистые бетоны на основе разработанных вяжущих с использо­
ванием в качестве мелкого заполнителя техногенного сырья - от­
ходов ММС железистых кварцитов, которые позволяют значитель­
но повысить эффективность укрепления оснований автомобильных
дорог(рис.6).
A
i
Sf
Xiri
fWfOO-
V^A
/
»;3
/
/
Рис.6. Зависимость подвижности и прочности при сжатии затвердевщего
раствора (с использованием отходов ММС) на ВГВ от В/В^ отношения.
19
В диссертационной работе были получены мелкозернистые
бетоны (растворы) марок М50-М75 и изучены их физикомеханические свойства. Для изучения возможности получения до­
рожных бетонов для устройства оснований автомобильных дорог
III-IV категории на щебне из вскрышных скальных горных пород
К М А (кварцитопесчанник) были исследованы составы на щебне
из кварцитопесчанника фракции 40..70 мм.
Таблица б
Физико-механические свойства укрепленных оснований
Наименование показателей
Средняя прочность при сжатии, МПа
Морозосгойкость, циклы
Водопоглощение, % по массе
Коэффициент водостойкости
Начальный модуль упругости, МПа* 10"''
Величина показателя для
класса бетона по прочно­
сти на сжатие
В3,5
В5
6,5
35
8
0,8
8,9
7,5
50
10
0,82
12,6
Получены тяжёлые бетоны классов В3,5 - В5 при расходах
В Г В от 120 до 230 кг/м^ (табл.6). Водопоглощение и морозостой­
кость образцов определяли в соответствии с ГОСТ 12733-78 и
10060-95. Образцы всех составов выдержали 50 циклов попере­
менного замораживания-оттаивания (в пересчете с ускоренного
метода), что удовлетворяет требованиям ВСН 185-75 для нижних
укрепленных оснований Ш-ГУ категорий дорог в умеренных кли­
матических условиях.
В диссертационной работе определялось влияние комплекс­
ных химических добавок, влажности бетона, его возраста и усло­
вий твердения (воздушно-сухие, водная среда) на прочностные и
деформативные характеристики, используемые в расчете конст­
рукций, т.е. - призменную прочность, модуль упругости и коэффи­
циент Пуассона. Результаты испытаний показывают, что при твер­
дении в течение 28-ми суток на воздухе с температурой 20±2 "С и
относительной влажностью 60-70% показатели призменной проч­
ности находятся в пределах от 13,5 до 17,0 МПа, показатели модуля
упругости от 7300 до 9220 МПа, показатели коэффициента Пуассо­
на от 0,18 до 0,24, коэффициента призменной прочности (Rnp/R куб)
от 0,85 до 0,97. Увеличение B/B,». отношения с 0,45 до 0,5 для по-
20
лучения бетона из подвижной смеси (распльга по Суттарду 180 мм)
приводит к снижению призменной прочности с 16,9 до 13,5 МПа.
При введении в бетон комплексной химической добавки его мо­
дуль упругости в возрасте 28 суток повышается при твердении в
воде на 25 %.
Очень важными являются собственные деформации бетонов,
для изучения которых были выбраны различные условия тверде­
ния: воздушно-сухой и водный режимы твердения. Было установ­
лено: показатели деформаций усадки находятся в пределах требо­
ваний нормативов, деформации набухания - интенсивно нарастают
в течение первого месяца и превышают деформации усадки с по­
следующей стабилизацией. Содержание в бетоне на В Г В мелкого
заполнителя приводит к уменьшению деформации набухания и
усадки. Для мелкозернистого бетона (состав В Г В : ММС=1:2) через
полгода они не превышают соответственно 2,0 и 0,4 мм/м и имеют
затухающий характер.
Анализ парка оборудования дорожно-строительных органи­
заций области показал возможность реализации результатов дис­
сертационной работы в Белгородской области и других регионах
РФ. Таким образом, на основании проведенных исследований дока­
зано, что тонкодисперсный полиминеральный техногенный песок отходы ММС железистых кварцитов, может применяться для про­
изводства оснований автомобильных дорог, укрепленных высоко­
проникающими быстротвердеющими смесями на основе компози­
ционных вяжущих. Технико-экономическое обоснование и расчет
вариантов устройства дорожной одежды показали, что за счет из­
менения конструкции дорожной одежды и снижения материалоем­
кости экономический эффект составил 273500 руб. на 1км строя­
щейся дороги.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Установлена возможность использования техногенного сы­
рья - отходов М М С железистых кварцитов для пол5^ения высоко­
проникающих быстротвердеющих смесей на основе водостойких
гипсовых вяжущих для укрепления щебеночных оснований авто­
мобильных дорог..
2. Разработан состав водостойкого гипсового вяжущего,
включающий отходы ММС при следующем соотношении компо­
нентов (по массе) - 70:15:15 (гипсовое вяжущее: портландцемент:
отходы ММС), при котором устраняется возможность разрушения
21
структуры затвердевшего камня и повышается его водостойкость и
долговечность.
3. Выявлено влияние механо-химической активации компо­
нентов В Г В на основе отходов ММС на характер распределения
частиц по размерам, кривая гранулометрического состава которого
имеет более равномерный характер, чем отдельных составляющих
его компонентов и характеризуется повышенным, по сравнению с
портландцементом, содержанием мелких фракций, что оказывает
интенсифицирующее воздействие на процессы структурообразования затвердевшего камня.
4. В результате выполненных экспериментов по принятой мат­
рице получены оптимальные составы В Г В для получения высоко­
проникающих быстротвердеющих смесей.
5.Установлено влияние комплексной химической добавки (су­
перпластификатора СБ-3+замедлителя сроков схватывания ЦФ) в
составе гидратирзтощейся водной системы В Г В , способствующей
увеличению индукционного периода существования коагуляционной структуры, замедляющей процесс гидратации в целом на ран­
них стадиях (в первые минуты твердения) с последующей интенсифика1щей процесса твердения.
6. Установлены характерные зависимости прочностных и деформативных свойств бетонов на В Г В в зависимости от их состава,
условий твердения и влажности. Определены характеристики бе­
тонов, используемые при расчете конструкций: призменная проч­
ность, модуль упругости, коэффициент Пуассона. Величины на­
чального модуля упругости находятся в пределах от 4700 до 9600
МПа, коэффициент Пуассона 0,18-0,3.
7. Разработана технология устройства оснований автомобиль­
ных дорог Ш-ГУ категории с использованием высокопроникающих
быстротвердеющих смесей на основе композиционных вяжущих,
позволяющая уменьшить число технологических операций. Полу­
чены высокопроникающие быстротвердеющие смеси, позволяю­
щие получить зтфепленное щебеночное основание с прочностью на
сжатие 6-8 МПа и морозостойкостью 50 циклов.
8. На основе результатов исследований разработаны: Техниче­
ские условия на быстротвердеющее гидравлическое композицион­
ное вяжущее с использованием отходов мокрой магнитной сепара­
ции железистых кварцитов Лебединского горнообогатительного
комбината в качестве кремнеземсодержащего компонента. Техно-
22
логический регламент производства быстротвердеющего компози­
ционного вяжущего для укрепления щебеночных оснований авто­
мобильных дорог, БГТУ им.В.Г.Шухова.
9. Результаты экспериментальных исследований подтверждены
опытными испытаниями при устройстве укрепленных щебеночных
оснований экспериментальных участков автомобильных дорог Бел­
городской области общей протяженностью 4,5 км. Техникоэкономическое обоснование и расчет вариантов устройства дорож­
ной одежды показали, что за счет изменения конструкции дорож­
ной одежды, изменения технологии устройства и снижения мате­
риалоемкости экономический эффект составит 273500 руб на 1 км
строящейся дороги.
Основное содержание диссертации изложено в работах:
1. Чернышев А.Ю. Влияние химических добавок на реологи­
ческие свойства Г Ц П теста (Лесовик B.C.) // Рациональные энер­
госберегающие конструкции, здания и сооружения в строительст­
ве и коммунальном хозяйстве: Сб. naj^. трудов Междунар. науч.практич. конф. - Белгород: изд-во БелГГАСМ, 2002. - 4.2. С.138-139.
2. Чернышев А.Ю. Влияние химических добавок на свойст­
ва гипсовых и Г Ц П паст (Лесовик В.С.)//Актуальные вопросы
строительства: Материалы Всероссийской науч.^ехнич. конф. Саранск: изд-во М Г У , 2002. - С. 181-183.
3. Чернышев А.Ю. Использование отходов ММС желези­
стых кварцитов для разработки долговечных составов ГЦПВ (Ле­
совик Р.В.у/ Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, - 2003. - №5. - С.
319-321.
4. Чернышев А. Ю..Применение ГЦП вяжущих для укрепле­
ния
дорожных
оснований
(Лесовик
Р.В.,Чернышева
Н.В.)//Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. - 2004. - №8. - С.314 - 315.
5.-Чернышев А.Ю. Влияние дисперсности компонентов
ГЦПВ на свойства твердеющей композиции (Лесовик B.C., Елистраткин М.Ю.) //Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, - 2005.-№9С.284 - 286.
6. Чернышев А.Ю. Исследование реологических свойств
ГЦП смесей с добавками поверхностно-активных веществ (Дороганов Е.А., Чернышева Н.В.) // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005.-№9.-С.287-289
Ч Е Р Н Ы Ш Е В Алексей Юрьевич
ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИЕ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЕ
С М Е С И ДЛЯ У К Р Е П Л Е Н И Я Щ Е Б Е Н О Ч Н Ы Х ОСНОВАНИЙ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
05.23.05 - Строительные материалы и изделия
Подписано в печать 14.ii.0S.
Заказ 179
Формат 60x84/16
Усл.-печ л 1 Тираж 110
Отпечатано в БГТУ им. В. Г. Шухова,
308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46
Р24231
РНБ Русский фонд
2006-4
23398
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
1 134 Кб
Теги
bd000102979
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа