Автореферат Тяжелые бетоны повышенной коррозионной стойкости с модификатором на основе стеклянного порошка». Общая характеристика работы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Значение коррозионной стойкости цементных бетонов для народного хозяйства Донбасса существенно. Бетонные и железобетонные конструктивные элементы опор мостов, очистных и гидротехнических сооружений, канализационных систем, подземных частей зданий и сооружений подвержены агрессии внешней среды (переменному водонасыщению и замораживанию, воздействию агрессивных агентов из почвы и подземных вод). Один из способов повышения коррозионной стойкости тяжелых бетонов, модификация его состава специальными минеральными добавками, влияя при этом на формирование микроструктуры бетона и его свойства. Требуемые эксплуатационные свойства композиционных материалов на основе портландцемента можно обеспечить применением комплексов модификаторов, включающих, как правило, эффективные разжижители, модификаторы вязкости, активные минеральные добавки, ускорители твердения. При этом, применение таких добавок, как поликарбоксилатные суперпластификаторы, микрокремнезем, метакаолин и др. приводит к значительному повышению стоимости современных модифицированных бетонов в сравнении с обычными. В связи с этим разработка состава органоминерального модификатора (далее по тексту ОММ) на основе твердых бытовых отходов и отходов промышленности – стеклянного порошка (далее по тексту МС, доступного и недорогого суперпластификатора на основе полиметиленнафталинсульфоната (далее по тексту СП-1) и активатора химической реакции в системе "портландцемент – стеклянный порошок (МС)" сульфата натрия (далее по тексту А, обеспечит получение бетонов с повышенными показателями коррозионной стойкости при снижении себестоимости, что позволит экономить природные ресурсы и улучшить экологическую обстановку в регионе. Степень разработанности темы исследования. Теоретической основой для выполнения исследований в области коррозионной стойкости и модификации бетонов являются работы Ю.М. Баженова, ЮГ. Барабанщикова, ЛИ. Дворкина, В.И. Калашникова, С.С. Каприелова, ДН. Коротких, В.М. Москвина, Г.В. Несветаева, ЕМ. Чернышева, А.В. Шейнфельд, H.J.H. Brouwers, M. Collepardi, S. Hanehara, и др. В ранее выполненных исследованиях рассмотрены закономерности формирования структуры и свойств модифицированных бетонов с повышенными эксплуатационными свойствами с добавкой органоминеральных модификаторов на основе отходов промышленности. В исследованиях Б.В. Гусева, А.А. Плугина, АС. Файвусовича, В.Л. Чернявского и др. рассмотрены закономерности коррозионного разрушения и повышения долговечности цементных бетонов. В тоже время требуются дальнейшие исследования по разработке составов органоминеральных модификаторов, исключающих такие недостатки, как совместимость добавок с цементами, низкая коррозионная стойкости бетона в агрессивных средах. Одной из важных задач является снижение стоимости модификаторов и бетонов сих применением за счет использования отходов Целью исследования является теоретическое и экспериментальное обоснование получения тяжелых бетонов повышенной коррозионной стойкости на основе установления закономерностей влияния состава ОММ (минеральная добавка, суперпластификатор, активатор) на структурообразование и свойства бетонной смеси и бетона. Задачи исследования- выполнить анализ существующих представлений о коррозионных процессах, происходящих в тяжелых бетонах и обосновать состав органоминерального модификатора- исследовать влияние ОММ на технологические свойства цементного теста, прочность цементного камня, формирование состава продуктов гидратации- выполнить оптимизацию состава тяжелого бетона по критериям подвижности бетонной смеси и прочности бетона при сжатии- исследовать влияние ОММ на технологические свойства бетонных смесей, коррозионную стойкость и эксплуатационные свойства бетона- осуществить опытно-промышленное внедрение результатов исследования и оценить их экономическую эффективность. Объект исследования тяжелые бетоны повышенной коррозионной стойкости с органоминеральным модификатором на основе стеклянного порошка. Предмет исследования процессы и явления, определяющие закономерности формирования структуры и свойств тяжелых коррозионно- стойких бетонов, модифицированных органоминеральным модификатором на основе стеклянного порошка, полученного помолом отходов боя стекла. Методы исследований. Экспериментальные исследования выполнены согласно стандартными специальным методам с использованием аттестованных средств измерительной техники и испытательного оборудования. Состав продуктов гидратации вяжущего установлен поданным рентгенофазового анализа выполненного на установке "Дрон-4-07". Оптимизация состава бетонов выполнена с помощью математических моделей. Для обработки и анализа результатов экспериментов применены методы математической статистики. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем- впервые осуществлено теоретическое и экспериментальное обоснование получения тяжелых бетонов повышенной коррозионной стойкости при использовании ОММ, состоящего из стеклянного порошка (МС, полученного помолом отходов стеклобоя, суперпластификатора СП-1 (на основе полиметиленнафталинсульфоната) и активатора химической реакции (портландцемент + МС) – сульфата натрия (А- установлено, что введение в смеси на основе цемента ОММ (МС+СП-1+А) обеспечивает более высокую степень гидратации цемента, что подтверждается при рентгенофазовом анализе повышением интенсивности дифракционных отражений линий гидросиликатов кальция C–S–H: d=0,382; 0,307; 0,247; 0,210; 0,187 нм- зафиксировано влияние активированного МС в составе ОММ на степень связывания оксида кальция СаО в портландит Ca(OH) 2 , а также в гидросиликаты кальция C–S–H, которые уплотняя микроструктуру цементных композитов, ограничивают доступ воды к кристаллам портландита, тем самым предотвращая их растворение и вымывание, что способствует повышению прочности, плотности и коррозионной стойкости бетона- установлено, что ОММ на основе молотого стекла в комплексе с суперпластификатором и активатором в составе тяжелых бетонов на рядовых цементах повышает как раннюю, таки марочную прочность, коррозионную стойкость, плотность, водонепроницаемость и морозостойкость- определены области оптимальных составов бетонных смесей по содержанию ОММ и со сниженным расходом цементов на 8,7%, обеспечивающих получение бетона с коэффициентом коррозионной стойкости 0,95 - 1,09 и пределом прочности при сжатии в проектном возрасте не менее 45 МПа. Практическое значение полученных результатов- разработан технологический регламент производства модифицированных цементных бетонных смесей для изготовления изделий и конструкций повышенной коррозионной стойкости и осуществлено внедрение результатов научных исследований строительной компанией ООО "Домостроительный комбинат" при производстве монолитных железобетонных конструкций в объеме м 3 при устройстве опор моста через р. Лугань; - определена технико-экономическая эффективность применения разработанного ОММ в составах тяжелого бетона повышенной коррозионной стойкости- результаты исследований внедрены в учебный процесс Луганского национального аграрного университета при подготовке бакалавров, магистров и специалистов по направлению 08.03.01, 08.04.01 и Строительство" и "Строительство уникальных зданий и сооружений" в курсах дисциплин: "Строительные материалы "Производственная база строительства". Положения, выносимые на защиту- разработанные составы тяжелых бетонов повышенной коррозионной стойкости на рядовых цементах, модифицированных ОММ на основе стеклянного порошка- результаты экспериментальных исследований влияния ОММ на свойства бетонных смесей и бетонов; - экономическая эффективность применения модифицированного бетона- опытное внедрение основных результатов научных исследований. Степень достоверности результатов работы обеспечивается проведением экспериментов на современном исследовательском оборудовании применением стандартных и специально разработанных методик проведения экспериментальных исследований, обеспечивающих достаточную точность полученных результатов статистической обработкой полученных данных с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний с сопоставлением результатов с аналогичными результатами, полученными другими авторами положительными результатами опытного внедрения составов и технологии изготовления тяжелых коррозионно-стойких бетонов. Личный вклад соискателя состоит в выполнении экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных данных, внедрении результатов исследований на производстве. Отдельные составляющие теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрение результатов диссертационной работы выполнены с соавторами опубликованных работ. Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры технологии и организации строительного производства Луганского НАУ (2008- 2018 гг.) и ежегодных научно-технических конференциях строительного факультета ЛНАУ (2008-2018 гг.). Материалы диссертации докладывались также нам международном семинаре "Компьютерное материаловедение и прогрессивные технологии" (г. Одесса, ОГАСА, 21-22 апреля 2008 г I международномстроительном форуме "Строительство и архитектура" в рамках форума XVI Международная конференция "Здания и сооружения с применением новых материалов и технологий" (г. Макеевка, ГОУ ВПО «ДонНАСА», апреля 2017 г II международной научно-практической конференции "Возрождение, экология, ресурсосбережение и энергоэффективность инженерной инфраструктуры урбанизированных территорий Донбасса традиции и инновации" (г. Луганск, ГОУ ВПО ЛНУ им. В.И. Даля, 28 сентября 2017 г.); научно-практической конференции с международным участием "Проблемы и перспективы современной науки" (межотраслевой) (г. Луганск, ГОУ ЛНР ЛНАУ, 11-15 декабря 2017 г II международном строительном форуме "Строительство и архитектура" в рамках форума XVII Международная конференция "Здания и сооружения с применением новых материалов и технологий" (г. Макеевка, ГОУ ВПО «ДонНАСА», 19-21 апреля 2018 г III международной научно-практической конференции "Возрождение, экология, ресурсосбережение и энергоэффективность инженерной инфраструктуры урбанизированных территорий Донбасса традиции и инновации" (г. Луганск, ГОУ ВПО ЛНУ им. В.И. Даля, октября 2018 г.);ІV междисциплинарном научном форумес международном участием "Новые материалы и перспективные технологии" (г. Москва, Российская Академия Наук, 27-30 ноября г международной конференции "Научные чтения памяти доцента кафедры технологии строительных конструкций, изделий и материалов Александра Дмитриевича Лазько" (г. Макеевка, ГОУ ВПО «ДонНАСА»,, 27 декабря 2018 г международном строительном форуме "Строительство и архитектура" в рамках форума XVIII Международная конференция "Здания и сооружения с применением новых материалов и технологий" (г. Макеевка, ГОУ ВПО «ДонНАСА», 1 8 - 19 апреля 201 9 г.). Публикации. Основные положения диссертации опубликованы автором самостоятельно ив соавторстве в 16 научных изданиях, в том числе 5 публикаций в рецензируемых научных изданиях, 5 публикаций – по материалам научных конференций, 6 публикаций – в других изданиях Общий объем публикаций – 4,45 пл, из которых – 2,52 пл. принадлежат лично автору. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка использованных источников (148 наименований) и приложений. Общий объем работы составляет 160 страниц, в том числе страниц основного текста, 22 полных страниц с рисунками и таблицами, страниц списка использованных источников, 8 страниц приложений. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертационного исследования, приведены научная новизна и практическое значение работы, приведена информация о структуре и объеме диссертации, публикациях и апробации работы. В первом разделе проанализировано современное состояние вопроса по направлению темы диссертации, изложены теоретические предпосылки исследований, на основе которых сформулирована научная гипотеза диссертационного исследования. Проблема надежности и долговечности строительных материалов и конструкций широко изучается специалистами, занятыми исследованиями, разработкой, проектированием и возведением объектов. Вопросы стойкости, надежности и долговечности строительных материалов и конструкций постоянно рассматриваются на международных конференциях по технологии бетона и конгрессах по химии цемента, конференциях по применению золы-уноса, шлаков, тонкодисперсного кремнезема в бетоне, по вопросам строительства и долговечности морских сооружений и многих других. Очень важное место среди них занимает проблема коррозии бетона и его защите от нее. В последние десятилетия широкую известность получили разработки, посвященные решению проблем коррозии бетона, выполненные в таких научных центрах как Лаборатория мостов и дорог во Франции, Американский институт бетона, Японский институт бетона, Немецкий комитет по железобетону. Проблемы коррозии и защиты бетона рассматриваются целым рядом международных организаций RILEM – Reunion internationale des Laboratories d’Essai et Recherche sur les Materiaux es les Construction (Международный союз лабораторий по испытанию материалов и конструкций ISO – International organization for Standardization (Международная организация по стандартизации – Committee Euro International du Beton (Европейский комитет по бетону – Federation Internationale de la Precontrainte (Международная организация по предварительно напряженному железобетону CEN – Committee European de Normalisation (Европейский комитет по стандартизации. Широкую известность получили исследования проведенные Й. Штарком, Дж. Бенстедом, Х. Тейлером, Р. Оберхольстером, П. Мехтой, Дж. Ван-Аардом, Х. Ючикавой и С. Ючидой. Определены области применения тяжелых бетонов повышенной коррозионной стойкости и требования, предъявляемые к исходным компонентам бетонных смесей и исследуемых бетонов в зависимости от следующих классов сред эксплуатации ХО, XF1, XF2, XF3, XF4, ХА, ХА2. Современная технология бетона позволяет всё в большей степени для повышения его коррозионной стойкости использовать комплексные добавки на основе твердо-бытовых и техногенных отходов, что оказывает влияние на формирование себестоимости материала. Оптимальное сочетание добавок-модификаторов, а при необходимости совмещение сними других органических и минеральных материалов, позволяет направленно управлять технологическими свойствами бетонных смесей, модифицировать структуру цементного камня на микроуровне так, чтобы придать ей свойства, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность бетонных конструкций и сооружений. В тоже время применение таких минеральных добавок как зола-уноса, микрокремнезем, доменный гранулированный шлак связано со следующими проблемами увеличением водопотребности бетонной смеси, дополнительными расходами энергетических ресурсов и экономическими затратами при их доведении до требуемого уровня качества. Как вариант решения сформулированной проблемы – применение в цементных композитах в качестве минеральный добавки стеклянного порошка полученного помолом твердо- бытовых и промышленных отходов – стеклобоя. Модифицирование минеральных добавок позволяет, изменяя природу их поверхности (гидрофильность, электрический заряд, строение двойного электрического слоя, концентрацию поверхностных активных центров, в широких пределах активировать процесс структурообразования цементных дисперсий и формирование микроструктуры камня вяжущего. Тем не менее, к колебаниям химико-минералогического состава цемента, и особенно содержания щелочей, в меньшей мере реагируют разжижители на основе сульфированных нафталинформальдегидных конденсатов. При этом, существует обратная зависимость между количеством адсорбированного полиметиленнафталинсульфоната и областью значений подвижности цементного теста, которая с повышением адсорбированного суперпластификатора снижается, а потери подвижности повышаются. Поданным исследований НМ. Зайченко, S. Jiang, C. Jolicoeur, B. Kim, T. Nawa и др. добавка сульфата натрия способствует повышению подвижности цементного теста в результате снижения величины адсорбции суперпластификатора. В присутствии щелочного сульфата адсорбция на Си ингибируется и увеличивается на C 3 S и β-C 2 S, а общее количество адсорбированного пластификатора уменьшается, повышается его концентрация в жидкой фазе бетонной смеси, что вызывает диспергирование частиц и снижение вязкости цементного теста. Этот факт свидетельствует о том, что при определенных условиях суперпластификаторы на основе полиметиленнафталинсульфонатов могут успешно применяться в составах бетонных смесей и бетонов повышенной щелочности Значительный интерес представляет изучение влияния комплексного введения минеральной добавки и суперпластификатора, поскольку при этом может изменяться не только пористость цементного камня, но и соотношение между продуктами гидратации, модуль упругости которых различен. По мнению В.Г. Батракова наиболее перспективным является создание комплексных модификаторов на органоминеральной основе с использованием суперпластификаторов нового поколения, активных и малоактивных минеральных добавок. Энергосберегающая технология изготовления материалов на основе техногенных отходов - стеклобоя чрезвычайно проста, не требует специального оборудования и позволяет организовать производство на свободных площадях действующих предприятий стройиндустрии без существенных капиталовложений. После сортировки, дробления, помола и рассеивания на фракции стекло можно считать полностью подготовленным для изготовления модифицированных тяжелых бетонных смесей. В основу данной работы, раскрывающую потенциальные возможности использования стеклобоя, было положено теоретическое предположение о том, что молотое стекло (МС) с активатором Na 2 SO 4 (Аи известным суперпластификатором (СП-1) в составе ОММ способно участвовать в создании бетонов с повышенными эксплуатационными свойствами. Предположительно в щелочной среде стеклобой гидратируется с образованием кремниевых кислот, которые при достижении определенных значений кислотности среды начинает превращаться в гель. А гель, уплотняясь, омоноличивает крупные и мелкие фракции заполнителя. В итоге образуется плотный, прочный и долговечный материал. На основании вышеизложенного предложена следующая научная гипотеза исследования: введение в состав тяжелых бетонов органоминерального модификатора на основе тонкодисперсного стеклянного порошка способствует частичному связыванию гидроксида кальция СаО в гидросиликаты кальция C-S- H, которые омоноличивают кристаллы портландита Са(ОН) 2 , снижают капиллярную пористость кольматацией капилляров в затвердевшем бетоне, что обеспечит повышенный уровень его коррозионной стойкости. |