VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Central European region is one of the most promising in relation to the construction industry. Given the climatic and geological conditions, especially the raw material base and geomorphology of the territory, the production of materials and construction in the States of the region has its own characteristics. In Serbia, currently have significantly increased the volume of construction, a large number of buildings in need of repair and restoration. Thus, the development of effective formulations of fiber-reinforced concrete with composite binders, process management of structure formation, particle size of the aggregates and the synthesis of calcium silicate and hydro aluminate will solve the problems of building in Serbia. Important is the use of organic-mineral modifier obtained on the basis of ordinary cement, local raw materials and minerals structured with the monodisperse particles . Their use leads to a significant increase in rheology of the moldable mixture, construction and technical properties of the resulting fiber-reinforced concrete, significantly increases the life of the structure and their durability.
fine grained fibrous concrete, composite binder, nano-modifier
Введение. Композиционные вяжущие
(КВ) – это продукт механохимической активации в определенных условиях портландцемента или вяжущего другого вида совместно с добавками-модификаторами, имеющими в своем составе компонент или компоненты, обеспечивающие водоредуцирующий эффект. Их получают добавлением к главному вяжущему компоненту (цементу) специальных веществ, в определенных соотношениях повышающих активность, улучшающих реологические свойства цементного теста, значительно увеличивающих прочностные показатели и другие свойства вяжущего и бетона на его основе. Приготовленное на его основе цементное тесто дает возможность получить плотнейшую структуру бетона при повышенной прочности. Снижение нормальной густоты цементного теста достигается введением в его состав пластифицирующих добавкок. В результате взаимодействия добавленных компонентов с минералов цементного клинкера в процессе механохимического воздействия и измельчения материал приобретает, специфические свойства, отличающие его от обычного портландцемента [1–20 и д.р.]
Одним из способов повышения эксплуатационных свойств фибробетона является оптимизация его структуры и разработка методов управления структурообразования при твердении. В работах отечественных ученых, выполненных ранее, недостаточно уделено внимание созданию в Сербии высокоэффективных добавок-модификаторов, которые на микро- и нано уровне создают высокую упорядоченность элементов структуры композиционного материала. Мало внимания также уделяется адгезионным процессам цементного камня с фиброволокном в бетонах, и их влиянию на твердение композиционных вяжущих с применением местных материалов государства Сербия.
Разработка составов фибробетона нового поколения невозможна без получения сложных составов вяжущих веществ [21–27 и др.].
Теоретический анализ и практическая апробация позволили перейти к углубленному изучению способов оптимизации структуры и свойств цементного камня и фибробетона на сырьевых материалов Сербии, а также разработке композиционного вяжущего на их основе.
Специфика их генезиса, техногенная обработка дают эффект активизации горной породы, как потенциального сырья для производства строительных материалов. Процесс активизации приводит к увеличению степени дефектности кристаллической решетки породообразующих минералов, а также к некоторой аморфизации породы и ее структурных зерен с частичной или полной деструкцией и увеличением удельной поверхности.
Реакционная способность частиц цеолита при их деструкции значительно повышается вследствие возрастания неупорядоченности (энтропии) пространственных решеток. Аналогичное явление характерно и тонкодисперсного кварца с коррозированной поверхностью. Между тем и то, и другое явления обусловлены соответствующим генезисом пород, а производственный эффект выражается сокращением в 2-3 раза продолжительности твердения смеси при получении бетона.
С целью получения таких вяжущих был проведен ряд испытаний по следующей методике: сначала разрабатывали вяжущие композиции, состоящие из оптимального соотношения гидравлического вяжущего (цемента) и наноструктурированного модификатора (НСМ), который получали на основе сырьевых материалов месторождений Сербии.
Методология. Наноструктурированный модификатор был получен путем помола цеолита, отсева дробления известняка, кварцевого песка, цемента и суперпластификатора в количествах, определенных расчетом. Повышенные строительно-технические свойства мелкозернистого бетона на макроуровне обеспечивали плотнейшей упаковкой частиц заполнителя и композиционного вяжущего. Предложенные принципы совершенствования структуры мелкозернистого бетона позволили увеличить прочность при сжатии на 35–40 %.
Характеристики цемента Type ЦЕМ I 42,5 R фирмы Хольсим в с. Поповци (Сербия) имеют близкие по значению показатели химического и минерального состава продукции ЗАО «Белгородский цемент». Поэтому для изготовления опытных образцов применяли товарный цемент ЗАО «Белгородский цемент» марки ЦЕМ I 42,5Н. Химический состав и основные строительно-технические показатели цемента с их пределами варьирования приведены в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав цемента
|
Марка цемента |
Химический состав, % по массе |
||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
R2O |
CaOсв |
ппп |
|
|
ЦЕМ I 42,5Н |
22,49 |
4,77 |
4,40 |
67,22 |
0,43 |
2,04 |
0,20 |
0,20 |
1,5 |
Основная часть. В качестве мелкого заполнителя фибробетона и компонента НСМ использовали цеолит месторождения Златокоп, расположенного в Сербии.
Цеолиты – большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском, известных своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другим важным свойством цеолитов является способность к ионному обмену – они способны селективно выделять и вновь впитывать различные вещества, а также обменивать катионы.
Кристаллическая структура цеолитов природных и искусственных образована тетраэдрическими группами SiO2/4 и AlO2/4, объединенными общими вершинами в трехмерный каркас, пронизанный полостями и каналами (окнами) размером 2–15 Å.
В качестве второго компонента НСМ использовали известняк месторождения Елен До, образовавшийся в результате химической реакции, в которой выделяется нерастворимый в воде карбонат кальция:
Ca(HCO3)2
CaCO3+H2O+CO2.
Третьим компонентом НСМ является песок кварцевый месторождения Околине Уба. Песок крупнозернистый кварцевый (фракция 0,1-4,0 мм). Химический состав песка представлены в таблице 2.
Таблица 2
Химический состав кварцевого песка
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
ТiO2 |
Ka2O |
Na2O |
|
97,5–99,0 |
0,25–1,00 |
0,10–0,50 |
<0,15 |
<0,06 |
0,05-0,10 |
0,25 |
0,04 |
Результаты проведенных испытаний образцов композиционного вяжущего с НСМ показали соответствие теоретическим представлениям (табл. 3). Заполнителем служил кварцевый песок месторождения Околине Уба (Сербия). В качестве полимера использовали «Полипласт СП-1», состоящий из смеси натриевых солей продуктов конденсации нафталинсульфокислот с формальдегидом, лигносульфонатом и сульфатом натрия, удовлетворяющий требованиям ТУ 6-36-0204229-625, по своим свойствам аналогичного суперпластификатору ASTM C494 − Type A, применяемому в Сербии. Соотношение компонентов НСМ цеолит:песок:известняк – 2:1:1.
Существенное увеличение прочностных показателей объясняется высокой свободной внутренней энергией компонентов НСМ, а также более интенсивным образованием новых гидратных минералов в присутствии добавки модификатора.
Образцы данного состава с общим содержанием добавки НСМ 5 % показали наибольший прирост прочности при сжатии в 28-суточном возрасте – 34,3 %. Дальнейшее увеличение содержания НСМ не целесообразно, т.к. не приводит к значительному приросту прочности.
Состав разработанного композиционного вяжущего является предметом НОУ-НАУ.
Таким образом, определено оптимальное содержание НСМ в комплексном вяжущем и получен оптимальный состав КВ.
Таблица 3
Прочность КВ с различным процентным содержанием НСМ
|
№ п/п |
Состав вяжущего |
Предел прочности при сжатии, МПа |
Прирост прочности, % |
|
1 |
Потрландцемент (Ц) |
42,3 |
– |
|
2 |
Ц+0,3 % полимера |
45,1 |
6,6 |
|
3 |
Ц+0,3 % полимера +1 % НСМ |
49,8 |
17,7 |
|
4 |
Ц+0,3 % полимера +3 % НСМ |
56,5 |
33,6 |
|
5 |
Ц+0,3 % полимера +5 % НСМ |
56,8 |
34,3 |
|
6 |
Ц+0,3 % полимера +7 % НСМ |
56,9 |
34,5 |
Выводы. В статье рассмотрены аспекты проектирования состава и технологии изготовления композиционного вяжущего с наноструктурированным модификатором на основе исходных материалов из минерального сырья Сербии. Изложены результаты определения строительно-технических характеристик цементного камня и бетона на композиционном вяжущем с комплексной тонкодисперсной добавкой. Установлена возможность применения сырьевых материалов Сербии для изготовления строительных изделий и конструкций.
1. Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Alfimova N.I., Ageeva M.S., Kovaleva I.A., Bazhenova O.G., Novikov K.Yu. K voprosu ispol'zovaniya tehnogennogo syr'ya v proizvodstve poroshkovih betonov na kompozicionnyh vyazhuschih // Energo- i resursosberegayuschie ekologicheski chistye himiko-tehnologicheskie processy zaschity okruzhayuschey sredy: III Mezhdunar. nauch.-teh. konf., Belgorod, 24-25 noyabrya 2015 g. Belgorod, 2015. Ch.3. 384-390
2. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.H., Chulkova I.L., Tolstoy A.D., Volodchenko A.A. Srodstvo struktur kak teoreticheskaya osnova proektirovaniya kompozitov buduschego // Stroitel'nye materialy. 2015. № 9. S.18-22.
3. Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Kovaleva I.A. Kompozicionnye vyazhuschie dlya poroshkovyh betonov s promyshlennymi othodami // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2016. № 1. S. 6-9.
4. Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Kovaleva I.A. Organogennye vysokoprochnye kompozicii // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2014. № 5. S. 67-69.
5. Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Kovaleva I.A., Yakimovich I.V., Lukutcova N.P. Vysokoprochnye materialy dlya dekorativnyh celey // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. № 8. S 51-53.
6. Tolstoi A.D., Lesovik V.S., Kovaleva I.A. High-Strenght Decorativ Complexes with Organo-Mineral Additives Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. - September-October 2014 RJPBCS 5(5) Page No 1607.
7. Tolstoj A.D., Lessowik W.S., Kowaljowa I.A. Pulverbetone auf Kompositbindemitteln mit der Verwendung von Industrieabfallen // 19 Internationale Baustofftagung. 16-18 September. 2015. Weimar. Band 2. P 997-1000.
8. Lesovik V.S., Savin A.V., Alfimova N.I., Shadskiy E.E. Perspektivy primeneniya kompozicionnyh vyazhuschih pri proizvodstve zhelezobetonnyh izdeliy // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2014. №5 (88) S. 95-99
9. Lesovik V.S., Alfimova N.I., Savin A.V., Ginzburg A.V., Shapovalov N.N. Assessment of passivating properties of composite binder relative to reinforcing steel // World Applied Sciences Journal. 2013. 24 (12). 1691-1695
10. Lesovik V.S., Savin A.V., Alfimova N.I. Ginzburg A.V. Ocenka zaschitnyh svoystv betonov na kompozicionnyh vyazhuschih po otnosheniyu k stal'noy armature // Stroitel'nye materialy. 2013. №7 S. 56-58.
11. Lesovik V.S., Ageeva M.S., Mahmoud Ibrahim Husni Shakarna, Allaham Yasser Seyfiddinovich, Belikov D. A. Efficient binding using composite tuffs of the Middle East // World Applied Sciences Journal. 2013. №24 (10). Pp. 1286-1290.
12. Lesovik R.V., Ageeva M.S., Shakarna M. Efficient binding using composite tuffs of the middle east // World Applied Sciences Journal. 2013. T. 24. № 10. S. 1286-1290.
13. Alfimova N.I., Vishnevskaya Ya.Yu., Trunov P.V. Kompozicionnye vyazhuschie i izdeliya s ispol'zovaniem tehnogennogo syr'ya: monografiya. Saarbruken. Izd-vo LAP LAMBERT. 2013. 129 s.
14. Alfimova N.I., Trunov P.V., Shadskiy E.E. Modificirovannye vyazhuschie s ispol'zovaniem vulkanicheskogo syr'ya: monografiya. Saarbrucken: Izd-vo LAP LAMBERT Academic Publishing. 2015. 133 s.
15. Lesovik V. S., Alfimova N.I., Trunov P.V. Reduction of energy consumption in manufacturing the fine ground cement // Research Journal of Applied Sciences. 2014. V. 9. (11). P. 745-748.
16. Alfimova N.I., Sheychenko M.S., Karatsupa S.V., Yakovlev E.A., Kolomatskiy A.S., Shapovalov N.N. Features of application of high-mg technogenic raw materials as a component of composite binders // Research Journal of Applied Sciences. 2014. V. 9 (11). P. 779-783.
17. Alfimova N.I., Trunov P.V. Produkty vulkanicheskoy deyatel'nosti kak syr'e dlya proizvodstva kompozicionnyh vyazhuschih // Suhie stroitel'nye smesi. 2012. №1. S 37-38.
18. Lesovik R.V., Alfimova N.I., Kovtun M.N., Lastoveckiy A.N. O vozmozhnosti ispol'zovaniya tehnogennyh peskov v kachestve syr'ya dlya proizvodstva stroitel'nyh materialov* // Regional'naya arhitektura i stroitel'stvo. 2008. № 2. S. 10-15.
19. Lesovik R.V., Alfimova N.I., Kovtun M.N. Stenovye kamni iz melkozernistogo betona na osnove tehnogennogo syr'ya // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2007. № 11. S. 46-49.
20. Veshnyakova L.A., Ayzenshtadt A.M., Elistratkin M.Yu. Poverhnostnaya aktivnost' vysokodispersnyh kremnezemsoderzhaschih komponentov kompozicionnogo vyazhuschego // V sbornike: Naukoemkie tehnologii i innovacii Yubileynaya Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya, posvyaschennaya 60-letiyu BGTU im. V.G. Shuhova (XXI nauchnye chteniya). 2014. S. 69-72.
21. Klyuev S.V., Lesovik R.V., Klyuev A.V. Fibrobeton na tehnogennom peske KMA i kompozicionnye vyazhuschie dlya promyshlennogo i grazhdanskogo stroitel'stva: monografiya. Belgorod. Izd-vo BGTU. 124 s.
22. Lesovik R.V., Klyuev A.V., Klyuev S.V. Melkozernistyy stalefibrobeton na osnove tehnogennogo peska dlya polucheniya sbornyh elementov konstrukciy // Tehnologii betonov. 2014. № 2 (91). S. 44-45.
23. Klyuev S.V., Lesovik R.V. Dispersno armirovannyy melkozernistyy beton s ispol'zovaniem polipropilenovogo volokna Beton i zhelezobeton. 2011. № 3. S. 7-9.
24. Lesovik R.V., Klyuev S.V. Fibrobeton na kompozicionnyh vyazhuschih i tehnogennyh peskah kurskoy magnitnoy anomalii dlya izgibaemyh konstrukciy // Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal. 2012. T. 29. № 3. S. 41-47.
25. Lesovik R.V., Klyuev S.V. Melkozernistyy stalefibrobeton na tehnogennyh peskah // Beton i zhelezobeton. 2013. № 5. S. 27-30.
26. Lesovik R.V., Klyuev S.V., Klyuev A.V., Netrebenko A.V. K probleme ispol'zovaniya tehnogennyh peskov kurskoy magnitnoy anomalii dlya proizvodstva melkozernistogo fibrobetona i izdeliy na ego osnove // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. № 12. S. 45-48.
27. Klyuev S.V., Lesovik R.V. Steklofibrobeton na tehnogennyh peskah kmai kompozicionnyh vyazhuschih // Tehnologii betonov. 2012. № 11-12 (76-77). S. 68-69.
