ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Центрально европейский регион является одним из перспективных в отношении стройиндустрии. Учитывая климатические и геологические условия, особенности сырьевой базы и геоморфологию территории, производство материалов и строительство в государствах этого региона имеет свои особенности. В Сербии в настоящее время существенно возросли объемы строительства, значительное количество зданий и сооружений нуждается в ремонте и восстановлении. Поэтому, разработка эффективных составов фибробетонов на композиционных вяжущих, управление процессами структурообразования, гранулометрией заполнителей и синтезом гидросиликатов и гидроалюминатов кальция позволит решить проблемы строительства в Сербии. Важное значение имеет применение органоминеральных модификаторов, получаемых на основе обычного цемента, местных сырьевых материалов, структурированных нанодисперсными частицами минеральных веществ. Их применение приводит к значительному повышению реологических характеристик формовочной смеси и строительно-технических свойств полученного фибробетона, существенно увеличивает сроки службы конструкций и их долговечность.
мелкозернистый фибробетон, композиционные вяжущие, наноструктурированный модификатор
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. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Алфимова Н.И., Агеева М.С., Ковалева И.А., Баженова О.Г., Новиков К.Ю. К вопросу использования техногенного сырья в производстве порошкових бетонов на композиционных вяжущих // Энерго- и ресурсосберегающие экологически чистые химико-технологические процессы защиты окружающей среды: III Междунар. науч.-тех. конф., Белгород, 24-25 ноября 2015 г. Белгород, 2015. Ч.3. 384-390
2. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Чулкова И.Л., Толстой А.Д., Володченко А.А. Сродство структур как теоретическая основа проектирования композитов будущего // Строительные материалы. 2015. № 9. С.18-22.
3. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Ковалева И.А. Композиционные вяжущие для порошковых бетонов с промышленными отходами // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 1. С. 6-9.
4. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Ковалева И.А. Органогенные высокопрочные композиции // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. № 5. С. 67-69.
5. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Ковалева И.А., Якимович И.В., Лукутцова Н.П. Высокопрочные материалы для декоративных целей // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 8. С 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. Лесовик В.С., Савин А.В., Алфимова Н.И., Шадский Е.Е. Перспективы применения композиционных вяжущих при производстве железобетонных изделий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. №5 (88) С. 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. Лесовик В.С., Савин А.В., Алфимова Н.И. Гинзбург А.В. Оценка защитных свойств бетонов на композиционных вяжущих по отношению к стальной арматуре // Строительные материалы. 2013. №7 С. 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. Т. 24. № 10. С. 1286-1290.
13. Алфимова Н.И., Вишневская Я.Ю., Трунов П.В. Композиционные вяжущие и изделия с использованием техногенного сырья: монография. Saarbruken. Изд-во LAP LAMBERT. 2013. 129 с.
14. Алфимова Н.И., Трунов П.В., Шадский Е.Е. Модифицированные вяжущие с использованием вулканического сырья: монография. Saarbrucken: Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing. 2015. 133 с.
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. Алфимова Н.И., Трунов П.В. Продукты вулканической деятельности как сырье для производства композиционных вяжущих // Сухие строительные смеси. 2012. №1. С 37-38.
18. Лесовик Р.В., Алфимова Н.И., Ковтун М.Н., Ластовецкий А.Н. О возможности использования техногенных песков в качестве сырья для производства строительных материалов* // Региональная архитектура и строительство. 2008. № 2. С. 10-15.
19. Лесовик Р.В., Алфимова Н.И., Ковтун М.Н. Стеновые камни из мелкозернистого бетона на основе техногенного сырья // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 11. С. 46-49.
20. Вешнякова Л.А., Айзенштадт А.М., Елистраткин М.Ю. Поверхностная активность высокодисперсных кремнеземсодержащих компонентов композиционного вяжущего // В сборнике: Наукоемкие технологии и инновации Юбилейная Международная научно-практическая конференция, посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (XXI научные чтения). 2014. С. 69-72.
21. Клюев С.В., Лесовик Р.В., Клюев А.В. Фибробетон на техногенном песке КМА и композиционные вяжущие для промышленного и гражданского строительства: монография. Белгород. Изд-во БГТУ. 124 с.
22. Лесовик Р.В., Клюев А.В., Клюев С.В. Мелкозернистый сталефибробетон на основе техногенного песка для получения сборных элементов конструкций // Технологии бетонов. 2014. № 2 (91). С. 44-45.
23. Клюев С.В., Лесовик Р.В. Дисперсно армированный мелкозернистый бетон с использованием полипропиленового волокна Бетон и железобетон. 2011. № 3. С. 7-9.
24. Лесовик Р.В., Клюев С.В. Фибробетон на композиционных вяжущих и техногенных песках курской магнитной аномалии для изгибаемых конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2012. Т. 29. № 3. С. 41-47.
25. Лесовик Р.В., Клюев С.В. Мелкозернистый сталефибробетон на техногенных песках // Бетон и железобетон. 2013. № 5. С. 27-30.
26. Лесовик Р.В., Клюев С.В., Клюев А.В., Нетребенко А.В. К проблеме использования техногенных песков курской магнитной аномалии для производства мелкозернистого фибробетона и изделий на его основе // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 12. С. 45-48.
27. Клюев С.В., Лесовик Р.В. Стеклофибробетон на техногенных песках кмаи композиционных вяжущих // Технологии бетонов. 2012. № 11-12 (76-77). С. 68-69.
