Цементно-піщані бетони та вироби, отримані напівсухим пресуванням без тепловологої обробки: Автореф. дис… канд. техн. наук / Т.О. Костюк, Харк. держ

Міністерство освіти України

Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури

УДК 691.3

КОСТЮК Тетяна Олександрівна

ЦЕМЕНТНО-ПІЩАНІ БЕТОНИ ТА ВИРОБИ,

ОТРИМУВАНІ НАПІВСУХИМ ПРЕСУВАННЯМ

БЕЗ ТЕПЛОВОЛОГОВОЇ ОБРОБКИ

05.23.05 — будівельні матеріали та вироби

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків — 1999

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі будівельних матеріалів та виробів

Харківського державного технічного університету

будівництва та архітектури (ХДТУБА)

Науковий керівник –

заслужений діяч науки і техніки України,

лауреат Державних премій України і СРСР,

доктор технічних наук, професор

БАБУШКІН Володимир Іванович,

завідувач кафедри будівельних матеріалів та виробів ХДТУБА

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор

ПЛУГІН Аркадій Миколайович,

завідувач кафедри будівельних матеріалів, конструкцій та споруд

Харківської державної академії залізничного транспорту

кандидат технічних наук

СПІРІН Юрій Олександрович,

завідувач лабораторії технології магнезіальних вогнетривів,

хіміко-аналітичних та структурно-фазових досліджень

Українського науково-дослідного інституту вогнетривів ім.О.С.Бережного

Провідна установа –

Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет

Захист відбудеться 26 жовтня 1999 р. о 12 годині

на засіданні cпеціалізованої вченої ради Д 64.056.04

при Харківському державному технічному університеті

будівництва та архітектури

за адресою вул.Сумська 40, Харків 310002

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ХДТУБА

Автореферат розісланий 21 вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04

кандидат технічних наук, доцент
М.Г.Ємельяненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В останнє десятиріччя в Україні та інших країнах колишнього СРСР
відзначений спад будівельного виробництва, зумовлений економічними
труднощями. У цей період масова забудівля різко скоротилася, а
крупнопанельне домобудівництво виявилося нерентабельним. У таких умовах
змогли продовжити свою діяльність в основному невеликі будівельні фірми,
які здійснюють здебільшого престижну забудівлю та ремонтно-будівельні
роботи, а також підприємства-виготівники матеріалів та виробів для цих
цілей.

Найбільш широко застосовуваними стіновими матеріалами для означених
будівельних робіт виявилися дрібноштучні вироби — цегла і камені
керамічні та силікатні. Однак, виробництво цих виробів пов’язане з
істотними енерговитратами на випал керамічних чи автоклавування
силікатних виробів. Крім того, керамічна цегла вітчизняного виробництва
з ряду причин має незадовільний зовнішній вигляд, а силікатна — обмежену
водостійкість, що знижує їх конкурентоздатність. Тому
підприємства-виготівники проявляють значний інтерес до розробок,
спрямованих на зниження енерговитрат при виготовленні дрібноштучних
стінових виробів, зниження їх собівартості та підвищення
конкурентоздатності.

Знизити енерговитрати на виготовлення даних виробів дозволяє їх
виготовлення з піщаного бетону на основі портландцементу. Зниження
енерговитрат досягається застосуванням природного твердіння виробів,
прискореного додатками-прискорювачами, замість їх випалу чи
автоклавування. Такі вироби мають добрі, як у силікатної цегли,
показники зовнішнього вигляду і високу, як у керамічної цегли,
водостійкість.

При цьому застосування вібраційного формування цементно-піщаних стінових
виробів не виправдовує себе у зв’язку з високими витратами цементу. Це
зумовлене необхідністю призначення високих витрат води для забезпечення
необхідної зручноукладальності формувальної суміші навіть при
застосуванні пластифікуючих додатків.

Знизити витрати цементу дозволяє виготовлення цементно-піщаних виробів
напівсухим пресуванням на обладнанні з виробництва силікатної цегли.
Однак цементно-піщані вироби відразу після пресування мають низьку у
порівнянні з силікатною цеглою міцність, що робить неможливим
передбачене у цій технології знімання таких виробів з пресу після
пресування. Тому можливість виготовлення цементно-піщаних виробів за
технологією напівсухого пресування до нинішнього часу реалізована не
була, а питання підвищення їх міцності відразу після формування і
прискорення природного твердіння — не вивчені.

У зв’язку з викладеним виготовлення цементно-піщаних виробів за
технологією напівсухого пресування до нинішнього часу являло собою
невирішену технічну проблему, а підвищення міцності виробів одразу після
формування та прискорення їх природного твердіння – недостатньо вивчену
наукову проблему.

Практична і наукова значущість рішення цих проблем підтверджується як
загальнодержавним значенням питань економії паливно-енергетичних
ресурсів та підвищення конкурентоздатності продукції вітчизняного
товаровиробника в сучасних економічних умовах, так і чималим інтересом
до цих питань підприємств-виготівників.

Актуальність теми обумовлена потребою сучасного будівництва у
цементно-піщаних дрібноштучних стінових виробах, конкурентоздатних у
порівнянні з керамічною та силікатною цеглою за рахунок відсутності
потрібності у випалі чи автоклавуванні.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана
у складі держбюджетної НДР Міністерства освіти України №0035 “Створення
нових ефективних безавтоклавних ніздрюватих бетонів на основі
портландцементу тонкого та надтонкого помелу” (№ДР 01-97U 009988), а
також держбюджетної НДР кафедри будівельних матеріалів та виробів ХДТУБА
на 1995-2000 рр. “Дослідження штучних будівельних конгломератів з метою
оптимізації їх властивостей”, затвердженої рішенням Науково-експертної
ради ХДТУБА за спеціальністю “Будівництво” “Встановлення закономірностей
синтезу заданих властивостей будівельних матеріалів” (протокол № 11 від
01.12.1994 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є економія
паливно-енергетичних ресурсів та конкурентоздатність продукції при
розробці цементно-піщаних бетонів та виробів з них, отримуваних
напівсухим пресуванням без тепловологової обробки. Для досягнення
поставленої мети сформульовані такі задачі:

— вибір методик дослідження електроповерхневих та інших властивостей
складових цементно-піщаного бетону;

— дослідження електроповерхневих властивостей та їх впливу на міцність
одразу після формування та швидкість зростання міцності при природному
твердінні;

— обгрунтування і вибір додатків, що підвищують міцність одразу після
пресування та прискорюють природне твердіння;

— оптимізація складу для отримання цементно-піщаних дрібноштучних
виробів;

— виготовлення дослідно-промислової партії виробів і дослідження їх
властивостей.

Наукова новизна отриманих результатів:

— відомі дані про інтегральні негативні знаки поверхневих зарядів кварцу
та портландцементу і позитивних — кальциту та гіпсу, підтверджені за
допомогою оцінки знаку поверхневого заряду в електричному полі
та дос-

лідження їх кислотно-основних властивостей за адсорбцією кольорних
індикаторів;

— за допомогою термодинамічних розрахунків та фізико-хімічних досліджень
встановлено, що додаток сульфату алюмінію у портландцементну систему, що
містить напівгідрат сульфату кальцію, може призводити до утворення
додаткової кількості алюмінатних продуктів гідратації, при цьому при
додаванні тільки сульфату алюмінію можуть створюватися як
кристалогідратні продукти гідратації – гідросульфоалюмінатні і
гідроалюмінатні, так і гель гідроксиду алюмінію, а при спільному
додаванні сульфату алюмінію та гідроксиду натрію утворюються здебільшого
кристалогідратні продукти в період до кінця утворення структури, що
склалася.

— встановлено, що мінеральний додаток двогідрату сульфату кальцію
підвищує міцність цементно-піщаного бетону одразу після формування, а
хімічний додаток сульфату алюмінію та гідроксиду натрію прискорює процес
набору їх міцності.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці
цементно-піщаних бетонів, що дозволять знизити енерговитрати на
виробництво дрібноштучних цементно-піщаних виробів, знизити їх
собівартість та підвищити конкурентоздатність. Практична значущість
підтверджена виготовленням дослідно-промислової партії цементно-піщаної
цегли на АТ “Завод ЗБК” (колишньому Харківському ЗЗБК-3) та її
використанням за призначенням.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримані
здобувачем самостійно: огляд та аналіз літературних джерел, розробка
методик досліджень, проведення експериментальних досліджень та аналіз їх
результатів, впровадження результатів досліджень у виробництво.
Особистий внесок в зроблені у співавторстві публікації наведений після
списку опублікованих робіт на стор.15.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень
доповідалися на 51-54 науково-технічних конференціях Харківського
державного технічного університету будівництва та архітектури у
1996-1999 рр., а також на II Міжнародній конференції “Розвиток технічної
хімії в Україні”, проведеної Українським хімічним товариством і
Харківською державною академією залізничного транспорту в 1997 р. у
Харкові.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковане 10
друкованих праць [1-10], у тому числі 5 — в наукових збірках, що входять
до переліку ВАК [5;6;7;9;10] та одержаний патент України на винахід
[11].

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яті
роз-ділів, загальних висновків, списку літератури з 127 найменувань,
трьох додатків та містить 110 сторінок друкованого тексту, 24 рисунки і
26 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми та її значущість,
наведено підстави та вихідні дані для розробки теми, виконано
обгрунтування необхідності проведення досліджень, подано загальну
характеристику дисертації.

У першому розділі виконаний аналітичний огляд досліджень, спрямованих на
отримання дрібнозернистих і цементно-піщаних бетонів з певними
властивостями.

Виконаний аналіз уявлень про твердіння цементу і бетону та управління їх
властивостями, викладених у роботах П.О.Ребіндера, П.П.Буднікова,
О.В.Волженського, В.І.Бабушкіна, О.П.Мчедлова-Петросяна, Ю.М.Баженова,
А.М.Плугіна та інших авторів.

Розглянута роль поверхневих та електроповерхневих властивостей і
взаємодій, зумовлених наявністю поверхневого заряду у дисперсних часток,
що складають структуру в’яжучого при твердінні. У зв’язку з цим
проаналізовані роботи Й.М.Ахвердова, Є.І.Ведя, В.І.Бабушкіна,
А.М.Плугіна, В.А.Матвієнка та ін.

Встановлено, що структура і властивості цементного каменю формуються
внаслідок утворення і розвитку контактів між частками – від
коагуляційних крізь тонкі водні прошарки до кристалізаційних – точкових
і фазових (П.О.Ребіндер). Перехід контактів від коагуляційних до
кристалізаційних здійснюється внаслідок створення стиснених умов
(М.М.Сичов).

Важлива роль у формуванні властивостей цементного каменю і бетону
належить електрогетерогенним контактам між частками з різнойменними
поверхневими зарядами (А.М.Плугін). Електрогетерогенні контакти є
міцними навіть через тонкі водні прошарки та сприяють швидкому утворенню
кристалізаційних контактів. Електрогомогенні контакти між частками з
однойменно зарядженими поверхнями перетворюються у кристалізаційні
значно важче, переборюючи потенційний бар’єр.

Встановлено, що перспективним напрямком регулювання властивостей
цементних матеріалів є врахування знаку поверхневого заряду та
дисперсності часток (В.І.Бабушкін, В.А.Матвієнко, А.М.Плугін, М.М.Сичов,
Л.Б. Сватовська, П.Г.Комохов, Н.М.Шангіна, Ч.К.Тахіров). При цьому одним
з технологічно можливих способів регулювання властивостями є
перезарядження поверхні заповнювачів за допомогою додатку електролітів
(О.Г. Ольгінський, Ю.О.Спірін).

Проаналізовані об’ємні зміни як результат розклинюючої дії осмотичного
тиску, посиленого електроповерхневими явищами у колоїдних гідратних
новоутвореннях (В.І.Бабушкін, С.П.Новікова, В.І.Кондращенко).

Означені напрямки лягли в основу цих досліджень, дозволили сформулювати
робочу гіпотезу і задачі досліджень.

Як робочу гіпотезу висунуто припущення про можливість підвищення
міцності цементно-піщаного бетону одразу після пресування та прискорення
його природного твердіння за рахунок введення комплексу мінеральних та
хімічних додатків, що забезпечують на всіх стадіях твердіння оптимальне
кількісне співвідношення між позитивно та негативно зарядженими
поверхнями часток заповнювачів, в’яжучого і продуктів гідратації в
об’ємі бетону.

У другому розділі здійснений вибір матеріалів і методів досліджень.
Об’єктом досліджень є цементно-піщаний бетон та його складові — пісок,
портландцемент і продукти його гідратації, вода, мінеральні та хімічні
додатки. У дослідженнях використовували стандартні пісок кварцовий з
модулем крупності 1,31 і портландцемент марки 400. Як мінеральний
додаток, що підвищує міцність бетону відразу після пресування,
використали напівгідрат сульфату кальцію у вигляді гіпсу будівельного
марки Г-3, частки якого і продукти його гідратації мають позитивний
поверхневий заряд. Як хімічні додатки, що прискорюють природне
твердіння, використали сульфат алюмінію та гідроксид натрію.

Дослідження виконували за допомогою стандартних і оригінальних методик.
Електроповерхневі властивості дисперсних матеріалів визначали за
допомогою електромагнітного поля та із застосуванням
адсорбційно-індикаторного методу. Продукти гідратації цементу з
мінеральним та хімічними додатками досліджували за допомогою
термодинамічного аналізу і фізико-хімічних досліджень – інфрачервоної
спектроскопії та рентгенівської дифрактометрії. Зразки та вироби з
цементно-піщаного бетону виробляли напівсухим пресуванням і піддавали
природному твердінню. Фізико-механічні та гидрофізичні властивості
цементно-піщаного бетону досліджували у відповідності зі стандартними
методами випробувань. Оптимізацію складу бетону виконували методом
математичного планування експерименту. Всі одержані результати піддавали
статистичному аналізу.

У третьому розділі надано теоретичне обгрунтування одержання
цементно-піщаного бетону та виробів з нього напівсухим пресуванням без
тепловологової обробки.

Цементно-піщаний бетон подано у вигляді матричного композиту із
багаторівневою структурою. На мезорівні матрицею є цементний камінь,
наповнювачем – зерна піску, на мікрорівні матрицею є продукти гідратації
цементу, наповнювачем – клінкерні релікти, на субмікрорівні матрицею є
гідросилікатний гель, наповнювачем – кристалогідрати. Міцність бетону
залежить від міцності матриці та міцності її зчеплення із наповнювачем
на кожному рівні структури. У кінцевому рахунку міцність визначається
кількістю в одиниці перерізу електрогетерогенних контактів між
кристалогідратними продуктами гідратації, що мають позитивний
поверхневий заряд –

портландитом, етрінгітом, і зернами кварцового піску, клінкерними
реліктами та гідросилікатним гелем, що мають негативний поверхневий
заряд.

Запропоновано управляти властивостями цементно-піщаного бетону
окремо за рівнями, оптимізуючи склад з метою одержання заданої
пористості (середньої густини) та максимальної міцності. Задана
пористість забезпечується на мезорівні призначенням оптимального
відношення витрати піску до витрати цементу, максимальна міцність – на
мікро- та субмікрорівні призначенням оптимальних значень водоцементного
відношення і витрат мінерального та хімічних додатків. Оптимальні
значення В/Ц і витрат додатків забезпечують оптимальне кількісне
співвідношення між різнойменно поверхнево зарядженими фазами та
максимальну кількість електрогетерогенних контактів.

Обгрунтовано вибір мінерального додатку — напівводного гіпсу, і хімічних
додатків – сульфату алюмінію та гідроксиду натрію.

Мінеральний додаток напівводного гіпсу збільшує вміст часток із
позитивним поверхневим зарядом у бетонній суміші, що призводить до
утворення деякої кількості електрогетерогенних контактів одразу після
замішування і формування.

Виконані розрахунки взаємодій між частками портландцементних систем у
відповідності з уявленнями А.М.Плугіна та теорією стійкості дисперсних
систем ДЛФО. За цією теорією енергія взаємодії між частками визначається
двома основними складовими – молекулярною і електростатичною.
Підставлення значень електроповерхневого потенціалу гіпсу і
характеристик електроліту цементних систем у математичні вирази теорії
ДЛФО дає таку залежність енергії взаємодії поверхонь двох часток гіпсу U
від відстані між ними x, м (товщини прошарку електроліту):

, Дж/м2 (1)

Аналогічні вирази отримані і для інших часток цементних систем.
Встановлено, що при взаємодії часток гіпсу енергетичний бар’єр відсутній
і енергія їх притягання у порівнянні з іншими частками портландцементних
систем максимальна (рис.1). Це зумовлює те, що міцність
електрогомогенних контактів між частками гіпсу у порівнянні з іншими
частками також максимальна. Викладене обумовлює вибір напівводного гіпсу
як мінерального додатку, що підвищує міцність бетону одразу після
формування.

Хімічні додатки сульфату алюмінію та гідроксиду натрію призводять до
утворення на ранніх стадіях твердіння додаткової кількості
гідросульфоалюмінату кальцію, що має позитивний поверхневий заряд. Це
обумовлює збільшення на ранніх стадіях кількості електрогетерогенних
контактів і прискорення набору міцності.

Виконані термодинамічні розрахунки іонних рівноваг у системах
Ca(OH)2 — H2O, Al(OH)3 — H2O, CaSO4 — H2O показали можливість утворення
гідросульфоалюмінату кальцію при введенні додатків Al2(SO4)3 і NaOH. При
цьому встановлено, що додаток тільки Al2(SO4)3 призводить до утворення
гелю Al(OH)3. Для утворення гідросульфоалюмінату кальцію необхідним є
переведення іону Al3+ у іон Al(OH)4-, що досягається при введенні NaOH
або КОН.

Рис. 1. Залежність енергії взаємодії U поверхонь часток

різних речовин від відстані х між ними

Обгрунтоване застосування адсорбції кольорних індикаторів для оцінки
поверхневого заряду дисперсних матеріалів. За допомогою кольорних
індикаторів визначають концентрацію у дисперсних матеріалах поверхневих
активних центрів – кислих, помірно кислих, слабокислих та лужних, які є,
відповідно, льюісівськими основними та бренстедівськими кислими,
нейтральними та основними. Схема таких центрів на поверхні кремнезему за
А.П.Нечипоренком наведена на рис.2.

Рис.2. Схема активних центрів на поверхні кремнезему:

I — основних льюісівських (кислих); II — кислотних бренстедівських

(помірно кислих); III — нейтральних бренстедівських (слабокислих);

IV — основних бренстедівських (лужних)

Як видно з рис.2, основні льюісівські та кислотні бренстедівські центри
утворюються в місцях виходу на поверхню вершин кремнійкисневих
тетраедрів (І та ІІ на рис. 2). Нейтральні бренстедівські центри — на
ребрах (ІІІ на рис. 2), а основні бренстедівські — на гранях (IV на
рис.2) тетраедрів, що виходять на поверхню. Оскільки в оксидах
ковалентний зв’язок має ознаки й іонного, валентно ненасичені поверхневі
атоми О та Si можна уявити у вигляді координаційно ненасичених іонів О2–
та Si4+. На електричні властивості поверхні суттєвий вплив виявляє
чотирьохвалентний катіон Si4+. Цей вплив можна оцінити розрахунком
напруженості електричного поля у точці, що знаходиться над активним
центром на відстані від поверхні, на яку до неї може максимально
наблизитися іон кальцію — типовий протиіон для негативно заряджених
поверхонь у портландцементних системах (рис.3).

Рис. 3. Схема для розрахунку напруженості електричного поля над активним

центром: а – вільним основним льюісівським; б – кислотним
бренстедівським

Напруженість електричного поля над вільним основним льюісівським центром
(I) орієнтовно може бути прийнята рівною:

-1,73(1010 Н/Кл, (2)

а над кислотним бренстедівським центром (II) (або основним льюісівським
центром з адсорбованим водневим іоном, I):

+0,65(1010 Н/Кл, (3)

де е – елементарний заряд, 1,6(10-19 Кл; ( — відносна діелектрична
проникність дисперсійного середовища, 1 (для міжіонних взаємодій –
вакууму); (0- електрична стала, 8,85(10-12 Ф/м; rCa2+, rO2-, rSi4+, rOН-
— радіуси іонів,1,0(10-10; 1,4(10-10; 0,4(10-10; 1,53(10-10 м,
відповідно.

Аналогічні розрахунки для нейтральних (III) та основних бренстедівських
(IV) центрів дають негативні значення напруженості електричного поля.
Таким чином, розглянуті активні центри можна уявити у вигляді
зосереджених електричних зарядів на поверхні: вільні льюісівські
центри

на гідратованій поверхні: основні – з негативним знаком, кислі – з
позитивним знаком; на гідратованій поверхні: льюісівські основні (I) та
бренстедівські кислі (II) – з позитивним знаком, бренстедівські
нейтральні (III) та основні (IV) – з негативним знаком. Тобто поверхневі
активні центри, що визначаються за адсорбцією кольорних індикаторів, в
цементних системах є: кислі та помірно кислі — позитивними, слабокислі
та основні – негативними. Кількісне співвідношення означених центрів
визначає інтегральний поверхневий заряд часток дисперсного матеріалу.

Розроблена методика визначення складу цементно-піщаного бетону із
заданою густиною і максимальними міцністю одразу після формування та
швидкістю набору міцності. Методика включає експериментальне визначення
оптимальних значень В/Ц і витрат мінерального М/Ц та хімічних Х/Ц
додатків, що забезпечують максимальну міцність цементного каменю, а
після цього розрахунок складу на 1 м3 за формулами:

, (4)

де П, Ц, М, Х і В – витрати піску, цементу, мінеральної та хімічних
додатків і води, відповідно, кг на 1 м3 бетону; (спр і (нп – проектна
середня густина бетону і насипна густина піску, відповідно, кг/м3.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень,
спрямованих на отримання цементно-піщаних бетонів та виробів напівсухим
пресуванням без тепловологової обробки.

Виконані дослідження знаку поверхневого заряду складових
цементно-піщаного бетону в електричному полі. Підтверджене, що кварцовий
пісок і портландцемент мають інтегральний негативний поверхневий заряд,
а вапняк та гіпс – позитивний. Вперше експериментально встановлене, що
горіла земля, керамзитовий пил, паливний та ваграночний шлак мають
негативний поверхневий заряд, а шлак алюмінієвого литва – позитивний.

Отримані дані підтверджені дослідженням адсорбції кольорних індикаторів.
Встановлено, що у кварцовому піску та портландцементі переважають
основні активні центри, що є зосередженими електричними зарядами з
негативним знаком, а у гіпсі – кислі, з позитивним знаком. Стосовно до
конкретного складу бетону розрахована кількість негативно і позитивно
заряджених активних центрів у 1 м3 бетону з різним вмістом гіпсу.
Встановлена кореляційна залежність міцності бетону одразу після
формування від вмісту активних центрів, у відповідності з якою зі
зменшенням різниці між кількістю негативно і позитивно заряджених
активних центрів міцність зростає (рис.4), що обумовлене збільшенням
кількості електрогетерогенних контактів.

Рис. 4. Залежності об’ємних концентрацій позитивно та негативно
заряджених

активних центрів no+ і no-, відповідно, різниці між їх значеннями??nо та
міцності бетону при стиску одразу після формування R0, МПа, від вмісту
додатку гіпсу М/Ц,%

Виконано дослідження залежності міцності бетону одразу після формування
від вмісту різних мінеральних додатків (рис.5) та міцності від строку
твердіння при різному вмісті мінерального та хімічних додатків (рис.6).
Аналіз рис.5 і 6 підтверджує гіпотезу про найбільшу ефективність гіпсу
як мінерального додатку, що підвищує міцність бетону одразу після
формування (рис.5), і про прискорення твердіння за рахунок хімічних
додатків сульфату алюмінію та гідроксиду натрію (рис.6).

Рис. 5. Залежність міцності при стиску цементно-піщаного бетону одразу
після формування R0 від вмісту різних мінеральних додатків М/Ц

Рис. 6. Залежність міцності при стиску цементно-піщаного бетону R, МПа,

від часу твердіння (, діб, при різному вмісті мінерального додатку гіпсу
(відношення витрати гіпсу до витрати цементу вказане цифрою), без
хімічних додатків

чи з хімічними додатками сульфату алюмінію та гідроксиду натрію (+ХД)

Оптимальні значення витрат мінерального і хімічних додатків та В/Ц були
уточнені за допомогою математичного планування експерименту. В
результаті обробки експериментальних даних отримали моделі міцності
бетону одразу після формування R0, на третю R3 і на 28 добу твердіння
R28:

R0 = 6,3 +0,2×1 +0,4×2 – 0,02×3 – 0,08×4 – x12 – x22 – x32 – x42 –

– 0,1x1x2 + 0,08x1x3 + 0,2x1x4 + 0,4x2x3 – 0,2x2x4 – 0,2x3x4 ,
(5)

R3 = 113 — 6×1 + 16×2 + 4×3 – 2×12 + 7×22 – 9×32 – 17×42 —

— 2x1x2 + x1x3 + 7x2x3 – 7x2x4 + x3x4 ,
(6)

R28 = 182 – 13×1 +11×2 +2×3 +6×4 –20×12 +2×22 –22×32 –25×42 +

+ 3x1x2 + 3x1x3 – 3x1x4 + 23x2x3 – 15x2x4 – 5x3x4 , (7)

де x1 – витрата гіпсу М/Ц, % від маси цементу; x2 – відношення витрати
цементу до витрати піску Ц/П; x3 – водоцементне відношення В/Ц; x4 –
витрата хімічних додатків Х/Ц, % від маси цементу.

Моделі адекватні у границях значень: П/Ц- 4,8-6,7; В/Ц- 0,27-0,40; М/Ц —
0,025-0,15; Х/Ц — 0,0075-0,0225. Відповідні даним моделям залежності
міцності бетону від В/Ц, М/Ц та Х/Ц наведені на рис.7.

Аналіз отриманих залежностей показав, що максимальна міцність бетону
досягається при В/Ц=0,37, Г/Ц=0,15 і Х/Ц=0,015. Означені величини
використані при визначенні складу бетону за (4). Для виробничого
впровадження прийнятий склад: піску – 1525, цементу – 192,
гіпсу – 19, води – 71, хімічних додатків – 2,88 кг на 1 м3.
Для цього складу були отримані такі властивості бетону
і виробів: міцність при

стиску – 15 МПа, морозостійкість – 50 циклів, водопоглинання за масою –
9%, коефіцієнт розм’якшення – 0,98.

Дослідження усадки зразків показали, що бетон з мінеральною та хімічними
додатками піддається значно меншій усадці (0,01 мм/м на 28 добу
твердіння), ніж бездодатковий бетон (0,3 мм/м). Однак при введенні
тільки сульфату алюмінію без гідроксиду натрію відмічене збільшення
об’єму і розтріскування через 1,5 роки зберігання у змінному рівні води.

EMBED Excel.Sheet.8

Рис. 7. Залежність міцності цементно-піщаного бетону одразу після
формування R0, після 3 R3 і 28 діб R28 твердіння, кгс/см2: від
водоцементного відношення В/Ц при Ц/П=0,18, М/Ц=0,1, Х/Ц=1,5 %; від
витрати мінерального додатку гіпсу М/Ц, %, при Ц/П=0,18, В/Ц=0,37,
Х/Ц=1,5; від витрати хімічних додатків Х/Ц, %, при Ц/П=0,18, В/Ц=0,37,
М/Ц=0,1

Виконані фізико-хімічні дослідження продуктів гідратації цементу з
мінеральним додатком гіпсу та хімічними додатками сульфату алюмінію та
гідроксиду натрію. За допомогою аналізу інфрачервоних спектрів
поглинання і рентгенограм підтверджена гіпотеза про утворення гелю
гідроксиду алюмінію при введенні у бетон тільки сульфату алюмінію та про
утворення здебільшого гідросульфоалюмінату кальцію і відсутність
гідроксиду алюмінію при спільному введенні сульфату алюмінію та
гідроксиду натрію.

У п’ятому розділі наведені результати впровадження цементно-піщаного
бетону та дрібноштучних виробів з нього у виробничих умовах. Була
розроблена технологія виготовлення цегли на стандартному обладнанні з
виробництва силікатної цегли. Технологічна схема включає такі операції:
у змішувач подають поперед отдозовані воду й хімічні додатки, в іншому
змішувачі змішують сухі компоненти — пісок, цемент, гіпс будівельний. У
суху суміш подають воду замішування із додатками і виконують
перемішування готової суміші протягом 5 хвилин. Після цього суміш
перевантажують у мішалку преса, де її додатково перемішують, і подають у
прес-форми стола преса. Відпресовану цеглу-сирець знімають із пресу за
допомогою автоукладальника, включаючого механізм зйому,
конвейєр-накопичувач і візок переносу. Далі цеглу перевантажують на
вагонетки, що протягом від однієї доби до трьох діб (в залежності від
необхідної відпускної міцності) витримують у приміщенні чи під
полімерною плівкою.

Розроблена технологія була відлагоджена на АТ “Завод ЗБК” (колишньому
Харківському ЗЗБК-3) для формувальної суміші складу: піску — 1525,
портландцементу — 192, гіпсу будівельного — 19, води — 71, хімічного
додатку — 2,88 кг на 1 м3 суміші. В результаті відлагодження були
одержані такі технологічні параметри: глибина засипання суміші до
прес-форми: для одинарної цегли — 115, для потовщеної — 155 мм; тиск
пресування: для одинарної цегли — 25, для потовщеної — 35 МПа. Був
одержаний сирець зі стабільною міцністю одразу після формування 0,8 МПа,
що дозволяє застосовувати механічні пристрої для зняття цегли з пресу.
За геометричними розмірами сирець відповідає вимогам ГОСТ 379. Готова
цегла відповідала марці за міцностю — 150, марці за морозостійкістю –
50, мала водопоглинання понад 8 % і середню густину — 1800 кг/м3.
Розрахований за результатами відлагодження технології економічний ефект
від впровадження цементно-піщаної цегли склав 17,34 грн. на 1 тис.шт або
17340 грн. у рік при річному об’ємі продукції 1 млн.шт.

В АТ «Завод ЗБК» була випущена дослідно-промислова партія
цементно-піщаної потовщеної цегли в кількості 4000 шт. Ця партія цегли
була укладена в конструкцію стрічкуватого фундамента
будинку столяр-

ного цеху, який зводиться. За фундаментом встановлене спостереження.
Протягом одного року видимих змін не відзначалося.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що звичайний цементно-піщаний бетон, що формується
напівсухим пресуванням, не забезпечує необхідної міцності сирця через
недостатню міцність контактів між зернами кварцового піску і частками
портландцементу та продуктів його гідратації. Для рішення цієї проблеми
запропоновано застосувати новий підхід, оснований на врахуванні
колоїдно-хімічних явищ у системі в’яжуче-заповнювач.

2. Методами адсорбції кольорних індикаторів і дослідження в електричному
полі підтверджено, що частки кварцового піску, портландцементу та
гелевої складової цементного каменю мають сумарний негативний
поверхневий заряд, а частки гідроксиду кальцію, напівводного і
двоводного гіпсу та карбонату кальцію – позитивний. Вперше отримані
експериментальні дані про позитивний поверхневий заряд часток шлаку
алюмінієвого лиття і негативний – горілої землі, керамзитового пилу,
паливного та ваграночного шлаків.

3. Встановлено, що при введенні у цементно-піщаний бетон мінеральних
додатків, частки яких мають позитивний поверхневий заряд, відбувається
зменшення різниці між об’ємними концентраціями позитивно і негативно
заряджених активних центрів на поверхнях у всіх компонентів. Це зумовлює
виникнення електрогетерогенних контактів і підвищення міцності бетону
одразу після пресування.

4. Найбільш ефективним додатком для підвищення міцності
цементно-піщаного бетону одразу після пресування виявлений напівводний
гіпс, 5% якого від маси цементу підвищують міцність у три рази, а 15-20%
— у 8 разів (до 0,8 МПа). Це пояснюється тим, що електрогомогенні
контакти між частками гіпсу за рахунок відсутності енергетичного бар’єру
найбільш тривкі у порівнянні з іншими частками цементних систем.

5. За допомогою термодинамічних розрахунків іонних рівноваг у системах
цемент-вода обгрунтована необхідність модифікування додатку в бетон
сульфату алюмінію гідроксидом натрію чи калію (до рН понад 10), що
пов’язане з необхідністю переведення іону алюмінію, що уводиться, у іон
Al(OH) 41 -.

6. За допомогою термодинамічних розрахунків, а також аналізу
інфрачервоних спектрів поглинання та рентгенівських дифрактограм
встановлено, що у портландцементних системах при введенні сульфату
алюмінію та гідроксиду натрію, на ранніх стадіях твердіння утворюється
додаткова кількість гідросульфоалюмінату кальцію, що суттєво прискорює
природне твердіння за рахунок утворення електрогетерогенних контактів на
більш ранніх стадіях твердіння. При цьому при додаванні сульфату
алюмінію без

гідроксиду натрію можуть створюватися як кристалогідраті продукти
гідратації — гідросульфоалюмінати та гідроалюмінати кальцію, так і гель
гідро-

ксиду алюмінію, що небажано, а при їх спільному додаванні утворюються
здебільшого кристалогідратні продукти.

7. Встановлено, що максимальне підвищення міцності цементно-піщаного
бетону одразу після пресування (до 0,8 МПа) і швидкості набору міцності
при природному твердінні (досягнення міцності при стиску: на 3 добу
твердіння (відпускної) – 12 МПа і на 28 добу — 18 МПа) забезпечують
оптимальні значення водоцементного відношення – 0,37, кількість
мінерального додатку напівводного гіпсу — 10% від маси цементу та
хімічних додатків сульфату алюмінію і гідроксиду натрію – до 1,5% від
маси цементу.

8. Розроблена методика визначення складу цементно-піщаного бетону із
заданою густиною та максимальною міцністю для отримання стінових виробів
напівсухим пресуванням без тепловологісної обробки. Рекомендовані склади
запатентовані (патент України № 25231А від 30.10.1998) і забезпечують
одержання цементно-піщаної цегли марки 100-150, яка відповідає вимогам
стандартів.

9. Розроблена технологія одержання цементно-піщаної цегли без
застосування тепловологової обробки.

10. Встановлено, що цементно-піщаний бетон із мінеральним додатком
напівводного гіпсу та хімічними додатками сульфату алюмінію та
гідроксиду натрію у меншому ступені піддається усадці, ніж
бездодатковий. Проте хімічний додаток тільки сульфату алюмінію може
призвести до розширення та розтріскування бетону і тільки додаток
сульфату алюмінію та гідроксиду натрію спільно не призводить до
розширення бетону в часі.

11. Встановлено, що цементно-піщаний бетон із додатками напівводного
гіпсу, сульфату алюмінію та гідроксиду натрію має марку з
морозостійкості 50, водопоглинання понад 8 % та є водостійким.

12. Розроблений склад цементно-піщаного бетону, з якого на АТ «Завод
ЗБК» випущена дослідно-промислова партія цегли у кількості 4 тис.шт.
Цеглу укладено в конструкцію стрічкуватого фундаменту будинку, що
зводиться. Економічний ефект від випуску цементно-піщаної цегли склав
для підприємства-виготівника 17,34 грн./тис.шт. або 17340 грн./рік.

Основні результати дисертації опубликовані у таких роботах:

1. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Жалкина С.З., Зеленский Д.Ю., Костюк
Т.А., Стародуб Т.К. Применение бетонных изделий кольцевого сечения в
индивидуальном строительстве // Капитальное строительство Министерства
обороны Украины. Бюллетень технической информации.- 1995.- №1.-С.17-19.

2. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Кострюков К.Б., Жалкина С.З., Зеленский
Д.Ю., Костюк Т.А. Изделия кольцевого сечения для транспортного

строительства // Межвуз. сб. науч. тр. «Создание новых композиционных
материалов и повышение эксплуатационной надежности и сроков службы
конструкций и сооружений на железнодорожном транспорте».- Харьков:
ХарГАЖТ, 1996.-Вып.26.-Т.2.-С.3-12.

3. Бабушкин В.И., Кондращенко Е.В., Костюк Т.А., Момот В.И.
Коллоидно-химические аспекты повышения активности цемента для получения
ячеистых и плотных бетонов и растворов без тепловой обработки // Цемент
України.- 1997.- №1. — С.20-24.

4. Бабушкин В.И., Костюк Т.А., Кондращенко Е.В. Роль
коллоидно-химических явлений в процессах формирования структурной и
конечной прочности цементно-песчаных прессованных изделий // Сборник
трудов по технической химии.- Киев: УкрХО, 1997.-С.264-267.

5. Бабушкин В.И., Костюк Т.А., Кондращенко Е.В., Салия Г.Ш.
Теоретические и прикладные аспекты обоснования способов повышения
прочности цементно-песчаных изделий на ранних стадиях твердения //
Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ, 1998.- Вип.2.-
С.10-16.

6. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Костюк Т.А. Особенности подбора состава
формовочной смеси для цементно-песчаных стеновых материалов заданной
плотности // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ,
1998.- Вип.4.- С.61-63.

7. Костюк Т.А. Особенности получения прессованных изделий из
цементно-песчаных бетонов по беспропарочной технологии // Науковий
вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ, 1998.- Вип.4.- С.63-65.

8. Особенности подбора состава формовочной смеси для цементно-песчаных
стеновых материалов заданной плотности / Бабушкин В.И., Плугин А.А.,
Костюк Т.А. // Информационный листок.- Харьков: ХАРПНТЭИ, 1998.-
№106-98.- 4 с.

9. Бабушкин В.И., Плугин А.А., Костюк Т.А., Матвиенко В.А. Влияние
активных поверхностных центров на прочность свежеотформованных
мелкозернистых бетонов // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА;
ХОТВ АБУ, 1998.- Вип.5.- С.85-88.

10. Бабушкин В.І., Плугін А.А., Костюк Т.О., Кондращенко О.В.
Фізи-ко-хімічні дослідження цементних композицій для безавтоклавних
виробів// Збірка наукових праць “Проблеми надійності та довговічності
інженерних споруд та будівель на залізничному транспорті”.- Харків:
ХарДАЗТ, 1999.- Вип.37. -С.53-59.

11. Цементно-піщана сировинна суміш напівсухого формування / Бабушкін
В.І., Костюк Т.О., Кондращенко О.В. // Патент України №
25231А.-Заявл.1997.- Опубл. 30.10.1998.

Особистий внесок пошукувача: у [2] – виконано експериментальні
дослідження впливу складу дрібнозернистого бетону на середню густину
і

водопоглинання бетонних виробів (15%); у [5] – виконано термодинамічні
розрахунки і проаналізовано їх результати (30%); у [6] – розроблено
порядок розрахунку складу цементно-піщаного бетону з мінеральним
додатком для виробів заданої густини, виконано експериментальні
дослідження впливу складу на середню густину і проаналізовано їх
результати (30%); у [9] – виконано експериментальні дослідження
електроповерхневих властивостей складових цементно-піщаного бетону за
допомогою адсорбції кольорних індикаторів і в електричному полі та
проаналізовано їх результати (25%), у [10] – проаналізовано
рентгенограми та інфрачервоні спектри поглинання зразків в’яжучого з
додатками (25%), в [11] – виконано експериментальні дослідження впливу
мінеральних та хімічних додатків на властивості виробів, розроблено
формулу винаходу (30%).

АНОТАЦІЯ

Костюк Тетяна Олександрівна. Цементно-піщані бетони та вироби,
отримувані напівсухим пресуванням без тепловологової обробки.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за
спеціальністю 05.23.05 — будівельні матеріали та вироби. Харківський
державний технічний університет будівництва та архітектури, 1999.

Робота присвячена розробці цементно-піщаного бетону з мінеральним та
хімічними додатками і технології виготовлення з нього дрібноштучних
стінових виробів. Мінеральний додаток напівводного гіпсу дозволив
підвищити міцність бетону одразу після формування та одержати вироби
напівсухим пресуванням, хімічні додатки сульфату алюмінію та гідроксиду
натрію – прискорити природне твердіння і відмовитися від тепловологової
обробки. Дослідження базуються на уявленнях про цементний камінь і бетон
як дисперсні системи, що мають електроповерхневі властивості. Міцність
таких систем визначається електрогетерогенними взаємодіями між
дисперсними частками. В результаті виконаних досліджень розроблений
спосіб визначення складу цементно-піщаного бетону із заданою густиною та
максимальною міцністю, розроблені склади бетону і технологія
виготовлення дрібноштучних стінових виробів, виготовлена
дослідно-промислова партія виробів.

Ключові слова: цементно-піщаний бетон, напівсухе пресування, дисперсна
система, електроповерхневі властивості, електрогетерогенні контакти

АННОТАЦИЯ

Костюк Татьяна Александровна. Цементно-песчаные бетоны и изделия,
получаемые полусухим прессованием без тепловлажностной обработки.-
Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по
специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. Харьковский
государственный технический университет строительства и архитектуры,
1999.

Работа посвящена разработке цементно-песчаного бетона с минеральной и
химическими добавками и технологии изготовления из него мелкоштучных
стеновых изделий. Минеральная добавка полуводного гипса позволила
повысить прочность бетона сразу после формования и получать изделия
полусухим прессованием, химические добавки сульфата алюминия и
гидроксида натрия – ускорить естественное твердение и отказаться от
тепловлажностной обработки. Это обусловило существенное снижение
металлоемкости и энергоемкости производства по сравнению с существующими
технологиями изготовления мелкоштучных стеновых изделий.

Исследования базировались на представлениях о цементном камне и бетоне
как дисперсных системах, обладающих электроповерхностными свойствами.
Прочность таких систем определяется электрогетерогенными контактами
между дисперсными частицами с разноименными поверхностными зарядами.

В результате анализа существующих представлений о твердении цемента и
бетона и экспериментальных данных установлено, что обычный
цементно-песчаный бетон, подвергнутый полусухому прессованию, не
обеспечивает требуемую в данной технологии прочность сразу после
формования. Это обусловлено недостаточной прочностью контактов между
зернами кварцевого песка и частицами портландцемента, имеющими
отрицательный поверхностный заряд. Для повышения прочности бетона сразу
после формования предложено вводить минеральные добавки, частицы которых
обладают положительным поверхностным зарядом.

С помощью исследования адсорбции цветовых индикаторов на активных
поверхностных центрах и исследований в электрическом поле подтверждено,
что частицы кварцевого песка, портландцемента и гелевой составляющей
цементного камня имеют суммарный отрицательный поверхностный заряд, а
частицы гидроксида кальция, полуводного и двуводного гипса и карбоната
кальция — положительный. Впервые получены экспериментальные данные о
положительном поверхностном заряде частиц шлака алюминиевого литья и
отрицательном – горелой земли, керамзитовой пыли, топливного и
ваграночного шлаков.

Установлено, что при введении в цементно-песчаный бетон минеральных
добавок, частицы которых имеют положительный поверхностный заряд,
происходит уменьшение разницы между объемными концентрациями
положительно и отрицательно заряженных активных центров на поверхностях
всех компонентов. Это обусловливает появление электрогетеро-

генных контактов и повышение прочности бетона сразу после
прессования.

Установлено, что наиболее эффективной из таких минеральных добавок
является полуводный гипс, 5 % которого от массы цемента повышают
прочность в три раза, а 15 % — в 8 раз (от 0,1 до 0,8 МПа). Это
объяснено тем, что электрогомогенные контакты между частицами гипса с
одинаковым поверхностным зарядом за счет отсутствия энергетического
барьера между ними наиболее прочны по сравнению с остальными частицами
цементных систем.

С помощью термодинамических расчетов ионных равновесий обоснована
необходимость модифицирования добавки сульфата алюминия (ускорителя
твердения) гидроксидом натрия или калия (до рН более 10), что связано с
необходимостью перевода иона алюминия, в ион Аl(OH)41-. С помощью
термодинамических расчетов, а также анализа инфракрасных спектров
поглощения и рентгеновских дифрактограмм установлено, что в
портландцементных системах при введении сульфата алюминия и гидроксида
натрия на ранних стадиях твердения образуется дополнительное количество
гидросульфоалюмината кальция, что существенно ускоряет естественное
твердение за счет более раннего образования электрогетерогенных
контактов. При введении сульфата алюминия без гидроксида натрия могут
образовываться как кристаллогидраты – гидросульфоалюминаты, так и гель
гидроксида алюминия, что нежелательно. При совместном введении сульфата
алюминия и гидроксида натрия образуются кристаллогидратные продукты.

В результате выполненных исследований разработан способ определения
состава цементно-песчаного бетона с заданной плотностью и максимальной
прочностью и морозостойкостью, разработаны составы бетона и технология
изготовления мелкоштучных стеновых изделий, изготовлена
опытно-промышленная партия изделий, дана экономическая оценка полученных
результатов.

Ключевые слова: цементно-песчаный бетон, полусухое прессование,
дисперсная система, электроповерхностные свойства, электрогетерогенные
контакты

THE SUMMARY

Kostyuk Tatyana A. The Cement-Sandy Concrete and Products Received by
Half-Dry Pressing without Steam of Processing.- The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the Candidate
of engineering science on a speciality 05.23.05 — building materials and
products. The Kharkov state technical university of construction and
architecture, 1999.

The work is devoted to development of cement-sandy concrete with mineral
and chemical additives, and technology of manufacturing from it fine
products

for walls. The mineral additive of half-water plaster has allowed to
increase strength of concrete at once ambassador pressing and to receive
products by half-dry pressing, chemical additives sulphate of aluminum
and hydroxide of sodium — to speed up natural hardening and to refuse
from steam of processing. The researches are based on representations
about cement stone and concrete as dispersed systems having
electrosurface properties. The strength of such systems is determined by
electroheterogeneous interactions between dispersed particles. As a
result of the executed researches the way of definition of structure of
cement-sandy concrete with given density both maximal strength, the
structures of concrete and technology of manufacturing fine products
for?????????????????????????????????????????????????????????????????????
?????????????????????????????????????????????????????†?

Підписано до друку 05.09.1999

Формат паперу 60(90 /16. Папір для копіювальних апаратів

Друк .На ризографі. Умовн.-друк.арк.1,0. Обл..-вид. арк.1,2

Замовлення № 217 Тираж 100 прим.

_______________________________________________________________

Видавничий центр Харківського державного технічного
університету будівництва та архітектури

(310002, Харків, вул. Сумська, 40 )

PAGE 2

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *