Geum.ru

Шлакощелочные вяжущие и бетоны с силикатными и алюмосиликатными минеральными добавками 05. 23. 05 Строительные материалы и изделия

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


В четвертой главе
В пятой главе
Бой керамического кирпича.
Подобный материал:
1   2   3   4   5

300

900

600

20-100 мкм

10-20 мкм

0-5 мкм

5-10 мкм


а) б)

Рис.4. Результаты лазерной диспергации шлака ОХМК при Sуд=300-900 м2/кг:

а) фракционный состав; б)дифференциальные кривые распределения




а) б) в)

Рис.5. Распределение частиц шлака ОХМК по размерам

при Sуд=300 м2/кг (а), 600 м2/кг (б), 900 м2/кг (в)


ром <5 мкм;

- установленной стандартами минимально допустимой Sуд шлаков – 300 м2/кг соответствует большое содержание частиц ~40% размером 20-100 мкм, создающих межзерновую пустотность;

- увеличение содержание частиц размером <5 мкм более 40% вызывает32,5-начало их агрегирования;

- рост прочности во времени обеспечивают частицы шлака размером 20-100 мкм;

- оптимальные структурные характеристики, высокие плотность упаковки зерен и прочность камня ШЩВ на основе нейтральных и слабокислых шлаках, в условиях твердения при ТВО и НВУ, равномерный и стабильный рост прочности во времени достигаются при измельчении шлаков до 600-700 м2/кг и следующем количественном соотношении фракций шлака: до 5 мкм ~ 46,2%; 5-20 мкм – 39,8-49,5%; 20-100 мкм – 15,1-19%.

Увеличение марочной прочности при увеличении Sуд до оптимальной растворов (ШЩР) составило М400–М500 на соде, М700-М1000 (шлак ЧМК) и М800-1100 (шлак ОХМК) на жидком стекле, бетонов (ШЩБ) М300-М500 (на соде), М600–М900 (шлак ЧМК) и М700-1000 (шлак ОХМК) на жидком стекле. Однако, с ростом Sуд с 300 до 600-700 м2/кг понижаются морозостойкость и водонепроницаемость ШЩБ в общих диапазонах от F600-800 до F400-500, W20-25 до W10-15. Полученные результаты по установлению взаимосвязи скорости твердения камня КШЩВ с размером зерна шлакового стекла, были использованы для разработки составов рядовых, высокопрочных, нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих шлакощелочных вяжущих, и их рациональных составов с минеральными добавками оптимальной микрогранулометрии при минимальных энергозатратах.

В четвертой главе приведены результаты исследований КШЩВ, растворов и бетонов, с кремнеземистыми минеральными добавками.

Кварцевый песок (КП) и отработанная формовочная смесь (ОФС).

В соответствии с принятой в работе классификацией КП и ОФС являются «физически» активными добавками. Результатами исследований влияния способа совмещения шлака с КП и ОФС, размалываемости компонентов и затрат на помол, выявлена целесообразность получения такого вида КШЩВ путем раздельного помола шлака с последующим тщательным перемешиванием. В исследованиях применялся шлак с Sуд 300 м2/кг и добавки с Sуд от 200 до 800 м2/кг. Водопотребность теста КШЩВ с введением добавок и увеличением их содержания значительно не увеличивается. Сроки схватывания КШЩВ при содержании добавок до 10-20% от массы вяжущего не изменяются, либо незначительно сокращаются, а при увеличении содержания до 60% - удлиняются в 2-3 раза. Плотность камня КШЩВ с введением добавок снижается до 8,1%, водопоглощение повышается до 28%.

Исследование влияния группы факторов на прочность камня КШЩВ с добавками молотых добавок КП и ОФС выявило, что незначительное повышение прочностных характеристик наблюдается с повышением температуры твердения образцов, заменой добавки КП на ОФС и увеличением основности шлака. Определяющей предельную концентрацию молотых «физически» активных добавок и формирование прочности камня КШЩВ является дисперсность добавки. Установлено, что активность молотых добавок в составе КШЩВ начинает проявляться при дисперсности, более чем в 1,6 раза превышающей Sуд шлака (рис.6). Это связано со структурообразующим и структурирующим влиянием частиц размером <5 мкм, содержание которых при измельчении КП и ОФС с 200 до 500 и 800 м2/кг увеличивается в 4,5 раза и составляет более 30%. Введение добавок с оптимальной дисперсностью прочности камня не повышает, но позволяет осуществить замену шлака до 50% («возможный» диапазон) с ее сохранением на уровне бездобавочного.


800 м2/кг

500

200

800

500

200


а) б)

Рис.6. Влияние содержания и дисперсности ОФС на прочность

камня КШЩВ (ОХМК, сода): а) в НВУ, б) после ТВО

Установлено, что энергозатраты на получение КШЩВ с более тонкодисперсной минеральной добавкой как минимум не превышают затрат на помол бездобавочного вяжущего, поскольку добавки имеют в 2-2,3 раза большую размалываемость.

Важным показателем эффективности использования минеральных добавок является их влияние на прочность вяжущих в длительные периоды твердения. Результаты исследований влияния добавок на развитие прочности во времени показали, что введение молотых добавок КП и ОФС снижают темпы нарастания прочности в первые 3-7 суток твердения на величину до 20%, к 28 сут КШЩВ практически сравниваются с контрольными (рис.7), а в более поздние сроки твердения по прочности превосходят их (рис.8). Прочность образцов КШЩВ с добавкой КП, прошедших ТВО, повысилась за год твердения на 24% (до 68,3 МПа), а бездобавочного вяжущего на 15%. Прочность вяжущего с добавкой КП, твердевшего в нормально-влажностных условиях (НВУ), повысилась с 51,2 до 75,5 МПа (на 47%), а бездобавочного на 33%. Прочность КШЩВ на основе шлака ОХМК с добавкой ОФС повышается за год на 24% после ТВО, и на 48% при твердении в НВУ. У образцов, изготовленных на шлаках меньшей основности прирост прочности незначительно выше.


1

2

3

0 10 20 28

Продолжительность

твердения, сут


Рис.7. Кинетика набора прочности Рис.8. Прирост прочности образцов камня ШЩВ

камня КШЩВ: 1 – КШЩВ с МК; и КШЩВ с на основе шлака ОХМК с кремнеземистыми

2 – ШЩВ; 3; КШЩВ с КП и ОФС добавками за период твердения до 1 года

На содовом затворителе с добавками молотых КП и ОФС до 50% получены на содовом затворителе КШЩВ марок 400, силикатном – марок 800, соответственно, бетоны классов В25 и 60. В присутствии добавок повышается модуль упругости ШЩБ на 25% снижается призменная прочность на 15-20%, морозостойкость с F600 до F400, водонепроницаемость с W20 до W6 ШЩБ, высолообразование остается на уровне бездобавочных составов.

Микрокремнезем. Малые добавки «химически» активного кремнезема в виде техногенного МК оказывают комплексное положительное воздействие на свойства теста, камня, растворов и бетонов на основе КШЩВ, заключающееся в пластифицирующем, упрочняющем с ранних сроков твердения, «связывающем» эффектах.

Водопотребность теста с добавками МК до 20% снижается с 24,9-25,8% до 18,7-19,4%, сокращение сроков схватывания составляет 1,3 – 2 раза.

Для химически активной добавки оптимальная концентрация и «упрочняющий» эффект добавки определяется условиями твердения, основностью шлака и временем предварительной выдержки образцов перед ТВО. При твердении в НВУ введение МК позволяет повысить прочность ШЩК на 37% при использовании шлака ОХМК и на 27% при использовании ЧМК (рис.9). При твердении в НВУ предельно допустимое содержание МК составило 7% при использовании шлака ОХМК и 5% - ЧМК.

При твердении образцов в условиях ТВО введение МК в ШЩВ позволяет повысить прочность камня (ШЩК) на 105% (до 115 МПа при содержа-

нии добавки 4%) при использовании шлака ОХМК.


При использовании шлака ЧМК прочность вяжущего повысилась на 60% (до 98 МПа) при содержании добавки 3%. Выявлено, что упрочняющее действие МК может использоваться для снижения содержания щелочного компонента при получении КШЩВ. Введение МК приводит к ускорению нарастания прочности ШЩК в НВУ в ранние сроки - на 105 и 50% на третьи и седьмые сутки твердения соответственно (рис.7).

Однако, со временем «упрочняющий» эффект снижается и при твердении до 1 года прирост прочности не превышает аналогичный показатель контрольных систем (рис.8).

На основе КШЩВ с добавками МК по-

лучены ШЩВ М500 и ШЩБ В30 при затво-





Рис.9. Влияние добавки МК на прочность

камня КШЩВ при твердении

в НВУ и после ТВО

рении щелочным компонентом – водным раствором соды. Установлено снижение содержание свободной щелочи на 25%, повышение модуля упругости ШЩБ до 26%, призменной прочности, морозостойкости F700 и сохранение на уровне контрольного водонепроницаемости ШЩБ W20.

В пятой главе приведены результаты исследований свойств КШЩВ, растворов и бетонов, с алюмосиликатными добавками – золой, боем керамического кирпича (БКК), цеолитсодержащими добавками (ЦСД).

Зола. Благодаря содержанию в составе как устойчивых, так и активных форм кремнезема, и возможности регулирования участия золы в формировании свойств КШЩВ диспергированием, зола в аспекте ее рассмотрения как добавки к ШЩВ представляет собой добавку полифункционального действия, имеющей резервы как «физической» так и «химической» активности. При ее введении обнаруживаются положительные эффекты, присущие полностью кристаллическим и аморфным формам кремнезема и описанные в четвертой главе. Кроме этого, ультракислое зольное стекло с размером частиц 10-100 мкм, обладая замедленной способностью гидратироваться в условиях высокощелочной среды по сравнению со шлаковым, служит дополнительным резервом образования продуктов реакции, обладающих вяжущими свойствами. Все это делает добавку золы инструментом управления свойствами КШЩВ более широкого спектра действия. КШЩВ получали раздельным помолом компонентов – шлака до Sуд 300 м2/кг, а золы от 200 до 800 м2/кг, с последующим тщательным смешением. Зола, также, как и КП и ОФС, по размалываемости превосходит шлак в 2-2,3 раза, что не увеличивает затрат не получение КШЩВ оптимальной дисперсности.

Введение молотой золы вызывает увеличение водопотребности до 9,6%, возрастающее с увеличением тонкости помола и концентрации добавки. Сроки схватывания теста КШЩВ с золой дисперсностью 200 м2/кг удлиняются до 1,5 раз, а при дисперсности добавки 500 и 800 м2/кг – до 3 и 4 раз соответственно.

Полифазный состав золы обуславливает зависимость ее активности в составе КШЩВ в равной степени как от дисперсности, так и условий твердения и основности шлака. Для КШЩВ с золой существует граница совместимости компонентов вяжущей системы – шлака и золы, определяемая основностью шлака, условиями твердения и размерами частиц добавки, критической концентрацией кремнезема в композиционных системах и его химическими преобразованиями. В отличие от наполнителей КП и ОФС зола проявляет физическую активность и при невысокой тонкости помола, в 1,5 раза меньшей, чем у шлака, но только при твердении в условиях повышенных температур (рис.10). При ТВО концентрация («возможная») золы при Sуд шлака 300 м2/кг и Sуд золы 200 м2/кг, при которой прочностные характеристики камня не уступают бездобавочным, может достигать 50% в зависимости от основности шлака. С увеличением Sуд золы до 500 и 800 м2/кг, сопровождаемого повышением содержания частиц размером 0-5 мкм до 30 и более процентов эффективность использования ее в составе КШЩВ.

Прирост прочности камня КШЩВ с добавками золы, молотой до Sуд 500-800 м2/кг, после ТВО, составляет 28-62% в зависимости от вида шлака, условий твердения и дисперсности добавки (рис.10). При увеличении Sуд золы с 200 до 800 м2/кг содержание частиц размером <5 мкм увеличивается в 5 раз Выявленный упрочняющий эффект тонкомолотой золы объясняется сходством механизмов действия МК и высокодисперсных частиц ультракислой золы <5 мкм при повышенных температурах с ШЩВ и продуктами его твердения. В диапазоне концентрации добавок 0-30% в зависимости от дисперсности золы и вида шлака плотность камня КШЩВ снижается на 2,9-4,8%, а водопоглощение повышается на 23-34,8%. Увеличение тонкости помола добавки с Sуд=200 м2/кг до 500 м2/кг оказывает большее влияние на активность золы, чем с Sуд=500 м2/кг до 800 м2/кг. Большие изменения при шаге Sуд 200-500 м2/кг происходят и в гранулометрическом составе шлаков. Более тонкое диспергирование золы более 800 м2/кг при уровне дисперсности шлака 300 м2/кг нецелесообразно. Следовательно, для получения КШЩВ на основе нейтрального и кислого шлаков в зависимости от желаемого результата от совмещения компонентов для повышения активности сверхкислой золы в условиях композиционного вяжущего ее достаточно размалывать до Sуд в 0,7-2,6 раза отличающейся от установленной нормативами дисперсности шлака.



а) б) в)

Рис.10. Влияние содержания и дисперсности золы на прочность КШЩВ: а) на шлаке ЧМК при твердении в НВУ; б) на шлаке ЧМК после ТВО; в) на шлаке ОХМК после ТВО

Сочетая в себе свойства наполнителя и активной добавки, зола образует диапазоны как «эффективного», так и «возможного» замещения шлака. Как следует из приведенных данных при твердении в условиях ТВО зола упрочняет вяжущую систему и до определенных пределов может служить заменителем части шлака в составе КШЩВ (табл.2).

Таблица 2

Диапазоны замещения шлака золой

Шлак
Условия твердения
Диапазоны замещения шлака золой

«возможный»
«эффективный»

ОХМК
НВУ
0 – 40-50% (зола Sуд=500-800 м2/кг)
0

ТВО
0 – 50% (зола Sуд=200 м2/кг)
0 – 30%

(зола Sуд=500-800 м2/кг)

ЧМК
НВУ
0 – 30% (зола Sуд=800м2/кг)
0

ТВО
0 – 30% (зола Sуд=200 м2/кг)
0 – 20-30%

(зола Sуд=500-800 м2/кг)


2

1

3

4

Результаты исследований влияния добавок золы на кинетику набора прочности камня КШЩВ до 28 сут показали, что в начальные сроки твердения зола замедляет темпы нарастания прочности образцов КШЩВ (рис.11). В дальнейшем прочность камня ШЩВ продолжает увеличиваться, образцы с добавкой в возрасте 1 года имеют прочность в 1,1-1,5 раза большую, чем бездобавочные. На основе разработанных вяжущих получены КШЩВ марок до М500 и ШЩБ классов до В30 с повышенными до 43% призменной прочности и 40% модулем упругости. Содержание свободной щелочи снижается на 8,5%. Бетоны на основе КШЩВ с добавкой золы незначительно уступают бездобавочным по морозостойкости и водонепроницаемости.



Рис.11. Кинетика набора прочности камня КШЩВ: 1 – ШЩВ; 2 - КШЩВ с 10% ЦСП, 3 – КШЩВ с 30% БКК;

4 – КШЩВ с 30% золы





Бой керамического кирпича. Исследования влияния способа совмещения компонентов КШЩВ с добавкой БКК выявили большую эффективность совместного помола, при котором образцы имеют большую плотность на 1,9% плотность и меньшее на 10,9% водопоглощение, большую прочность, увеличивается предельно возможная концентрация добавки в составе вяжущего с 20 до 60% (рис12). При энергозатратах, всего в 1,3 раза превышающих затраты на помол шлака до Sуд 300 м2/кг, введение 30% добавки БКК повышает Sуд КШЩВ до 600 м2/кг, а для получения КШЩВ с 30% БКК с Sуд 300 м2/кг энергозатраты в 1,7 раза меньше. Гранулометрический состав КШЩВ не имеет существенных отличий от шлака при равном уровне дисперсности (табл.3). Как и зола, БКК для ШЩВ – минеральная добавка полифункционального действия. Прослеживаются как общие стороны, так и различия во влиянии добавок БКК и золы на прочность камня КШЩВ, обусловленные меньшим содержанием аморфной фазы. Увеличение прочности с введением добавок составляет до 41% в зависимости от вида шлака, содержания добавки и условий твердения. Предельная концентрация БКК 60%, зависимости прочности от содержания БКК не имеют резких спадов, присущих аналогичным закономерностям, полученным для золы, а прочность модифицированной системы с БКК ниже до 33% ниже, чем с золой. Для КШЩВ характерна меньшая зависимость свойств от температуры твердения и вида шлака, чем для золы. Высокое содержание кристаллической фазы не ограничивает выбор щелочного компонента, возможна активация КШЩВ как силикатными, так и несиликатными щелочными затворителями. Необходимо отметить, что на положительные эффекты влияния добавки БКК, проявляемые пропорционально содержанию кристаллической и аморфной фазы (кристобалита, аморфизированного глинистого вещества), накладывается свойство- и структурообразующее влияние полевых шпатов, фрагментарно сходных с продуктами твердения ШЩВ и способных взаимодействовать с щелочами. Выявлено, что при содержании БКК 30% содержание свободной щелочи в теле камня КШЩВ снижается на 18,1%.

Зависимости прочности (рис.13), плотности и водопоглощения камня от Sуд КШЩВ в пределах 300-900 м2/кг, также как и бездобавочные (рис.2 а, 2 б) имеют экстремальные значения в области 600-700 м2/кг.


2

1

4

3

300 400 500 600 700 800 900

Тонкость помола, м2/кг

90

150

120


Рис.12. Влияние способа совмещения Рис.13. Зависимости прочности с добавкой 30% БКК от Sуд

шлака и БКК на прочность камня КШЩВ вяжущего и условий твердения: 1 – ШЩВ (ТВО),

2 – КШЩВ(ТВО), 3 – ШЩВ(НВУ), 4 – КШЩВ(НВУ)


Таблица 3

Гранулометрический состав ШЩВ и КШЩВ в зависимости от Sуд и вида добавки и

энергозатраты на помол (усл.ед)



Распределение ШЩВ и КШЩВ по размерам













Вид вяжущего, Sуд
Шлак,

Sуд 300 м2/кг
КШЩВ (шлак+30%БКК),

Sуд 600 м2/кг
КШЩВ

(шлак+10% ЦСП),

Sуд 600 м2/кг
Шлак,

Sуд 600 м2/кг

Энергозатраты на помол, усл.ед.
1
1,3
1
3

П
прочных, быстро- и особобыстротвердеющих видов КШЩВ с пониженным высолообразованием - марок 500-1200, ШЩБ классами по прочности В25-70, марками по морозостойкости F300 до F800, по водонепроницаемости W10-W25.

Растворы и бетоны на КШЩВ с добавками БКК по декоративным характеристикам не отличаются от стеновых керамических изделий, совместный помол компонентов способствует равномерному распределению добавки и окрашиванию камня в объеме и на поверхности. Интенсивность цвета может регулироваться концентрацией добавки.


остроенная по полученному регрессионному уравнению номограмма (рис.14), показала, что наибольшие значения по прочности соответствуют составу при содержании добавки молотого БКК в количестве 28-33% от массы шлака и Sуд КШЩВ 600–700 м2/кг. Общий уровень средней плотности камня на основе КШЩВ ниже на 3,1-4,0%, а водопоглощения больше на 11,9-23,1%, чем на основе бездобавочного ШЩВ. Зависимости изменения свойств теста носят линейный характер, с увеличением содержания добавки и Sуд добавки водопотребность возрастает, сроки схватывания сокращаются. Возможность увеличения тонкости помола КШЩВ с БКК при небольших энергозатратах, упрочняющий и связывающий эффекты действия минеральных добавок, использованы для разработки композиционных рядовых, высоко-