сотрудник
Белгородская область, Россия
студент
студент
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Прикрепление профессионализма зодчего к проектированию изменило онтологию архитектуры: с ХV-го века её язык становится изображением, «склеенным» с формами строительного объекта. Дальнейшее развитие языка видоизменяет онтологические модели, абстрагированные от построечных форм зданий (категория «стиль» в эпоху модерна и категория «пространство» в современной архитектуре).
композитная форма, зодчество, графический язык
В настоящее время деятельность многих специалистов направлена на получение и применение высокопрочных бетонов. В ближайшем будущем планируется замещение обычных бетонов многокомпонентными высокопрочными бетонами. При получении таких бетонов актуальной проблемой является нахождение способов снижения расхода исходных материалов и стоимости проведения технологических работ, а так же эффективное применение промышленных отходов. Применение техногенных продуктов не только экономично, но так же позволяет улучшить эксплуатационные характеристики бетона. Таким образом, приоритетной задачей становится совершение состава и свойств порошковых бетонов, которые зависят от свойств компонентов бетонной смеси и водосодержания.
Ключевые слова: высокопрочные бетоны, порошковые бетоны, техногенное сырье.
Введение. Изучение высокопрочных порошковых бетонов, отличающихся от обычного повышенным содержанием цементного камня, меньшей крупностью зерен, многокомпонентностью состава, повышенной удельной поверхностью заполнителя, активно проводится с конца прошлого века. Начиная с 70-х годов, многие исследователи посвятили свои работы исследованию возможности использования для модификации бетона неорганических материалов, содержащих аморфный кремнезем. В этом отношении исследовали эффективность применения измельченных шлаков, золы-унос и других порошковых и пылевидных агрегатов, имеющих высокое содержание аморфного кремнезема [1].
Методология. Любое сырье перед применением в технологическом процессе проходит предварительную подготовку, либо селективный отбор, либо корректировку. Проблема селективного отбора и утилизации промышленных отходов имеет всеобщее значение. Ежегодно во всем мире и в нашей стране многотонные отходы твердых, жидких и газообразных веществ поступают в атмосферу и земную кору, нанося непоправимый ущерб природе. На пути к промышленной продукции сырье что-то теряет, часть его превращается в отходы. Подсчитано, что на современном уровне развития технологии до 10 % исходного сырья в конечном итоге уходит в отходы. Например, при добыче угля ежегодно на поверхность земли из недр поднимают около 1 млрд. м3 пустой породы и складируют в бесполезные пирамиды – терриконы. При этом впустую растрачиваются не только тысячи гектаров зачастую плодородных земель. Загрязняется атмосфера, терриконы «горят», ветер поднимает с их бесплодных склонов тучи пыли, небо застилает дым сотен тысяч труб от заводов, вода отравляется промышленными стоками, вырубаются миллионы деревьев [2].
Если проанализировать итоги развития российской экономики в последние годы, то становится очевидным, что механизм нерационального ресурсопотребления не только не остановлен, но и увеличил обороты, поскольку спад в выпуске продукции опережает сокращение потребления сырья и материалов. Вместе с тем прогресс науки и техники позволяет все более рационально использовать материальные ресурсы. Одним из важнейших направлений ресурсосберегающей деятельности является эффективное использование отходов производства. Среди различных факторов, определяющих их рациональное применение, важную роль играют организационные, в том числе система управления ресурсопотреблением, которой, к сожалению, лишь на немногих заводах уделяется внимание.
Проблема утилизации строительных отходов остро стоит во всем цивилизованном мире. По данным международной организации RILEM, в странах ЕС, США и Японии к 2000 г. ежегодный объем только бетонного лома должен составить более 360 млн. т. Начиная с 70-х годов во многих странах ведутся широкомасштабные исследования в области переработки бетонных и железобетонных отходов, изучения технико-экономических, социальных и экологических аспектов использования получаемых вторичных продуктов. По сведениям из иностранных источников энергозатраты при добыче природного щебня в 8 раз выше, чем при получении щебня из бетона, а себестоимость бетона, приготавливаемого на вторичном щебне, снижается на 25 %.
В строительной индустрии накоплен значительный положительный опыт использования вторичных продуктов в производстве вяжущих материалов, заполнителей для бетонов разных видов, керамических, автоклавных, теплоизоляционных и других строительных материалов и изделий. В то же время, отходы строительного производства представляют собой вторичное сырье, использование которого после переработки на вторичный щебень и песчано-гравийную смесь может снизить затраты на новое строительство объектов в городе и одновременно позволяет уменьшить нагрузку на городские полигоны, исключить образование несанкционированных свалок.
Существует множество способов управления формированием структуры материалов, что влечет за собой изменение свойств. Воздействие на материал должно быть эффективным и экономным и базироваться на научно обоснованных методах и рекомендациях. Получение изделий с высокими строительно-техническими характеристиками путем регулирования процессов структурообразования, является актуальной научной проблемой.
Для повышения эффективности порошкового бетона существенное значение имеет наиболее полное использование возможностей вяжущих веществ, создание оптимальной структуры искусственного камня в бетоне. Именно такой цели отвечают высокоактивные композиционные вяжущие. Композиционными вяжущими являются продукты механохимической активации в определенных условиях обычного портландцемента или вяжущего другого вида совместно с добавками-модификаторами, имеющими в своем составе компонент или компоненты, обеспечивающие водоредуцирующий эффект.
Высокопрочные модифицированные бетоны – это новый технический уровень стройиндустрии, иногда достигавшийся и у нас, но теперь настоятельно требующий широкого рассмотрения. В зарубежной технической литературе, широко освещается применение таких бетонов в современном строительстве: покрытия дорог, автострад; строительство мостов, тоннелей, высотных зданий, морских нефтяных платформ и др. [3–5].
Порошковый бетон представляет собой продукт механической и химической активности в регламентируемых условиях портландцемента или другого вяжущего с минеральными добавками и химическими модификаторами, содержащими снижающее В/Ц отношение. Основная область применения – ответственные конструкции жилого и промышленного назначения, предполагает решение целого комплекса проблем, связанных с производством заполнителей, вяжущих веществ, химических добавок. Развитие науки показывает, что в ближайшем будущем будет происходить постепенное замещение обычных бетонов многокомпонентными высокопрочными бетонами. Такие бетоны должны отвечать высоким требованиям по прочности, износостойкости, морозостойкости, коррозионной стойкости, истиранию, водопоглащению и др., а также иметь высокую плотность и прочность при малом объеме материала.
Порошковые бетоны содержат природный кварцевый песок, как заполнитель, в то время как вяжущее состоит из цемента, тонкомолотых каменных материалов, тонких фракций песка из отсевов, микрокремнезема, и обязательно органических добавок – суперпластификаторов и гиперпластификаторов. Все шире практикуется применение фибро- и тканеармирования, включая объемные тканые каркасы из стальных или полимерных нитей диаметром 10-30 мкм. В то же время в обычные щебеночные бетоны общего назначения вводят каменную муку из вскрышных и попутноизвлекаемых горных пород. Поэтому карьеры в перспективе могут оснащаться мощностями для производства каменной муки [6, 7].
Основная часть. Актуальной научной проблемой является экономное и эффективное применение минеральных компонентов, необходимых для создания композитов и изделий с требуемыми свойствами путем регулирования образования структуры. Наиболее полное использование возможностей вяжущего, создание оптимальной заданной структуры и требуемых свойств искусственного камня – все это необходимо для улучшения (повышения) эффективности порошкового бетона, в том числе и для декоративных целей [8–10].
С целью получения такого вида вяжущих был проведен ряд испытаний по следующей методике: разрабатывали вяжущие композиции с оптимальным соотношением гидравлического вяжущего (портландцемент или глиноземистый цемент) и минерального техногенного – более сложного, состоящего из нескольких компонентов (мрамор, кварц, цемянка (отходы керамического производства) и микрокремнезем). Далее все компоненты подлежали домолу до необходимой удельной поверхности 550 м2/кг.
Получение высокопрочных порошковых бетонов нового поколения в данное время сопряжено с применением сложных составов и компонентов с целью получения высококачественных бетонов различного функционального назначения. И выбора оптимального научного решения по утилизации отходов горнорудного производства. Для этого необходимо иметь сведения о характеристике объекта, как сырьевого ресурса (происхождении сырья, состава, наличии) и предполагаемых направлений использования. При этом технологические параметры приготовления бетона и изготовления изделий из него должны соответствовать основным технологическим принципам, установленным на основе анализа производственного опыта предприятий строительной отрасли, а так же использование результатов научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций.
Исследования высокопрочных бетонов показали высокую реакционно-химическую способность тонкомолотых известняков и дегидратированной глины, которые смешивали в количествах, определенных расчетом при изготовлении высокопрочных порошковых бетонов [11–12].
В ближайшем будущем будет расти тенденция к широкому применению высокопрочного порошкового бетона, отличие которого от обычного, заключается в повышенном содержании цементного камня, меньшей крупности зерен, повышенной удельной поверхности заполнителя. Отсюда большая зависимость прочности порошкового бетона от свойств заполнителя.
Формирование структуры бетона – сложный физико-химический процесс, развивающийся во времени. Кинетика структурообразования и превращение бетонной смеси в искусственный конгломерат определяется многими технологическими и физическими факторами. Поэтому прогнозирование параметров конечного состояния бетона, когда в основном завершены процессы структурообразования, всегда представляет собой сложную задачу. В зависимости от технологических и физических факторов изменяется не только кинетика процесса структурообразования, но и конечный результат этого процесса – параметры структуры и физико-механические свойства бетона. Поэтому решение проблемы получения бетона с заданными высокими физико-механическими свойствами связано, прежде всего, с созданием таких условий, когда процессом структурообразования можно эффективно управлять. В этом состоит главная цель технологии, и для ее достижения необходимо глубоко вникнуть в сущность явлений, происходящих в твердеющем бетоне, установить их роль и значение в формировании структуры бетона, как на микро, так и на макроуровне.
Установлено, что решающее влияние на свойства порошкового бетона оказывает количество и качество вяжущего в нем, а так же качество заполнителя и наполнителя (крупность зерен, гранулометрический состав, качество поверхности, пустотность, прочность).
Расход цемента, его вид и минералогический состав, водоцементное отношение, применение химических добавок – важные технологические факторы, влияющие на процесс структурообразования. Влияние химических добавок, вводимых в состав бетонной смеси, распространяется на все стадии технологической обработки бетонной смеси и структурообразование твердеющего бетона.
В качестве компонентов формовочной бетонной смеси использовали: заполнитель – гранитный щебень фракции 0,315–1,25 мм. В обычных бетонах прочность щебня должна превосходить прочность бетона не менее чем в 2 раза, а в высокопрочных же она должна быть, по крайней мере, не ниже прочности бетона. Прочность используемого щебня при дробимости в цилиндре составила 100 МПа. Песок применяли обычный кварцевый с Мк = 1,83. Применялся также микрокремнезем, как компонент композиционного вяжущего, а также высокоалюминатный глиноземиствый цемент и тонкоизмельченные отходы горнорудного производства. В качестве суперпластификатора применяли органическую добавку Мelflux 2651.
Испытания проводили на опытных образцах размером 40×40×40 мм, полученных уплотнением формовочной бетонной смеси осадкой конуса 14 см на лабораторной виброплощадке. Образцы выдерживали 28 суток в нормальных условиях
(t = 18±2 ºС, Р = 760 мм рт. ст., W= 100 %). Испытания прочностных характеристик проводили на гидравлическолм прессе, развивающем максимальную нагрузку 10 т.
Максимальные реологические и водоредуцирующие эффекты, обусловленные адсорбцией суперпластификатора на поверхности твердой фазы, генетически свойственные тонкодисперсным системам с высокой поверхностью раздела.
Результаты испытания бетонной смеси и высокопрочного бетона представлены в табл. 1.
Таблица 1
Состав и свойства мелкозернистого бетона
|
Цем-ент, кг/м3 |
Комп-лексная добавка из техноген-ных про-дуктов, кг/м3 |
Гранит-ный запол-нитель, кг/м3 |
Кварце-вый песок, кг/м3 |
Суперп-ластификатор, Мelflux 2651, кг/м3 |
Вода, л/м3 |
В/Ц |
Предел прочности при сжатии Rсж, МПа |
Призмен-ная проч-ность Rпр, МПа, |
Предел прочности при изгибе, Rиз, МПа |
|
700 |
– |
1850 |
340 |
– |
320 |
0,46 |
41,4 |
26,4 |
12,1 |
|
6,25 |
250 |
0,36 |
66,2 |
54,1 |
15,6 |
||||
|
6,25 |
66,5 |
54,3 |
15,7 |
||||||
|
86 |
1840 |
340 |
– |
245 |
0,35 |
40,6 |
21,2 |
11,9 |
|
|
80 |
1400 |
330 |
– |
153 |
0,45 |
44,1 |
22,5 |
10,8 |
|
|
82 |
1380 |
320 |
6,00 |
190 |
0,38 |
49,2 |
28,5 |
12,2 |
|
|
84 |
1340 |
310 |
6,52 |
216 |
0,36 |
53,6 |
42,2 |
13,4 |
|
|
85 |
1280 |
300 |
6,64 |
221 |
0,34 |
65,0 |
51,4 |
14,1 |
|
|
86 |
1240 |
295 |
6,40 |
224 |
0,32 |
71,2 |
57,2 |
16,0 |
Установлено, что образцы порошкового бетона за счет плотной упаковки входящих в него частиц и полноте протекающих реакций имеет предел прочности при сжатии выше 70 МПа. Применение композиционной добавки к вяжущему из техногенных продуктов, позволило не только сократить расход клинкера, но и улучшить эксплуатационные характеристики бетона. Так, при расходе цемента 700 кг/м3 (экономия цемента 100 кг/м3) получена прочность при сжатии 71,2 МПа, т.е. на 7,5 % выше, чем при использовании цемента без добавки и на 44,8 % выше, чем без добавки и суперпластификатора.
Оптимальный состав мелкозернистого бетона получен на заполнителе с высокоплотной упаковкой при расходе вяжущего 700 кг/м3, комплексной добавки – 86 кг/м3. Точный расход материалов на 1 м3 высокопрочного состава является предметом НОУ-ХАУ.
В данном эксперименте прочность бетона в возрасте 14 суток составила 85 % от прочности в возрасте 28 суток, т.е. скорость набора прочности образцами была значительно выше, чем обычного бетона в нормальных условиях. Характер разрушения бетона позволяет сделать вывод о том, что прочность цементной матрицы примерно такая же, как и прочность гранитного щебня – трещины проходят и по контактной зоне и по зернам щебня. Состав высокопрочного бетона и его строительно-технические характеристики представлены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Состав бетонной смеси высокопрочного бетона
|
Состав бетонной смеси, кг/м3 |
Подвижность, ОК, см |
В/Ц |
Средняя плотность, ρ, кг/м3 |
|||||
|
Цемент |
Суперпластифи-катор, Мelflux 2651, кг |
Песок |
Щебень |
Отход пр-ва |
Вода |
|||
|
650 |
6,3 |
700 |
1000 |
84,0 |
182,0 |
18,0 |
0,26 |
2451 |
|
6,5 |
720 |
1050 |
86,4 |
194,4 |
19,0 |
0,27 |
2467 |
|
|
6,6 |
730 |
1070 |
87,6 |
200,8 |
19,5 |
0,275 |
2473 |
|
Таким образом, в исследованиях была расширена группа дисперсных наполнителей многокомпонентного вяжущего техногенного происхождения и предложено использовать вторичное сырье керамического производства. Указанные сырьевые ресурсы в результате предшествующего процесса обжига содержат в своем составе муллитоподобные алюмосиликаты кальция или их смесь с дисперсным кварцем, представляющие собой готовые центры кристаллизации при твердении цемента. Высокопрочный состав получали модифицированием комплексной органоминеральной добавкой, состоящей из суперпластификатора и тонкомолотого минерального компонента.
В результате проведенных работ получены новые данные по изучению и разработке составов и технологии применения высокопрочных композиций. Главной задачей, которая решалась в этом направлении, – нахождение способов снижения расхода исходных материалов и стоимости проведения технологических работ.
Таблица 3
Физико-технические свойства порошкового бетона
|
№ п/п |
Наименование свойств |
Показатели |
|
1 |
Плотность, кг/м3 |
2450 |
|
2 |
Пористость, % |
4,5 |
|
3 |
Прочность при сжатии, МПа |
75,3 |
|
4 |
Прочность при изгибе, МПа |
15 |
|
5 |
Модуль упругости, МПа |
46 |
|
6 |
Коэффициент Пуассона |
0,25 |
|
7 |
Усадка, мм/м |
0,27 |
|
8 |
Водопоглощение, % |
1,9 |
|
9 |
Морозостойкость, F |
300 |
Также изучали на пробных составах возможность введение летучей золы, бальтовой, известняковая и кварцевая муки и других компонентов. Полученная высокая прочность обеспечивается в этом случае наличием не только микрокремнезема или дегидратированной глины, но и реакционно-активного порошка из молотой горной породы. Получение высокопрочных порошковых бетонов на техногенном сырье вполне возможно со значительным технико-экономическом эффектом с учетом эффективности гидротермальной обработки и влияния составляющих на увеличение водовыделяющей (водоредуцирующей) способности формовочных смесей.
Выводы. Таким образом, в исследованиях была расширена группа дисперсных наполнителей многокомпонентного вяжущего техногенного происхождения и предложено использовать отходы керамического производства. Указанные отходы в результате предшествующего процесса обжига содержат в своем составе алюмосиликаты кальция или их смеси с дисперсным кварцем, представляющие собой готовые центры кристаллизации при твердении цемента. Высокопрочный состав получали модифицированием комплексной органоминеральной добавкой, состоящей из суперпластификатора и тонкомолотого минерального компонента.
В результате проведенных работ получены новые данные по изучению и разработке составов и технологии применения высокопрочных композиций. Главной задачей, которая решалась в этом направлении, – нахождение способов снижения расхода исходных материалов и стоимости проведения технологических работ.
1. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высокопрочные бетоны. М.: АСВ. 2007. 368 с.
2. Дворкин Л.И., Пашков И.А. Строительные материалы из отходов промышленности. Учебно-справочное пособие, К.: Вища школа, 2007.
3. Bornemann R., Fenling E. Ultrahochfester Beton-Entwicklung und Verhalten.// Leipziger Massivbauseminar, 2000, Bd. 10, S. 1-15.
4. Schmidt M. Bornemann R. Möglichkeiten und Crensen von Hochfester Beton // Proc. 14, Jbausil, 2000, Bd. 1/ Pp. 1083-1091.
5. Richard P., Cheurezy M. Composition of Reactive Powder Concrete. Scientific Division Bougies.// Cement and Concrete Research, Vol. 25. No. 7, 1995. Pp. 1501-1511.
6. Schmidt M., Bomeman R. Moglichkeiten und crenzen von Hoch- und Ultra –HochfestemBeton // Proc. 124IBAUSJL. 200.Bd. 1, Рp. 1083–1091.
7. Grübe P., Lemmer C., Rühl M. Vom Gussbeton zum Selbstverdichtenden //Beton. Рp. 243–249.
8. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Ковалева И.А. Органогенные высокопрочные композиции // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 5. С. 67-69.
9. Толстой А.Д. Штампованные высокопрочные порошковые декоративные бетоны // Наукоемкие технологии и инновации. Сборник докл. Юбилейной междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова. Ч.3. Белгород, 2014, C. 334–338.
10. 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.
11. 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.
12. Толстой А.Д., Ковалева И.А., Присяжнюк А.П., Воронов В.В., Баженова О.Г., Якимович И.В., Саридис Я.В. Эффективные порошковые композиции на техногенном сырье // «Современные строительные материалы, технологии и конструкции». Материалы междунар. научно-практ. конф., посвященой 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикохва». Т. 1, Грозный, 2015, С. 406–411.
