ЛУЖНІ ЗОЛОВМІСНІ ЦЕМЕНТИ ТА БЕТОНИ НА ЇХ ОСНОВІ

Краткое содержание

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, наукову новизну, практичне значення та основні задачі, що розв’язані в роботі.

У першому розділі наведено огляд стану наукових розробок за темою та визначено теоретичні передумови напрямку досліджень.

Сучасні можливості розвитку будівництва вимагають пошуку нових будівельних матеріалів і технологій їх виробництва, які забезпечать екологічність, економічність, технологічність та довговічність, а також зниження енергоємності при виготовленні конструкцій різного функціонального призначення. Основні вітчизняні та закордонні технічні рішення в області проектування і виготовлення бетонних сумішей принципово не відрізняються; значна частина з них направлена на галузі виробництва монолітних бетонних та залізобетонних конструкцій, оскільки, як показує досвід, при певних умовах монолітний бетон за техніко-економічними показниками має суттєві переваги порівняно зі збірним бетоном.

На основі огляду інформаційних джерел було встановлено, що лужні цементи з використанням паливних зол та бетони на їх основі можуть задовольняти потребу в якісних будівельних матеріалах при мінімальних енергетичних та економічних витратах. Згідно робіт вітчизняних і закордонних вчених було встановлено вплив багатьох факторів на процеси гідратації, формування структури і властивостей штучного каменю на основі паливних зол.

Узагальнення інформації про вплив основності мінеральної складової та ролі добавок ПАР в лужноактивованих цементах на швидкість протікання процесів структуроутворення дозволили висунути наукову гіпотезу щодо можливості отримання лужних золовмісних цементів та бетонів з покращеними технологічними і будівельно-технічними властивостями за рахунок керування процесами структуроутворення на ранніх стадіях тверднення, шляхом оптимізації основності і композиційного складу цементу в системі «зола – кальційвміщуючий компонент – лужний компонент – добавка ПАР» та технології його виготовлення, яка передбачає окремий або сумісний помел всіх компонентів, а також використання лужного компонента і добавки ПАР у сухому стані з подальшим замішуванням водою. Внаслідок поступового розчинення лужного компонента та добавки ПАР буде уповільнюватись індукційний період гідратації цементу, що дозволить при введенні в цемент кальційвміщуючих компонентів регулювати набір ранньої міцності, який позитивно впливає на формування мікроструктури цементного каменя. Сумісна дія лужного компонента та водоредукуючої добавки буде забезпечувати направлений синтез низькоосновних гідросилікатних та гідроалюмосилікатних фаз, які будуть сприяти формуванню щільної однорідної мікроструктури цементного каменю. Застосування розробленого технологічного підходу дасть змогу отримувати лужні золовмісні цементи та бетони на їх основі, які будуть відрізнятись швидким набором ранньої міцності, підвищеною корозійною стійкістю і, відповідно, й довговічністю.

У другому розділі наведено характеристики використаних сировинних матеріалів та методів досліджень.

Для отримання лужних золовмісних цементів використовували паливні золи українських ТЕС (ДСТУ Б В. 2.7-211:2009, ДСТУ Б В. 2.7-205:2009) різного складу та походження: золи гідровидалення Бурштинської ТЕС, Трипільської ТЕС, Зміївської ТЕС, золу пневмовидалення Ладижинської ТЕС. Як лужні компоненти було обрано: технічну кальциновану соду (Na₂CO₃) (ГОСТ 5100); метасилікат натрію п'ятиводний (Na₂SiO₃·5Н₂О) (ТУ 2145-52257004-01-2002). Як кальційвміщуючі компоненти використано: портландцементний клінкер
(ТУ УБ.7.00030937.12-98 (м. Здолбунів)), портландцемент ПЦ І-500 (бездобавочний) за ДСТУ Б В. 2.7-46:2010, виробництва ПАТ «Волинь-Цемент» (м. Здолбунів)
(S_пит = 3500 см²/г); мелений гранульований доменний шлак (ГОСТ 3476) ПрАТ «ММК ім. Ілліча», з модулем основності М_о = 1,13 (S_пит = 4500 см²/г) та вмістом скловидної фази 53,55%. Для покращення технологічних характеристик використовували добавки лігносульфонатів натрію з показником рН = 8,25 та
рН = 9,9 (Китай), редиспергований порошок «Neolith P 6000» з рН = 6,5 (торгівельної марки «FAR SPA» (Італія)) та гідрофобізатор – стеарат кальцію ((С₁₇Н₃₅СОО)₂Са), (Іспанія)).

Для виготовлення бетонів на основі лужних золовмісних цементів як дрібний заповнювач використовували дніпровський кварцовий пісок з модулем крупності 1,2 (ДСТУ Б В. 2.7-32-95), як крупний заповнювач – щебінь гранітний фракцій 5…10 та 10…20 мм (ДСТУ Б В. 2.7-75-98).

Приготування в’яжучих речовин здійснювали окремим помелом всіх компонентів у кульовому млині або шляхом сумісного помелу. Ступінь диспергації перевіряли за величиною питомої поверхні на приладі Блейна за
ДСТУ EN 196-6:2007.

Ідентифікацію новоутворень та встановлення особливостей структуроутворення в композиціях на основі золи-винесення було виконано за допомогою рентгенофазового, диференційно-термічного аналізів, електронної мікроскопії та зондового аналізу, а тепловиділення визначали за допомогою адіабатичного калориметру.

Фізико-механічні властивості зразків-балочок 40 x 40 х 160 мм цементно-піщаного розчину та зразків-кубів 100 x 100 х 100 мм визначали згідно
ДСТУ Б В. 2.7-185:2009, ДСТУ Б В. 2.7-187:2009, ДСТУ Б В. 2.7-69-98 та ДСТУ
Б В. 2.7-96-2000 відповідно, корозійну стійкість – ДСТУ  Б ГОСТ 27677:2011, тепловиділення – ДСТУ Б В. 2.7-225:2009. Оцінка експлуатаційних властивостей розроблених складів бетонів проведена шляхом дослідження морозостійкості згідно ДСТУ Б В. 2.7-49-96.

У третьому розділі наведено результати досліджень взаємозв¢язку властивостей і процесів структуроутворення лужних золовмісних цементів у системі «зола – кальційвміщуючий компонент – лужний компонент – добавка ПАР». Лужний компонент і добавку – лігносульфонат натрію з рН = 8,25 вводили до складу цементної композиції у сухому стані, а як рідку фазу при гідратації цементів використовували воду.

З метою визначення впливу типу і основності кальційвміщуючого компонента на процеси гідратації та синтез властивостей цементних паст і цементно-піщаних розчинів було досліджено водопотребу цементів і розчинів, терміни тужавлення цементів і кінетики їх твердіння при використанні золи Ладижинської ТЕС, а в якості кальційвміщуючого компонента – портландцементного клінкеру, гранульованого доменного шлаку і суміші клінкеру та шлаку. Склади цементів та результати випробовувань наведено в таблиці 1.

Як видно з результатів досліджень, в межах розглянутих лужних цементних композицій практичний інтерес мають системи з використанням в якості кальційвміщуючого компонента портландцементного клінкеру і суміші клінкеру та шлаку. Це дозволяє отримувати цементи, в яких вміст золи Ладижинської ТЕС складає 60...80 % за масою, а міцнісні характеристики і строки тужавлення наближені до аналогічних показників портландцементу з вмістом портландцементного клінкеру 80 % за масою.

За даними рентгенофазового аналізу (РФА) (рис. 1, а), фазовий склад новоутворень розглянутих лужних цементних композицій на основі золи-винесення після 28-ми діб тверднення в нормальних умовах представлений переважно слабозакристалізованими низькоосновними гідросилікатами кальцію типу СSН (В) (d = 0,304; 0,276; 0,210; 0,184; 0,181; 0,168 нм), жисмондіном (Ca₂Al₂Si₂O₈·4H₂O)
(d = 0,188; 0,273; 0,274; 0,418 нм), пектолітом –  NaCa₂[Si₃O₈(OH)] (d = 0,290; 0,274; 0,192 нм) та негідратованими включеннями кварцу (d = 0,424; 0,334; 0,245; 0,212 нм) як складової золи-винесення.

Результати РФА підтверджені диференційно-термічним аналізом (ДТА)
(рис. 1, б). Так, для низькоосновних гідросилікатів на кривій ДТА відмічено ендоефекти в інтервалі температур t = 125...210 °С, t = 925...940 °С, а також екзоефект при t = 900...910 °С, які відповідають дегідратації низькоосновних гідросилікатів структури СSН (В) з різним ступенем кристалізації. Про наявність жисмондіну свідчить подвійний ендоефект в інтервалі температур 125...200 °С, а синтез пектоліту підтверджується наявністю подвійного ендоефекту при
t = 750...800 °С.

Слід також відмітити на кривих ДТА утворення невеликої кількості гідрогранатних фаз в системах з гранульованим шлаком (ендоефект при 410 °С), а наявність екзоефекту при t = 360...390 °С та ендоефекту при t = 750...800 °С свідчать про утворення комплексів лігносульфонату з Са(ОН)₂ та з [СО₃]^2-, що також підтверджується відсутністю на кривих РФА та ДТА ефектів, характерних для утворення СаСО₃.