КОМПОЗИЦІЙНІ В’ЯЖУЧІ, БЕТОНИ І РОЗЧИНИ З ВИКОРИСТАННЯМ ПИЛУ-ВИНОСУ КЛІНКЕРОВИПАЛЮВАЛЬНИХ ПЕЧЕЙ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета та задачі досліджень, визначені об’єкт і предмет досліджень, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі приведений літературний аналіз особливостей структури та складу пилу-виносу клінкеровипалювальних печей, способів утилізації пилу у виробництві в’яжучих, бетонів і розчинів. Зокрема, проаналізовані результати досліджень композиції пил-доменний гранульований шлак і пил-шлак-гіпс (В. Д. Глуховський, Н. Л. Македон, Б. С. Баталін та ін.), досвід застосування пилу як самостійного в’яжучого, компоненту цементно-вапняних розчинів, дорожньо-будівельних матеріалів.

Проаналізовано можливість застосування дисперсних наповнювачів у складі композиційних в’яжучих низької водопотреби. Основні роботи в цьому напрямку виконані Ю. М. Баженовим, В. І. Батраковим, М. Т. Бабаєвим, В. М. Вировим,         Л. Й. Дворкіним, С. С. Капрієловим, М. А. Саницьким, Х.С. Соболь, В. І. Соломатовим та ін.

Розглянуто шляхи підвищення активності мінеральних наповнювачів цементних систем, в тому числі, за допомогою механо-хімічної обробки, ефективність введення добавок-суперпластифікаторів до композиційних в’яжучих, бетонів та розчинів.

Теоретичний аналіз і узагальнення результатів попередніх досліджень дозволяє сформулювати наукову гіпотезу, покладену в основу дисертаційної роботи. Вона полягає в наступному. Введення пилу-виносу, вловленого при випалі цементного клінкеру, як активного мінерального наповнювача в цементи, розчини і бетони, може забезпечити позитивний ефект в композиції з доменним гранульованим шлаком і в присутності добавки суперпластифікатора. При цьому такі домішки в пилові як луги, вільне вапно і сульфати повинні надавати активізуючий вплив на гідравлічну активність шлаку. Додаткове подрібнення цементу з добавкою суперпластифікатора і композиційним пилошлаковим наповнювачем сприятиме отриманню в’яжучого низької водопотреби і на його основі високоміцних високотехнологічних бетонів.

У другому розділі наведена загальна схема експериментальних досліджень, характеристика використаних матеріалів і застосованих методів досліджень.

Експериментальну частину роботи можна розбити на 4 блоки в залежності від об’єктів досліджень.

До першого блоку ввійшли дослідження реологічних та структурно-механічних властивостей водних пластифікованих паст на основі пилошлакових (ПШВ) і цементно-пилошлакових в’яжучих (ЦПШВ), особливостей їх гідратації та зростання міцності при твердінні. В другому блоці вивчені можливість отримання цементно-пилошлакових в’яжучих низької водопотреби, їхні властивості, а також властивості бетонних сумішей та бетонів на їхній основі.

Третій блок дисертаційної роботи присвячений дослідженню бетонних сумішей та бетонів на ЦПШВ низької водопотреби. На основі експериментально-статистичних моделей проаналізовано вплив факторів складу на рухомість бетонних сумішей, міцнісні та інші властивості бетонів.

В четвертому блоці роботи досліджені сухі модифіковані суміші на основі ЦПШВ, отриманого при змішуванні вихідних компонентів та суперпластифікуючої добавки.

Вивчено вплив основних факторів на властивості будівельних розчинів на основі сухих сумішей.

Основними вихідними матеріалами для проведення досліджень слугували портландцемент і пил-виносу обертових клінкеровипалювальних печей ПАТ «Волинь-цемент», доменний гранульований шлак Криворізького металургійного заводу. В якості добавок суперпластифікаторів застосовували добавку С-3 та «Sika VC 225». Як дрібний заповнювач для бетонних та сухих розчинових сумішей використовували дрібно- і середньозернистий кварцовий пісок. Крупним заповнювачем бетонних сумішей слугував гранітний щебінь фракції 5-20 мм.

У третьому розділі досліджено реологічні та структурно-механічні властивості водних паст в системах пил-шлак-суперпластифікатор (СП) і пил-шлак-цемент-СП.

Експериментально встановлено, що комбінування шлаку та пилу дозволяє значно пришвидшити строки тужавлення композицій на їх основі при сумісному помелі, що  свідчить про суттєву інтенсифікацію процесів структуроутворення при поєднанні цих двох речовин. Цей ефект можна пояснити комбінованою активізацією шлаку лугами, сульфатами, вільним вапном, що містяться в пилу.

Певний прискорюючий тужавлення ефект спостерігається при введенні до складу в’яжучого суперпластифікатора С-3 і підвищенні тонкості помелу. В першому  випадку на швидкість тужавлення, очевидно, впливає зменшення водов’яжучого відношення, в другому – збільшення реакційної здатності в’яжучого, що сприяє більш швидкому утворенню коагуляційної структури і гідратних новоутворень.

Забезпечення у складі в’яжучого загальної кількості двоводного гіпсу до 7-8% (вміст SO₃ – 4-5% по масі) дозволяє довести строки тужавлення композиційних в’яжучих до рекомендованих стандартом для портландцементу.

Нормальна густота композиційних в’яжучих коливається від 35 до 22% залежно від складу, способу отримання та дисперсності. В’яжучі, отримані при сумісному подрібненні компонентів мають дещо меншу нормальну густоту, ніж при змішуванні. В процесі сумісного подрібнення можливе проходження первинних механо-хімічних процесів і величина водопотреби суттєво починає відхилятися від знайденої з умови адитивності водопотреб окремих компонентів. Найбільш суттєвий розріджуючий ефект як для двох- так і трьохкомпонентних композиційних в’яжучих надає добавка суперпластифікатора. При питомій поверхні 320-370 м²/кг введення добавки 1% С-3 від маси в’яжучого знижує його нормальну густоту на 18-21%. Підвищення тонкості помелу в’яжучих до 580-660 м²/кг викликає деяке збільшення нормальної густоти, яке компенсується введенням добавки суперпластифікатора. При введенні 2% добавки С-3 від маси в’яжучого вдається знизити НГ трьохкомпонентних в’яжучих до 20-21%, 0,6% добавки Sika – до 19-20%. Основний водоредукуючий ефект добавки С-3 як в двох-, так і в трьохкомпонентних в’яжучих проявляться при вмісті 1%, добавки Sika – 0,3% по масі.

За допомогою методу ротаційної реометрії виявлено плив на в’язкість паст факторів, що визначають склад паст, утворюваних композиційними цементно-пилошлаковими в’яжучими (ЦПШВ) і отримані 4-^х факторні поліноміальні моделі в’язкості. Аналіз отриманих залежностей свідчить про те, що в досліджуваному факторному просторі паст в’язкість може змінюватись майже в 4 рази, сягаючи найбільших значень при максимальному вмісті пилу-виносу, мінімальному водовмісті і відсутності добавки суперпластифікатора. По мірі зменшення вмісту пилу в пилошлаковому наповнювачі його вплив на збільшення в’язкості суттєво зменшується. Вміст суперпластифікатора в пасті на основі композиційних в’яжучих є найбільш сильним компенсаційним фактором, який стабілізує збільшення в’язкості при насиченні наповнювача пилом. Другим за інтенсивністю впливу на в’язкість паст при певному вмісті пилошлакового наповнювача є об’ємна концентрація композиційного в’яжучого у водній пасті.

Пасти, що одержані на основі трьохкомпонентних в’яжучих в системі портландцемент-шлак-пил, отриманих при помелі до питомої поверхні більше      500 м²/кг, характеризуються дуже короткою ділянкою на пластограмах, що відповідає коагуляційному структуроутворенню. Додаткове введення в пасти, отримані на основі в’яжучих з високою питомою поверхнею, двоводного гіпсу сприяє подовженню періоду, що відповідає стабільності коагуляційної структури. Разом з тим, по закінченню тужавлення для таких паст характерне більш інтенсивне формування кристалізаційного каркасу твердючої структури.

На кривих швидкості проходження ультразвукових хвиль початковий період формування коагуляційної структури характеризується горизонтальною ділянкою, довжина якого близька по величині до тривалості початку тужавлення. На величину швидкості проходження ультразвуку, так як і пластичної міцності, найбільш суттєво впливають величина питомої поверхні композиційних в’яжучих і водов’яжуче відношення.

Ступінь гідратації досліджували методом визначення кількості зв’язаної води. Паралельно з визначенням ступеня гідратації визначали також на зразках-кубиках з ребром 2см міцність і відносну густину цементного каменю. Аналіз даних показує, що ступінь гідратації двохкомпонентних в’яжучих в 1,5-2 рази нижча, ніж трьохкомпонентних. В тому й іншому випадках ступінь гідратації змінюється в часі нелінійно, швидкість гідратації зменшується по мірі переходу від 3 до 7, а потім до 28 діб.

Збільшення вмісту лугів в пилові призводить до деякого збільшення ступені гідратації композиційних в’яжучих в результаті додаткової активізації шлакового компоненту. До збільшення ступеню гідратації на 20-40% призводить також збільшення питомої поверхні в’яжучих від 350-380 до 580-660 м²/кг.

Взаємозв’язок міцності і відносної густини затверділих композиційних в’яжучих узгоджується з теоретичними уявленнями, запропонованими для портландцементного каменю О.Е. Шейкіним. Певний внесок у величину відносної густини вносить як ступінь гідратації, так і В/Ц, що характеризується нормальною густиною, причому значення останньої стає визначним для в’яжучих, які містять пластифікатор як при звичайній, так і при підвищеній питомій поверхні.

У четвертому розділі наведені результати досліджень впливу основних технологічних факторів на властивості цементно-пилошлакових в’яжучих низької водопотреби та бетонів на їхній основі.

Для вивчення впливу вмісту і співвідношення основних компонентів, а також тонкості помелу на міцнісні показники ЦПШВ, були реалізовані алгоритмізовані у відповідності з типовим планом В₄ експерименти і отримані математичні моделі міцності на стиск та згин стандартних розчинів у віці 2, 7 і 28 діб.