Володин Владимир Владимирович. Самоуплотняющиеся мелкозернистые бетоны с модификаторами на основе термоактивированных глинистых и карбонатных пород

Краткое описание

Володин Владимир Владимирович. Самоуплотняющиеся мелкозернистые бетоны с модификаторами на основе термоактивированных глинистых и карбонатных пород;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»], 2023

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский
государственный университет им. Н.П. Огарёва»
ВОЛОДИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ
САМОУПЛОТНЯЮЩИЕСЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ
С МОДИФИКАТОРАМИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОАКТИВИРОВАННЫХ
ГЛИНИСТЫХ И КАРБОНАТНЫХ ПОРОД
2.1.5. Строительные материалы и изделия
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Низина Татьяна Анатольевна
Саранск 2023 
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МО-ДИФИЦИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНАХ 15
1.1 Процессы гидратации, структурообразования и твердения цемент¬ных систем 15
1.2 Виды модификаторов цементных бетонов. Классификация и функ¬циональное назначение 18
1.3 Опыт и перспективы применения термоактивированных глин в це¬ментных композитах и бетонах на их основе 22
1.4 Анализ минерально-сырьевой базы Республики Мордовия 28
1.5 Выводы по главе 1 30
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 33
2.1 Применяемые материалы и их свойства 33
2.2 Методы исследований и применяемое оборудование 39
2.3 Планирование эксперимента и статистический анализ результатов 46
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПО¬ЗИТОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ДОБАВКАМИ ТЕРМОАКТИ¬ВИРОВАННЫХ ПОЛИМИНЕРАЛЬНЫХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД . . 49
3.1 Анализ химического и минерального состава полиминеральных
глин Республики Мордовия 49
3.2 Влияние технологических параметров на показатели минеральных
добавок, получаемых на основе термоактивированных полиминеральных глинистых пород Никитского и Старошайговского месторождений 55
3.2.1 Влияние длительности помола на величину удельной поверхно¬сти порошков глин 55
3.2.2 Исследование физико-химических процессов, протекающих при
термообработке глин 56
3.2.3 Анализ гранулометрического состава порошков термоактивиро¬ванных глин 58
3.2.4 Водопотребность и водоудерживающая способность цементного теста с добавками термоактивированных глин 60
3.3 Оценка изменения пуццолановых свойств глинистых пород Старо-
шайговского месторождения в зависимости от режима термической ак¬тивации 62
3.3.1 Исследование физико-механических свойств модифицирован¬
ного цементного камня с минеральными добавками на основе термоакти¬вированной Старошайговской глины 62
3.3.2 Оптимизация режимов термообработки глинистых пород Старо-
шайговского месторождения для получения смешанных цементных вя¬жущих с комплексом улучшенных свойств 78
3.4 Исследование активности смешанного цементного вяжущего с до¬
бавками глин Никитского и Старошайговского месторождений после термической обработки 92
3.5 Индекс активности минеральных добавок на основе полиминераль¬ных глин Республики Мордовия после термической обработки 95
3.6 Выводы по главе 3 98
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК КАРБОНАТ¬НЫХ ПОРОД, ТЕРМОАКТИВИРОВАННЫХ ГЛИН И ТЕРМОАК-ТИВИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ ГЛИН И КАРБОНАТНЫХ ПОРОД
НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ 101
4.1 Влияние технологических параметров получения минеральных до¬бавок на основе карбонатных пород 101
4.1.1 Анализ химического и минерального состава карбонатных пород
Республики Мордовия 102
4.1.2 Влияние длительности помола на величину удельной поверхно¬сти порошков карбонатных пород 104
4.1.3 Водопотребность и водоотделение цементного теста с минераль¬ными добавками на основе карбонатных пород 105
4.1.4 Анализ гранулометрического состава порошков карбонатных по¬род с учетом принятой длительности помола 106
4.1.5 Исследование физико-химических процессов, протекающих при
термообработке карбонатных пород 108
4.1.6 Активность цементного вяжущего с минеральными добавками на основе карбонатных пород 109
4.2 Анализ технологических параметров получения активных мине¬ральных добавок на основе термоактивированных смесей глинистых и карбонатных пород 110
4.2.1 Влияние температуры обжига смесей глинистых и карбонатных
пород на активность смешанного цементного вяжущего 110
4.2.2 Исследование физико-химических процессов, протекающих при
совместной термообработке смесей глинистых и карбонатных пород . . . 112
4.2.3 Активность смесей полиминеральных глин и известняка Атемар-
ского месторождения Республики Мордовия после термической обра¬ботки 115
4.3 Исследование физико-химической и реотехнологической эффек¬
тивности цементных систем с минеральными добавками на основе гли¬нистых и карбонатных пород 116
4.3.1 Отбор пластифицирующих добавок для разработки самоуплотня¬ющихся мелкозернистых бетонных смесей 116
4.3.2 Исследование кинетики ранних стадий твердения цементных си¬
стем с минеральными добавками на основе термоактивированных глини¬стых и карбонатных пород 118
4.3.3 Влияние водотвердого отношения и дозировок суперпластифика¬
тора на подвижность цементного теста с минеральными добавками на ос¬нове глинистых и карбонатных пород 121
4.3.4 Влияние дозировок минеральных добавок на основе глинистых и
карбонатных пород на подвижность цементного теста и физико-механи¬ческие свойства цементного камня 126
4.3.5 Фазовый состав цементного камня с минеральными добавками на
основе глинистых и карбонатных пород 133
4.4 Исследование сульфатостойкости цементных бетонов, модифици-рованных минеральными добавками на основе глинистых и карбонатных пород 141
4.5 Определение оптимального содержания добавок на основе термо¬
активированных глин и термоактивированных смесей глин и карбонат¬ных пород в составе смешанного цементного вяжущего 153
4.6 Выводы по главе 4 154
ГЛАВА 5. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА САМОУПЛОТ-НЯЮЩИХСЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ, МО-ДИФИЦИРОВАННЫХ МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ НА ОС¬НОВЕ ГЛИНИСТЫХ И КАРБОНАТНЫХ ПОРОД 157
5.1 Самоуплотняющиеся мелкозернистые бетонные смеси, модифици¬
рованных минеральными добавками ТГН и ТС(ГН+ИА), и бетоны на их основе 157
5.2 Исследование характеристик трещиностойкости (вязкости разру¬
шения) мелкозернистых бетонов, модифицированных минеральными до¬бавками ТГН и ТС(ГН+ИА) 170
5.3 Водонепроницаемость мелкозернистых бетонов, модифицирован¬ных минеральными добавками ТГН и ТС(ГН+ИА) 179
5.4 Технологическая схема производства минеральных добавок на ос¬
нове глинистых и карбонатных пород и самоуплотняющихся мелкозер¬нистых бетонных смесей на их основе 181
5.5 Технико-экономическая эффективность внедрения минеральных
добавок ТГН и ТС(ГН+ИА) 183
5.6 Выводы по главе 5 186
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 188
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 191
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акты опытно-производственного апробирования . . 219
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Справка о внедрении результатов диссертационной
работы в учебный процессе 221
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Полные равновесные диаграммы деформирования
мелкозернистых цементных бетонов 223
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Патент РФ на изобретение 228

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
1. Разработано научно обоснованное технологическое решение, обеспечи-вающее получение самоуплотняющихся бетонных смесей, модифицированных минеральными добавками на основе термоактивированных полиминеральных глин, а также комплексов глинистых и карбонатных пород, позволяющее полу¬чать мелкозернистые цементные бетоны класса по прочности не ниже В50 при использовании мелких природных песков.
2. Проведён анализ минерально-сырьевой базы Республики Мордовия. Установлено, что глинистые породы Республики Мордовия являются полими-неральными - фазовый состав представлен преимущественно минералами ил- литовой (гидрослюды) и каолинитовой групп, модификациями кварца, поле¬выми шпатами. Минералогический состав карбонатной породы Атемарского месторождения представлен преимущественно кальцитом с незначительными включениями кварца. Карбонатная порода Ельниковского месторождения явля¬ется доломитом известковым, состоящим из минералов доломита и кальцита практически в равной пропорции.
3. Исследовано влияние минералогического состава, режимов помола и термоактивации отобранных пород на особенности гидратации, структурообра-зования и формирования свойств цементных композитов. Установлено, что ми-неральные добавки на основе термоактивированных глинистых и карбонатных пород способствуют снижению в фазовом составе цементного камня высокоос-новных гидросиликатов кальция и портландита (на 6^41 и 25^27 % соответ¬ственно), при этом повышая содержание низкоосновных гидросиликатов каль¬ция в 2,4^2,6 раза.
4. Установлены механизмы влияния индивидуальных и комплексных до¬бавок на основе термоактивированных полиминеральных глин и карбонатных пород на кинетику ранних стадий твердения пластифицированных и непласти¬фицированных цементных систем, реотехнологические характеристики це¬ментного теста, фазовый состав и физико-механические свойства цементного
камня. Выявлено, что получение активных минеральных добавок (—Мд ^
100 %) на основе полиминеральных глинистых пород возможно при концен¬трации каолинита в фазовом составе глин не менее 18 масс. %. Введение в со¬став цементного вяжущего минеральных добавок ТГН и ТГС способствует сни¬жению сроков схватывания на 25^30 (начало) и 15^20 (конец) минут, что объ¬ясняется наличием реакционноспособных минералов в фазовом составе иссле¬дуемых глин, способствующих интенсифицировать процессов гидратации на ранних стадиях твердения цементных систем. Введение МД, получаемых на ос¬нове карбонатных пород (ДЕ и ИА), в состав цементных вяжущих также позво¬ляет сократить сроки схватывания цементного теста, что обусловлено способ¬ностью кальцита являться центром кристаллизации новообразований.
5. Проведена оптимизация параметров обжига (температура, длитель¬ность) полиминеральных глин, состава и параметров термоактивации смесей глин и карбонатных пород по влиянию добавок на их основе на активность сме¬шанного цементного вяжущего, осуществлен отбор наиболее эффективных ми¬неральных модификаторов. Выявлен наиболее оптимальный режим получения активных минеральных добавок на основе термоактивированных полимине¬ральных глин, а также комплексов глинистых и карбонатных пород - 700 оС с экзотермической выдержкой в течение двух часов. Установлено, что для обес¬печения прочностных показателей модифицированного камня не ниже бездо- бавочного состава дозировка разработанных активных минеральных добавок ТГН и ТС(ГН+ИА) не должна превышать, соответственно, 18 и 11 % от массы вяжущего.
6. Установлено, что смешанное цементное вяжущее с добавками ТГН и ТС(ГН+ИА), согласно классификации ГОСТ Р 56687-2015, является умеренно сульфатостойким.
7. Разработаны составы самоуплотняющихся бетонных смесей, модифици-рованные минеральными добавками на основе термоактивированных глинистых и карбонатных пород (9,1^19,6 % ТГН; 10,7^16,3 % ТС(ГН+ИА) от массы сме¬шанного вяжущего) и поликарбоксилатного пластификатора (1,0 % от массы вя¬жущего), обеспечивающих получение мелкозернистых бетонов с классом по прочности не ниже В50 при использовании мелких природных песков (модуль крупности Мкр=1,8).
8. Определены показатели трещиностойкости разработанных мелкозерни¬стых бетонов, модифицированных минеральными добавками на основе термоак-тивированных глинистых и карбонатных пород. Установлено повышение на 20^38, 10^30 и 9^25 % энергетических характеристик трещиностойкости (соот¬ветственно, удельных энергозатрат на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины, статического джей-интеграла и ста¬тического критического коэффициента интенсивности напряжений) модифици¬рованных мелкозернистых бетонов при увеличении расхода вяжущего за счет введения в состав минеральных добавок ТГН и ТС(ГН+ИА).
9. Результаты диссертационного исследования апробированы в ООО «Спец- СтройБетон» и ООО «СтройБетон» при устройстве бетонных монолитных по¬крытий полов складских помещений. Определена экономическая эффективность разработанных добавок ТГН и ТС(ГН+ИА) в составе самоуплотняющихся бетон¬ных смесей, составившая (при обеспечении равного расхода вяжущего и близкой прочности бетонов на их основе при сжатии (класс В50)), соответственно, 729 и 720 руб./м3.
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы
Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в направлении раз-работки составов высокопрочных бетонов (класс бетона по прочности выше В60), модифицированных добавками на основе термоактивированных глини¬стых и карбонатных пород, при использовании мелких природных песков Рес¬публики Мордовия и других регионов России.