CC BY
17
Прессованные цементно-минеральные композиты для дорожного строительства
С.Н. Курилова
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на Дону
Аннотация: Представлена характеристика прессованных мелкоштучных дорожных изделий. Рассмотрено влияние рецептурных и технологических факторов на свойства изделий. Определены рациональные параметры исследуемых факторов. Подтверждено получение прессованных композитов для дорожного строительства с необходимыми эксплуатационными свойствами.
Ключевые слова: цемент, заполнитель, вода, прессование, давление, твердение, плотность, прочность, водопоглощение.
Прессованные мелкоштучные дорожные изделия, например, тротуарная плитка, брусчатка, бортовой камень, в соответствии с нормативными требованиями [ГОСТ 17608-91] должны иметь класс по прочности на сжатие от В22,5 до В30, класс по прочности на изгиб от В^3,2 до В1Ь4,4, истираемость на более 0,5- 0,9 г/см , марку по морозостойкости не менее Б200 и водопоглощение по массе не более 6%. Большое значение придается качеству изделий, а именно сохранению их четких граней и ребер и целостности.
Прессованные изделия для дорожного строительства являются многокомпонентными системами, состоящими из вяжущего вещества, одного или нескольких минеральных заполнителей песчаных фракций и небольшого количества воды. Для прессованных дорожных изделий необходимо использовать бездобавочный портландцемент марки М 500, а в качестве заполнителей мелкий кварцевый песок и отходы от дробления прочных горных пород, например гранита, сиенита, песчаника, известняка и др. [1, 2]. Водоцементное отношение формовочных смесей для таких изделий должно быть не более 0,4. Смеси засыпают в матрицу пресса и уплотняют под давлением 20-40 МПа и более [3]. Сразу после прессования изделия
обладают необходимой распалубочной прочностью не менее 0,8 МПа для извлечения из матрицы и дальнейшего транспортирования на пост тепловлажностной обработки или естественного твердения.
Актуальной задачей в области прессованных мелкоштучных изделий для дорожного строительства является обеспечение нормативных свойств изделий, изготавливаемых на основе местного сырья и отходов промышленности.
Решение поставленной задачи возможно при правильном назначении рецептурно-технологических факторов в процессе изготовления изделий.
К рецептурным факторам относятся расход цемента, воды и минеральных заполнителей, а также зерновой состав смеси минерального заполнителя. К технологическим факторам относятся физико-механические свойства цемента и заполнителей, давление уплотнения формовочных смесей и условия твердения изделий.
Большую роль в формировании структуры изделий играют такие факторы, как активность и количество цемента, зерновой состав и количество минеральных заполнителей, зерновой состав смеси минерального заполнителя, количество воды, давление прессования и условия твердения. Чтобы управлять структурообразованием изделий, необходимо сначала оценить свойства исходных компонентов, подобрать удовлетворительный зерновой состав смеси минерального заполнителя, правильно назначить дозировку компонентов, назначить рациональное давление прессования и выбрать благоприятные параметры твердения изделий [4, 5].
Наиболее важным фактором в структурообразовании прессованных дорожных изделий является зерновой состав минерального заполнителя [6]. В результате ряда исследований был определен рекомендуемый зерновой состав смеси минерального заполнителя, в котором содержание фракции 1,25 - 5 мм - 5 - 8%, фракции 0,315 - 1,25 мм - 47 - 50% и фракции менее 0,315
мм - 32 - 35%. Обеспечение этого зернового состава позволяет получать дорожные изделия с нормируемыми эксплуатационными свойствами. О важности обеспечения рекомендуемого зернового состава смеси минерального заполнителя для прессованных мелкоштучных дорожных изделий свидетельствуют результаты эксперимента, в котором анализировались два состава: исходный состав (I) с неудовлетворительным зерновым составом минерального заполнителя и состав с рекомендуемым зерновым составом (II) смеси минерального заполнителя (таблица №1). В исходном составе минеральный заполнитель был представлен отсевом сиенита в количестве 70% от массы минеральных компонентов. В составе с рекомендуемым зерновым составом (II) минеральный заполнитель также составлял 70% от массы минеральных компонентов, но был представлен смесью отсева сиенита в количестве 82% от смеси минерального заполнителя и очень мелкого кварцевого песка в количестве 18% от смеси минерального заполнителя. Расход портландцемента в обоих составах составлял 30% от массы минеральных компонентов, а расход воды был 5% от массы сухих компонентов. Прессование образцов-цилиндров диаметром и высотой 0,07 м проходило при давлении 40 МПа. Образцы твердели в условиях тепловлажностной обработки (ТВО) по режиму (2+6+2) ч при температуре изотермической выдержки (85±2) 0С, а затем хранились 27 суток в естественных условиях.
Таблица № 1
Составы прессованных дорожных изделий
№ Название состава Наименование Расход
п/п (маркировка) компонента компонента, %
Исходный Цемент 30
1 состав Отсев 70
(I) Вода 5
С рекомендуемым Цемент 30
2 зерновым составом Отсев 70 82
(II) Песок 18
Вода 5
Обогащение зернового состава отсева сиенита очень мелким
кварцевым песком и обеспечение рекомендованного зернового состава минерального заполнителя позволило увеличить распалубочную прочность, прочность при сжатии, прочность на растяжение при раскалывании и снизить водопоглощение по массе затвердевших дорожных изделий (таблица №2).
Таблица № 2
Физико-механические свойства затвердевших дорожных изделий
№ Название Распалу- Прочность Прочность Водо-
п/п состава бочная при на поглоще-
(маркировка) прочность, сжатии, растяжени ние по
Ис, е при массе,
МПа МПа, раскалывании, МПа Wм, %
1 Исходный
состав (I) 1,77 37,2 2,93 6,0
2 С
рекомендуемы 1,90 49,3 3,12 5,8
м зерновым
составом (II)
Таким образом, назначение рекомендуемого зернового состава смеси минеральных заполнителей в прессованных мелкоштучных дорожных изделиях позволяет улучшить их свойства и обеспечить соответствие нормируемым свойствам.
Вторым по важности рецептурным фактором, который влияет на структурообразование и свойства прессованных мелкоштучных дорожных изделий является расход воды в формовочной смеси [7]. Влияние этого фактора рассмотрим на примере изделий, состоящих из портландцемента М 400, отсева от дробления сиенита, мелкого песка и воды. Зерновой состав смеси минерального заполнителя отсева сиенита и песка соответствовал
рекомендованному зерновому составу для прессованных дорожных изделий. Содержание цемента в изделиях составляло 25% от массы минеральных компонентов, а расход воды варьировался от 3 до 13% от массы сухих компонентов с шагом 2,5%. Прессование изделий осуществлялось при давлении 40 МПа (таблица №3). Изделия твердели в условиях тепловлажностной обработки по режиму (2+6+2) ч при температуре изотермической выдержки (85±2) 0С.
Таблица № 3
Влияние расхода воды на свойства прессованных дорожных изделий
№ п/п Расход воды, % Средняя плотность свежеотфор мованных изделий, Р0 , 3 кг/м3 Распалубоч ная прочность свежеотфор мованных изделий, Яс, МПа Средняя плотность изделий после ТВО, Р 0 ,3 кг/м3 Прочность изделий на сжатие после ТВО, Я ТВО -Т^-сж 5 МПа
1 3 2160 1,37 2173 29,4
2 5,5 2175 1,46 2193 46,7
3 8 2270 1,08 2260 66,2
4 10,5 2280 0,93 2250 55,2
5 13 2273 0,88 2246 54,4
Анализ представленных результатов показывает характерную особенность прессованных мелкоштучных дорожных изделий, которая заключается в наличии двух оптимумов водосодержания: одного для распалубочной прочности свежеотформованных изделий, а другого для прочности затвердевших изделий. В данном эксперименте максимальная распалубочная прочность изделий составляет 1,46 МПа при расходе воды 5,5%, а максимальная прочность на сжатие после тепловлажностной обработки (ТВО) - 66,2 МПа при расходе воды 8%. Отклонение от каждого
из оптимумов в расходе воды приводит к существенному снижению прочности.
Распалубочная прочность свежеотформованных изделий с увеличением расхода воды сначала растет и при оптимальном водосодержании 5,5% достигает прочности 1,46 МПа (таблица №3). Это объясняется проявлением «стягивающего» эффекта капиллярных сил, наблюдаемого при низких водосодержаниях, [7] и сближением частиц материала с повышением его плотности и прочности. Увеличение расхода воды выше оптимального значения приводит к снижению распалубочной прочности прессованных изделий. Это объясняется проявлением «расклинивающего» эффекта капиллярных сил, наблюдаемого при утолщении водных оболочек, [7] удалением частиц материала друг от друга и разуплотнением системы. Также при расходе воды выше оптимального значения начинает проявляться роль защемленного воздуха. Так как при прессовании происходит мгновенное приложение давления, то при расходах воды выше оптимального она отжимается в открытые поры и сжимает воздух [8]. Наличие защемленного воздуха в порах приводит к разуплотнению системы и уменьшению количества контактов взаимодействия твердых частиц, что и снижает распалубочную прочность материала.
Прочность на сжатие прессованных изделий после тепловлажностной обработки (ТВО) с увеличением расхода воды также увеличивается, но достигает максимального значения 66,2 МПа при большем расходе воды 8% (таблица №3). Больший расход воды, соответствующий оптимальному водосодержанию, объясняется гидратацией клинкерных минералов портландцемента. С увеличением водосодержания выше оптимального значения прочность затвердевших изделий снижается. Это объясняется проявлением ''расклинивающего эффекта'' капиллярных сил [7] и разуплотнением системы.
Таким образом, расход воды существенно влияет на структурообразование и свойства прессованных дорожных изделий. Учитывая наличие двух оптимумов водосодержания для свежеотформованных и затвердевших изделий, необходимо назначать расход воды в прессованных изделиях так, чтобы обеспечивалась нормируемая прочность затвердевших изделий в сочетании с их необходимой распалубочной прочностью.
Важным фактором, влияющим на структурообразование и свойства прессованных мелкоштучных дорожных изделий, является расход цемента и его свойства. Это подтверждают результаты следующего эксперимента. В эксперименте для первой серии образцов (I) был использован портландцемент активностью 39,6 МПа с удельной поверхностью 2900 см /г. Для второй серии образцов (II) удельную поверхность цемента увеличили до 4350 см /г. Активность цемента при этом составила 59,4 МПа. Количество цемента в каждой серии было принято 8, 11 и 14% от массы минеральных компонентов. В качестве заполнителей использовались мелкий кварцевый песок и дробленный мел. Зерновой состав смеси минеральных заполнителей соответствовал рекомендуемому для прессованных дорожных изделий. Водосодержание формовочных смесей во всех составах было принято 6,5% сверх массы сухих компонентов (таблица №4). В каждом составе формовались образцы-цилиндры при давлении 25, 40 и 55 МПа.
Таблица № 4
Свойства цемента и составы прессованных дорожных изделий
№ Мар Свойства Марк Расход Расход
п/п киро цемента ировк цемент заполнителей, %
вка Активно Удельна а а,
сери сть я состав % Песок Мел
и цемента, поверх- ов
ность,
МПа 2 см /г
1 I 39,6 2900 1-1 8 82 10
1-2 11 79 10
1-3 14 76 10
2 II 59,4 4350 11-1 8 82 10
11-2 11 79 10
11-3 14 76 10
Одна часть образцов в серии подвергалась тепловлажностной обработке (ТВО) по режиму (2+6+2) ч при температуре изотермической выдержки (85±2) оС, а потом твердела 27 суток в естественных условиях, а вторая часть образцов твердела только в естественных условиях.
Анализ результатов испытаний образцов (таблица №5) показывает, что независимо от условий твердения, с увеличением расхода цемента, повышением его активности и удельной поверхности плотность и прочность при сжатии прессованных дорожных изделий возрастает, а водопоглощение по массе - закономерно снижается. Это объясняется тем, что в формировании структуры цементного камня большую роль играет размер и количество частиц цемента. Чем меньше размер частиц и больше их количество, тем создаются более благоприятные условия для формирования бездефектных структурных агрегатов - «кластеров», а также «кластеров», в которых частицы цемента служат «подложкой», на которую за счет диффузии оседают продукты гидратации цемента [8]. В результате получается более плотная и прочная структура цементного камня. Также следует отметить, что чем меньше размер частиц цемента и больше их количество, тем больше реакций гидратации цемента с водой, больше продуктов гидратации цемента, больше кристаллизационных связей в образующемся кристаллическом сростке и, соответственно, получается более плотная и прочная кристаллизационная структура затвердевшего
цементного камня. Это способствует повышению прочности прессованных дорожных изделий [9]. Естественные условия твердения по сравнению с тепловлажностной обработкой более благоприятны для прессованных дорожных изделий. Это связано с более благоприятными условиями для протекания реакций гидратации цемента с образованием большего количества продуктов гидратации, а также для формирования менее дефектной структуры цементного камня и прессованного материала за счет отсутствия тепломассообмена с окружающей средой [10].
Таблица № 5
Физико-механические свойства прессованных дорожных изделий
№ п/п Сер ия Марк ировк После ТВО и 27 суток естественного твердения После 28 суток естественного твердения
обра зцов а Средня я плотно сть, р о, кг/м3 Прочнос ть при сжатии, МПа Водопог лощение по массе, % Средня я плотно сть, р о, кг/м3 Прочнос ть при сжатии, МПа Водоп оглоще ние по массе, ^^т, %
Ы-1 2091 7,38 8,6 2195 7,40 8,5
Ы-2 2135 7,80 7,9 2220 7,50 7,8
Ы-3 2173 8,60 7,7 2240 8,60 7,6
Ь2-1 2154 13,17 8,1 2210 15,80 8,0
1 I Ь2-2 2172 14,18 7,6 2230 17,40 7,5
Ь2-3 2186 14,90 7,1 2260 18,22 7,0
Ь3-1 2171 18,82 7,0 2235 26,20 6,9
Ь3-2 2208 20,50 6,8 2255 30,10 6,7
Ь3-3 2240 20,98 6,3 2295 31,93 6,2
П-1-1 2147 10,00 7,0 2210 12,71 6,9
II-1-2 2166 11,10 6,6 2260 16,50 6,5
II-1-3 2175 12,20 6,0 2315 20,67 5,9
2 II П-2-1 2166 17,93 6,6 2250 27,06 6,5
П-2-2 2200 20,35 6,0 2290 29,83 5,9
П-2-3 2234 21,38 5,7 2330 31,26 5,6
П-3-1 2175 23,13 6,3 2275 36,00 6,2
П-3-2 2220 28,23 5,6 2315 43,10 5,5
П-3-3 2240 29,50 5,4 2355 46,17 5,3
^_г *
Примечание: - в маркировке первая цифра обозначает номер состава, вторая - уровень расхода цемента, а третья - уровень давления прессования.
Правильное назначение рецептурно-технологических факторов позволяет направленно управлять стуктурообразованием и физико-механическими свойствами прессованных мелкоштучных дорожных изделий. Умелое сочетание разных рецептурных и технологических факторов в комплексе дает возможность получать изделия с необходимыми нормируемыми свойствами.
Литература
1. M. Safiuddin, M.Z. Jumaat, M.A. Salam, M.S. Islam, R. Hashim. Utilization of solid wastes in construction materials. International Journal of the Physical Sciences. 2010. №10. pp. 1952-1963.
2. Berge B. The Ecology of Building Materials. [Architectural press]. Oxford, 2005. 474 p.
3. Р.Я. Попильский, Ф.В. Кондрашов. Прессование керамических порошков. - М.: Изд-во «Металлургия», 1968. 272 с.
4. Наумов А.А. Повышение качества кирпича полусухого прессования, изготовленного на основе глинистого сырья месторождения «Кагальник-3»//Инженерный вестник Дона, 2016, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3823/.
5. Мальцева И.В. Влияние глинистого вещества на реологию пеномасс с различной концентрацией твердой фазы// Инженерный вестник Дона, 2017, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3977/.
6. В.Н. Выровой. Физико-механические особенности структурообразования композиционных строительных материалов: Дис. ...д-ра техн. наук. Одесса, 1987. 340 с.
7. Е.И. Шмитько, С.В. Черкасов. Влияние влажностного фактора на раннее структурообразование строительных изделий на основе минеральных вяжущих веществ. - Воронеж, 1997. 23 с.
8. П.П. Будников, А.М. Гинстлинг. Реакции в смесях твердых веществ.-М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. 476 с.
9. В.Н. Соломатов, В.Н. Выровой, В.С. Дорофеев, А.В. Сиренко. Композиционные строительные материалы и конструкции пониженной материалоемкости. - К.: Будивэльник, 1991. 144 с.
10.Кудинов А.А. Тепломассообмен. - М.: Инфра-М, 2012. 375 с.
References
1. M. Safiuddin, M.Z. Jumaat, M.A. Salam, M.S. Islam, R. Hashim. Utilization of solid wastes in construction materials. International Journal of the Physical Sciences. 2010. №10. pp. 1952-1963.
2. Berge B. The Ecology of Building Materials. [Architectural press]. Oxford, 2005. 474 p.
3. Popil'skij R.Ja., Kondrashev F.V. Pressovanie keramicheskih poroshkov. [Pressing of ceramic powders]. Izd-vo: «Metallurgija», 1968. 272 p.
4. Naumov A.A. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3823/.
5. Mal'ceva I.V. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3977/.
6. V.N. Vyrovoj. Fiziko-mekhanicheskie osobennosti strukturoobrazovaniya kompozicionnyh stroitel'nyh materialov [Physical-mechanical peculiarities of structure formation of composite building materials]: Dis. ...d-ra tekhn. nauk. 1987. 340 р.
7. E.I. SHmit'ko, S.V. CHerkasov. Vliyanie vlazhnostnogo faktora na rannee strukturoobrazovanie stroitel'nyh izdelij na osnove mineral'nyh
vyazhushchih veshchestv. [The influence of the humidity factor on early structure formation of building products based on mineral binders]. Voronezh, 1997. 23 p.
8. P.P. Budnikov, A.M. Ginstling. Reakcii v smesyah tverdyh veshchestv. [Reactions in mixtures of solid substances]. Izd-vo literatury po stroitel'stvu, 1965. 476 p.
9. V.N. Solomatov, V.N. Vyrovoj, V.S. Dorofeev, A.V. Sirenko. Kompozicionnye stroitel'nye materialy i konstrukcii ponizhennoj materialoemkosti. [Composite building materials and design, reduced materials consumption]. Budivehl'nik, 1991. 144 p.
10.Kudinov A.A. Teplomassoobmen. [Heat and mass transfer]. M.:Infra-M, 2012. 375 p.
