CC BY
208
исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Воробьёва Мария Юрьевна, магистрант, e-mail: kostukovichmaruika@mail.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Стрельцов Андрей Сергеевич, заместитель директора, e-mail: andrei_strelcov@list.ru, ОГАУК «Иркутский академический драматический театр им. Охлопкова», 664003, Россия, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 14.
Information about the authors
Petrov A.V., candidate of technical sciences, Professor, Department of construction production, e-mail: irkut_invest@mail.ru, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Vorobyova M.Iu., candidate for a master's degree, e-mail: kostukovichmaruika@mail.ru, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Streltsov A.S., deputy director, e-mail: andrei_strelcov@list.ru, RSACE «Irkutsk academic drama theatre in honour of Okhlopkov», 14 Karl Marks St., Irkutsk, 664003, Russia.
УДК 666.97+691.32
DOI: 10.21285/2227-2917-2016-2-174-180
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ НА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ
© А.Д. Толстой, В.С. Лесовик, К.Ю. Новиков
В настоящее время внимание ученых и инженеров привлекает широкое применение высокопрочного бетона, отличающегося от обычного повышенным содержанием цементного камня, меньшей крупностью зерен, многокомпонентностью состава, повышенной удельной поверхностью заполнителя. Эксплуатационные свойства этого бетона в большой степени зависят от свойств вяжущих заполнителей и водоцементного отношения. Известно, что эмпирический путь поиска дальнейшего повышения прочности бетона всегда был трудоемок и длителен. В связи с этим актуально предварительное изучение условий формирования структуры высокопрочного бетона, роли технологических приемов в этом процессе и характера влияния структуры на качество бетона.
Ключевые слова: высокопрочные бетоны, порошковые бетоны, техногенное сырье, композиционное вяжущее, добавки, суперпластификаторы.
HIGH ENDURANCE CONCRETES ON COMPOSITE BINDINGS WITH THE USE OF
MAN-MADE RAW MATERIALS
© A.D. Tolstoi, V.S. Lesovik, K.Iu. Novikov
Nowadays scientists' and engineers' attention is attracted by a wide use of high endurance concrete, which differs from the usual one by a high content of a concrete stone, less grain size, content complexity, increased specific surface of aggregates. Exploitation functions of this concrete mainly depend on the functions of binding aggregates and cement-water ratio. It is known that empiric way of search of further increase of concrete endurance has always been
hard and long. In connection with this, it is acute to study in advance the conditions of formation of high endurance concrete structure, role of technological methods in this process and the character of structure influence on the concrete quality.
Keywords: high endurance concretes, powder concretes, man-made raw materials, composite binding, additions, superplasticizing agents
Настоящий этап развития строительного материаловедения характеризуется стремлением создавать композиты для оптимизации системы «Человек - материал - среда обитания», снижения энергозатрат и улучшения экологической обстановки. Это подразумевает развитие высокопрочных бетонов для несущих конструкций (каркасов) с применением техногенного сырья, что имеет важное экологическое значение.
Все большее внимание ученых и инженеров привлекает к себе высокопрочный бетон, отличающийся от обычного многокомпонентностью состава, повышенным содержанием цементного камня, меньшей крупностью зерен, повышенной удельной поверхностью заполнителя.
Эффективным является полученный высокопрочный бетон классов В60-80 [1-3]. В то же время эмпирический путь поиска дальнейшего повышения прочности бетона слишком трудоемок и достаточно длителен. В связи с этим актуально предварительно изучить условия формирования структуры высокопрочного бетона, роль технологических приемов в этом процессе и характер влияния структуры на качество бетона.
Активизация работ по определению составов и технологий высокопрочных материалов за счет подбора правильного соотношения между компонентами состава и техногенного сырья вызвана нехваткой знаний о процессах структурообразования в таких композитах, которые позволили бы существенно снизить материальные и энергетические затраты при производстве высокопрочных твердеющих композиций.
Нами опробованы составы мелкозернистых бетонов с использованием техногенного сырья из попутно добываемых и вскрышных пород различного генезиса. Установлена возможность снижения стоимости высокопрочных порошковых бетонов и изделий на их основе при сохранении строительно-технических характеристик.
Было зафиксировано, что положительные результаты дает многокомпонентность состава бетона (число компонентов может доходить до 7-8). Решающее влияние на его свойства оказывает количество и качество вяжущего вещества, а также качество заполнителей и наполнителей (крупность зерен, гранулометрический состав, качество поверхности, пустотность, прочность).
Снижение расхода цемента и получение однородной структуры материала является перспективным направлением в развитии технологии высокопрочного бетона. Достигается это за счет применения композиционных вяжущих, полученных с участием техногенного сырья, в частности, отсева дробления отходов горнорудного производства в качестве заполнителя, что позволяет значительно снизить себестоимость мелкозернистого бетона.
В современном материаловедении большое внимание уделяется созданию долговечных композиционных материалов. Опыт производства бетонных, ремонтных и отделочных смесей предполагает широкое применение комплексных органоминеральных добавок, комплексных вяжущих широкой номенклатуры, где в качестве кремнеземистого компонента применяется сырье техногенного происхождения в сочетании с суперпластификаторами и гаперпластификаторами [4, 5]. Такой подход произвел переворот в технологии получения высокопрочных материалов высокой степени долговечности.
С учетом всех положительных характеристик стоимость высокопрочных бетонов и технологии работ по их изготовлению довольно высока, и, в зависимости от конкретных условий, может превышать стоимость обычных вяжущих в несколько раз. Исходя из этого, важен поиск многотонажных минеральных сырьевых материалов, в том числе техногенного происхождения, которые позволят, не снижая высоких строительно-технических
характеристик, повысить доступность и экономическую выгодность применения новых высокопрочных композиций.
Перспективными применительно к высокопрочным и высококачественным бетонам являются комплексные добавки, вводимые в состав смеси в виде водных растворов, порошков и эмульсий. Большинство добавок растворимы в воде, и их вводят в бетоносмеситель в виде предварительно приготовленного раствора. Некоторые добавки имеют вид эмульсии или взвесей в воде. Оптимальная дозировка добавки зависит от вида цемента, состава бетонной смеси, технологии изготовления конструкции.
Желаемым результатом любой научной работы в этом направлении является возможность получения высококачественного бетона с заданными свойствами: прочностью не менее В60, морозостойкостью не менее F400, водонепроницаемостью не менее W12, истираемостью не более 4-10"8 кг/м2 - путем последовательного совершенствования структуры цементного камня, контактной зоны с помощью комплексных добавок, состоящих из пластифицирующих материалов, а также управления структурой бетона через оптимизацию составов.
В своих исследованиях мы исходили из принципа сродства структур, который является частным выражением синергетического принципа в строительном материаловедении. Этот принцип проектирования и управления структурой композитов предполагает возможность направленного изменения состава и свойств материала при совместном применении добавок органического и минерального происхождения [6-8].
В исследованиях состава и структуры высокопрочных твердеющих композиций были использованы минеральные добавки, содержащие алюминатный, карбонатный компонент, и полимерные на основе карбоксилата. Тонкомолотые минеральные компоненты из вскрышных и попутнодобываемых пород Курской магнитной аномалии (КМА) нашли применение в бетонах с комплексными органоминеральными добавками.
В качестве кремнеземистого компонента были выбраны применяемые в настоящее время микрокремнезем, алюмосодержащая добавка, микрокварц, кварцевый песок, которые имеют различные химический и минеральный составы и генезис.
Целью такого подхода является определение вида компонента смеси, обеспечивающего оптимальные строительно-технические свойства бетона. Такая цель достигается, прежде всего, оптимизацией структуры искусственных каменных материалов и изделий.
В начале настоящих исследований 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 муллитоподобные алюмосиликаты кальция или их смесь с дисперсным кварцем, представляющие собой готовые центры кристаллизации при твердении цемента. Отходы измельчались до удельной поверхности Яуд = 1500 м2/кг.
Высокопрочный состав получали его модифицированием комплексной добавкой, состоящей из суперпластификатора и тонкомолотого минерального компонента. Содержание комплексной добавки составляло 32-34 %. Доля суперпластификатора МеШих 2651 - 0,9 % расхода цемента. Расход цемента был снижен на ~ 20 %. Свежеприготовленная смесь обладает повышенной текучестью и реологической активностью, что позволяет обеспечить безопалубочную укладку изделий и конструкций большой площади (наливные полы).
В результате был получен высокопрочный мелкозернистый бетон с оптимизированной структурой за счет уплотнения формируемой бетонной смеси вследствие искусственной контракции, уменьшения пористости, исключения пластических деформаций. В конце периода уплотнения, когда цементно-песчаная смесь достигает своей максимальной плотности, а следовательно, и динамической характеристики, происходит интенсивный процесс образования связующего из цементного геля. В жидкой фазе завершается доуп-лотнение зернового состава бетона с перекомпоновкой дисперсных частиц. При равновесном энергетическом взаимодействии повышается концентрация цементного геля, что дает
возможность уплотнить бетон до средней плотности 2400-2500 кг/м3 и ускорить набор прочности до 60-80 МПа в возрасте 14 суток (табл. 1, 2).
Таблица 1
Состав бетонной смеси высокопрочного бетона
Состав бетонной смеси, кг/м3 Подвижность, осадка конуса, см В/Ц Средняя плотность, р, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа
Цемент Суперпластификатор Песок Щебень Отходы пр-ва Вода
700 6,4 700 1000 84,0 182,0 18 0,26 2450 71,5
6,5 720 1020 86,4 194,4 19 0,27 2460 73,8
6,6 730 1070 87,6 200,8 19,5 0,275 2470 76,1
Таблица 2
Физико-технические свойства порошкового бетона
Наименование свойств Значения
Плотность, кг/м3 2450
Пористость, % 4,5
Прочность при сжатии, МПа 75,3
Прочность при изгибе, МПа 15
Модуль упругости, МПа 46
Коэффициент Пуассона 0,25
Усадка, мм/м 0,27
Водопоглощение, % 1,9
Морозостойкость, F 300
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 муллитоподобные алюмосиликаты кальция или их смесь с дисперсным кварцем, представляющие собой готовые центры кристаллизации при твердении цемента. Высокопрочный состав получали модифицированием его комплексной органоминеральной добавкой, состоящей из суперпластификатора и тонкомолотого минерального компонента.
Изучение сформировавшейся структуры высокоплотного порошкового бетона с комплексной добавкой показало, что к 28-суточному сроку твердения она отличается высокой степенью упорядоченности зернистой составляющей с высокой плотностью (рисунок).
Микроструктура порошкового бетона на основе тонкомолотого кварцитопесчаника: а - увеличение в 500 раз (поровое пространство); б - в 1000 раз (поровое пространство); в, г - в 5000раз (поровое пространство и контактная зона заполнителя и цементной матрицы соответственно)
На рисунке, г при увеличении в 5000 раз можно увидеть контактную зону новообразований и минералов с частицами микрокремнезема.
Плотность контакта достигается за счет скорректированного состава твердеющей матрицы, введения оптимального количества тонкодисперсных техногенных продуктов, их плотнейшей упаковки и сомоуплотняющего эффекта твердения вяжущего. В течение времени твердения наблюдается повышение плотности структуры материала. Это предопределило получение высокопрочного бетона с улучшенными физико-механическими характеристиками с применением комплексных добавок. В этом случае за период твердения происходит ряд изменений в структуре формовочной бетонной смеси вследствие искусственной контракции, уменьшения пористости, исключения части пластических деформаций. Когда искусственный камень достиг своей максимальной плотности, а следовательно, и динамических характеристик, в конце периода твердения происходит интенсивный процесс образования связки из цементного геля. В жидкой фазе завершается доуплотне-ние зернового состава с перекомпоновкой дисперсных частиц.
Расширение области применения техногенных продуктов для производства данного вида бетонов позволяет существенно уменьшить материальные и энергетические затраты, а также сократить сроки изготовления элементов и конструкций.
Важным аспектом проведения исследований по данной тематике является очищение и оздоровление окружающей среды, что, несомненно, придает дополнительную актуальность изучению порошковых бетонов с техногенными продуктами.
Таким образом, совершенствование состава и технологии высокопрочного порошкового бетона позволяет получить новые данные о структуре изделий и методах ее оптимизации, а также дает возможность повысить ряд конструктивных и технологических показателей. Применение таких технологий поможет улучшить экологическое состояние окружающей среды.
Статья поступила 03.02.2016 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. М.: Стройиздат, 1990.
2. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Ковалева И.А. Органоминеральные высокопрочные декоративные композиции // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 5. С. 67-69.
3. Высокопрочные материалы для декоративных целей / А.Д. Толстой, В.С. Лесовик, И.А. Ковалева, И.В. Якимович, Н.П. Лукутцова // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 8. С. 51-53.
4. Tolstoi A.D., Lessowik W.S., Kowaljow I.A. Pulverbetone auf Komposit-bindemitteln mit der Verwen-dung von Industrieabfallen // 19 Internstionale Baustoff-tagung, 16-18 September. Weimar, 2015. Band 2. P. 997-1000.
5. De Larrard F. Ultrafine Particles for the Making of Very High Strength Concretes // Cem., Concr., and Aggreg. 1990. Vol. 12.2. P. 61-69.
6. Лесовик В.С. Геоника (Геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении. Белгород : Изд-во БГТУ, 2014. 206 с.
7. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Чулкова И.Л. Закон сродства структур в материаловедении // Фундаментальные исследования. 2014. № 3-2. С. 267-271.
8. Сродство структур как теоретическая основа проектирования композитов будущего / В.С. Лесовик, Л.Х. Загороднюк, И.Л. Чулкова, А.Д. Толстой, А.А. Володченко // Строительные материалы. 2015. № 9. С. 18-22.
REFERENCES
1. Batrakov V. G. Modifitsirovannye betony [Modified concretes]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1990.
2. Tolstoi A.D., Lesovik V.S., Kovaleva I.A. Organomineral'nye vysokoprochnye dekora-tivnye kompozitsii [Organo-mineral highly reliable decorative compositions]. Vestnik Bel-gorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V. G. Shukhova - Vestnik of Belgorod State technological university in honor of V.G. Shukhov, 2014, no. 5, pp. 67-69 (in Russian).
3. Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Kovaleva I.A., Yakimovitch I.V., Lukutsova N.P. Vysokoprochnye materialy dlya dekorativnykh tselei [High-strenght materials for decorative purposes]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo - Industrial and civil engineering, 2014, no. 8, pp. 51-53 (in Russian).
4. Tolstoi A.D., Lessowik W.S., Kowaljow I.A. Pulverbetone auf Komposit-bindemitteln mit der Verwen-dung von Industrieabfallen. 19 Internstionale Baustoff-tagung, 16-18 September. Weimar, 2015, band 2, pp. 997-1000.
5. De Larrard F. Ultrafine Particles for the Making of Very High Strength Concretes. Cem., Concr., andAggreg., 1990, vol. 12.2, pp. 61-69.
6. Lesovik V.S. Geonika (Geomimetika). Primery realizatsii v stroitel'nom materialove-denii [Examples of realization in the sphere of building materials]. Belgorod, Izd-vo BGTU Publ., 2014. 206 p.
7. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.Kh., Chulkova I.L. Zakon srodstva struktur v materia-lovedenii [Law affinity structures in materials science]. Fundamental'nye issledovaniya - Fundamental researches, 2014, no. 3-2, pp. 267-271 (in Russian).
8. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.Kh., Chulkova I.L., Tolstoy A.D., Volodchenko A.A. Srodstvo struktur kak teoreticheskaya osnova proektirovaniya kompozitov budushchego [Affinity of Structures as a Theoretical Basis for Designing Composites of the Future]. Stroitel'nye ma-terialy - Building materials, 2015, no. 9, pp. 18-22 (in Russian).
Информация об авторах
Толстой Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, е-mail: tad56@mail.ru, Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.
Лесовик Валерий Станиславович, доктор технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, е-mail: naukavs@mail.ru, Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.
Новиков Константин Юрьевич, студент кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, е-mail: kot_veuder@mail.ru, Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, Россия, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.
Information about the authors
Tolstoy A.D., candidate of technical sciences, professor of the Department of construction materials science, products and constructions, е-mail: tad56@mail.ru, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova St., Belgorod, 308012, Russia.
Lesovik V.S., doctor of technical sciences, professor of the Department of construction materials science, products and constructions, е-mail: naukavs@mail.ru, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova St., Belgorod, 308012, Russia.
Novikov K.Y., student of the Department of construction materials science, products and constructions, е-mail: kot_veuder@mail.ru, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukova St., Belgorod, 308012, Russia.
УДК 628.218
DOI: 10.21285/2227-2917-2016-2-180-192
ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЕМ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ
© В.Р. Чупин, И.В. Майзель
Вопросы повышения надежности и сейсмостойкости систем водоотведения является актуальными и должны рассматриваться при разработке перспективных схем развития
