Разработка состава композита на цементном вяжущем с использованием отходов металлургической промышленности

     Общая характеристика работы
     Актуальность темы. Декоративный бетон один из лучших аналогов природного камня. Различные архитектурные формы позволяют улучшить внешний эстетический вид города, а использование вторичного сырья и отходов промышленности для производства таких бетонов, позволяют уменьшить и так огромные скопления техногенных продуктов. Использование различных пигментов позволит отойти от дорогих, дефицитных цветных цементов.
     В Липецкой области организовано производство декоративного бетона на основе отсева гранитного щебня портландцемента и добавок. Развитие технологии этого производства поставило ряд научных и прикладных задач по обеспечению эффективности и качеству изделия. Пришлось сделать более привлекательным цвет материала, улучшить свойства вяжущего, за счет введения в него добавок, повысить сцепление вяжущего с заполнителем, у совершенствовать формование изделия и его распалубки без дефектов и трещин.
     В настоящее время отсутствуют методы, позволяющие дать объективную оценку цвета материалов из бетона, этому свидетельствует анализ нормативной и научно-технической литературы.
     Не маловажной частью является качество лицевой поверхности архитектурного бетона. Благодаря идеальной наружной и внутренней части бетонной поверхности строителям потребуется куда меньше времени для отделки, что сократит сроки сдачи в эксплуатацию целого сооружения.
     В связи с этим актуальным является оптимизация составов и структуры на стадии подбора компонентов инертных материалов.
     Цель работы. Целью научно-квалификационной работы является разработка состава композита на цементном вяжущем с использованием отходов металлургической промышленности, соответствующий параметрам и строительно-техническим свойствам декоративного бетона.
     Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
 изучить влияние и структурообразование лицевой поверхности архитектурного бетона. 
 разработать методику оценки цвета готового композита;
 оценить цветоустойчивость железоокисных пигментов и установить закономерность изменения цвета с учетом старения и присутствия доменного шлака в бетоне;
     Научная новизна работы. Установлено потускнение цвета железо-окисныхпигментов после распалубки бетонного изделия. Разработана методика дозировки для оценки цвета готового композита.
     Установлена закономерность структурообразования лицевой поверхности готового изделия при добавлении отсева металлургической промышленности. Получены математические модели, описывающие кинетику твердения состава бетонной смеси. Выявлено максимальное значение скорости твердения без ущерба лицевой поверхности изделия.
     Установлена негативная закономерность использования пластификатора С-3 в сухом виде с железо-окисными пигментами, дающие непрореагирующиечастицы.
     Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в использовании фундаментальных научных физико-химических положениях таких компонентов как железоокисные пигменты, цемент и отходы металлургии. Показано, что совокупность разнородных по минералогическому составу  и потенциалу поверхности частит, образующие с водой малоструктурированныепределноразжиженные пластификаторами суспензии, является реологической основой бетонной смеси для получения высококачественной лицевой поверхности с малой агдезией.
     Практическая значимость заключается в том, что получена формула архитектурно-декоративного бетона с применением местных сырьевых материалов на основе отхода производства металлургии, разработана технологическая схема окрашивания бетонных изделий порошковыми железо-окисными пигментами. Получен состав бетона с прочностью на сжатие в 80-90Мпа, морозостойкостью до 300 циклов включительно с использованием отходов металлургической промышленности. 
     Апробация работы. Основные положения научно-квалификационной работы представлены на
     
     
     
     
     Сосотояние вопроса
     Влияние внешного вида изделия на сознание человека
     На сегодняшний день тема повышения комфортности среды жизнедеятельности человека становится все более актуальной. Понятие городской комфортной жизни включает в себя:
 Социальный комфорт.
 Комфорт окружающей среды (внешнего вида застроек, ландшавтный дизайн города).
     Архитектурное окружение служит частью нашей жизни и хотим мы этого или нет, оно влияет и на наше сознание.
     Архитектурные формы напрямую зависят от качества лицевой поверхности, что позволяет визуально получить эстетическое удовольствие.
     Исследователи в области взаимодействия архитектуры и эмоционального мира человека А.Г. Раппопорт и Г. Ю. Сомов замечают, что комфортность – существенная характеристика информационно-эмоционального воздействия архитектуры на человека. Однако формирование социальной информации в архитектуре не сводится к критерию комфортности. Прежде всего, архитектурная среда – эта некоторая совокупность условий для деятельности людей [12, 15, 18].
     Архитектура – важная составляющая человеческой жизни. Возможно, человек и не замечает, не задумывается о том, какую роль она играет в его жизни. Архитектурное пространство воспринимается человеком в качестве неосознаваемого, но всегда присутствующего фона.
     Эволюция бетона и опыт применения архитектурно-декоративных бетонов нового поколения в строительстве
     Бурное развитие строительной индустрии в целом предопределило развитие технологии бетонов, к которым сегодня предъявляются жесткие требования. Для современной строительной индустрии, при возросших темпах строительства важно, чтобы бетон позволял создавать конструкции и сооружения, отличающиеся одновременно как высокой несущей способностью и долговечностью, так и высокой художественной выразительностью.
     С этой точки зрения наиболее интересен опыт работ и эволюция создания высокофункциональных бетонов нового поколения, которые по своим качественным показателям отвечают либо превосходят критерии, регламентируемые стандартами различных стран [48, 83, 84, 85, 86].
     Отходы горнодобывающей промышленности, а именно: отсев дробления, которые идеально подходят для использования их в качестве наполнителей для бетонов нового поколения.Сегодня по различным оценкам в России объемы отсевов дробления составляют порядка 80-90 млн. т в год.
     Последние годы бетоны, эволюционируя от традиционных четырехкомпонентных к многокомпонентным высокофункциональным бетонам, повысили уровень прочности на сжатие до 150-200 МПа. Но при столь заметном повышении прочности, снизился коэффициента Пуассона до 0,14-0,17, что привело к риску хрупкого разрушения конструкции при чрезвычайных ситуациях. Решить эту проблему удалось путем армирования бетона.
     Совершенно очевидно, что переход на строительство из бетона нового поколения – актуальнейшая народно-хозяйственная задача, которая значительно повысит экономику строительства, а также украсит архитектуру зданий и сооружений.
     Бетоны для архитектурных форм
     Большую часть от общего объема производства бетона в строительной индустрии занимают бетоны на портландцементе и его разновидностях [58, 117].
     Современные бетоны отличаются не только высокими показателями прочности, но и повышенными технологическими и эксплуатационными характеристиками. Такие бетоны находят применение при изготовлении различных архитектурных форм, где помимо прочности необходима высокая подвижность и однородность бетонных смесей [59, 101].
     В качестве заполнителя бетонов применяется песок и отсев дробления, мел, а также другие вторичные ресурсы [4, 11,  115,  127,  169]. Более высокая удельная поверхность и шероховатость зерен отсевов дробления способствует повышенной адгезии к ним цементного камня. Однако бетонные смеси на отсевах дробления характеризуются повышеннымводосодержанием, что может  приводить  к  повышению  расхода  цемента  в  равнопрочных  бетонах и ухудшению ряда строительно-технических свойств и долговечности бетона [7, 61, 94, 106]. В тоже время, надо иметь ввиду, что для бетонов, применяемых в декоративных конструкциях на открытом воздухе, повышенный расход цемента оправдан увеличением атмосферостойкости и облегчением абразивной обработки. А при меньших расходах цемента удобообрабатываемость смеси постепенно снижается, что затрудняет ее укладку и приводит к постепенному понижению прочности и плотности бетона. При этом скорость карбонизации при относительной влажности 55% значительно выше, чем при влажности 75% [67].
     Для повышения прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и трещиностойкости бетона Баженовой С.И. предложено проводить предварительную обработку поверхности заполнителя комплексной добавкой, включающей микрокремнезем и гиперпластификатор. В процессе приготовления бетонной смеси часть воды затворения, содержащую комплексную добавку, перемешивают с заполнителями, а затем вводят цемент и остаток воды [62].
     Актуальным остается применение минеральных добавок в цементы и бетоны и как следствие, рассмотрение вопросов нормирования при использовании таких добавок. Исследователями БГТУ им В.Г. Шухова предложена классификация минеральных добавок в композиционные цементы с учетом генетического происхождения [63, 93].
     Опираясь на исследования Баженова Ю.М., а также в  дальнейшем Лесовика В.С. можно отметить, что цементно-песчаный бетон имеет некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерны большая однородность и мелкозернистость, высокое содержание цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенные пористость и удельная поверхность твердой фазы.
     В настоящее время именно цементный бетон остается основным конструкционным материалом, и поэтому проблемы улучшения его технологической прочности и долговечности являются наиболее острыми и актуальными.
     По своим техническим характеристикам архитектурный бетон в несколько раз превосходит обычный бетон за счет специфического способа укладки раствора и использования специальных добавок. Архитектурный бетон устойчив к воздействию агрессивных сред, легко моется, выдерживает перепады температур, не скользит, не выцветает, обладает стопроцентной устойчивостью к ультрафиолетовым лучам. Кроме этого, архитектурный бетон имеет высокую сопротивляемость давлению и истиранию, обладает высокой противоударной прочностью [65].
     Методы исследования и применяемые материалы
     Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры строительного материаловедения и дорожных технологий; Липецкого государственного технологического университета, в научно-исследовательской лаборатории обследования.
     Методика исследований
     Исследования вещественного состава включало проведение валового химического анализа. Минеральный состав и строение образцов исходных сырьевых компонентов и синтезированных материалов были изучены с помощью метода рентгеновской дифрактометрии и растровой электронной микроскопии.
     Рентгенофазовый анализ
     Рентгенофазовый анализ – метод исследования материала, основанный на определении характера воздействия рентгеновского излучения на кристаллический образец.
     Сущность метода рентгенофазового анализа заключается в изучении дифракционной картины, зафиксированной дифрактометром, и идентификации полученных отражений определенным параметрам структуру кристаллических фаз [28].
     Исследования морфологических особенностей микроструктуры с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ)
     Исследования с помощью РЭМ относят к микроскопическому анализу, который предназначен для прямого и косвенного изучения структурных и фазовых изменений в веществах, процессов диффузии, кристалографических особенностей соединений, идентификации минералов путем измерения их оптических констант, формы и размеров кристаллов, а также процессов их роста и разрушения, и других целей.
     Определение гранулометрического состава веществ
     Гранулометрический состав порошкообразных материалов определяли методом лазернойгранулометрии, который позволяет непосредственно определять размеры частиц и процент их содержания в анализируемом материале.
Исследование реологических характеристик бетонных смесей
     Проектирование состава и получение качественного высокопрочного, самоуплотняющегося и специального бетона являются наиболее проблемной задачей.
     Изучение свойств бетонных смесей
     Прочность бетонов определяли на образцах-кубиках с размерами ребер 10x10x10 см и на образцах-цилиндрах 5x5 см. Отклонения от размеров по длине ребер кубов не превышало ±1 %. Образцы изготовляли сериями по 3-6 образцов в каждой серии. Формы с бетонной смесью уплотняли на лабораторной виброплощадке типа 435А.
     Исследование морозостойкости бетонов проводили на бетонных образцах размером 10x10x10 см по ГОСТ 10060-87 и на образцах-цилиндрах 5x5 см. Марка бетона устанавливалась в зависимости от числа циклов замораживания и оттаивания, которое выдерживали образцы; после испытания на сжатие без снижения прочности более 5 % по сравнению с прочностью контрольных образцов в эквивалентном возрасте, а потери массы не превышали 3 %.
     Истираемость бетонных образцов определяется по ГОСТ 13087-67[129].на круге истирания. Образцы изготовлялись в виде куба с размером ребер 70 мм. Для нашей конструкции истираемость не должна превышать 0,7, согласно ГОСТу 17608-91 [130].
     Водопоглощение определялось по ГОСТ 12730.3-78[131], и не превышало 6%.
     Удельную поверхность вяжущих определяли по методувоздухопроницаемости по ГОСТ 310.2-76 с помощью прибора ЦНТТМ «Интеграл» ПМЦ - 500.
     Нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста определяли при помощи прибора Вика в соответствии с ГОСТ 310.3—76.
     Предел прочности при изгибе образцов-балочек размером 40x40x160 мм определяли, испытывая их на изгиб по ГОСТ 310.4-81[126-128].
     Применяемые материалы
     При проведении исследований были использованы следующие сырьевые компоненты:
     а) портландцемент ЦЕМ I42,5Н
     б) Отсев доменного шлака
     в) микрокремнезем МК-85
     г) суперпластификаторС-3
     д) кварцевый песок
     е) красный пигменты Bayferrox
     ж) вода.
     Физико-химические основы получения бетонной смеси для архитектурных форм
     Приведена схема топологической структуры бетонной смеси для окрашенных архитектурно-декоративных бетонов с железоокисными пигментами.
     Этапами получения топологической структуры является следующее:
 подбор компонентов;
 оптимизация гранулометрического состава мелкого заполнителя;
 оптимизация расходов пластифицирующей добавки длядостижение требуемой жесткости бетонной смеси;
 подбор гранулометрического состава шлакового отсева металлургической промышленности;
 выбор пигмента и оптимизация его расхода с целью достижения достаточной насыщенности и стойкости цвета;
 определение оптимального времени виброуплотнения для достижения высококачественной лицевой поверхности.
     Целью начального этапа исследования является получение оптимальных составов цементных бетонов для устранения дефектов лицевой поверхности готового изделия. Схема получения данной поверхности представлена на рисунке 1. 
     В качестве связующего был использован рядовой портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н производства АО «Липецкцемент». Минералогический состав цемента представлен в таблице 1.
     
     
     
      
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     Рисунок 1 Схема получения качественной лицевой поверхности.
     Таблица 1 Минералогический состав цемента
Минерал
Содержание
С3S
65,10
С2S
13,86
С3A
8,96
С4AF
11,95
     
     Из таблицы 1 делаем вывод, что содержание С3S велико и в состав необходимо вводитьмикрокремнезем (10% от массы цемента). Данный параметр позволит сократить содержание свободной извести, что позволит улучшить эксплуатационные характеристики бетона:
 стойкость к истиранию;
 повышение прочности на сжатие;
 уменьшение расхода цемента;
 повышение долговечности.
     В качестве мелкого заполнителя был выбран стандартный кварцевый песок, гранулометрический состав которого приведен в таблице 2.
     Таблица 2 Гранулометрический состав кварцевого песка
Размер сита, мм
Частный остаток, %
Полный остаток, %
2,5
5,2
5,2
1,25
7,8
13,0
0,63
15,9
28,9
0,315
47,8
76,7
0,16
9,1
85,8
0
14,2
100
     
     Модуль крупности кварцевого песка рассчитывался по следующей формуле:
     М_к=(А_2,5+А_1,25+А_0,63+А_0,315+А_0,14)/100
     М_к=(5,2+13+28,9+76,7+85,8)/100=2,1
     На полученной смеси вяжущего с мелким заполнителем подбиралось оптимальное содержание суперпластификатора. При определении подвижности цементно-песчаной смеси водоцементное соотношение оставалось постоянным (В/Ц = 0,32). Данные по подбору представлены в таблице 3.
Содержание С-3 от массы цемента, %
Диаметр расплыва, см
Наблюдаемый дефект
0,5
10,1
Растрескивание цементного раствора
0,8
10,2
Растрескивание цементного раствора
1,2
10,3
Отсутствует
1,5
10,7
Отсутствует
1,8
11,0
Расслоение смеси
2,1
11,2
Повышенное водоотделение, расслоение смеси
     
     Анализируя данные приведенные в таблице 3, можно сделать следующий вывод: оптимальный расход супер пластификатора С-3 составляет 1,5% от массы цемента, данная концентрация добавки при достаточно низком В/Ц позволяет достичь необходимого диаметра расплыва цементного раствора без наблюдаемых дефектов.
     На следующем этапе получения топологической структуры осуществлялся подбор оптимального гранулометрического состава отсева доменного шлака. Рассматривая предыдущие компоненты, в состав вводились следующие сочетания фракций доменного шлака:
     - 0-2,5 мм – 50%; 5-10 мм – 50%;
     - 0-2,5 мм – 70%; 5-10 мм – 30%;
     - 0-2,5 мм – 30%; 5-10 мм – 70%;
     - 2,5-5 мм – 50%; 5-10 мм – 50%;
     - 0-2,5 мм – 50%; 5-10 мм – 50%;
     
     
     
     После подбора гранулометрического состава крупного заполнителя, осуществлялось определение оптимального времени уплотнения бетонной смеси
Содержание пигмента, %
Наблюдение изменения насыщенности цвета

1 сут.
3 сут.
7 сут.
14 сут.
28 сут.
1
-
Снижение 
Снижение 
Снижение
-
2
-
Потускнение
Снижение 
Снижение 
-
3
-
-
Потускнение
-
-
4
-
-
Потускнение
-
-
     
     
     
     Этап определение оптимального времени виброуплотнения был разделен на следующие временные диапазоны: 30 сек.; 60 сек.; 120 сек.; 180 сек.; 210 сек. Как видно из рисунка 2 и рисунка 4 при виброуплотнении бетонной смеси от 30-120 сек  данного состава, после набора прочности, при котором можно распалубить  готовый композит, видны визуальные дефекты. При виброуплотнени, которое заняло время 180 сек, смесь равномерно без лишних пор распределилась по всем форме полностью и после достижения распалубочной прочности, без каких либо дефектов вынимается из формы (рисунок 3). При дальнейшем вибрировании наблюдается выделение на поверхности материала цементного молочка, что означает дальнейшее уплотнение в ущерб готовой продукции, так как смесь начинает расслаиваться.

     
     Рисунок 2 График зависимости между удаления каверн и временем уплотнения
     
     
     Рисунок 3 Время виброуплотнения180 сек.
     
     Рисунок 4 Время виброуплотнения120 сек.
     
     
     
     
     
     
     
     
     В третьей главе представлена схема получения высококачественной лицевой поверхности на основе рядовых портландцементов при добавлении к ним отсевов металлургической промышленности.
     


     
     
     
     
     
     
     
     
     

1


.......................