обосновано и экспериментально подтверждено повышение технико-технологических свойств МЗБ за счет усиления адгезионного взаимодействия цементирующей связки с поверхностью зёрен песка путём экструдирования исходной цементно-песчаной смеси через отверстия мундштука червячного экструдера с одновременным сдвигом микрообъёмов смеси в момент прохождения её через отверстия мундштука, что обеспечивает удаление газовоздушной фазы и примесей с поверхности зёрен цемента и песка, обнажение их активных центров, гидрофилизацию и смачивание; ускорение образования повышенного количества гидратных соединений и прочных, в т.ч. химических, контактов между частицами;

выявлен и количественно оценён эффект адгезионного взаимодействия цементного (теста) камня с поверхностью зерен песка, выражающийся в устойчивом приращении прочности МЗБ на сжатие и изгиб из экструдированных смесей над прочностью эталонного бетона независимо от состава бетона и В/Ц;

обнаружено значительное ускорение твердения МЗБ из экструдированных смесей, особенно в начальные сроки 3…28 дней, в которые прочность его на изгиб и сжатие превышает эталон в среднем на 30…40 %, что обусловлено активационными процессами сближения, гидрофилизации и смачивания частиц цемента и песка; повышенной на 8…10 % степенью гидратации цемента и частичным образованием химических и иных контактов между частицами;

установлена статистическим анализом результатов испытаний повышенная однородность прочности МЗБ из экструдированных смесей по сравнению с эталоном (по сниженным значениям коэффициентов вариации на 14,5…16,7 %), позволяющая дополнительно снижать среднюю прочность бетона заданного

установлено по результатам экспериментальных исследований и построения регрессионных моделей снижение деформаций усадки на 12…14 %, ползучести – на 35…40 % и повышение модуля упругости МЗБ на 66 % из экструдированных смесей по сравнению с эталоном, что устраняет один из главных недостатков МЗБ - недостаточную жесткость.

Практическая значимость.

разработаны рекомендации по выбору сырьевых материалов, составов и технологии приготовления экструдированных мелкозернистых бетонных смесей, обеспечивающие получение мелкозернистого бетона и изделий на его основе с повышенными технико-экономическими показателями;

ускоряется твердение мелкозернистого бетона из экструдированных смесей: систематически увеличивается его прочность во времени, позволяющая дополнительно уменьшить расход цемента на 18…20 % с учетом условий твердения и сроков введения объектов в эксплуатацию;

технологический и конструкционный эффекты МЗБ из экструдированных смесей достигаются на рядовых цементах и заполнителях при обычных В/Ц без помола цемента, введения пластификаторов и модификаторов, что значительно упрощает и удешевляет технологию и снижает себестоимость

Внедрение результатов исследований.

Разработана технологическая схема и рекомендации по производству изделий из экструдированных МЗБ смесей и сделан расчет технико-экономической эффективности в сравнении с аналогичным производством изделий из обычных смесей. Технология позволяет производить армированные стеновые перегородочные панели из экструдированных мелкозернистых смесей. Годовой экономический эффект за счет снижения расхода цемента на 18…20 % составляет 100 тыс. долларов при мощности производства 18678 м3/год.

Апробация работы.

Результаты исследований представлены и доложены на Всероссийском смотре научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов (г. Томск) 2007 г., на XII-ой международной межвузовской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов "Строительство-формирование среды жизнедеятельности" (М., 15-22 Апреля 2009 г.) и на кафедре Строительных материалов МГСУ.

На защиту выносятся:

обоснование и экспериментальное подтверждение усиления адгезионного взаимодействия цементирующей связки с поверхностью зёрен мелкого заполнителя для улучшения технологических и технических свойств МЗБ;

подобранные сырьевые материалы и составы МЗБ; методы и средства измерений и исследований;

количественная оценка адгезионного взаимодействия цементного (теста) камня с поверхностью зерен песка;

реологические исследования свойств экструдированных и обычных мелкозернистых бетонных смесей;

физико-механические кратковременные и длительные свойства мелкозернистых бетонов из экструдированных и обычных смесей;

микроскопические, рентгенофазовые и термогравиметрические исследования структуры, продуктов твердения и степени гидратации цемента МЗБ из экструдированных и обычных смесей;

технологическая схема и рекомендации по производству изделий из мелкозернистого бетона на основе экструдированных смесей;

технико-экономическая оценка эффективности производства мелкозернистого бетона из экструдированных смесей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 109 наименований, в т.ч. 18 иностранных источников и приложений. Она изложения на 174 страницах машинописного текста и содержит 40 рисунков, 57 таблиц и 15 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Отсутствие крупного заполнителя и большая поверхность песка в мелкозернистом бетоне вызывают повышенный на 15…25 % расход цемента и воды и, как следствие, большую усадку и ползучесть, требующих для уменьшения их негативного влияния дополнительных недешёвых мероприятий (механоактивации, введения эффективных суперпластификаторов, высодисперных органо-минеральных добавок и интенсивного уплотнения).

Большая удельная поверхность песка предопределяет наличие у него свободной поверхностной энергии, как и у цементных частиц, которая может быть использована для существенного уменьшения отмеченных недостатков мелкозернистого бетона за счет усиления адгезионного взаимодействия цементного (теста) камня с поверхности песка.

Возможность использования этого естественного резерва улучшения свойств мелкозернистого бетона на рядовых материалах представляется весьма актуальной и экономически оправданной задачей.

Адгезионное взаимодействие, зависит от многих факторов: химико-минерального состава и дисперсности контактирующих фаз; структуры и топологии поверхностного слоя заполнителей; адсорбции газовоздушной фазы и различных дисперсных примесей на их поверхности; толщины водной или растворной прослойки между цементным (тестом) камнем и поверхностью заполнителей; толщины и прочности цементирующей прослойки между зёрнами заполнителей; температуры и влажности окружающей среды.

Имеющиеся исследования касаются в основном взаимодействия цементного камня с природными крупными заполнителями и минералами. Наблюдается большой разброс данных, особенно касающихся прямых измерений прочности сцепления контактирующих фаз. В убывающем порядке прочность сцепления цементного камня с природными заполнителями уменьшается в ряду: известняк, мрамор, гранит, песчаник, а в ряду минералов – полевые шатки, кальцит, кварц, опал, халцедон и может составлять 30…60 % от прочности цементного камня на растяжение.

Применительно к производственным и горно-климатическим условиям Вьетнама результаты этих исследований представляют практический интерес в связи с большими запасами карбонатных пород в горной части страны и песков - рек Вьетнама, а также отходов энергетической металлургической и горнодобывающей промышленности.

Различие в структуре цементных бетонов на крупном и мелком заполнителях не позволяет однако полностью перенести установленные особенности контактного взаимодействия цементного (теста) камня с крупным заполнителем на взаимодействие с мелкими частицами песка природного или техногенного происхождения, тем более, что крупный заполнитель в тяжелом бетоне взаимодействует не с «чистым» цементным (тестом) камнем, как это представлено в проведенных исследованиях, а с цементно-песчаным раствором. Прямые же исследования и измерения прочности сцепления цементного (теста) камня с мелкими зёрнами заполнителей отсутствуют.

Важным фактором, влияющим на прочность сцепления цементного (теста) камня с поверхностным слоем заполнителей, является качество цементной прослойки между зёрнами заполнителей, зависящее от её толщины. Тонкая прослойка более гомогенна, в ней меньше дефектов, выше В/Ц и степень гидратации цемента, а также степень ориентации и кристаллизации портландита, эттрингита, и гидросиликатов кальция (CSH); выше вероятность возникновения водородных связей при дипольном взаимодействии молекул воды с полярной поверхностью кварцевого песка и частично химических связей с наиболее активными ёе центрами, находящимися в местах дефектов кристаллической решетки кварца. Под влиянием высокого pH среды, кварц в этих местах растворяется и вступает во взаимодействие с портландитом с образованием волокнистых гидросиликатов калция в поверхностном слое песка и контактной зоне с цементным камнем, что и обеспечивает образование прочных контактов между цементным камнем и песком. Очевидно, что в толстой прослойке, особенно из цементно-песчаного раствора, будет больше пористость и, следовательно, меньше прочность и упорядоченность кристаллизации и ориентации гидратных соединений, меньше конденсационных контактов и их прочность. На адгезионное взаимодействие цементного (теста) камня с песком больше влияние оказывают адсорбционные слои газовоздушной фазы, водные и воднорастворные плёнки и высокодисперсные примеси на поверхности частиц песка и цемента. Пески природных месторождений, как известно, содержат некоторое количество пылевидных примесей разного минерального состава карбонатных, сульфатных, железистых, глинистых и других. Не всегда адсорбция примесей ослабляет прочность сцепления цементного (теста) камня с песком. В случае использования, например, микро- и ультрадисперсного кремнезёма, примеси играют положительную роль, является центрами зародышеобразования, уплотнения и упрочнения структуры

В большинстве же случаев загрязнённая поверхность заполнителей затрудняет образование прочих контактов между ними и связующими веществами.

Основным факторами, оказывающими решающее влияние на прочность сцепления (адгезионное взаимодействие) цементного (теста) камня с поверхностью заполнителей в бетоне, являются химико-минеральный состав, чистота и шероховатость поверхности заполнителей и максимально плотный контакт их с цементным (тестом) камнем. Выявить отдельно влияние каждого из них достаточно проблематично. Поэтому возникает задача выявить и количественно оценить в чистом виде их совокупное влияние на прочность и другие свойства бетона, т.е. ту ёе долю, которая непосредственно приходится на адгезионное взаимодействие цементного камня с песком.

Решение ёе предусматривает:

разработку технологического способа, обеспечивающего повышение адгезионного взаимодействия между цементным (тестом) камнем и песком и критерия оценки этого взаимодействия;

экспериментальное подтверждение и технико-экономическую оценку их эффективности.

Для обеспечения повышенного адгезионного взаимодействия цементного камня с песком в работе в качестве стартовом основы предложено применить экструдирование исходных смесей путем продавливания их через суженные отверстия мундштука экструдера с одновременным тангенциальным сдвигом их локальных объёмов вращающимся ножом в момент прохождения смеси через отверстия. Экструдер может быть одно или двухшенковым, одно- или двухкамерным с разноразмерными решетками мундштуков.

При атмосферном давлении на поверхности частиц цемента и песка обычно адсорбируется до 5,3 % различных газов из воздуха (O2, N2, CO2). Присутствие их, а также утолщённых воднорастворных плёнок, препятствует сближению и образованию прочных контактов между частицами. Под влиянием давления, создающегося вращающимся шнековым валом экструдера из мелкозернистого бетонной смеси отжимается часть воды и происходит максимальное сближение частиц цемента и песка. Тангенциальный сдвиг (срез) смеси способствует удалению с поверхности частиц газовоздушной фазы и адсорбированных примесей и тем самым обеспечивает полную гидрофилизацию и смачивание их поверхности, что ускоряет гидратообразование, возникновение химических и других связей в контактной зоне, под влиянием Ван-дер-Ваальсовых сил.

Пропущенная через экструдер МЗБ смесь приобретает повышенную пластичность, однородность, подвижность и хорошую формуемость.