Методическое пособие 720
.pdfHO CH2 CH2 О H x
Рис. 3.5. Структурная формула молекулы полиэтиленгликоля (ПЭГ)
Минеральными компонентами являлись местные доступные материалы для условий Воронежской области природного и техногенного происхождения: молотый кварцевый песок, молотый гранулированный шлак Липецкого металлургического комбината, молотый известняк Елецкого карьера, золошлаковые отходы ТЭЦ – 1 г. Воронежа с удельной площадью поверхности 300, 500 и 700 м2/кг. Химический состав используемых минеральных компонентов представлен в табл. 3.4 – 3.7.
Таблица 3.4
Химический состав кварцевого песка
Содержание оксидов, масс. %
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
Fe2O3 |
97,5…98,5 |
0,43…1,63 |
0,48…2,18 |
0,35…0,52 |
Таблица 3.5
Химический состав гранулированного шлака Липецкого металлургического комбината
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Содержаниекомпонентов,масс.% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
SiO2 |
|
|
|
CaO |
|
Al2O3 |
|
|
Fe2O3 |
|
|
MgO |
|
|
MnO |
FeO |
|
|
|
SO3 |
|
S |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
35…40 |
|
|
38…45 |
|
5…13 |
|
|
0,5…1 |
|
1…7 |
|
0,2…1,3 |
0,2…0,6 |
|
0,1…1 |
|
0,5…1 |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.6 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Химический состав известняка Елецкого карьера |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Содержание компонентов, масс. % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
CaO |
|
|
SiO2 |
|
Al2O3 |
Fe2O3 |
|
|
MgO |
|
|
SO3 |
|
п.п.п |
|
CaCO3 |
|
MgCO3 |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
54,1 |
|
0,95 |
|
0,22 |
|
0,55 |
|
|
|
0,45 |
|
|
0,27 |
|
43,1 |
96,8 |
|
|
|
0,94 |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.7 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Химический состав золошлаковых отходов ТЭЦ – 1 г. Воронежа |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Содержание оксидов, масс. % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
SiO2 |
|
Al2O3 |
|
TiO2 |
|
Fe2O3 |
|
|
MnO |
|
|
CaO |
|
MgO |
|
Na2O |
|
К2О |
|
Р2О5 |
|
|
|
SO3 |
|
п.п.п. |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
58,7- |
|
15,5- |
0,23- |
|
7,4- |
|
0,1- |
|
|
|
6,1- |
|
1,0- |
|
0,35- |
|
0,56- |
|
0,05- |
|
|
0,17- |
|
0,09-0,85 |
|
||||||||||||||||
|
62,1 |
|
|
19,3 |
|
0,95 |
|
9,3 |
|
0,55 |
|
|
|
8,6 |
|
|
2,8 |
|
0,96 |
|
1,05 |
|
0,09 |
|
|
0,98 |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
51
Для сравнительных оценок применялись микрокремнезем и биокремнезем, химический и фракционный состав, которых приведен в табл. 3.8 - 3.10. Микрокремнезем конденсированный уплотненный (МКУ) насыпной плотностью 470 кг/м3, удельной площадью поверхности 12000 м2/кг Хохольского завода сухих смесей. Микрокремнезем соответствует требованиям ТУ 5743-048-02495332-96. Биокремнезем представляет собой тонкодисперсный диоксид кремния биогенного происхождения, получаемый в результате специальной комбинированной активации природного диатомита. Насыпная плотность 300 кг/м3; удельная площадь поверхности 20000 м2/кг; цвет – светлооранжевый.
Также использовался комплексный модификатор полифункционального действия «Модификатор бетона марки МБ-01», соответствующий требованиям ТУ 5743-02595332-96, и комплексная органоминеральная добавка Полипласт-3МБ, соответствующая ТУ 5745-013-58042865-06.
Таблица 3.8
Химический состав микрокремнезема (по данным поставщика)
|
|
|
|
|
|
|
|
Содержание компонентов, масс. % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
SiO2 |
|
|
CaO |
|
|
Al2O3 |
|
Fe2O3 |
|
MgO |
|
|
Na2O |
K2O |
|
C |
|
S |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
90 |
|
|
0,85 |
|
0,68 |
0,69 |
|
1,01 |
|
|
0,61 |
|
1,23 |
|
0,98 |
0,26 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.9 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Фракционный состав микрокремнезема |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(по данным поставщика) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фракционный состав, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 … 2 |
|
|
2…2,3 |
|
2,36 |
|
3,4…5,4 |
|
5,4…8, |
8,3…15, |
15,3…20 |
|
20…46,3 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
…3,4 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
мкм |
|
|
6 мкм |
|
|
|
мкм |
|
3 мкм |
|
3 мкм |
|
|
мкм |
|
мкм |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
мкм |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
90,07 |
|
1,01 |
|
|
0,86 |
|
1,37 |
|
|
1,41 |
|
|
2,66 |
|
|
1,0 |
|
|
1,06 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.10 |
|||
|
|
|
|
|
|
Химический и фракционный состав биокремнезема |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
Содержание оксидов, масс. % |
|
|
|
|
Размер частиц, мкм |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
SiO2 |
|
|
Al2O3 |
|
|
Fe2O3 |
|
MgO |
|
K2O |
|
средний |
|
макси- |
минималь- |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мальный |
|
|
ный |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
88,0 |
|
6,1 |
|
|
2,80 |
|
0,84 |
|
1,34 |
|
|
7,5 |
|
|
|
|
50,0 |
|
2,0 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
52
3.3. Методы исследований
3.3.1. Стандартные методы исследования свойств сырьевых материалов
Нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста определяли с помощью прибора Вика по ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема». Марку цемента определяли по ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» и ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка». Удельную площадь поверхности цементов и исследуемых минеральных компонентов измеряли согласно ГОСТ 310.2-76 «Цементы. Методы определения тонкости помола» на приборе ПСХ-2, работающего по принципу воздухопроницаемости. Основные характеристики песка определяли по ГОСТ 8735-93 «Песок для строительных работ. Методы испытаний». Характеристики щебня определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленности для строительных работ. Методы физикомеханических испытаний». Эффективность пластифицирующих добавок оценивалась по ГОСТ 30459-2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Методы определения эффективности».
3.3.2. Метод исследований процессов адсорбции ПАВ на поверхности минеральных компонентов
Для изучения процессов адсорбции, а также выяснения структуры образующихся адсорбционных слоев исследовали изотермы адсорбции ПАВ на поверхности минеральных компонентов различной природы. Для получения изотерм адсорбции готовили серию водных растворов ПАВ с разной концентрацией. В равные объемы приготовленных растворов вносили одинаковую навеску адсорбента (минерального компонента) и выдерживали полученную смесь при постоянном перемешивании до установления адсорбционного равновесия. Затем растворы отфильтровывали и определяли их оптическую плотность. Содержание ПАВ на поверхности минерального компонента определяли спектральным методом по изменению концентрации растворов до и после адсорбции [135]. Равновесную концентрацию раствора определяли на основании предварительно построенной графической зависимости (калибровочного графика) оптической плотности раствора (Р) от концентрации (С). Графики Р = f (C) строили по трем сериям калибровочных растворов. Оптическую плотность растворов определяли на фотоэлектрическом фотометре КФК – 3. Количество адсорбированной добавки ПАВ на единицу поверхности адсорбента (в г/см2) рассчитывали по формуле
53
, |
(3.1) |
где Г* - количество вещества, поглощѐнного единицей массы адсорбента, г/г; S – удельная площадь поверхности адсорбента, см2/г.
Количество вещества поглощенного единицей массы адсорбента, рассчитывали по формуле
|
( |
) |
, |
(3.2) |
|
|
|
|
|
||
где и |
- начальная и равновесная концентрация раствора химической до- |
бавки в воде соответственно, г/мл; V – объем раствора, мл; m - масса носителя, г.
Полученные данные использовали для построения изотерм адсорбции (количество адсорбированного вещества от равновесной концентрации раствора).
3.3.3. Методы определения реологических и виброреологических свойств минеральных паст, цементного теста и бетонных смесей
Определение реологических свойств минеральных паст, цементного теста и мелкозернистых бетонных смесей осуществлялось с помощью ротационной вискозиметрии на приборах РВ-4 и VB-2000 (рис. 3.6). Принцип работы вискозиметра РВ-4 (рис. 3.7) основан на измерении скорости вращения наружного цилиндра при неподвижном внутреннем цилиндре под действием груза определенной величины. Перед проведением испытания оценивалась величина нагрузки холостого хода прибора.
Ротационный вискозиметр VB-2000 (рис. 3.6, а) позволяет проводить сравнительные измерения реологических свойств в соответствии с признанными стандартами в лабораториях контроля качества. Программное обеспечение, входящее в комплект прибора, позволяет производить сбор данных непосредственно с вискозиметра.
а |
б |
Рис. 3.6. Общий вид ротационных вискозиметровVB-2000 (а) и РВ-4 (б)
54
Рис. 3.7. Схема ротационного вискозиметра РВ-4:
1 – наружный цилиндр; 2 – внутренний цилиндр; 3 – барабан; 4 – тормозное приспособление; 5 – ролик; h – глубина погружения внутреннего цилиндра
Для сравнительного анализа реологические свойства определялись с помощью вискозиметра Суттарда и стандартного конуса (ГОСТ 10181-2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний»).
Виброреологические свойства бетонных смесей определялись на установке, разработанной в Воронежском ГАСУ (рис. 3.8), позволяющей автоматически управлять режимом работы и обеспечивать заданный резонансный режим в процессе уплотнения. Величины амплитуд ускорений колебаний и смещений регистрировались виброизмерительной аппаратурой и осциллографом, частоты колебаний – цифровым частотомером; величины затрачиваемой мощности регистрировались ваттметром.
Рис. 3.8. Автоматизированная резонансная виброплощадка, используемая для определения виброреологических свойств бетонных смесей
55
3.3.4. Методы исследований микрореологических свойств обводненных дисперсно-зернистых систем с учетом фрактально-кластерных проявлений
Для количественной оценки структурно-реологических характеристик обводненных дисперсно-зернистых систем на микроуровне использовались следующие показатели: фрактальная размерность D; объемная концентрация твердой фазы φ; критическая концентрация кластеров φ*, которые определялись по экспериментальным зависимостям «напряжение-деформация» и с помощью математического моделирования, с использованием программы Maple. Для расчетов применялась математическая модель, которая имеет вид
( ) |
|
|
|
|
|
|
|
⁄ |
|
|
|
|
; |
[ |
( |
|
) ] |
(3.3) |
|
|
|
|
|
|
|||||
( |
⁄ ) |
|
где ηА(φ,τ) – эффективная вязкость системы; η0 – вязкость несущей жидкой фазы; φ – объемная концентрация твердой фазы; φА – эффективная концентрация кластеров; φ* - критическая концентрация кластеров, соответствующая предельному напряжению сдвига; τ* - предельное напряжение сдвига, при котором происходит разрушение кластеров; τ – напряжение сдвига; D – показатель фрактальной размерности.
Показатели D и φ* определялись путем решения обратной задачи, осуществляемой с помощью модели (3.3) и экспериментальной зависимости (3.4), полученной методом ротационной вискозиметрии, связывающей параметры вязкости системы η и напряжение сдвига τ.
( ) . |
(3.4) |
С помощью математической программы Maple определялись показатели D и φ*, строилась графическая зависимость, которая должна совпадать с экспериментальной (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Реологические кривые, построенные с помощью программы Маple:
1 – экспериментальная; 2 – построенная на основе решения математического уравнения;
η– эффективная вязкость системы; η* – вязкость несущей жидкой фазы;
τ– напряжение сдвига; τ* – предельное напряжение сдвига
56
Показатель фрактальной размерности D позволяет оценить характер и степень агрегированности формирующихся структур и их плотность.
3.3.5. Метод определения показателя фрактальности частиц минеральных компонентов и микроструктуры цементного камня
Определение фрактальной размерности D велось методом островов среза с применением компьютерной программы Fractall.Stat.2.0, разработанной во Воронежском ГАСУ [133, 134]. Первоначально полученное электронное изображение частиц минеральных компонентов или микроструктуры цементного камня обрабатывалось с помощью программы Adobe Photoshop CE, Corel Photo Paint или других версий аналогичных программ. Обработка заключалась в увеличении яркости и контрастности изображения, насыщении цветом, очистке изображения и устранении шумов. Закрашенные фрагменты (островки) последовательно выделялись, и программа автоматически считывала площадь (А) и периметр (Р) каждого фрагмента. Корректные данные получаются при количестве выбранных фрагментов более 20 шт. Фрактальная размерность D опреде-
ляется как тангенс угла наклона зависимости периметра Р плотных зон от их площади А, построенной в двойных логариф-
мических координатах |
(рис. |
3.10). |
|
Рис. 3.10. График к определению фрактальной размерности
Использование программы
Fractall.Stat.2.0 позволило опре-
делить показатель фрактальной размерности частиц твердой фазы минеральных компонентов, а также микроструктуры цементного камня, модифицированного различными видами ОМД.
3.3.6. Методы микроскопического анализа
Оптические исследования отдельных частиц тонкомолотых минеральных компонентов и обводненных дисперсно-зернистых систем проводились на установке, включающей оптический микроскоп BIOLAM и цифровой фотоаппарат Olympus SP-500 UZ с компьютерным управлением (рис. 3.11). В качестве источника света в микроскопе использовали красный светодиод, позволяющий получать изображение с четким контуром. Установка позволяла получить изображение с максимальным увеличением в 400 раз.
57
Исследования микроструктуры цементного камня проводились на сканирующем электронном микроскопе JSM – 6380 LV (рис. 3.12), позволяющем получать изображения образца с разрешением около 1 микрометра.
Рис. 3.11. Схема прибора: 1 – источник света (светодиод); 2 –планшет; 3 – исследуемая система; 4 – микроскоп; 5 – цифровой фотоаппарат; 6 – персональный компьютер
Рис. 3.12. Внешний вид сканирующего электронного микроскопа JSM – 6380 LV
Исследования свойств поверхности тонкодисперсных минеральных компонентов, а также свойств «срезов» поверхности цементного камня, модифицированного различными видами ОМД, проводились с помощью атомно-силовой микроскопии на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator, который предназначен для визуализации, диагностики и модифицирования вещества с микро- и наноразмерным уровнем пространственного разрешения (рис. 3.13). Комплекс NanoEducator состоит из измерительной головки сканирующего зондового микроскопа, электронного блока, видеокамеры, соединительных кабелей, управляющего компьютера, устройства для травления зондов, а также набора тестовых образцов, расходных материалов и инструментов. Используется программное обеспечение Mac OS X. Основные характеристики СЗМ
NanoEducator представлены в табл. 3.11.
58
а |
б |
Рис. 3.13. Внешний вид установки (а) и измерительной головки (б) сканирующего зондового микроскопа NanoEducator
|
Таблица 3.11 |
|
Характеристики СЗМ NanoEducator |
||
|
|
|
Параметры |
Количественные характеристики |
|
Режимы сканирования |
АСМ, СТМ, литография |
|
Область сканирования |
70×70×70 мкм |
|
Пространственное разрешение X – Y |
~ 50 нм |
|
Z |
~ 2 нм (зависит от радиуса кривизны зонда) |
|
Минимальный шаг сканера |
10 нм |
|
Ток сканирования |
100 … 200 нА |
|
Радиус кривизны зонда |
10 … 100 нм |
|
Время сканирования |
30 – 40 мин (зависит от площади сканирова- |
|
|
ния) |
|
Время выхода на рабочий режим (время |
Не более 10 мин |
|
настройки) |
|
|
Размер исследуемого образца |
12 × 12 мм |
|
Высота образца |
не более 5 мм |
|
3.3.7. Методы определения основных свойств бетонных смесей и физико-механических характеристик бетонов
Свойства бетонных смесей, такие как удобоукладываемость, средняя плотность, расслаиваемость, сохраняемость свойств во времени, определялись по ГОСТ 10181-2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний».
Контроль прочности образцов на сжатие производился по ГОСТ 18105-86 «Бетоны. Правила контроля прочности». Среднюю плотность бетонных образцов определяли согласно ГОСТ 5802-86 и ГОСТ 12730.1-78 «Бетоны. Метод определения плотности».
Степень уплотнения (коэффициент уплотнения) бетонной смеси определялась двумя методами. По первому методу отформованные образцы взвеши-
59
вались, определялся их объем и рассчитыва лся коэффициент уплотнения по формуле
(3.5) |
|
|
где |
ρф а к т – фактическая плотность |
отформованного бетона, кг/м 3 ; |
ρт е о р |
– теоретическая (расчетная) плотность отформованного бетона, |
|
кг/м3 . |
|
|
|
По второму методу отформованный образец погружался в ме р- |
|
ный цилиндр, заполненный водой. |
При этом определялось колич е- |
ство содержащегося в бетонном образце вовлеченного воздуха. К о- эффициент уплотнения о пределялся по формуле
,
(3.6)
где Vб – объем отформованного бетона, см 3 ; Vв . в – объем вовлеченного воздуха в отформованном бетон е, см3 .
Водопоглощение бетона определяли по ГОСТ 12730.3 -78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения».
Испытание бетона на истираемость проводили согласно треб о- ваниям ГОСТ 13087 -81 «Бетоны. Методы определения истираем о-
сти» на лабораторном круге истирания ЛКИ-3. |
|
||
Морозостойкость |
бетона |
определялась |
согласно |
ГОСТ 10060.0-95 «Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования» и ГОСТ 10060.4 -95 «Бетоны. Структурно -
механический метод ускоренного определения морозостойкости». |
|
||
Водонепроницаемость |
бетона |
определялась |
по |
ГОСТ 12730.5 – 84 «Бетоны. Методы определения водонепроница е- мости».
Оценка достоверности полученных результатов проводилась по величинам средних значений и коэффициента вариации.
60