Технология и свойства тяжелого бетона на основе эффективных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа омд 05. 23. 05 Строительные материалы и изделия

Автореферат

Республика Казахстан

Алматы, 2010

Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ»

Защита состоится «27» августа 2010 г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д 14.03.01 в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов (ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ») по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6, к. 306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского и проектного института строительных материалов

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н.

А. Куатбаев

В связи с этим проблема получения высокоэффективных гидрофобизированных тяжелых бетонов с заданными физико-техническими свойствами, работающих в экстремальных условиях эксплуатации становится особенно актуальной.

Работа выполнена в соответствии с задачами развития малого и среднего бизнеса, Правительственной Государственной программой по форсированному индустриально-инновационному развитию РК и детальной Картой индустриализации страны.

Целью диссертационной работы явилась разработка гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов пролонгированного действия типа ОМД-М, обеспечивающих получение эффективных тяжелых бетонов с высокими физико-техническими и эксплуатационными свойствами.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследований:

- разработать составы и способы получения гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов, способных регулировать водопроницаемость тяжелого бетона в зависимости от условий эксплуатации;

- исследовать влияние гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов на свойства цементных паст, бетонной смеси и отвердевшего бетона;

- разработать технологию производства бетонных тротуарных плит, в том числе с регулируемой водопроницаемостью;

- разработать нормативно-техническую документацию для внедрения в производство предлагаемых технических решений;

- провести опытно-производственные работы по внедрению разработанных составов гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов в производстве дорожного бетона и изделий на его основе и оценить технико-экономическую эффективность принятых решений.
Научная новизна работы:

- подтверждена научно-теоретическими и практическими результатами исследований рабочая гипотеза о положительном воздействии микрокремнезема и золы в составе гидрофобизирующего модификатора на свойства тяжелого бетона;

- научно обоснованы состав и способ изготовления гидрофобизирующего органоминерального модификатора марки ОМД-МС с применением ультрадисперсного микрокремнезема для активизации цементных систем;

- предложена схема, объясняющая получение модификатора типа ОМД-М в виде гранул требуемого качества;

- объяснена предпочтительность применения в качестве гидрофобизирующего ингредиента СЖК – продукта с меньшей молекулярной массой, вместо традиционно применяемого КОСЖК (продукт имеет большую молекулярную массу, что препятствует получению качественной эмульсии);

- показано, что улучшение устойчивости к расслоению, обеспечение сплошности цементных систем может быть достигнуто созданием в них условий для наложения трения скольжения между частицами цемента и зернами заполнителя (микро- и макроуровень) и между зернами заполнителя (макроуровень);

- предложена схема пластификации, устойчивости к расслоению, сохранения сплошности цементных бетонов, модифицированных ОМД-МС, показывающая плоскости скольжения, «щетки», водные оболочки, обеспечивающие в комплексном взаимодействии протекание конструктивных процессов, позволяющих получать бетонные смеси и бетоны заданных свойств.
Практическая ценность и реализация работы:

- разработаны составы и способы получения гидрофобизирующих органо-минеральных модификаторов, способных регулировать водопроницаемость тяжелого бетона в зависимости от условий эксплуатации тротуаров, площадок и дорог;

- предложена принципиальная технологическая схема приготовления гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ОМД;

- предложен способ изготовления тротуарных плит мощения из крупнопористого мелкозернистого бетона с регулируемой водопроницаемостью;

- разработан технологический регламент на изготовление модифицированного органоминерального модификатора типа ОМД, утвержденный ТОО «Континент-Строй» (г. Караганда), 2010 г.

Промышленная апробация технических решений:

– выпущена опытно–промышленная партия плит бетонных тротуарных из тяжелого и мелкозернистого бетона на фирме ТОО «Континент-Строй» (г. Караганда).

– экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 412,5 тенге на 1м³ бетона (по ценам 2009 г.).

Основные результаты диссертации доложены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Карагандинского государственного технического университета и конференциях научных сотрудников ЗАО "НИИстромпроект"; на международном семинаре по моделированию и оптимизации композитов, – Одесса, 2003 г.; на международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», – Пенза, 2006 г.; на ежегодной международной научной конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030», – Караганда, 2007-2009 гг.; на международной научно-практической конференции «Дни науки-2007», – Днепропетровск, 2007 г.; на международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», – Москва-Караганда, 2007г.; на международной научно-практической конференции «Настоящи изследвания» – София, 2009 г.; международной научно-практической конференции «Найновите научни постижения - 2009», – София, 2009 г.; на международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы 2010», – Перемышль, 2010; на международной научно-практической конференции «Ключевые аспекты научной деятельности – 2010», – София, 2010 г.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах.
Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключений и приложений, содержит 132 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 42 таблицы, список использованных источников из 166 наименований.

Результаты работы получены автором самостоятельно.

Автор выражает глубокую благодарность коллективам кафедры ТСМиИ Карагандинского государственного технического университета и ТОО "НИИСТРОМПРОЕКТ".

- результаты оптимизации и способы получения гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ОМД-М;

- влияние предлагаемого органоминерального модификатора ОМД-МС на физико-технические свойства гидрофобизированных цементных материалов;

- исследования строительно-технических свойств отвердевшего модифицированного тяжелого бетона;

- результаты опытно-промышленного внедрения и технико-экономическая оценка предлагаемых технических решений.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована статистическими данными, применением современных методов расчета и лабораторного оборудования, обеспечивающего необходимый уровень надежности измерений.

Большой вклад в технологию бетона внесли многие институты Российской Федерации и Казахстана – НИИЖБ, ВНИИжелезобетона, МГСУ (бывший МИСИ им. В.В. Куйбышева), НИИцемент, МАДИ, МХТИ, ТОО Алматинский «НИИстромпроект», Карагандинский государственный технический университет (бывший КарПТИ), КазГАСА, ЮКГУ им. М. Ауезова, ТГУ им. М.Х. Дулати и другие научно-производственные коллективы под руководством и при непосредственном участии А.А. Абдыкалыкова, А.А. Акчабаева, Л.А. Алимова, В.Г. Батракова, С.М. Байболова, Д.О. Байджанова, Ю.М. Баженова, В.В. Воронина, З.А. Естемесова, С.С. Каприелова, И.К. Касимова, К.К. Куатбаева, А.А. Кулибаева, В.М. Курдюмовой, Т.С. Мусаева, К.А. Нурбатурова, Д.В. Орешкина, В.Б. Ратинова, М.С. Садуакасова, В.И. Соловьева, В.И. Соломатова, Ж.Т. Сулейменова, Е.В. Ткач, М.И. Хигеровича, В.М. Хрулева, А.Ш. Чердабаева, С.М. Шарипова, К.С. Шинтемирова и других.

В последние годы несмотря на последствия мирового экономического кризиса в Казахстане наблюдается устойчивый рост применения в строительстве бетона и железобетона различного назначения, в частности при возведении дорог и устройстве околодорожной инфраструктуры, с модифицирующими добавками.

Однако влияние добавок на технологические и строительные свойства объясняется без должного научного и экспериментального обоснования. Хотя сложные сорбционные и хемосорбционные процессы на границе раздела фаз, идущие на атомно-молекулярном наноуровне в тонких поверхностных слоях взаимодействующих фаз, могут быть расшифрованы при современных инструментальных методах физико-химического анализа.

Для полной картины состояния дел и решения задач по разработке и применению высокоэффективных модификаторов в технологии бетона нами были критически изучены, кроме работ ученых Казахстана и ближнего зарубежья труды ученых и обзорные статьи из зарубежных технических журналов ФРГ, США, Македонии, Англии, Бельгии, Венгрии, Японии и других стран.

В Казахстане ситуация имеет свою специфику. Крупные компании практически не финансируют НИР в области нанотехнологий. Как правило, все их намерения заканчиваются имитацией большой «заинтересованности».

Действенные шаги в решении проблем финансирования исследований предпринимаются Правительством Казахстана, Национальной инженерной Академией, Ассоциацией предприятий индустрии и торговли РК.

Стержнем мобилизации научного потенциала страны можно назвать Послание Президента РК, в котором отмечается, что исходя из реалий оценки бизнес–среды и решения глобальной задачи вхождения в число 50 конкурентоспособных стран мира, в частности строительство на 80% должно обеспечиваться казахстанскими стройматериалами.

Исходя из цели и задач исследований для получения эффективных гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов для бетона была принята следующая рабочая гипотеза.

Известно, что комплексные добавки, к которым относятся известные гидрофобизирующие добавки марки ОМД, КОМД-С, не только проявляют эффект синергизма на стадиях приготовления бетонной смеси и твердения в направлении повышения удобоукладываемости и прочности бетона, но и регулируют процессы «самозалечивания» цементного камня во времени. Эти добавки относятся к модификаторам пролонгированного действия, однако не позволяют получать бетон высокой плотности.

Остаются поры, способные к дальнейшему дроблению, микродефекты в зоне контакта «цементный камень - заполнитель». Указанные недостатки отрицательно влияют на прочность, морозостойкость, проницаемость, процессы массопереноса и долговечность материала в целом. Создание и применение многокомпонентных органоминеральных модификаторов, которые помимо пролонгированного действия, синергетического воздействия ингредиентов могут на макро-, микро- наноуровнях активно влиять на формирование качественной структуры цементного камня, обеспечивающей высокие показатели прочности, плотности, проницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости и других эксплуатационных характеристик бетона.

Для решения данной задачи предполагается разработка и применение гидрофобизирующих модификаторов, в состав которых будет включен ультрадисперсный ингредиент – микрокремнезем.

Реализация такого технического решения требует разработки нового состава и способа приготовления гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов.

В основу разработки взяты результаты, достигнутые школами профессоров М.И. Хигеровича, А.А. Кулибаева, В.И.Соловьева.

Новые модификаторы наряду с гидрофобизирующими свойствами будут иметь новое качество – обеспечивать на наноуровне коренное улучшение структуры цементного камня и физико-технических свойств бетона.
2 Характеристика исходных материалов и методы исследований
Научно-исследовательские и практические работы выполнены с применением вяжущих, заполнителей и химических модификаторов, выбор которых продиктован не только требованиями современного строительного рынка, но и спецификой работы строительных предприятий в местных условиях.

В качестве вяжущего использовали портландцементы АО "Central Asia Cement" (г. Караганда) и АО "Восток-цемент" (г. Усть-Каменогорск). Цементы соответствовали требованиям ГОСТа 10178-85 "Портландцемент, шлакопортландцемент. Технические условия".

В качестве мелкого заполнителя применяли природные пески карьеров, расположенных в районах городов Караганды и Астаны. В качестве крупного заполнителя применяли щебень карьеров Карагандинской и Алматинской областей. Свойства песка определяли методами ГОСТа 8735-88 "Песок для строительных работ. Методы испытания", щебня – методами ГОСТа 8269.0 -97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний». Результаты испытаний показали, что заполнители по содержанию глинистых, пылевидных и органических примесей, гранулометрическому составу соответствуют стандартным требованиям (ГОСТ 8376-93, ГОСТ 8267-93). Для затворения бетонной смеси использовали воду, удовлетворяющую требованиям ГОСТа 23732 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия».

Для приготовления высокоэффективных комплексных гидрофобизирующих добавок-модификаторов применяли различные органические и неорганические соединения. Выбор ингредиентов осуществлялся на основе изучения опыта работы передовых предприятий стран ближнего и дальнего зарубежья с учетом требований к добавкам-модификаторам, установленных действующими нормативными документами, в частности ГОСТом 24211-2003 "Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические требования".

В качестве гидрофобизирующего ингредиента применяли кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК), а также синтетические жирные кислоты (СЖК), получаемые окислением парафина. Качество СЖК удовлетворяло требованиям ГОСТа 23239-89 "Кислоты жирные синтетические".

В качестве пластифицирующего ингредиента применяли технические лигносульфонаты (ЛСТ), которые соответствовали ТУ 2455-031-46289715-2000 Лигносульфонаты технические порошкообразные. Для ускорения твердения цемента в состав модификатора включен тиосульфат натрия (ТСН) - Na₂S₂O₃ (ГОСТ 244-76 "Натрий тиосульфат кристаллический. Технические условия") или роданид натрия (ГОСТ 10643-75 «Натрий роданистый. Технические условия»).

В качестве трегера использована зола-унос ТЭС от сжигания углей Карагандинского и Экибастузского бассейнов.

В работе использовали микрокремнезем Новокузнецкого завода ферросплавов и ферросилиций Ермаковского завода ферросплавов марки ФС-75, содержащие до 90% SiO₂. Микрокремнезем характеризовался удельной поверхностью 1800-2000 м²/кг, средним размером частиц 0,25 мкм, гидравлической активностью по поглощению извести около 500 мг/г CaO.

Применялись как стандартные, так и и общепризнанные нестандартные методы исследований, разработанные ведущими научно-исследовательскими и учебными институтами: НИИЖБом, ВНИИжелезобетоном, МГУ, МГСУ, НИИцементом Российской Федерации, НИИстромпроектом (Алматы), Казахской архитектурно-строительной академией.

Процессы формирования структуры цементного теста и бетонной смеси на ранних стадиях твердения, связанные с образованием коагуляционной структуры и ее переходом в кристаллизационную, изучали с помощью конического пластометра МГУ.

Основные свойства бетона, такие как предел прочности при сжатии и растяжении, призменная прочность, деформативные свойства, морозостойкость, водопроницаемость определены в соответствии с действующими стандартами: ГОСТ 101080-90 "Бетоны. Методы определения прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона", ГОСТ 24544-81 "Бетоны. Методы определения деформации усадки и ползучести", ГОСТ 10060.1-95 "Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости", ГОСТ 12730.5-84 "Бетоны. Методы определения водонепроницаемости".

Для изучения вещественного состава сырьевых материалов, фазовых и структурных превращений был применен комплекс методов физико-химического анализа, который включал микроскопический, дифференциально-термический, рентгеноструктурный, рентгеноспектральный анализы, электронную микроскопию.

Электронно-микроскопические исследования проведены на японском сканирующем микроскопе типа SEM фирмы «Jeol Ltd» при увеличении от 3500 до 70000 и на сканирующем зондовом микроскопе марки SEM-130 при увеличении до 20 000.

Распределение частиц по размерам определяли на лазерном дифракционном микроанализаторе «Анализетте-22» фирмы «FRITSCH».

Структурную пористость цементного камня и растворной части бетона исследовали методами ртутной порометрии, световой микроскопии и дилатометрии.

При планировании экспериментов и обработке результатов использованы методы математической статистики.

Предварительные исследования указанных составов модификаторов позволили определить, что оптимальным является состав гидрофобизирующего органоминерального модификатора марки ОМД-МС1 (далее в исследованиях –ОМД-МС).

С применением метода математического планирования эксперимента была определена оптимальная дозировка гидрофобизирующего органоминерального модификатора марки ОМД-МС, равная 12% от массы цемента при водоцементном отношении В/Ц=0,35 и расходе цемента в бетонной смеси 400 кг/м³. При этом прочность на сжатие бетона через 28 сут нормального твердения составила 65 МПа, а водопоглощение 2,7%.
Таблица 1 – Составы гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов

типа ОМД-М, рекомендованных для получения исследуемых тяжелых бетонов

Технологическая схема приготовления гидрофобизирующих органо-минеральных модификаторов типа ОМД-М с агломерацией ингредиентов модификатора в воздушно-взвешенном состоянии представлена на рисунке 1.

Схема включает две самостоятельные технологические линии: линию приготовления прямой эмульсии и линию приготовления порошкообразного модификатора. Предлагаемый способ получения модификатора в виде гранулированного порошка базируется на процессе агломерации сырьевой смеси в воздушно-взвешенном состоянии. Управление потоками воздуха обеспечивает взвешенное состояние ультрадисперсного микрокремнезема и капельно-жидкой эмульсии.

Полученный продукт можно применять как без предварительного роспуска, так и с предварительной активацией его водной суспензии в РПА-СТ с последующим совмещением активированной смеси с заполнителем и добавочной водой в интенсивном смесителе марки «Айрих» типа R.

Расходные емкости хранения: 1 – ЛСТ, 2 – СЖК и КОСЖК, 3 и 3' – воды, 4 – готовой прямой эмульсии, 5 – микрокремнезема, 6 – золы-уноса, 7 – соли неорганических кислот; 8 – смеситель с подогревом; 9 – гомогенизатор марки РПА-СТ; 10 - смеситель принудительного действия; 11 – камера агломерации модификатора в порошок; 12 – форсунки распылителя; 13 – эжекторы подачи сжатого воздуха; 14 – емкость готового гранулированного порошка (склад СГП); 15 – вентили (питатели); 16 – дозаторы; 17 – камера осаждения; 18 – гибкие «полосовые шторы»; 19 – транспортер; 20 – фильтр очистки воздуха

Рисунок 1 - Технологическая схема приготовления гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов типа ОМД-М

(агломерация ингредиентов модификатора в воздушно-взвешенном состоянии)

Исследованы основные физико-технические свойства цементных паст, цементного клея, бетонных смесей и бетона с органоминеральным модификатором марки ОМД-МС.

Установлено, что модификатор ОМД-МС улучшает реологиию цементных паст, благодаря умеренному структурирующему действию на цементные системы синтетических жирных кислот (СЖК) в сравнении с действием кубовых остатков синтетических жирных кислот (КОСЖК).

Бетонные смеси с модификатором ОМД-МС имеют почти вдвое меньшее водоотделение, чем смеси без добавки и на 48% меньше, чем смеси с добавкой С-3, обладают лучшей устойчивостью к расслаиванию: на ≈ 60% в сравнении с бетонной смесью без модификатора и на 30-35% – с модификаторами ГПД и С-3.

Предложена схема пластификации, устойчивости к расслоению и сохранению сплошности бетонных смесей, модифицированных ОМД-МС, на которой показано, как плоскости скольжения, «щетки» (по М.И. Хигеровичу), водные оболочки при взаимодействии ингредиентов модификатора с компонентами бетонной смеси обеспечивают эти необходимые свойства.

Показано, что модификатор ОМД-МС улучшает дифференциальную пористость цементного камня, приводят к образованию системы резервных условно-замкнутых пор сферической формы диаметром от 10 до 100 мкм, которые, прерывая капиллярные поры способствуют получению высокой плотности цементного камня.

Введение в состав цементного камня модификатора ОМД-МС, содержащего микрокремнезем, приводит также к снижению капиллярной (диаметр пор от 5∙10^-3 до 10 мкм) и увеличению гелевой (диаметр пор от 1∙10^-3 до 5∙10^-3 мкм) пористости, что в свою очередь приводит к понижению температуры замерзания поровой жидкости в поровом пространстве и повышению морозостойкости.

Физико-механические и деформативные свойства бетона с модификатором ОМД-МС в сравнении со свойствами бетона без добавки и с другими известными модификаторами показаны в таблицах 2 и 3.

В
12
работе представлены результаты, свидетельствующие, что предлагаемый модификатор ОМД-МС позволяет изготовлять тяжелый бетон высокого качества с улучшенными характеристиками прочности и деформативности, что является одним из условий создания изделий и конструкций с высокими и надежными кондициями, обеспечивающими их работу в тяжелых условиях эксплуатации.
Таблица 2 – Значение вязкости разрушения бетонов в возрасте 28 сут

Таблица 3 – Усталостная прочность бетона

Модификатор, % от массы цемента	Прочность бетона, МПа		Куст.п.
	R28	Rд28
Без добавок	34,3	30,2	0,13
12% ОМД-МС	62,4	59,7	0,05
0,3 % ГПДплюс3% (ТСН)	39,2	35,4	0,1
0,4 % С-3плюс4% ТСН	40,5	37,2	0,08
Примечание - Куст.п- коэффициент усталостной прочности, определяемый по формуле: где R28 - предел прочности бетона на сжатие в возрасте 28 суток; RД 28 - то же, после испытания на пульсирующем прессе.

О высоком качестве полученного бетона свидетельствуют также гидрофизические испытания. Анализ полученных данных показывает, что бетон с модификатором ОМД-МС имеет минимальные значения водопоглощения и капиллярного подсоса в сравнении с бетоном без модификатора и с добавкой ГПД плюс ТСН (ниже соответственно в 3,5 и 2 раза), повышенную водонепроницаемость – на 7 ступеней (марок) в сравнении с бетоном без модификатора и на 2-3 ступени – с модификаторами ГПД плюс ТСН и С-3 плюс ТСН.

Улучшение гидрофизических свойств бетона с модификатором ОМД-МС можно объяснить:

- высокой плотностью структуры цементного камня и бетона в целом. Достигается высокая плотность модифицированием продуктов гидратации;

- отсутствием макропор в результате их дробления под действием ПАВ и наличия ультрадисперсного микрокремнезема. Большая часть пор формируется в структуре цементного камня как гелевые;

- наличием гидрофобизированных «вкрапленников», которые по М.И. Хигеровичу сильно сдерживают фильтрацию воды в теле бетона;

- высокой прочностью межпоровых мембран (стенок), обеспечивающей работоспособность материала при воздействии высоких давлений воды.

Существенное повышение морозо- и коррозиестойкостти является следствием особенностей протекания процессов корразии и коррозии в цементном бетоне. Флегматизация разрушающих процессов связана с воздействием каждого ингредиента и в целом модификатора:

- ЛСТ содействует образованию микропористости;

- СЖК также обеспечивает дробление пор и формирование микропористости (гелевые поры), снижает разрушительное действие корразии на цементный камень (матрицы бетона), усиливает процессы самозалечивания цементного камня, склеивая продукты гидратации при взаимодействии воды с «клинкерным фондом»;

- соль неорганической кислоты обеспечивает совместно с ПАВ синергизм в направлении увеличения прочности цементного бетона;

- высокоактивный ультрадисперсный микрокремнезем участвует в формировании ультрапористой структуры цементного камня, обеспечивая плотность камня, а при взаимодействии с другими ингредиентами, особенно с гидрофобизирующими, делает цементный камень высокопрочным, надежным, а значит долговечным;

- зола-унос становится источником упрочнения матрицы цементной структуры вследствие образования низкоосновных гидросиликатов кальция;

- все процессы, подчиняясь закону количества и качества, проявляются в период всей жизни гидрофобизированного бетона, т.е. модификатор ОМД-МС следует относить к модификаторам пролонгированного действия. Разрушительные процессы в цементном камне вследствие корразии прослеживаются при дилатометрических испытаниях цементного камня.

Мы разделяем мнение М.И. Хигеровича и его учеников, что первостепенная роль в повышении морозостойкости бетонов должна отводиться не только гидрофобизирующим добавкам, но и гидрофобным трегерам. В нашем случае, не умаляя проявления функций гидрофобизирующих ингредиентов, мы отводим усиливающую роль в развитии конструктивных процессов, в частности в упрочнении стенок пор, активному ультрадисперсному микрокремнезему, действие которого, как показали опыты, существенным образом проявляется при взаимодействии с другими ингредиентами модификатора ОМД-МС и компонентами бетона.

Разработку предлагаемого модификатора ОМД-МС можно рассматривать как промежуточный шаг на пути к применению нанотехнологий в производстве высококачественных, надежных и долговечных бетонных и железобетонных изделий и конструкций, обеспечивающих строительство дорог, зданий и сооружений с большепролетными фрагментами современной архитектуры.

- портландцемент марки 400 АО "Central Asia Cement", г. Караганда;

- песок Кулайгирского месторождения (Карагандинская область) с модулем крупности 2,3 и насыпной плотностью 2620 кг/м³;

- щебень Майкудукского карьера (Карагандинская область) с насыпной плотностью 1400 кг/м³;

- гидрофобизирующий органоминеральный модификатор марки ОМД-МС. В работу были включены заводские составы бетона и составы, подобранные с предлагаемым модификатором ОМД-МС (таблицы 4 и 5).
Таблица 4 – Рабочие составы бетонной смеси с крупным заполнителем

Таблица 5 – Рабочие составы для приготовления мелкозернистой бетонной смеси

Результаты испытаний тяжелого бетона, изготовленного в производственных условиях, приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Физико-технические свойства тяжелого дорожного бетона

Модификатор, % от массы цемента	В/Ц	Прочность бетона на сжатие, МПа		Водопоглощение, %
		после тепловой обработки	в возрасте 28 сут
Без добавки	0,54
12% ОМД-МС	0,38
12% ОМД-МС	0,4
Примечание - Режим тепловой обработки был принят заводской, т.е. 2+2,5+8+1,5 ч при изотермическом прогреве 80°С.

С учетом рекомендаций С.А. Миронова, Л.А. Малининой, Б.А. Крылова, К.В. Михайлова, А.В. Лыкова и др. и наработанного опыта на предприятии были проведены работы по сокращению продолжительности тепловой обработки. Полученные результаты позволили считать оптимальный режим тепловой обработки модифицированного бетона 2+3+3+1,5 ч при изотермическом прогреве 80°С, т.е. в производственных условиях можно снизить энергозатраты на тепловую обработку бетона почти в 2 раза.

Основные физико-механические свойства полученного по сокращенному режиму гидрофобизированного мелкозернистого бетона приведены в таблице 7.
Таблица 7– Физико-механические свойства гидрофобизированного мелкозернистого бетона

Модификатор, % от массы цемента	В/Ц	Прочность бетона на сжатие, МПа		Водопоглощение, %	Истираемость, г/см2
		1 сут.	28 сут
Без добавки	0,42	4,8
12% ОМД-МС	0,35	18,7
12% ОМД-МС	0,33	21,8

Анализ полученных результатов (таблицы 6 и 7) показывает, что качество полученных изделий – дорожных плит покрытия – высокое. В среднем прочность мелкозернистого и бетона с органоминеральным модификатором ОМД-МС через 28 суток после пропаривания возрастает в 2,3 и 2,6 раза.

Существенно улучшаются и другие характеристики гидрофобизированного бетона с добавкой ОМД-МС: водопоглощение снижается в 3,0-3,5 раза, – на истираемость на 50-60%.

Особого внимания заслуживают результаты испытания бетона, изготовленного с уменьшенным на 30% расходом цемента. Из таблицы 6 видно, что даже при таком расходе цемента 280 вместо 400 кг/м³ прочность бетона несколько превышает (на 40-50%) прочность контрольного образца. Планируется продолжить работы с производственниками по подбору состава бетона с сокращенным расходом цемента и применением не только предлагаемого модификатора ОМД-МС, но и недорогих минеральных добавок, возможно в виде отходов (золы-унос, молотые шлаки и др.).

В ходе реализации исследований был разработан и утвержден технологический регламент на изготовление органоминерального модификатора ОМД-МС.

Экономический эффект от применения предлагаемого органоминерального модификатора марки ОМД-МС составляет 412,5 тенге на 1м³ тяжелого мелкозернистого бетона (по ценам 2009г.).

Таким образом, выполненные работы по внедрению предлагаемых технических решений и полученные при этом результаты испытаний показали состоятельность и техническую эффективность предлагаемого гидрофобизирующего органоминерального модификатора марки ОМД-МС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Подтверждена рабочая гипотеза о возможности создания многокомпонентного гидрофобизирующего модификатора пролонгированного действия с синергетическим взаимоусилением взаимодействия ингредиентов на макро-, микро- и наноуровнях при формировании структуры цементного камня, что обеспечивает высокие показатели прочности, плотности, водонепроницаемости морозо- , коррозиестойкости и долговечности бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

2. Разработан состав гидрофобизирующего органоминерального модификатора ОМД-МС, с учетом проявления всех функций ингредиентов модификатора как на стадии его приготовления в виде гранулированного порошка, так и при комплексном действии в цементных пастах и бетоне. Модификатор содержит в своем составе технические лигносульфонаты, синтетические жирные кислоты, микрокремнезем, золу-унос и тиосульфат натрия.

Заявка 2010 г. на добавку в бетонную смесь зарегистрирована в РГКП «Национальный институт интеллектуальной собственности» для выдачи предварительного патента Республики Казахстан.

3. Предложена схема получения гранулированных модификаторов типа ОМД-М. Полученный гранулированный модификатор марки ОМД-МС однороден по гранулометрии зерен, хорошо распускается в воде и поддается быстрой активации в диспергаторе типа РПА перед применением в бетоне.

4. Оптимизированы составы тяжелого бетона методом математического планирования эксперимента с интерполяцией экспериментальных значений с применением полинома Лагранжа. Установлено оптимальное значение содержания органоминерального модификатора – 12% от массы цемента, при водоцементном отношении В/Ц=0,35 и содержании портландцемента 400 кг/м³ . При этом бетон имеет прочность на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения 65 МПа, водопоглощение 2%.

5. Исследованиями установлено, что введение гидрофобизирующего органоминерального модификатора ОМД-МС в цементное тесто в оптимальном количестве улучшает его вязкопластические свойства: тесто нормальной густоты получается при уменьшенном расходе воды затворения на 25-27%. Данный результат стал возможным благодаря применению СЖК – продукта с меньшей молекулярной массой, чем традиционно применяемый КОСЖК, что обеспечивает получение более качественной эмульсии.

6. Установлено, что применение модификатора ОМД-МС позволяет получать удобоукладываемые бетонные смеси в широком диапазоне подвижности (до ОК 20-22 см), препятствует их расслаиванию (расслаиваемость в 2,6 раза ниже, чем бетонной смеси без модификатора) и водоотделению (снижение водоотделения на порядок).

Улучшение вязкопластических свойств цементных материалов связано с комплексным воздействием высокоактивного ультрадисперсного микрокремнезема, который выполняет структурирующую роль в цементных системах гидрофильно-гидрофобизирующих ПАВ, входящих в состав модификатора, соли неорганических кислот и золы-уноса.

Наложение процессов, протекающих на разных уровнях, под действием ингредиентов добавки обеспечивает улучшение вязкопластических свойств цементных систем: снижается трение скольжения между компонентами бетонной смеси и увеличивается связывание воды в «полутвердые» водные оболочки, которые помимо смазочного действия придают бетонной смеси устойчивость к расслоению.

Предложена схема пластификации, устойчивости к расслоению и сохранению сплошности цементных бетонных смесей с модификатором ОМД-МС.

7. Предлагаемый модификатор ОМД-МС позволяет получать микроструктуру цементного камня нового качества путем существенного увеличения доли мелких и гелевых (до 70%) пор.

8. Комплексными исследованиями определено, что применение модификатора ОМД-МС позволяет получать высокоэффективные тяжелые бетоны.

Установлено, что прочность бетона с модификатором ОМД-МС в 1,7-1,8 раза выше, чем бетона без добавки и на 50% выше, чем бетона с известным модификатором С-3 плюс ТСН.

Улучшены деформативно-прочностные свойства бетона с модификатором ОМД-МС, его сопротивляемость ударно-динамическим воздействиям (в 3 – 3,6 раза) в сравнении со свойствами бетона без добавок, снижены водопоглощение и капиллярный подсос в (2–3,5 раза), повышены существенно морозостойкость, коррозиестойкость и изностойкость.

Развиты теоретические положения о действии модификатора ОМД-МС в цементных системах, в том числе в бетоне. Доказана возможность применения в морозостойких бетонах золы-уноса.

Таким образом, предлагаемый модификатор ОМД-МС пролонгированного действия по совокупности функциональных проявлений позволяет получать бетоны с высокими физико-техническими и эксплуатационными свойствами.

9. Результаты внедрения на предприятии ТОО «Континент-Строй» (г. Караганда) показали состоятельность выполненных исследований. Предлагаемые технические решения, связанные с применением в технологии бетона разработанных модификаторов типа ОМД-М, позволяют получать высокоэффективный бетон. Изготовлена опытная партия плит бетонных тротуарных, которые имеют хороший товарный вид и высокие физико-технические и эксплуатационные свойства.

Предложен способ изготовления плит бетонных тротуарных из нескользкого крупнопористого мелкозернистого бетона с модификатором ОМД-МС.

Такие плиты не только прочные, но и обеспечивают фильтрацию воды через их толщу и тем самым создают условия быстрого удаления воды с поверхности тротуаров или площадок, обеспечивая комфортные условия их эксплуатации.

10. Расчетный экономический эффект от внедрения новой технологии получения цементных материалов с использованием органоминерального модификатора ОМД-МС составляет 412,5 тенге на 1 м³ бетона (по ценам 2009 г.).

1. 
   Соловьев В.И., Ергешев Р.Б., Ткач Е.В., Рахимова Г.М., Кайкенова А.Д. Новые технологии модифицированного бетона // Вестник КГУСТА.- Бишкек, 2002.-Вып.1. -С.182-184.
   
2. 
   Байджанов Д.О., Ткач Е.В., Серова Р.Ф., Макишева Е.А., Рахимова Г.М., Кайкенова А.Д. Исследование скорости удаления защемленного воздуха из бетонной смеси // Моделирование и оптимизация композитов: материалы Междунар. семинара. – Одесса, 2003. -С. 105-107.
   
3. 
   Искаков С.М., Иманов М.О., Рахимова Г.М. Физико-механические и деформативные свойства модифицированного бетона // Эффективные технологии строительных материалов: материалы Междунар. семинара-совещ.-Алматы: ЗАО «НИИстромпроект», 2003.-С. 136-141.
   

5 Рахимов М.А., Рахимова Г.М., Алдожанова Э.Т. Исследования характера пористости цементного камня в мелкозернистом бетоне на основе гидрофобного цемента низкой водопотребности // Вестник НИИстромпроекта. -Алматы, 2005.-№1-2 (5). -С. 30-32.

6 Рахимов М.А., Ткач Е.В., Рахимова Г.М. Высокоэффективные бетоны с использованием водонерастворимых гидрофобных трегеров // Вестник НИИстромпроекта. - Алматы, 2005.-№5-6 (7) -С. 104-108.

7 Ткач Е.В., Рахимов М.А., Рахимова Г.М., Иманов М.О. Способы приготовления гранулированных водонерастворимых гидрофобных трегеров // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: материалы Междунар. конф.- Пенза, 2006.- С.228-230.

8 Ткач Е.В., Иманов М.О., Рахимова Г.М., Кашаев К.А. Технология эффективного модифицированного бетона // Эффективные модифицированные строительные материалы: материалы Междунар. научно-практ. конф. –Алматы: ТОО «НИИстромпроект», 2006. – Кн. 2. - С.24-26.

9 Ткач Е.В., Иманов М.О., Рахимова Г.М., Серова Р.Ф. Современные тенденции в технологии модифицированных бетонов // Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030»: материалы X юбилейной Междунар. научн. конф. –Караганда, 2007. –Вып.2. -С.468-470.

10 Ткач Е.В., Иманов М.О., Рахимова Г.М. Способы получения гидрофобных трегеров для высокоэффективных модифицированных гидрофобизированных бетонов // Дни науки-2007: материалы III Междунар. научно-практ. конф. –Днепропетровск, 2007.- С.104-105.

11 Ткач Е.В., Рахимова Г.М., Сейдинова Г.А., Тоимбаева Б.М., Кенетаева Г.К. Использование комплексных гидрофобизирущих модификаторов для получения конкурентоспособных строительных материалов // Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030»: материалы Междунар.научн. конф. –Караганда, 2008.- Вып 2. -С. 285-287.

12 Ткач Е.В., Иманов М.О., Рахимова Г.М., Сейдинова Г.А., Кононенко А.М., Кенетаева Г.К. Изучение свойств цементного теста с гидрофобизирующими модификаторами // Вестник НИИстромпроекта.- Алматы, 2008.-№ 1-2 (15). -С. 28-33.

13. 
    Соловьев В.И., Ткач Е.В., Кононенко А.М., Рахимова Г.М., Кашаев К.А. Проблемы и перспективы развития технологии модифицированных бетонов // Ресурсовоспроизводящие малоотходные и природоохранные технологии освоения недр: материалы шестой Междунар. конф.- Москва-Караганда, 2007. -С.287-290.
    
14. 
    Ткач Е.В., Рахимов М.А., Иманов М.О., Серова Р.Ф., Рахимова Г.М. Проблемы получения модифицированных цементных материалов// Настоящи изследвания - 2009: материалы Междунар. научно-практ. конф.- София, 2009. -С.75-79.
    
15. 
    Ткач Е.В., Рахимова Г.М., Калмагамбетова А.Ш., Кашаев К.А., Касымов Н.Б. Оптимизация режимов тепловлажностной обработки модифицированного бетона // Найновите научни постижения-2009: материалы Междунар. научно-практ. конф. - София, 2009. -С.25-28.
    
16. 
    Ткач Е.В., Рахимов М.А., Рахимова Г.М., Дивак Л.А., Икишева А.О. Гидрофобизирующие комплексные модификаторы для получения высокоэффективных бетонов заданных свойств // Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030»: материалы Междунар. научн. конф. - Караганда, 2009.- Вып. 2. -С. 406-408.
    
17. 
    Соловьев В.И, Ткач Е.В., Рахимов М.А., Рахимова Г.М., Серова Р.Ф Физико-механические и деформативные свойства бетона, модифицированного органоминеральными модификаторами типа ОМД-М // Научное пространство Европы – 2010: материалы VI Междунар. научно-практ. конф. - Перемышль, 2010. -С.75-77.
    
18. 
    Соловьев В.И, Ткач Е.В., Рахимов М.А., Рахимова Г.М. Структура и пористость модифицированного цементного камня и бетона с использованием органоминерального модификатора типа ОМД-М // Ключевые аспекты научной деятельности – 2010: материалы VI Междунар. научно-практ. конф. - София, 2010. -С.86-90.
    

модификацияланған құрылыс материалдары мен бұйымдарының тиімді энергоқорүнемдеуші технологиясы, құрылыс материалдарын дайындауға кететін қор-энергошығынды айтарлықтай төмендетіп және берілген кешенді құрылыс-техникалық қасиеттерін қамтамасыз етеді.

физико-техникалық және пайдалану қасиеттері жоғары тиімді ауыр бетон алуды қамтамасыз ететін ОМД-МС текті ұзартпалы әсердегі гидрофобтаушы органоминералды модификаторларды өндіру.

зерттеуге стандартты, сондай-ақ алдыңғы қатарлы ғылыми-зерттеу және оқыту институттарымен ұсынылған, жалпыға мәлім стандартты емес зерттеу әдістері қолданылды. Шикізат материалдарының заттық құрамын, фазалық және құрылымдық алмасуларды зерттеу құрамында микроскопиялық, дифференциалды-термиялық, рентгенқұрылымдық сараптама, электронды микроскопиясы бар кешенді физико-химиялық сараптаманың көмегімен жүзеге асырылды.

Цемент тасының және бетонның ерітінді бөлігінің құрылымдық кеуектілігі сынапты порометр, сәулелік микроскопия мен дилотометр әдісімен зертелді. Тәжірбиелерді жоспарлау мен нәтижелерді өндеу барысында математикалық статистика әдісі қолданылды.

Жұмыстың нәтижелері:

ұнтақталған модификатордың ұнтақ күйіндегі дайындығы мен бетонда және цемент пастасында болатын функцияның кешенді әрекеті, ОМД-МС маркалы модификатор құрамы өңделді.

Алынған нәтижелер жол құрылысын, қазіргі замаңғы сәулетпен үйлесетін үлкен аралықты ғимараттар мен үймереттер құрылысын қамтамасыз ететін сапалы, берік, ұзақғұмырлы бетонды және темірбетонды бұйымдар мен конструкция өндірісінде нанотехнологияны қолдану жолының аралық сатысы ретінде қарастыруға болады.

Негізгі конструктивті, технологиялық және техника-эксплуатациялық сипаттамалар:

алынған ОМД-МС маркалы ұнтақталған модификатор ұнтағының түйіршіктері бойынша біртекті, суда тез ериді және де бетонда қолданар алдында РПА текті диспергаторда белсенділігі жоғары.

Ауыр бетонның құрамы Лагранж полиномын қолданылған тәжірбиелік шамалардың интерполяциясының көмегімен математикалық жоспарлау әдісімен жобаланды. Су мен цемент қатынасы С/Ц=0,35 және портландцементтің құрамы 400 кг/м³ болғанда цементтегі органоминералды модификатордың қалыпты шамасы 12% екені аңықталды. Және де 28 тәулікте қалыпты жағдайда қатқан бетонның сығуға беріктігі 65 МПа, сұқажеттілігі 2%.

ОМД-МС текті гидрофобтаушы органоминералды модификаторды цемент қамырына қалыпты көлемде енгізу оның иілімділік қасиетін жақсартады: қамырдың қалыпты қоюлығы аз су шығыны кезінде 25…27% болады. ОМД-МС текті модификаторды қолдану кең ауқымды жылжымалы (ОК 20…22 см) ыңғайлы төселімді, қабатталуына (қабатталуы модификаторсыз бетонмен салыстырғанда 2,6 есе төмен) және субөлінуге (субөліну он есеге төмен) жол бермейтін бетон қоспасын алуға болатыны аңықталды.

Ұсынылған ОМД-МС текті модификатор ұсақ және қоймалжын кеуектерінің үлесін айтарлықтай ұлғайту жолымен (70%) цемент тасының жаңа сапалы микроқұрылымын алуға мүмкіндік береді. ОМД-МС модификаторымен дайындалған бетонның беріктігі үстемесіз дайындалған бетонның беріктігінен 1,7...1,8 есе жоғары, ал көпке мәлім С-3 ТСН модификаторы қосылған бетоннан беріктігі 50% жоғары екені анықталды.

ОМД-МС модификаторлы бетонның деформативті-беріктік қасиеттері жақсартылды, үстемесіз бетонның қасиетімен салыстырғандағы соққылы-динамикалық әсерге қарсылығы артты (3 – 3,6 есе), сужұтуы мен капиллярлы соруы төмендеді (2 – 2,5 есе), аязғатөзімділігі, коррозияғатөзімділігі жоғарлады.

ұсынылған ұзартпалы әсердегі ОМД-МС модификаторы жалпы функционалдық көрсеткіштеріне қарағанда физико-техникалық және пайдалану қасиеттері жоғары бетон алуға мүмкіндік береді.

органоминералды ОМД-МС модификаторды қолданылған цементті материалдарды алу технологиясын енгізудің экономикалық тиімділігі 1м³ 412,5 теңгені құрайды (2009ж. бағамен).

ұсынылған жұмыс ғылыми-тәжірбиелік құндылығымен қазіргі заманғы бәсекеге қабілетті, беріктіктің, тығыздықтың, аязғатөзімділіктің, коррозияға төзімділіктің және басқа да бетонның қолдану қасиеттерінің жоғары көрсеткіштерін қамтамасыз ететін ұзартпалы әсердегі модификаторларды өндірудің ғылыми-техникалық талаптарына сай келеді.

effective energy and resource saving technologies of modified building materials and products permit to reduce their production costs substantially and to provide the preset complex with building and technical properties.

the development of organic - mineral water-repelling modifiers of prolonged action of OMD-M type providing to obtain effective heavyweight concrete with high physical and technical properties.

there have been used standard and conventional non-standard research methods, developed by leading scientific research and educational institutes. For substance composition research of raw materials, phase and structural transformation there have been used complex methods of physical-chemical analysis, including microscopic analysis, differential-thermal analysis, X-ray structural and X-ray spectral analysis, electron microscopy. Structural porosity of the cement stone and cement mix were investigated by methods of mercury porosimetry, light microscopy and dilatometry. The planning of the experiments and processing of the results were done by methods of mathematical statistics.

there has been developed the composition of the water-repelling organic-mineral modifier of the OMD –Ms type taking into account the display of all functions of the modifier ingredients both at the preparation stage in the form of granulated powder and at the stage of their complex action in the cement paste and the concrete.

The results obtained may be regarded as an intermediate step on the way to nanotechnology application in the production of high quality concrete, reliable and long-term durable concrete and reinforced concrete products and constructions, providing road building, construction of buildings with long-span structures of modern architecture.

Basic construction, technological and technical operation characteristics:

there has been developed the technological scheme preparation of the water-repelling organic-mineral modifier of the OMD –Ms type with agglomeration of the modifier ingredients in the entrained air -hung state.

The obtained granulated modifier OMD-MS is uniformly graded, well dissolved in water and can be sweepingly exposed in the powder dispenser of the RPA type before used in the concrete. There have been optimized the compositions of the heavyweight concrete by the mathematical experiment planning method with interpolation of experiment values using Lagrange polynom.

It was found that the optimal concentration value of the organic - mineral modifier is equal to - 12% of the cement mass at the water/cement ratio (w/c) = 0, 35 and 400 kg/m³ of the Portland cement concentration. The research showed that the concrete reached compressive strength to 65 MPa after 28- days age of the normal hardening and water absorption was equal to 2%.

Incorporating the water-repelling organic - mineral modifier of OMD-MS type to the water-cement paste in optimal proportion makes its plasticity properties better: the water-cement paste of normal consistency is made using lower water-cement ratio to 25 …27%.

It was stated that the use of the water-repelling organic - mineral modifiers of OMD-MS type permits to obtain high-flow concrete mix with wide range of workability (cone slump to 20-22cm), prevents its segregation (segregation is in 2,6 times lower comparing to the concrete mix without modifier) and water-separation (reduction of water-separation in ten times).

The suggested modifier of the OMD-MS type permits to obtain the microstructure of new quality cement stone by means of substantial fine and gel pore increase (to 70%). It was stated that the concrete with OMD-MS modifiers is in 1.7 … 1.8 times higher in strength than the concrete without admixture and in 50% higher than the concrete with the well-known modifier S-3 plus TSN.

There have been improved deformation and mechanical properties of the concrete with OMD-MS modifiers, its impact strength has been increased (in 3-3,6 times) in comparison with the properties of the concrete without additions, water absorption and capillary suction have been reduced, frost resistance, stainless property and wear resistance properties have been significantly increased.

the introduced modifier OMD-MS with prolonged action in total of its functional effects permits to obtain the concrete with high physical-technical and operating properties.

the economic efficiency of the introduced new technology for obtaining cement materials using organic - mineral modifier OMD-MS is about 412,5 tenge per 1m³ of the concrete (prices of 2009).

the suggested work in its scientific and technical significance meets the modern scientific and technical requirements in the development field of competitive modifiers of prolonged action, providing high strength index, consistency value, permeability, frost resistance index, stainless property index and other operating characteristics of the concrete.

Подписано к печати «20 » июля 2010 г.

Формат 60х84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная.

________Тираж 100 экз. Заказ № 236_______________

Типография НЦ НТИ РК

050026, г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 221