Помощь студентам в учебе
Исследование состава высокопрочного бетона из отходов стекла и совершенствование технологии его приготовления
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1.1 Экологические и экономические аспекты ресурсопользования 8
1.2 Проблема выделения и утилизации отходов стекла из городских свалок 11
1.3 Использование стекольного боя в производстве строительных материалов 12
1.4 Роль дисперсности компонентов бетонных композиций в получении
высококачественных бетонов 16
1.5 Высокопрочный бетон 21
2 Характеристики исходных материалов. Методы исследования и испытаний 23
2.1 Систематические погрешности и оценка доверительных интервалов 23
2.2 Методы исследований 24
2.2.1 Изучение свойств мелкого заполнителя 24
2.2.2 Изучение свойств крупного заполнителя 25
2.2.3 Подбор оптимального состава бетонной смеси с применением стеклобоя 26
2.2.4 Изучение свойств бетонной смеси 27
2.2.5 Определение физико-механических свойств бетонов 28
2.2.6 Методика исследования цементного камня 29
2.3 Характеристика применяемых материалов 30
2.3.1 Портландцемент 30
2.3.2 Мелкий заполнитель 33
2.3.3 Крупный заполнитель 35
2.3.4 Стеклобой 35
2.3.5. Наполнитель цемента 36
2.3.6 Поликарбоксилатные пластификаторы 37
3 Исследование свойств бетона с использованием стеклобоя в качестве
заполнителя 40
3.1 Исследование влияния стекольного боя на прочностные характеристики
цементного камня 40
3.2 Влияние активной минеральной добавки микрокремнезема и суперпластификаторов на прочностные характеристики цементного камня . 47
3.3 Применение стеклобоя в качестве заполнителя для изготовления
высокопрочных бетонов 52
3.4 Исследование зоны контакта зерен стеклобоя с цементным камнем 56
3.4.1 Исследование цементного камня бетона партии 3 57
3.4.2 Исследование цементного камня бетона партии 6 после пропаривания. 60
3.4.3 Исследование цементного камня бетона партии 6 после выдерживания в
нормальных условиях твердения 62
4 Расчёт несущей способности изгибаемых элементов по деформативной модели 63
4.2 Теоретические предпосылки расчета железобетонных изгибающих
элементов на прочность 64
4.3 Характеристика опытных образцов и результаты испытаний 68
4.4 Определение предельных моментов прогибов в середине пролёта 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ 82
1.1 Экологические и экономические аспекты ресурсопользования 8
1.2 Проблема выделения и утилизации отходов стекла из городских свалок 11
1.3 Использование стекольного боя в производстве строительных материалов 12
1.4 Роль дисперсности компонентов бетонных композиций в получении
высококачественных бетонов 16
1.5 Высокопрочный бетон 21
2 Характеристики исходных материалов. Методы исследования и испытаний 23
2.1 Систематические погрешности и оценка доверительных интервалов 23
2.2 Методы исследований 24
2.2.1 Изучение свойств мелкого заполнителя 24
2.2.2 Изучение свойств крупного заполнителя 25
2.2.3 Подбор оптимального состава бетонной смеси с применением стеклобоя 26
2.2.4 Изучение свойств бетонной смеси 27
2.2.5 Определение физико-механических свойств бетонов 28
2.2.6 Методика исследования цементного камня 29
2.3 Характеристика применяемых материалов 30
2.3.1 Портландцемент 30
2.3.2 Мелкий заполнитель 33
2.3.3 Крупный заполнитель 35
2.3.4 Стеклобой 35
2.3.5. Наполнитель цемента 36
2.3.6 Поликарбоксилатные пластификаторы 37
3 Исследование свойств бетона с использованием стеклобоя в качестве
заполнителя 40
3.1 Исследование влияния стекольного боя на прочностные характеристики
цементного камня 40
3.2 Влияние активной минеральной добавки микрокремнезема и суперпластификаторов на прочностные характеристики цементного камня . 47
3.3 Применение стеклобоя в качестве заполнителя для изготовления
высокопрочных бетонов 52
3.4 Исследование зоны контакта зерен стеклобоя с цементным камнем 56
3.4.1 Исследование цементного камня бетона партии 3 57
3.4.2 Исследование цементного камня бетона партии 6 после пропаривания. 60
3.4.3 Исследование цементного камня бетона партии 6 после выдерживания в
нормальных условиях твердения 62
4 Расчёт несущей способности изгибаемых элементов по деформативной модели 63
4.2 Теоретические предпосылки расчета железобетонных изгибающих
элементов на прочность 64
4.3 Характеристика опытных образцов и результаты испытаний 68
4.4 Определение предельных моментов прогибов в середине пролёта 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ 82
Актуальность работы. В настоящее время строительная практика характеризуется расширяющимся применением высокотехнологичных бетонов нового поколения, к которым относятся плотные высокопрочные модифицированные бетоны. В условиях высокой стоимости природных сырьевых материалов особую ценность представляют научно-исследовательские работы, выявляющие новые возможности по использованию отходов в создании строительных материалов на их основе. Вопросам утилизации промышленных и бытовых отходов уделяется всё большее внимание. Этому способствует ухудшающаяся экологическая ситуация, особенно в крупных городах. Развитие направления по использованию техногенного сырья и отходов городского хозяйства в производстве высокопрочных модифицированных бетонов является перспективным и инновационным.
Настоящая магистерская диссертация направлена на обоснование возможности использования стеклобоя в качестве заполнителя бетона, исследование физико-механических свойств получаемого бетона и уточнение областей его применения при выполнении строительно-монтажных работ.
Перед выполнением настоящей научно-исследовательской работы была поставлена задача проведения комплекса экспериментально-теоретических исследований по изучению свойств стеклобоя, песка и щебня, используемых при производстве бетона в Самарской области, бетонной смеси и бетона с использованием стеклобоя в качестве заполнителя, уточнению механизма влияния стеклобоя на свойства бетона, оптимизации состава стеклобетона и определению более эффективного его использования в строительстве.
Цель исследований. Проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований по обоснованию возможности использования стеклобоя в качестве заполнителя для производства бетона, исследование свойств получаемого бетона с использованием стеклобоя, уточнение механизма влияния стеклобоя на свойства бетона.
Предметом исследования диссертационной работы является бетон с использованием стеклобоя в качестве заполнителя.
Объект исследования диссертационной работы - технология изготовления высокопрочного бетона с использованием отходов стекла.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать свойства бетонной смеси и бетона с использованием в качестве заполнителя стеклобоя.
2. Уточнить механизм влияния стеклобоя на свойства бетона.
3. Обосновать выбор эффективных наполнителей и комплексных химических добавок, режимов твердения бетонов с использованием стеклобоя.
4. Разработать рекомендации по производству бетонов с использованием отсевов дробления стекла в качестве мелкого заполнителя.
5. Уточнить понятие «высокопрочный бетон из отходов стекла»;
6. Произвести расчёт несущей способности изгибаемого элемента, изготовленного с применением полученного бетона.
Методы исследования.
Исследования качества песка, щебня и стеклобоя в качестве заполнителей бетона проведены в соответствии с ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний», ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия», ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ Методы физико-механических испытаний», ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».
Подбор состава и исследование свойств бетонной смеси осуществлялось в соответствии с ГОСТ 27006-86. «Бетоны. Правила подбора состава» и ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия» и ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний».
Исследование свойств бетона проводилось в соответствии с ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия», ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования», ГОСТ 12730.0-78. «Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости», ГОСТ 18105-2010 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности».
Исследование контактной зоны зерна стеклобоя с цементным камнем осуществлялось с помощью электронного микроскопа.
Научная новизна диссертационной работы, заключается в следующем:
1. Уточнен категориальный аппарат в части трактовки определения «высокопрочный бетон из отходов стекла».
2. Дополнена классификация бетонов в части добавления классификационного признака «вид заполнителя».
3. Разработан состав и уточнена технология приготовления бетона с использованием стеклобоя.
4. На основании комплекса эксперементально-теоретических исследований бетона установлены закономерности влияния количества стеклобоя на свойства цементного камня.
Практическая значимость работ заключается в получении бетонов с улучшенными характеристиками с использованием отходов городского хозяйства, что позволит повысить эффективность переработки промышленных отходов и уменьшить их вредное воздействие на атмосферу.
Апробация результатов исследования. Результаты работы обобщены и доложены с публикацией в сборниках трудов на различных конференциях, таких, как «Студенческие дни науки в ТГУ», «Молодёжь. Наука. Общество», «Фундаментальные и прикладные научные исследования», «Развитие технических наук в современном мире». За участие в городской научной студенческой конференции «Молодёжь. Наука. Общество» автор награждён дипломом II степени, участие в научно-практической конференции «Студенческие дни науки в ТГУ» - диплом победителя I этапа в конкурсе докладов по направлению секции «Техническое».
По теме диссертационного исследования опубликовано 5 статей.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений.
Степень разработанности темы. Стеклобой используется в качестве добавки к цементу как вяжущее, в дисперсном состоянии стекло обладает вяжущими свойствами. Недостаточно изучена контактная зона зерна стекла с цементным камнем. В полной мере не изучено влияние количества и крупности зёрен стеклобоя на прочностные характеристики бетона.
Настоящая магистерская диссертация направлена на обоснование возможности использования стеклобоя в качестве заполнителя бетона, исследование физико-механических свойств получаемого бетона и уточнение областей его применения при выполнении строительно-монтажных работ.
Перед выполнением настоящей научно-исследовательской работы была поставлена задача проведения комплекса экспериментально-теоретических исследований по изучению свойств стеклобоя, песка и щебня, используемых при производстве бетона в Самарской области, бетонной смеси и бетона с использованием стеклобоя в качестве заполнителя, уточнению механизма влияния стеклобоя на свойства бетона, оптимизации состава стеклобетона и определению более эффективного его использования в строительстве.
Цель исследований. Проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований по обоснованию возможности использования стеклобоя в качестве заполнителя для производства бетона, исследование свойств получаемого бетона с использованием стеклобоя, уточнение механизма влияния стеклобоя на свойства бетона.
Предметом исследования диссертационной работы является бетон с использованием стеклобоя в качестве заполнителя.
Объект исследования диссертационной работы - технология изготовления высокопрочного бетона с использованием отходов стекла.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать свойства бетонной смеси и бетона с использованием в качестве заполнителя стеклобоя.
2. Уточнить механизм влияния стеклобоя на свойства бетона.
3. Обосновать выбор эффективных наполнителей и комплексных химических добавок, режимов твердения бетонов с использованием стеклобоя.
4. Разработать рекомендации по производству бетонов с использованием отсевов дробления стекла в качестве мелкого заполнителя.
5. Уточнить понятие «высокопрочный бетон из отходов стекла»;
6. Произвести расчёт несущей способности изгибаемого элемента, изготовленного с применением полученного бетона.
Методы исследования.
Исследования качества песка, щебня и стеклобоя в качестве заполнителей бетона проведены в соответствии с ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний», ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия», ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ Методы физико-механических испытаний», ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».
Подбор состава и исследование свойств бетонной смеси осуществлялось в соответствии с ГОСТ 27006-86. «Бетоны. Правила подбора состава» и ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия» и ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний».
Исследование свойств бетона проводилось в соответствии с ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия», ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования», ГОСТ 12730.0-78. «Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости», ГОСТ 18105-2010 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности».
Исследование контактной зоны зерна стеклобоя с цементным камнем осуществлялось с помощью электронного микроскопа.
Научная новизна диссертационной работы, заключается в следующем:
1. Уточнен категориальный аппарат в части трактовки определения «высокопрочный бетон из отходов стекла».
2. Дополнена классификация бетонов в части добавления классификационного признака «вид заполнителя».
3. Разработан состав и уточнена технология приготовления бетона с использованием стеклобоя.
4. На основании комплекса эксперементально-теоретических исследований бетона установлены закономерности влияния количества стеклобоя на свойства цементного камня.
Практическая значимость работ заключается в получении бетонов с улучшенными характеристиками с использованием отходов городского хозяйства, что позволит повысить эффективность переработки промышленных отходов и уменьшить их вредное воздействие на атмосферу.
Апробация результатов исследования. Результаты работы обобщены и доложены с публикацией в сборниках трудов на различных конференциях, таких, как «Студенческие дни науки в ТГУ», «Молодёжь. Наука. Общество», «Фундаментальные и прикладные научные исследования», «Развитие технических наук в современном мире». За участие в городской научной студенческой конференции «Молодёжь. Наука. Общество» автор награждён дипломом II степени, участие в научно-практической конференции «Студенческие дни науки в ТГУ» - диплом победителя I этапа в конкурсе докладов по направлению секции «Техническое».
По теме диссертационного исследования опубликовано 5 статей.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений.
Степень разработанности темы. Стеклобой используется в качестве добавки к цементу как вяжущее, в дисперсном состоянии стекло обладает вяжущими свойствами. Недостаточно изучена контактная зона зерна стекла с цементным камнем. В полной мере не изучено влияние количества и крупности зёрен стеклобоя на прочностные характеристики бетона.
Из результатов проведенных экспериментальных исследований следуют следующие выводы:
1. Экспериментально установлено, что при замене мелкого природного заполнителя стеклобоем в результате отсутствия сцепления между зернами стекла и цементным камнем происходит снижение прочности бетона. При количестве в мелком природном песке Волжского месторождения 30% стеклобоя снижение прочности бетона в возрасте 28 суток происходит на 9%.
При использовании в качестве мелкого заполнителя дробленого песка из прочного гранита замена 15% песка стеклобоем не влияет на прочность бетонов. И только при содержании в песке стеклобоя в количестве более 30% приводит к плавному снижению прочности бетона. При полной замене дробленого песка стеклобоем выявлен явный максимум снижения прочности бетона (на 11,2% по сравнению с прочностью бетонов, изготовленных только на дробленом песке).
2. Выявлено, что в качестве заполнителя в бетонах возможно использовать стеклобой крупных фракций, предпочтительно выше 1,25 см, причем прочность этих бетонов сравнима с прочностью обычных бетонов на природном и дробленом песке. Так же прочность обычных бетонов на природном и дробленом песке превосходит прочность бетона с использованием стеклобоя крупностью 0,315 - 0,63 мм. При размере частиц стеклобоя с крупностью зерен менее 0,315 мм происходит резкое снижение прочности бетона. Такое снижение прочности может быть объяснено высокой удельной поверхностью зерен заполнителя, что приводит к резкому снижению сцепления зерен стекла с цементным камнем.
Для исключения возможности протекания щелочно-силикатного взаимодействия, увеличения стойкости цементного камня к трещинообразованию и снижения прочностных характеристик бетона при изготовлении бетонов с использованием в качестве заполнителя стеклобоя рекомендуется использовать низкощелочные цементы с содержанием щелочей в пересчете на R2Q не более 0,6%.
3. Показана техническая целесообразность введения в состав бетонных смесей с использованием стеклобоя высокодиспергированного микрокремнезема, который обеспечивает высокую прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов, в сочетании с эффективными гиперпластификаторами на основе поликарбоксилата.
4. Эспериментально доказано, что одновременное сочетание двух составляющих (высокодиспергированного микрокремнезема и гиперпластификатора на основе поликарбоксилата STACHEMENT 2280) с использованием высокопрочных заполнителей с 30% содержанием в них стеклобоя возможно получение высокопрочных бетонов с прочностью при сжатии выше 60 МПа, при этом после пропаривания бетон с использованием микрокремнезема и гиперпластификатора на основе поликарбокстлата набирает 90% марочной прочности.
5. Впервые разработан состав высокопрочного бетона с использованием в качестве заполнителя стеклобоя в количестве 30% от массы мелкого заполнителя.
6. Разработанный высокопрочный бетон с использованием стеклобоя внедрен на заводе при изготовлении бортовых камней.
7. С полученными прочностными характеристиками бетона образцов №6 выполнен расчет железобетонных сечений 12х18(й) см при проценте армирования 0,52, 0,82 и 1,12. Расчет выполнен по алгоритму, разработанному профессором Ерышевым В.А. [21], произведён расчёт несущей способности изгибаемого элемента, изготовленного с применением полученного бетона, и опубликована в научном журнале совместная статья.
1. Экспериментально установлено, что при замене мелкого природного заполнителя стеклобоем в результате отсутствия сцепления между зернами стекла и цементным камнем происходит снижение прочности бетона. При количестве в мелком природном песке Волжского месторождения 30% стеклобоя снижение прочности бетона в возрасте 28 суток происходит на 9%.
При использовании в качестве мелкого заполнителя дробленого песка из прочного гранита замена 15% песка стеклобоем не влияет на прочность бетонов. И только при содержании в песке стеклобоя в количестве более 30% приводит к плавному снижению прочности бетона. При полной замене дробленого песка стеклобоем выявлен явный максимум снижения прочности бетона (на 11,2% по сравнению с прочностью бетонов, изготовленных только на дробленом песке).
2. Выявлено, что в качестве заполнителя в бетонах возможно использовать стеклобой крупных фракций, предпочтительно выше 1,25 см, причем прочность этих бетонов сравнима с прочностью обычных бетонов на природном и дробленом песке. Так же прочность обычных бетонов на природном и дробленом песке превосходит прочность бетона с использованием стеклобоя крупностью 0,315 - 0,63 мм. При размере частиц стеклобоя с крупностью зерен менее 0,315 мм происходит резкое снижение прочности бетона. Такое снижение прочности может быть объяснено высокой удельной поверхностью зерен заполнителя, что приводит к резкому снижению сцепления зерен стекла с цементным камнем.
Для исключения возможности протекания щелочно-силикатного взаимодействия, увеличения стойкости цементного камня к трещинообразованию и снижения прочностных характеристик бетона при изготовлении бетонов с использованием в качестве заполнителя стеклобоя рекомендуется использовать низкощелочные цементы с содержанием щелочей в пересчете на R2Q не более 0,6%.
3. Показана техническая целесообразность введения в состав бетонных смесей с использованием стеклобоя высокодиспергированного микрокремнезема, который обеспечивает высокую прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов, в сочетании с эффективными гиперпластификаторами на основе поликарбоксилата.
4. Эспериментально доказано, что одновременное сочетание двух составляющих (высокодиспергированного микрокремнезема и гиперпластификатора на основе поликарбоксилата STACHEMENT 2280) с использованием высокопрочных заполнителей с 30% содержанием в них стеклобоя возможно получение высокопрочных бетонов с прочностью при сжатии выше 60 МПа, при этом после пропаривания бетон с использованием микрокремнезема и гиперпластификатора на основе поликарбокстлата набирает 90% марочной прочности.
5. Впервые разработан состав высокопрочного бетона с использованием в качестве заполнителя стеклобоя в количестве 30% от массы мелкого заполнителя.
6. Разработанный высокопрочный бетон с использованием стеклобоя внедрен на заводе при изготовлении бортовых камней.
7. С полученными прочностными характеристиками бетона образцов №6 выполнен расчет железобетонных сечений 12х18(й) см при проценте армирования 0,52, 0,82 и 1,12. Расчет выполнен по алгоритму, разработанному профессором Ерышевым В.А. [21], произведён расчёт несущей способности изгибаемого элемента, изготовленного с применением полученного бетона, и опубликована в научном журнале совместная статья.