Оптимизация пресс-формования изделий из мелкозернистого бетона по критерию энергозатрат в зависимости от дисперсности частиц твердой фазы

Современные потребности строительства выявили необходимость создания бетонов, обладающих разнообразными, а часто уникальными свойствами. Сравнительная простота технологии, низкая энергоемкость производства, возможность использования местного сырья, вторичных ресурсов промышленности и энергетики — все это является гарантом того, что и в XXI веке бетон получит развитие как один из основных материалов для строительства.

Стратегическое направление современного бетоноведения — получение высококачественного бетона с надлежащим комплексом свойств. В этом направлении имеются значительные достижения. Например, высококачественные бетоны (НРС), изготовляемые по высокой управляемой технологии с применением композиционных вяжущих веществ, химических модификаторов структуры и свойств, ультрадисперсных минеральных наполнителей, расширяющих и других специальных добавок, могут иметь прочность 100−200 МПа, морозостойкость более 500 циклов и ряд других высоких показателей [1].

Особого внимания заслуживают мелкозернистые многофункциональные модифицированные бетоны. Незначительно изменяя их состав и технологию можно получать прочные конструкционные бетоны, растворы различного назначения. Тонкозернистость материала — это не только отказ от сравнительно крупного заполнителя. Это, в первую очередь, тонкозернистость структуры бетона [1]. Чем меньше зерна новообразований и размеры пор между ними, тем выше прочность бетона даже при одном и том же В/Ц-отношении. Повышение тонкости помола цемента и специальные мероприятия, обеспечивающие диспергацию частиц и пор, способствуют получению высококачественной тонкозернистой структуры.

Реальным становится управление структурообразованием бетона на различных масштабных уровнях. При этом регулируется топология твердой фазы не только с учетом ее микрои макроразмерности, но также с учетом роли поверхностных явлений на основе обобщающих критериев. Для получения эффективных видов бетона из разнообразного сырья стали использоваться специальные способы гомогенизации смеси, механохимической активации, приемы интенсивной технологии, различные способы формования изделий и конструкций.

И здесь, на наш взгляд, важнейшим становится фактор дисперсности твердой фазы в сочетании с определенным ее влажностным состоянием. Причем влияние дисперсности сказывается на всех этапах структурообразования, начиная от приготовления формовочной массы и заканчивая структурой цементного камня и композита в целом. При этом, именно процессы раннего структурообразования во многом определяют характеристики конечной структуры.

В свое время и в научных исследованиях, и на производстве получение исходной плотной структуры материала считалось достаточным через управление его гранулометрическим составом. В основе управления был чисто формальный подход, ориентированный на наилучшую геометрическую упаковку зерен исходных компонентов.

Между тем, современные достижения в области механики дисперсных систем создали дополнительные возможности управления начальной структурой бетонов. Ключевым моментом этой стороны управления является избыточная поверхностная энергия, участвующая в структурообразовании фаз, которая проявляется в виде внутренних сил дисперсной или дисперсно-зернистой системы.

Внутренние силы регулируют взаимное расположение фаз в объеме и определяют условия влагопереноса, величины межфазных поверхностей, распределение пленочного и капиллярного давлений [2,3].

С поверхностными силами связывают, прежде всего, существование на поверхности твердой фазы так называемой поверхностной или пленочной воды. Отличительными признаками пленочной воды в сравнении с объемной являются ориентированная в поле поверхностных сил ее структурность и особые свойства.

Капиллярные силы ученые рассматривают как результат скомпенсированности межфазных поверхностных натяжений на линии примыкания жидкостного мениска к стенке капилляра.

Внутренние силы проявляют себя на межфазных границах, в межчастичном и в межагрегатном взаимодействии. Область межфазных границ, обладающая избытком поверхностной энергии, рассматривается как отдельная форма существования материала с особыми физико-химическими характеристиками.

Приведенные особенности могут рассматриваться в качестве предпосылок как для явления самоорганизации структуры, так и для целенаправленного формирования свойств материала под влиянием относительно слабых внешних воздействий. Это дало основание рассматривать фактор внутренних сил одним из основополагающих в управлении процессами технологии бетонов, в том числе и процессом формования.

В настоящее время благодаря развитию соответствующих разделов фундаментальных наук, таких, как механика гетерогенных сред, статистическая физика, физическая и коллоидная химия, а также достижениям в области технологии бетонов созданы предпосылки для качественно нового рассмотрения процессов формования, основанных на целенаправленном использовании тех явлений, о которых говорилось выше, т. е. явлений межчастичных и межфазных взаимодействий в дисперсно-зернистых системах. Основой современного учения о процессах формирования ранней структуры бетонов служат практические и теоретические результаты, накопленные к настоящему времени по этой проблеме в работах Ю. М. Баженова, И. И. Бернея, И. Н. Ахвердова, Н. В. Чураева, С. Д. Щукина, С. А. Чизмаджаева, Н. Б. Урьева, В. Г. Фролова, П. Г. Комохова, И. А. Рыбьева, В. И. Соломатова и других ученых физико-химиков и бетоноведов. Обстоятельные исследования и разработки в этом направлении проводятся на кафедре технологии строительных изделий и конструкций и в Проблемной лаборатории силикатных материалов и изделий ВГАСУ. Обнаруженные закономерности структурообразования и пороговые структурные переходы в основном соответствуют современным представлениям физико-химической механики дисперсных систем. В то же время для отдельных моментов не удалось дать достаточно полного обоснования, что создает некоторую неоднозначность в управлении процессом. В частности, недостаточно разработанным в научном и практическом плане выглядит вопрос о связи межфазных взаимодействий и внутренних сил с распределением по крупности частиц, входящих в структуру бетона, особенно так называемой микрогетерогенной составляющей с крупностью частиц в диапазоне 10−0,1 мкм. В связи с этим предприняты попытки, в том числе и в данной работе, более глубокого рассмотрения процессов структурообразования с учетом именно этого фактора. С развитием этого направления связаны цель, задачи и содержание диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является получить количественные оценки величины внутренних межфазных сил в дисперсной системе, вклада их энергетического потенциала в общую энергетику процесса пресс-формования изделийобосновать и реализовать предложения по повышению качества прессованных изделий.

В соответствии с целью работы определены следующие задачи:

— обосновать основные факторы управления структурой мелкозернистого бетона на ранней стадии ее формирования;

— систематизировать применительно к поставленной цели представления о механизмах самоорганизации структуры влажных дисперсных материалов, в том числе — в условиях внешних силовых воздействий;

— разработать методические приемы, позволяющие оценить величину внутренних межфазных (пленочных и капиллярных) сил в зависимости от степени дисперсности твердой фазы, величины В/Т-отношения;

— выполнить экспериментальные исследования, раскрывающие влияние фактора дисперсности, при заданной пористости формуемого сырца, на величину прессового давления, на его прочность, на водопотребность формовочной смеси, на качественные показатели готовой продукции;

— разработать расчетные модели, позволяющие оценить общие и удельные энергетические затраты на процесс пресс-формования изделий и участие внутренних межфазных сил в общей энергетике процесса в зависимости от степени дисперсности твердой фазы;

— дать экономическую оценку эффективности использования тонкодисперсной добавки в составе мелкозернистого бетона;

— предложить с целью практического использования расчетные модели для априорной оценки прессуемости и свойств намеченных к производству изделий из мелкозернистого бетона.

Научная новизна работы.

Уточнены и получили дальнейшее развитие представления о механизме самоорганизации структуры влажных дисперсно-зернистых материалов с учетом роли дисперсности на раннем этапе формирования структуры строительного композита.

Систематизированы и дополнены теоретические разработки, касающиеся процессов прессформования, отражающие количественную сторону этого процесса и учитывающие двоякую роль воды, заключающуюся в проявлении при определенном влажностном состоянии эффектов самоуплотнения или саморазуплотнения.

Обоснованы подходы к целенаправленному использованию внутренних сил в процессах формования с учетом фактора дисперсности, позволяющие компенсировать значительную часть энергии прессформования в виде прессового давления. Оценен возможный вклад капиллярной составляющей в энергетику процесса.

Определены с учетом потенциала внутренних сил оптимальные параметры процесса прессформования мелкозернистого бетона, при которых реализуется его наиболее качественная структура.

Предложены методологические и методические подходы к количественной оценке внутренних сил, влияющих на напряженно-деформативное состояние строительного композита на раннем этапе его структурообразования.

Предложены математические зависимости, позволяющие спрогнозировать основные свойства мелкозернистого бетона и энергетические затраты на прессование изделий.

Достоверность полученных результатов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований влияния фактора дисперсности на раннем этапе структурообразования дисперсно-зернистых материалов с применением вероятностно-статистических методов обработки результатов и метрологически поверенного контрольно-измерительного оборудования.

Практическое значение работы определяется тем, что полученные в результате исследований количественные оценки технологических параметров позволили оптимизировать процесс прессформования и выявить возможность снижения рабочего давления при изготовлении прессованных изделий за счет применения рациональных значений влажности формовочной смеси и подбора оптимального зернового состава, улучшить качество показателей готовых изделий.

Внедрение результатов. Результаты диссертационных исследований при оптимизации составов сухих смесей для отделочно-восстановительных работ со стабильными показателями качества внедрены на ЗАО «Хохольский песчаный карьер». Методические разработки и результаты исследований использованы в учебном процессе по специальности 270 106 — «Производство строительных изделий, материалов и конструкций» при выполнении курсового проекта по дисциплине «Основы научных исследований и технического творчества».

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на 4-й Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2003) — Международной конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (БГТУ, 2005), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (1997;2006).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 7 опубликованных работах, в том числе одна статья опубликована в журнале из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК РФ.

Личный вклад автора в основных работах, опубликованных в соавторстве, состоит в следующем: в работе (Шмитько Е.И., Титова М. В. Управление структурой дисперсно-зернистых материалов с учетом дисперсности и внутренних сил // Строительные материалы. — 2007. — № 8. — С. 72−73.) автору принадлежит методика расчета удельных энергетических затрат на прессование образцовв работе (Разживина (Титова) М.В., Головинский П. А. Роль дисперсности в управлении процессами раннего структурообразования композиционных материалов // Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI: Сб. докл. Междунар. научно-практическая конф.-шк.-сем. молодых ученых и асп.: Ч. 2. — Белгород: изд. БелГТАСМ, 1998. — С. 347−350.) автором получены экспериментальные данные, показывающие положительный эффект от стягивающего воздействия капиллярных силв работе (Шмитько Е.И., Перцев В. Т., Крылова A.B., Разживина (Титова) М. В, Карпов Ю. С., Эктова Н. М. Эффективные растворные смеси с химическими добавками // III Всероссийская научно-техн. конф. «Новые химические технологии: производство и применение». Сб. материалов. Пенза, 2000. — С. 68−71.) автору принадлежат разработки по оптимизации составов сухих смесей с улучшенной гранулометрией заполнителя для гидроизоляционных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит 147 страниц, в том числе 114 страниц машинописного текста, включая 22 таблицы, 50 рисунков, список литературы из 116 наименований, 2 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Представленные в диссертации теоретические положения и практические результаты, касающиеся влияния фактора дисперсности на баланс внутренних сил при пресс-формовании изделий из мелкозернистого бетона, создают дополнительные возможности для целенаправленного управления этим процессом.

2. Показано, что с увеличением дисперсности кремнеземистой составляющей с одной стороны возрастает расклинивающий эффект от пленочной воды, располагаемой на зернах твердой фазы, с другой же стороны, в виду создаваемой тонкой капиллярности, возрастает стягивающий капиллярный эффектоптимальное соотношение между ними достигается соответствующим В/Т-отношением.

3. Доказано* что с повышением дисперсности кремнеземистого компонента возрастают возможности для получения наиболее плотных структурэто создает необходимые условия для формирования бетона высокой прочности, но при этом пропорционально дисперсности твердой фазы возрастают энергозатраты при пресс-формовании.

4. Разработаны и апробированы две методики, позволяющие количественно оценить величину внутренних межфазных сил дисперсной системы по величине капиллярного давления и по величине обратных деформаций (для пресс-порошков).

5. Полученные зависимости удельных энергозатрат на процесс пресс-формования мелкозернистого бетона от степени дисперсности твердой фазы позволили оценить вклад внутренних межфазных сил в общую энергетику процесса в виде снижения прессового давления на 20−25% в интервале оптимальных В/Т-отношений.

6. В качестве практической рекомендации показано, что при внедрении в производство прессованных мелкозернистых бетонов повышенной, за счет введения в их состав тонкодисперсной добавки, прочности необходимо учи.

136 тывать дополнительные энергозатраты на помол песка и пресс-формование изделий, которые составили около 5 МДж на 1 МПа создаваемой прочности.

7. В качестве конечного результата исследований представлены математические модели, позволяющие априори, на стадии проектирования технологического процесса, рассчитать ожидаемые показатели свойств бетона и энергетических затрат на процесс пресс-формования, что, в свою очередь, позволяет прогнозировать необходимые мощность и прессовое усилие формовочного оборудования. На этой основе для практического использования предложены варианты оптимальных соотношений тонкои грубодисперсной фракцией кварцевого песка в составе мелкозернистого бетона.

8. При разработке составов мелкозернистого бетона учет фактора дисперсности и модифицирование их химическими добавками, позволило получить изделия для тротуарных плит с высокими показателями основных У свойств: прочности при сжатии (В50), плотности (2300 кг/м), истираемости (0,5 г/см2), морозостойкости (Б400) — мелкозернистый бетон для гидроизоляционных работ с высокими показателями водоудерживающей способности (< 5%), низкой расслаиваемостью (7%) — строительные растворы для «самовыравнивающихся» полов с предельно низким водоотделением (2,4%).

9. Разработанные составы сухих строительных смесей широкого назначения внедрены на ЗАО «Хохольский песчаный карьер».