Отчет на 45 с содержит 14 таблиц, 2 рисунка, список использованных источников из 36 наименований
|
| АГЕНТСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ПО ДЕЛАМ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХАЗЯЙСТВА РГП «КАЗНИИССА» УДК 666.973.2 № гос. регистрации 0110РК00162 УТВЕРЖДАЮ Заместитель генерального директора РГП «КАЗНИИССА» _________ М.С. Абаканов « » 2011 г. о т ч е т о научно-исследовательской работе по теме «Разработка монолитного бетона на тонкомолотом цементно-зольном вяжущем для ограждающих конструкций с улучшенными теплофизическими свойствами» (I этап) (промежуточный) Руководитель работы докт. техн. наук, профессор К.А. Нурбатуров Ответственный исполнитель работы, канд. техн. наук А.А. Родионова Алматы, 2011 ^
РЕФЕРАТ Отчет на 45 с. содержит 14 таблиц, 2 рисунка, список использованных источников из 36 наименований. ^ ЗОЛЬНОЕ ВЯЖУЩЕЕ, ПРОЧНОСТЬ, ПЛОТНОСТЬ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ Объект исследований – цементнозольное вяжущее низкой водопотребности и керамзитобетон для монолитного строительства. Цель исследований – разработка энергосберегающей технологии облегченного монолитного бетона с улучшенными теплофизическими характеристиками. Приведены результаты научных исследований по изучению долговечности керамзитобетона в зависимости от применяемых зол и расхода, а также в зависимости от условий хранения (воздушное, водное, попеременное замораживание и оттаивание, попеременное увлажнение и высушивание). Керамзитозолобетон характеризуется высокой стойкостью при попеременном увлажнении и высушивании, повышение прочности бетона к 90 циклам достигает 15-17 % по сравнению с прочностью бетона в 28-суточном возрасте. При хранении в воде керамзитобетон несколько снижает прочность, однако она остается выше по сравнению с прочностью в 28 суточном возрасте. Бетоны в течение длительного экспонирования в воде имеют водопоглощение 1,7-2,5 %, коэффициент размягчения находится в пределах 0,98-1,02, что говорит о высоких эксплуатационных свойствах ограждающих конструкций. Керамзитозолобетоны литой консистенции независимо от содержания золы имеют марку по морозостойкости F 100. Отчет промежуточный. СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Внедрение инновационных технологий в индустриальном домостроении при преимущественном использовании конструкционных лёгких бетонов должно стать одним из рациональных вариантов одновременного решения вопросов увеличения темпов и качества строительства при выполнении требований по энергосбережению как на стадии строительства, так и на стадии эксплуатации зданий, а также требований по снижению материалоемкости и стоимости строительства при одновременном удовлетворении требований по разнообразию архитектурно-планировочных решений зданий и сооружений. Строительство жилья с высокими требованиями по энергосбережению и долговечности является для Казахстана насущной проблемой в связи с наличием холодных климатических зон на его территории и в связи с высокой сейсмической опасностью. Возникает необходимость внедрения новых, наиболее прогрессивных технологий, обеспечивающих выпуск высококонкурентоспособной продукции, обеспечивающей снижение материалоемкости, стоимости строительства и требуемое энергосбережение при эксплуатации зданий. Одним из рациональных путей снижения стоимости возведения ограждающих конструкций и соответственно стоимости строительства являются однослойные конструкции стен из керамзитобетона. Возведение зданий и сооружений из однослойных керамзитобетонных панелей, соответствующих нормативным санитарно-гигиеническим требованиям, условиям комфортности и требованиям энергосбережения делает их конкурентоспособными по сравнению со стенами из кирпича и многослойными ограждающими конструкциями, отличающихся значительной трудоемкостью и значительными теплопотерями. Снижение массы ограждающих конструкций с применением керамзитобетона предопределяет высокую сейсмостойкость зданий и сооружений, что является приоритетом при выборе вида конструкций, работающих в условиях высокой сейсмической опасности. На современном этапе получило признание экономически выгодное монолитное строительство с использованием легкого керамзитобетона, которое является одним из важнейших направлений индустриализации, роста объемов, повышения качества массового жилищного и гражданского строительства. Однако монолитный бетон на портландцементе и традиционных заполнителях не обеспечивается надежной теплозащиты зданий. Одним из наиболее перспективных направлений решения этой задачи является использование золы-уноса в технологии вяжущего и бетона. В отличие от песка зола химически более активна, что позволяет экономить цемент, она легче, что делает ограждающие конструкции более легкими и теплыми. Широкие возможности и технико-экономическая целесообразность применения золы-уноса в монолитном строительстве требуют более детального и глубокого изучения этого направления в науке, проектировании и промышленном применении. Работа выполняется по контракту с Агентством Республики Казахстан по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства № 002-1 от 1 апреля 2010 г. и рассчитана на 2010-2011 годы. ^ заключается в разработке быстротвердеющего цементнозольного вяжущего и легкого бетона на его основе для монолитного строительства с направленным структурообразованием в твердеющей системе путем применения золы-уноса, пластифицирующих органических добавок, ускорителей твердения и механохимической активации вяжущего. ^ определить оптимальные составы и технологические параметры получения цементнозольного вяжущего с химическими добавками, изучить влияние золы в цементнозольном вяжущем на подвижность легкобетонной смеси, интенсивность нарастания прочности бетона, разработать монолитные бетоны для ограждающих конструкций с улучшенными теплофизическими, физико-механическими свойствами и долговечностью. В отчете за 2010 год изложены результаты исследований цементнозольного вяжущего с суперпластификатором С-3, изучено влияние тонины помола вяжущего на нормальную густоту, сроки схватывания и интенсивность набора его прочности. Установлено, что чем тоньше помол вяжущего, тем выше его прочностные свойства. Изучено влияния добавок ускорителей твердения Na2SO4 и Ca(NO3)2 на интенсивность набора прочности в различных условиях, показано, что введение добавок ускорителей позволяет интенсифицировать набор прочности цементнозольного вяжущего в ранние сроки. Полученное цементнозольное вяжущее обладает пониженной водопотребностью и повышенной активностью. При содержании 20-30 % золы и 3 % суперпластификатора С-3 механоактивированное цементнозольное вяжущее с удельной поверхностью 550 м2/кг имеет активность 68-72 МПа. Введение в смешанное вяжущее добавок-ускорителей позволяет интенсифицировать набор прочности в ранние сроки твердения. Приведены результаты исследований теплотехнических и физико-механических свойств монолитного керамзитобетона на цементнозольном вяжущем с использованием различных песков – природного, керамзитового, вермикулитового. Изучено влияние добавок золы, суперпластификатора С-3, песков на технологические свойства литых керамзитобетонных смесей (водопотребность, расслаиваемость, жизнеспособность) нарастание прочности бетона в естественных условиях твердения при различной температуре окружающей среды, его среднюю плотность и теплопроводность. В отчете за первый этап 2011 г. приведены результаты научных исследований по изучению долговечности керамзитобетона в зависимости от применяемых зол и расхода, а также в зависимости от условий хранения (воздушное, водное, попеременное замораживание и оттаивание, попеременное увлажнение и высушивание). Установлены оптимальные параметры изготовления цементнозольного вяжущего и бетона на его основе. Разработаны рекомендации по использованию цементнозольного вяжущего в монолитном строительстве. ^ Современная стратегия развития строительной отрасли включает ресурсо- и энергосбережение, ограничение потребления природных ресурсов, охрану окружающей среды, повышение объемов использования в производстве строительных материалов попутных продуктов и отходов промышленности, повышенные требования к надежности и долговечности строительных конструкций и изделий в условиях воздействия различных сред и механических нагрузок при эксплуатации [1, 2]. Решение жилищной проблемы предопределяет максимальное вовлечение в строительное производство ресурсосберегающих технологий. На современном этапе одним из важнейших направлений индустриализации массового жилищного и гражданского строительства является монолитное домостроение, позволяющее повысить качество и архитектурную выразительность зданий и градостроительных комплексов, а также экономить единовременные затраты на создание производственной базы, снизить расход стали на армирование конструкций в монолитных зданиях по сравнению с крупнопанельными. Накопленный опыт возведения зданий из монолитного бетона и ряд преимуществ, присущих монолитному строительству (возможность создания более разнообразных по объемно-планировочному решению и внешнему облику зданий, повышенные эксплуатационные качества, лучшие показатели по расходу стали, себестоимости), способствуют его применению в массовой застройке городов и сел, особенно в районах с неразвитой индустриальной базой. В связи с этим в настоящее время в практике строительства удельные объемы использования сборного и монолитного бетонов явно складываются в пользу последнего [3-8]. В условиях высокой сейсмичности территорий Казахстана развитие легкобетонного монолитного строительства приобретает особое значение, поскольку облегчение конструкций способствует повышению сейсмостойкости зданий и сооружений. Комплексное применение керамзитобетона в ограждающих и несущих конструкций дает дополнительный эффект снижения нагрузок на фундаменты (до 30 %), а также теплоотдачи здания благодаря ликвидации мостиков холода [4, 5]. Железобетонные и монолитные конструкции из легких бетонов на пористых заполнителях позволяют увеличить пролеты и этажность зданий, укрупнить монтажные элементы, повысить производительность труда и качество строительства, добиться его ускорения, снизить стоимость [3, 6]. Монолитный бетон по сравнению со сборным имеет ряд особенностей [9]: – требуется более высокая скорость набора прочности в ранние сроки твердения; – более длительные сроки схватывания вяжущих для обеспечения возможности транспортирования на дальнее расстояние без изменения подвижности; – высокие требования к бетонной смеси по удобоукладываемости и к нерасслаиваемости; – необходимость обеспечения более высокого качества поверхностей для исключения дополнительных операций по доводке под отделку. Выполнение сборно-монолитного строительства в легкобетонном варианте [10,11] позволяет обеспечить: – уменьшение массы зданий, что дает возможность снизить расход арматуры; – снижение теплоотдачи зданий или повышение до 15-20 % уровня тепловой защиты за счет повышения теплотехнической однородности наружних стен; – повышение энергоэффективности зданий за счет снижения энергозатрат на его отопление; – повышение пожаробезопасности зданий за счет более высокой огнестойкости легкого бетона; – повышение сейсмостойкости зданий, обусловленное снижением массы его конструктивной системы и соответственно уменьшением сейсмического воздействия на фундамент. Использование керамзита для монолитного домостроения является одним из перспективных направлений. Разработкой этого направления активно занимались в БеНИИСе, НИИЖБе [11-14]. В результате проведенных исследований НИИЖБом [6] были разработаны конструкционные керамзитобетоны классов по прочности на сжатие B25-B35, марок по плотности D1750-D1850, характеризующиеся следующими основными преимуществами по сравнению с равнопрочными тяжелыми бетонами: – меньшая плотность (в среднем на 25%); – ниже в 2,5-4 раза коэффициент теплопроводности бетона; – выше на 30-50 % предел огнестойкости бетона. Керамзит является экологически чистым материалом: на протяжении всего периода эксплуатации и даже в условиях пожара полностью отсутствует вредное газовыделение, это обусловлено высокотемпературным обжигом глинистого сырья [14]. Другое важнейшее преимущество керамзита и керамзитобетона – высокая огнестойкость и длительное сохранение конструкционной прочности в условиях пожара, что обеспечивает безопасность людей в экстремальных ситуациях. По оценкам зарубежных специалистов, основные преимущества легкого железобетона в конструкции зданий состоят в существенной экономии строительных материалов на фундаментах; повышенной огнестойкости по сравнению с бетонами с утеплителем из пенополистирола [15]. Зарубежный и отечественный опыт свидетельствует, что комплексное использование легких бетонов с применением керамзитового гравия при строительстве зданий помимо снижения затрат на фундаменты, дает экономию арматуры 12-20 %, повышает пожаростойкость зданий. Долговечность и экологическая безопасность зданий из керамзитобетона подтверждена многолетним опытом эксплуатации в США и Канаде в течении 50-70 лет [7]. Повышенная эксплуатационная надежность обусловлена сохранением исходных теплозащитных свойств, высокой морозостойкостью, низкой эксплуатационной влажностью керамзитобетона, и особенно пожаростойкостью [5]. Наружные стены из керамзитобетона является экономически выгодными по сравнению с многослойными стенами. Это подтверждено сравнительными расчетами стоимости 1м2 стены для различных конструкций наружных стен, выполненными специалистами НИИКерамзит [11]. Кроме того, долговечность керамзитобетонных стен рассчитана на весь срок службы здания, в то время как для комбинированных конструкций наружных стен, особенно с фасадным утеплением, срок службы не превышает 25 лет. Одним из главных направлений развития керамзитобетона является получение эффективных легких бетонов для наружных стен с улучшенными теплофизическими характеристиками. Однако реализация имеющихся предложений применением керамзитового песка, поризованных легких бетонов на кварцевом песке, не позволяла до конца и в должной степени решить поставленную задачу. Поэтому изыскание путем решения указанной проблемы представляется в достаточной степени актуальным. Введение новых норм по теплозащите и энергосбережению поставило перед технологами сложную задачу, так как выпускавшиеся однослойные стеновые панели, которые отличались простотой и технологичностью их конструктивного решения, низкой трудоемкостью производства, малым расходом металла не отвечали требованию СНиП 2:04-03-2008 по термическому сопротивлению до нормативного. Поэтому необходим возврат на выпуск однослойных керамзитобетонных панелей после выполнения мероприятий по доведению их термического сопротивления до нормативного, например, за счет применения золы и золошлаков, пористых вспученных песков (перлит, вермикулит), а также за счет использования керамзитового гравия плотностью 400-450 кг/м3 [16,17]. При использовании керамзитобетонов для изготовления несущих и ограждающих конструкций жилых и общественных зданий и сооружений необходимо обеспечить надежную эксплуатацию их. Эксплуатационные факторы накладывают на конструкции дополнительные требования, которые необходимо учитывать при выборе оптимальных параметров как технологических, так и конструктивных характеристик [18]. Возведение монолитных зданий предполагает ужесточение требований к строительно-техническим свойствам применяемых материалов, изделий и конструкций, выдвигает особые требования к долговечности конструкций. Наружные стены зданий и сооружений должны соответствовать целому комплексу требований и должны максимально соответствовать ниже перечисленным требованиям (рисунок 1) [19].  Рисунок 1 - Функциональная схема проектирования ограждающих конструкций здания В монолитном бетоне на портландцементе и традиционных заполнителях не обеспечивается надежная теплозащита. Одним из наиболее перспективных направлений решения этой задачи является использование золы-уноса в технологии вяжущего и бетона. В отличие от природного песка зола химически более активна, что позволяет экономить цемент, она легче, что делает ограждающие конструкции более легкими и теплыми [20, 21]. Крупномасштабное использование золошлаковых отходов в составе бетона создает условия для организации малоотходного и безотходного производства и существенного улучшения экологической ситуации на территориях, прилегающих к теплоэлектростанциям. Одновременно сокращается расход цемента и заполнителей на приготовление бетона, улучшаются технико-экономические показатели, появляется возможность целенаправленного изменения технических и строительно-технических свойств бетона. Основное достоинство золосодержащих бетонов – это их адаптированность к любым климатическим зонам Казахстана, экономичность и экологичность. В отличие от обычно применяемого керамзитобетона для наружных ограждающих конструкций, легкие бетоны на основе зол и шлаков тепловых электростанций обладают следующими преимуществами: более однородным составом мелкого и среднего заполнителя, повышенной подвижностью бетонной смеси, значительным снижением ее расславиваемости, а также улучшением теплофизических характеристик бетона [22, 23]. Эффективность применения зол в легких бетонах, по сравнению с керамзитобетоном, с точки зрения теплофизики объясняется пониженным первоначальным коэффициентом теплопроводности исходных материалов. В легких золошлаковых бетонах в зависимости от расхода составляющих он изменяется от 0,25 до 0,40 Вт/(м∙К), а в керамзитобетоне от 0,45 до 0,6 Вт/(м∙К). Как показали исследования [24-27], значительный эффект при обеспечении всех требований, может быть достигнут комплексным использованием золы с химическими добавками в сочетании с интенсивной (турбулентной) технологией приготовления бетонной смеси. Применение золы в комплексе с химическими добавками и суперпластификатором позволяет: – заменить часть дефицитного мелкого заполнителя; – уменьшить расслаиваемость бетонной смеси при транспортировании; – улучшить удобоукладываемость; – улучшить теплофизические свойства керамзитобетона; – обеспечить повышение структурной прочности и сократить сроки достижения критической прочности, что увеличивает оборачиваемость опалубки, и тем самым повышает темп производства бетонных работ при возведении зданий и сооружений; – значительно повысить качество поверхности конструкций. Практически неограниченные ресурсы золошлаковых отходов и высокая эффективность их использования в бетонах предопределяют целесообразность массового применения золосодержащих бетонных и железобетонных изделий и конструкций. По мере накопления опыта область применения таких бетонов будет расширяться, в частности в монолитном строительстве. Однако широкое внедрение в технологию бетона зол ТЭС, многие из которых отличаются нестабильностью свойств и содержат нежелательные компоненты, требует особого внимания к качеству бетона, обеспечивающему долговечность изделий и конструкций. Цементы и бетоны с зольной составляющей и другими добавками рассматриваются как новые материалы. Поэтому рекомендациям по их использованию должно предшествовать всестороннее изучение свойств, исследование структуры, долговечности, длительное изучение однородности свойств в сравнении с использованием стандартных цементов [28]. При снижении расхода цемента и клинкерной составляющей в составе бетона, как это имеет место при использовании смешанных вяжущих и тонкодисперсных добавок, возникает опасность снижения долговечности бетона и сохранности арматуры. В связи с этим необходима разработка четких рекомендаций и мероприятий, обеспечивающих надежную работу железобетона с применением отходов в различных условиях эксплуатации. По данным некоторых исследователей, высокое содержание топливной составляющей в золе приводит к нарушению структуры и увеличению усадочных трещин [29, 30], обуславливает повышенную водопотребность смесей и ухудшает свойства бетона [30, 31]. По мнения других исследователей [32, 33], горючая часть золы не оказывает вредного воздействия на поведение изделий в эксплуатационных условиях, в связи с чем допустимые пределы содержания в золе несгоревших углистых частиц могут быть расширены при обосновании специальными исследованиями. Помимо несгоревших частиц твердого топлива, к числу нежелательных компонентов, содержащихся в золе и золошлаковых отходах, относятся соединения серы, свободные оксиды кальция и магния, особенно в крупнокристаллическом или пережженном состоянии. Кроме того, отрицательное действие оказывают неустойчивые фазы необожженного глинистого вещества, приводящие к разрушению частичек золы или гранул шлака в результате объемных изменений. Несгоревшие частицы топлива (недожог), в разной степени метаморфизированные, в виде кокса, полукокса и углистых скоплений присутствуют в золе всех твердых топлив. При удовлетворительном течении топочного процесса и высокой реакционной способности топлива их количество невелико. При неудовлетворительной работе топок и высокой зольности угля их содержание может достигать 20 % и более. Стандартами и техническими условиями количество несгоревшего угля в золе-уносе и золошлаковых отходах, используемых в технологии бетона и для получения некоторых других строительных материалов, ограничивается в пределах 5…10%. Долговечность бетонов и изделий является одной из важнейших проблем, возникающих при использовании цементнозольного вяжущего. Увеличение расхода золы и снижение расхода цемента вызывает опасность коррозии арматуры. Повышенная дисперсность цементнозольного вяжущего (удельная поверхность около 550 м2/кг может вызвать увеличение усадки, снизить трещиностойкость изделий и конструкций. Многие специальные вопросы технологии бетонов на основе цементнозольных вяжущих требует дальнейших, более детальных исследований, в частности получения бетонов, обладающих комплексом заданных свойств, таких как морозостойкость, стойкость к попеременному увлажнению и высушиванию, водонепроницаемость. Долговечность конструкций определяется как стойкостью бетона, так и сохранностью арматуры в нем. Зола в составе вяжущих и бетонов вызывает связывание гидратной извести, уменьшая щелочность среды. Содержащиеся в золе соединения серы, несгоревшего угля, железа могут вызвать коррозию арматуры, опасность которой возрастает с увеличением удельной поверхности золы. Поэтому использование в бетонах многокомпонентных вяжущих связано с необходимостью тщательного подбора соотношения цемента и минеральной добавки и детального исследования стойкости бетона и железобетона и воздействиям внешней среды. Недостаток или отсутствие конкретных научных рекомендаций затрудняет широкомасштабное внедрение золы-уноса в практику монолитного строительства. Ввиду неоднозначного действия каждая зола требует специальных исследований с определением оптимального содержаний в бетоне исходя из условий его применения. Для этого изучены свойства активизированного цементнозольного вяжущего различного состава с использованием зол Аксуской ГРЭС и Алматинской ТЭЦ. Исследована морозостойкость, стойкость к переменному увлажнению и высушиванию, атмосферо- и водостойкость бетона, а также стойкость арматуры в нем. В результате выполненных исследований разработаны технологический регламент изготовления активизированного цементнозольного вяжущего с рекомендациями по его использованию. Применение механоактивации в технологии вяжущих материалов позволяет получать цементы со специальными свойствами и открывает перспективы получения качественных вяжущих с применением таких невостребованных промышленных отходов, какими являются кислые золы-уноса ТЭС. Однако широкое внедрение в технологию бетона зол ТЭС, многие из которых отличаются нестабильностью свойств и содержат нежелательные компоненты, требует особого внимания к качеству бетона, обеспечивающему долговечность изделий и конструкций. Цементы и бетоны с зольной составляющей и другими добавками рассматриваются как новые материалы, поэтому рекомендациям по их использованию должно предшествовать всестороннее изучение их свойств и долговечности. При снижении расхода цемента и клинкерной составляющей в составе бетона, как это имеет место при использовании смешанных вяжущих, возникает опасность снижения долговечности бетона и сохранности арматуры. В связи с этим необходима разработка четких рекомендаций и мероприятий, обеспечивающих надежную работу железобетона с применением отходов в различных условиях эксплуатации [20]. Учитывая актуальность создания конкурентоспособных стеновых материалов с улучшенными теплофизическими свойствами и расширения области использования золы-уноса, разработка высокоэффективных теплоизоляционных композиционных материалов для монолитного строительства представляется перспективной. Широкие возможности и технико-экономическая целесообразность применения золы-уноса в монолитном строительстве требует более детального и глубокого изучения этого направления в науке, проектировании и промышленном применении. До настоящего времени в отечественной нормативной документации отсутствуют требования по теплотехническим характеристикам бетонов, изготовленным с использованием золы-уноса. Зарубежные аналоги подобных систем также не освещают. Новый подход к созданию высокоэффективного монолитного бетона с улучшенными свойствами позволяет обосновать и получить материалы нового поколения с высоким качеством и теплотехническими свойствами, которые недостижимы при традиционной технологии. ^
Цементнозольное вяжущее низкой водопотребности получали на портландцементе марки 500 Бухтарминской цементной компании «Востокцемент» с использованием в качестве минерального наполнителя золы-уноса Аксуской ГРЭС и Алматинской ТЭЦ-1. Портландцемент ПЦ 500-Д0 относится к алитовым высокоалюминатным цементам. Минералогический состав клинкера, мас.%: C3S – 59,45; C2S – 9,83; C3A – 15,96; C4AF – 12,74. Химический состав цемента, мас.%: CaO – 64,62; CaOcв – 0,09; SiO2 – 18,50; Al2O3 – 8,45; Fe2O3 – 4,07; MgO – 1,64; R2O – 0,41; SO3 – 0,63. Цемент соответствует требованиям ГОСТ 10178. Основные показатели свойств: остаток на сите № 008 – 7,8 %, нормальная густота цементного теста 26,5 %, начало схватывания 2 ч 50 мин, конец – 3 ч 30 мин, предел прочности при сжатии через 28 суток нормального твердения 49,8 МПа, при изгибе – 6,5 МПа (таблица 1). Таблица 1 – Основные физико-механические свойства портландцемента марки ПЦ 500-Д0
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
