Наномодифіковані портландцементні композиції та швидкотверднучі бетони на їх основі

Abstract

Дисертаційна робота присвячена питанням розроблення теоретичних основ технології наноспроектованих цементів для отримання наномодифікованих портландцементних композицій, що забезпечують створення високотехнологічних швидкотверднучих бетонів багаторівневої структури за рахунок системного поєднання нано- та ультрадисперсних мінеральних компонентів та суперпластифікуючих добавок на основі ефіру полікарбоксилату з наноспроектованими ланцюгами. Встановлено вплив гранулометричного складу мінеральних компонентів на їх поверхневу активність та фізико-хімічні особливості процесів гідратації і тверднення наномодифікованих портландцементних композицій, які завдяки направленому формуванню мікроструктури цементуючої матриці в ранній період гідратації дозволяють вирішувати проблему одержання високотехнологічних та швидкотверднучих бетонів з покращеними експлуатаційними властивостями. Запроектовано склади швидкотверднучих бетонів багаторівневої структури за технологіями наносистем ”знизу-вверх” і ”зверху-вниз”, досліджено будівельно-технічні властивості, здійснено промислову апробацію та розраховано техніко-економічну ефективність їх використання. Диссертация посвящена вопросам разработки теоретических основ получения быстротвердеющих бетонов многоуровневой структуры – путем модифицирования на микроуровне (уровень цементной матрицы) комплексными химическими добавками полифункционального действия и реакционно-активных дополнительных цементирующих материалов, а на наноуровне – наночастицами гидросиликатов кальция и кремнезема. В первом разделе проведен аналитический обзор литературных источников, посвященных проблемам получения быстротвердеющих бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Показано, что инновационным методом создания быстротвердеющих строительных композитов полифункционального назначения с регламентированными свойствами в различных условиях эксплуатации является их наномодифицирование, в основе которого заложены принципы направленного управления и контроля процессами формирования структуры материала, а также кинетики и механизма химических взаимодействий на ранних стадиях процесса твердения цементирующей матрицы. Во втором разделе приведены характеристики исходных материалов, описаны основные методики исследований, использованные в работе. В третьем разделе проведена комплексная оценка гранулометрического состава ультрадисперсных минеральных добавок по показателю дифференциального коэффициента поверхностной активности. Исследованы физико-механические свойства наномодифицированных портландцементных композиций, содержащих ультрадисперсные минеральные добавки, поликарбоксилатный суперпластификатор, щелочесодержащий ускоритель твердения, а также наноразмерные частицы гидросиликатов кальция. Установлено, что разработанные портландцементные композиции характеризуются интенсивным набором ранней прочности, а по показателю стандартной прочности относятся к высокопрочным. Показано, что ускорение процессов твердения наномодифицированных портландцеменых композиций обусловлено оптимизацией упаковки частиц системы, наличием энергетически активных частиц в составе минеральных составляющих, стимулированием процессов нуклеации в межзерновом пространстве, ускорением реакций пуццоланизации ультрадисперсных добавок. Четвертый раздел посвящен разработке быстротвердеющих бетонов многоуровневой структуры на основе наномодифицированных портландцементных композиций по технологиям „сверху-вниз” и „снизу-вверх”. Быстротвердеющие бетоны характеризуются ускоренным нарастанием прочности в нормальных условиях твердения (fcm2/fcm28=0,56-0,72), массовым водопоглощением 1,9-2,1%, повышенной водонепроницаемостью (W18–W20), морозостойкостью (F300), относятся к высокопрочным (класс С55/67). Модуль упругости нано-модифицированных бетонов составляет 41,2–53,6 ГПа, коэффициент Пуассона –снижается до 0,17. В пятом разделе приведены результаты промышленной апробации разработанных наномодифицированных портландцементных композиций и быстротвердеющих бетонов на их основе при бетонировании несущих монолитных конструкций, показана технико-экономическая эффективность их применения. Широкое внедрение быстротвердеющих бетонов многоуровневой структуры обеспечивает повышение эффективности возведения монолитных конструкций, объектов дорожной инфраструктуры, проведение ремонтных работ. The thesis is devoted to the development of theoretical bases of nano-engineered cements technology for obtaining of Portland cement compositions that provide the creation of technological Rapid hardening concretes of a multi-level structure due to the system combination of nano- and ultrafine mineral components and superplasticizer based on the polycarboxylate ether with nano-engineered chains. The influence of granulometric composition of mineral components on their surface activity and physical and chemical peculiarities of hydration and hardening processes of nanomodified Portland cement compositions was established. The problem of development of high-tech and Rapid hardening concretes with improved performance can solved due to the directed formation of the microstructure of the cement matrix in the early period of hydration. The compositions of the Rapid hardening concretes of multi-level structure using nanosystem technologies "bottom-up" and "top-down" were designed, their building and technical properties were investigated, industrial testing was carried out and technical and economic efficiency of their use was calculated.