Технология электродного прогрева цементного бетона с шунгитсодержащей органоминеральной добавкой

Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованного технологического решения, обеспечивающего совершенствование технологии элек-тродного прогрева при зимнем бетонировании на основе создания рациональных условий получения бетонов с оптимальными технологическими и эксплуатационными свойствами за счет введения молотого токопроводящего минерала шунгита в сочетании с активной минеральной и пластифицирующей добавками. Задачи диссертационного исследования: 1. Изучить гидравлическую активность шунгита с различной степенью помола, его влияние на реологические свойства цементного теста, среднюю плотность и прочность цементного камня, твердеющего в различных условиях. 2. Установить научно обоснованные требования к степени помола и объемному содержанию шунгита, обеспечивающие достаточное снижение величины удель-ного электрического сопротивления и перколяцию электрического тока для повышения эффективности электродного прогрева бетона. 3. Исследовать зависимости средней плотности, прочности, водонероницаемости и морозостойкости бетона от содержания шунгита, активной минеральной и пластифицирующей добавок в составе бетонной смеси, твердеющей в условиях электродного прогрева при зимнем бетонировании. 4. Изучить особенности изменения удельного электрического сопротивления, распределения тепловых потоков и градиента температур в процессе твердения исследуемых бетонов, подвергаемых электродному прогреву при зимнем бетонировании. 5. Изучить особенности формирования макро- и микроструктуры исходного и модифицированных шунгитсодержащих составов цементного камня и бетона, твердеющих в условиях электродного прогрева при отрицательных температурах наружного воздуха. 6. Исследовать эффективность электродного прогрева шунгитсодержащего бетона в технологии аддитивного строительного производства и оценить его технико-экономические показатели. Разработать состав операций и средства входного, операционного и приемочного контроля, технологическую документацию и осуществить опытно-промышленную апробацию разработанных решений. Научная новизна работы: По специальности 2.1.5: 1. Выявлены квадратичная зависимость прочности при сжатии цементного камня и экспоненциальная зависимость величины его электрического сопротивления от содержания тонкомолотого шунгита (Sуд=400 м2/кг) в количестве 1-10% от массы портландцемента при различной влажности (0-6,1%), характеризующие оптимальное содержание токопроводящего минерала в количестве 3-5% для перколяции электрического тока при одновременном по-вышении прочности. 2. Установлено, что введение молотого шунгита (Sуд=400 м2/кг, dср=32,6 мкм), активной минеральной добавки (метакаолин) и пластифицирующей добавки на основе поликарбоксилатного эфира (Glenium® Ace 430) в состав тяжелого бетона, подвергаемого электродному прогреву, приводит к повышению в фазовом составе цементного камня содержания низкоосновных гидросиликатов кальция (преимущественно ксонотлита) на 4,4 %, минералов тоберморитовой группы на 2,4 %, деллаита на 3,1 %, уменьшение портландита на 5,2 %, что способствует формированию более плотной (снижение полного объема пор на 5,3%, открытых капиллярных пор – на 6,2%, открытых некапиллярных пор – на 0,6%, увеличение условно-закрытых пор – на 1,5%, показателя микропористости на 1,2%) и однородной структуры бетона, обеспечивающей повышенные физико-технические свойства (увеличение Rсж в 1,4 раза, W на 6 марок, F на 200 циклов). По специальности 2.1.7: 1. Впервые обоснован и реализован способ повышения эффективности технологии 3D-печати при низких положительных и отрицательных температурах наружного воздуха за счет электродного прогрева бетона на основе применения портландцемента с шунгитсодержащей органоминеральной добавкой. 2. Научно обосновано технологическое решение аддитивного строительного производства при низких положительных и отрицательных температурах наружного воздуха в условиях строительной площадки, обеспечивающее более равномерное распределение тепловых полей и повышение температур прогреваемого модифицированного бетона на 11,5 оС за счет введения тонкомолотых токопроводящих частиц шунгита, что способствует интенсификации процессов структурообразования бетона, повышению прочности по окончании электродного прогрева на 58% и увеличению скорости аддитивного производства. Теоретическая и практическая значимость работы. 1. Расширены теоретические представления об эффективности модифици-рования структуры цементного бетона тонкомолотым минералом шунгитом для придания токопроводящих свойств и повышения способности к электроразогреву. Распространены данные представления на рецептурную систему тяжелых модифицированных цементных бетонов и мелкозернистых бетонов в технологии аддитивного производства для электродного прогрева. 2. Разработаны рецептуры тяжелых модифицированных цементных бетонов для электродного прогрева в технологии зимнего бетонирования, характеризующиеся улучшенными физико-техническими показателями по сравнению с исходным составом, за счет применения тонкомолотого минерала шунгита в сочетании с активной минеральной и пластифицирующей добавками. 3. Разработана принципиальная технологическая схема аддитивного строительного производства изделий и конструкций из шунгитсодержащей мелкозернистой бетонной смеси методом послойной экструзии подвергаемой электродному прогреву, позволяющая выполнять 3D-печать при низких положительных и отрицательных температурах наружного воздуха за счет более высокой температуры бетона, что способствует повышению прочности по окончанию прогрева и увеличению скорости строительства. 4. Разработаны основные положения организации и осуществления контроля качества при возведении конструкций методом 3D-печати с применением электродного прогрева бетона, устанавливающие состав операций и средства кон-троля при производстве работ. 5. Разработана технологическая карта на электродный прогрев фундаментов из монолитного шунгитсодержащего бетона. Методология и методы диссертационного исследования. Формирование методологии работы выполнено на общепринятых теоретических аспектах и результа-тах экспериментальных исследований условий и процессов формирования структуры модифицированных цементных бетонов, а также на основании исследований отечественных и зарубежных ученых в сфере изучения характеристик цементных композитов и электродного прогрева бетонов. При выполнении работы применены методы физико-химических исследова-ний: рентгенофазовый анализ, ИК-спектральный анализ, дифференциально-термический анализ, микрозондовый анализ и растровая электронная микроскопия. Данные, представленные в диссертации, получены лично автором или в результате выполнения совместных исследований, где автору принадлежит ведущая роль в планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и оценке обобщенных результатов. В опубликованных работах, в том числе и в соавторстве, автору принадлежат в одинаковой степени результаты исследований, сформулированные на основе их анализа и обобщений теоретические положения, отражающие научную новизну работы, и прикладные исследования, удостоверяющие ее практическую значимость. Положения, выносимые на защиту: По специальности 2.1.5: 1. Результаты исследования влияния тонкомолотого шунгита на перколяцию цементного камня, оцененную по величине электрического сопротивления, при его различной влажности. 2. Оптимальные составы тяжелого цементного бетона, модифицированного тонкомолотым шунгитом, пластифицирующей добавкой и метакаолином, твердевшего в условиях электродного прогрева при зимнем бетонировании, и результаты исследования его качественных характеристик. 3. Особенности структурообразования тяжелого цементного бетона, модифицированного тонкомолотым шунгитом, пластифицирующей добавкой и метакао-лином, твердевшего в условиях электродного прогрева при отрицательной температуре наружного воздуха с использованием методов физико-химического анализа. По специальности 2.1.7: 1. Способ аддитивного производства конструкций стен с электродным про-гревом на строительной площадке, обеспечивающий увеличение скорости 3D-печати за счет повышения температуры прогреваемого шунгитсодержащего бетона, способствующего возрастанию его прочности. 2. Особенности распределения тепловых полей и градиентов температур на поверхности конструкций, напечатанных на 3D-принтере и подвергаемых электродному прогреву. 3. Положения входного, операционного и приемочного контроля качества аддитивного строительного производства в условиях электродного прогрева. Апробация результатов. Основные положения диссертационных исследований были представлены на 70-75 Международных научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (2019-2024 г.), Казань, Россия; Международной научной конференции International Scientific Conference on Socio-Technical Construction and Civil Engineering – Социотехническое гражданское строительство (STCCE-2020), 29 апреля -15 мая 2020 г., Казань, Россия; XXVI конкурсе научно-исследовательских и научно-практических работ на соискание именных стипендий Мэра Казани среди студентов и аспирантов, Казань, 3-4 декабря 2020 г., Казань, Россия; II Всероссийской научной конференции, посвященной столетнему юбилею МИСИ-МГСУ «Строительное материаловедение: настоящее и будущее», г. Москва 18-19 ноября 2021 г.; II Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.А. Афанасьева, г. Санкт-Петербург 21-22 февраля 2023 года. Внедрение результатов. Технологическая карта и модифицированная шунгитсодержащая бетонная смесь для электродного прогрева при зимнем бетонировании внедрены компанией ООО СМП «Портал» при возведении фундаментов в декабре 2022 года.