Проекты

Применение суспензии тонкомолотого перлита для повышения прочности цементного камня

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Строительство, дизайн и архитектура» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Строительное материаловедение
Авторы работы: МБОУ лицей им. И.И. Федунца
Предметы: Физика, Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Краткое вступление/актуальность темы

В нашей стране стремительно развивается промышленное и гражданское строительство. Требуется получение строительных материалов, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками. Одним из способов повышения эксплуатационных свойств цемента и бетона является применение тонкодисперсных добавок в их составе, которые придают повышенную прочность, морозостойкость, коррозионную стойкость и другие характеристики строительным материалам.

Цель работы

Получение суспензии тонкомолотой добавки, способной повысить эксплуатационные свойства цементного камня, а, соответственно, и бетона, с помощью подручных материалов и оборудования.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Цилиндры объёмом 100 см3
  • Эксикатор
  • Электрическая кофемолка
  • Керамическая ступка
  • Сито № 0071
  • Торсионные весы
  • Электронные весы
  • Ультразвуковая ванна GT Sonic GT-U1
  • Сферическая чаша для приготовления цементного теста
  • Формы 20х20х20 мм
  • Вибростол
  • Ванна с гидрозатвором
  • Испытательный пресс CONTROLS
  • Сушильный шкаф
  • Муфельная печь

Описание

В работе автором были применены следующие методы: измельчение, просеивание, определение размера частиц; ультразвуковое диспергирование; определение устойчивости суспензии; физико-механические испытания малых образцов; определение потерь при прокаливании образцов.

Работа проводилась автором в несколько этапов:

1. С целью выбора добавки и способа введения её в состав цемента для повышения эксплуатационных свойств проводился анализ литературных источников. С помощью литературных источников и доступности приобретения материала была выбрана минеральная добавка вулканического происхождения – перлит (приобреталась как удобрение в магазине для сада и огорода)

2. С помощью электрической кофемолки проводилось измельчение материала, домол в керамической ступке и последующее просеивание через сито № 0071.

3. С помощью торсионных весов определялся размер частиц измельчённого перлита, была построена кривая распределения тонкомолотого перлита. Установлен преобладающий размер тонкомолотого перлита, который составляет 40–50 мкм.

4. Была приготовлена суспензия перлита (С= 10 г/л), которая  стабилизировалась ПАВ (жидким моющим средством «Биолан») (С=5 г/л) и ультразвуковым диспергированием в ультразвуковой ванне GT Sonic GT-U1.

5. В ходе эксперимента проводилось определение устойчивости тонкомолотого перлита в водной и в органо-водной средах с применением диспергирования и без него. Установлено, что скорость оседания частиц перлита в суспензии, стабилизированной «Биоланом» и ультразвуковым диспергированием, минимальна во все периоды оседания, следовательно, наиболее устойчива.

6. Полученная суспензия тонкомолотого перлита вводилась в цемент вместо воды затворения, и готовились кубики 20х20х20 мм для испытания образцов. Кубики хранились в воздушно-влажностных условиях в течение 1, 3, 7, 28 сут., после чего испытывались на сжатие на испытательном прессе CONTROLS. В ходе эксперимента было установлено, что прочность на сжатие образца, содержащего стабилизированную суспензию перлита, выше, чем у контрольного образца: в первые сутки твердения на 47 %, в 28 сутки твердения – на 11%.

7. Для установления влияния добавки на скорость твердения образцов были определены потери при прокаливании образцов в муфельной печи при температуре 950 ℃.

Установлено, что в образце, содержащем стабилизированные частицы тонкомолотого перлита, потери при прокаливании выше, что свидетельствует о более интенсивном протекании процесса твердения цементного камня, а, следовательно, подтверждает и увеличение прочности образца по сравнению с контрольным образцом. 

8. В совокупности проведеёных исследований установлено, что введение стабилизированной суспензии перлита способствует повышению прочностных и структурных характеристик цементного камня, а, следовательно, приводит к повышению эксплуатационных свойств бетона.

Автором в МБОУ «Лицей им. И. И. Федунца» проводилось измельчение и просеивание перлита; установление устойчивости суспензии в водной и в органо-водной средах с применением диспергирования и без него.

В НИУ МГСУ проводилось определение размера частиц с помощью торсионных весов, построение кривой распределения частиц. Автор принимал участие в затворении образцов. Физико-механические испытания и определение потерь при прокаливании образцов осуществлялись лаборантом кафедры строительных материалов и материаловедения НИУ МГСУ. Обработка результатов и построение графиков осуществлялось автором.

Результаты работы/выводы

1. Разработана тонкомолотая добавка на основе агроперлита с преобладающим размером частиц d = 40–50 мкм.

2. На основе тонкомолотого перлита получена суспензия, стабилизированная ПАВ и ультразвуковым диспергированием. 

3. Установлено, что скорость оседания частиц перлита в стабилизированной суспензии во все периоды оседания минимальна, следовательно, и суспензия наиболее устойчива. 

4. Установлено, что в первый период оседания стабилизированная суспензия устойчива в течение 15 часов, что косвенно подтверждает равномерность распределения частиц перлита в объёме цементной системы.

5. Установлено, что прочность на сжатие образца, содержащего стабилизированную суспензию перлита, выше, чем у контрольного образца (бездобавочный цемент): в первые сутки твердения на 47 %, в 28 сутки твердения – на 11 %. 

6. Также об интенсивности протекания процессов твердения указывают потери при прокаливании, которые выше у образцов с добавкой тонкомолотого перлита. 

7. Совокупность проведённых исследований свидетельствует о повышении прочности цементного камня, а, следовательно, о повышении эксплуатационных свойств бетона.

Перспективы использования результатов работы

Планируется разработать декоративный бетон, содержащий стабилизированные частицы перлита, исследовать его свойства и в качестве апробации результатов исследования изготовить цветник для клумбы на приусадебном участке.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»

Награды/достижения

Московская региональная конференция исследовательских проектов школьников «Учись строить будущее» в НИУ МГСУ 28.02.2020 – победитель.

Мнение автора

«Строительное материаловедение сочетает в себе моих два любимых предмета (химия, физика) и позволяет изучать такие материалы, как цемент, гипс, бетон и т. д., методы повышения качества этих материалов, что для меня представляет интерес. Моя работа посвящена применению тонкомолотого перлита в составе цемента. Исследования проводились в течение года. Особенно трудоёмким оказалось измельчение перлита, но оно позволило установить, что более прочный строительный материал возможно получить самостоятельно, в домашних условиях, например, для изготовления малых архитектурных форм на приусадебном участке, что в перспективе планирую сделать. Благодаря проведённым исследованиям я окончательно определился в выборе профессии. Мне интересно исследовать материалы, подбирать добавки, способствующие повышению эксплуатационных свойств строительных материалов. 

Участие в конференции «Инженеры будущего» позволило, во-первых, оценить свои силы при представлении доклада с результатами исследований, во-вторых, определиться в выборе профессии. Выражаю большую благодарность организаторам конференции за возможность участия школьникам из других регионов РФ»