Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ЧАН ТУАН МИ
ИТЫЕ БЕТОННЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
Московский государственный строительный университет
Научный руководитель: | Доктор технических наук, Коровяков Василий Фёдорович |
Официальные оппоненты: | Козлов Валерий Васильевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет, профессор кафедры строительных материалов. Васильев Юрий Эммануилович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, доцент кафедры дорожно-строительных материалов. |
Ведущая организация: | ООО Научно-производственный центр ЭМИТ |
Защита состоится л19 июня 2012г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.138.02 при ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет по адресу: Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд. № 9 Открытая сеть.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет.
Автореферат разослан л_____ ________ 2012г.
Учёный секретарь диссертационного совета | Алимов Лев Алексеевич |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Актуальность
Основным материалом, используемым в настоящее время при устройстве покрытий дорожного полотна является асфальтобетон. Дороги с цементнобетонным покрытием строятся очень мало, хотя по многим показателям они превосходят дороги с асфальтобетонным покрытием. В частности, срок службы цементнобетонного покрытия, как показала практика эксплуатации в СССР и зарубежных странах, составляет не менее 30 лет, тогда как асфальтобетонные покрытия уже через 2 -3 года после ввода в эксплуатацию требуют постоянного ухода и ремонта.
Несмотря на значительные эксплуатационные преимущества цементобетонных покрытий, в Российской Федерации они применяются очень редко и их доля в дорожном строительстве не превышает 3 %. Для сравнения, в Европейских странах протяжённость дорог с монолитным цементобетонным покрытием составляет примерно 50 % от общей протяжённости дорожной сети, а в США Ч около 60 %.
Основная причина такого положения заключается в использовании бетонных смесей с малой удобоукладываемостью, требующих применения специального оборудования, как для укладки, так и для уплотнения. Трудоемкость этих работ высока и отрицательно сказывается на скорости производства работ, характеризуется высокой энергоемкостью оборудования.
Расширения использования бетона для устройства дорожных покрытий можно добиться применением литых бетонных смесей, способных самоуплотняться при укладке.
Одним из путей создания эффективных литых бетонных смесей для дорожных покрытий является оптимизация состава и модифицирование их комплексной добавкой, состоящей из гиперпластификатора, активного (аморфного) тонкодисперсного и кристаллического кремнезема и регулятора скорости твердения бетона.
Цель и задачи
Целью диссертационной работы является создание литой бетонной смеси с эффектом самоуплотнения для устройства монолитных дорожных покрытий путем её модификации комплексной добавкой.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- обосновать возможность создания литого бетона для дорожных покрытий с использованием комплексной добавки;
- оптимизировать компонентные и количественные составы добавок;
- разработать оптимальные составы литого бетона для дорожных покрытий с комплексной добавкой;
- исследовать основные физико-механические и эксплуатационные свойства литого бетона для дорожных покрытий с комплексной добавкой;
- исследовать структуру получаемого бетона;
- разработать рекомендации по приготовлению и укладке литых бетонных смесей для дорожных покрытий с комплексной добавкой;
- произвести производственное опробование результатов исследования;
- осуществить расчёт технико-экономической эффективности применения литого бетона с комплексной добавкой для устройства дорожных покрытий.
Научная новизна
- теоретически и экспериментально обоснована возможность создания литой самоуплотняющейся бетонной смеси для дорожных покрытий путем модифицирования бетонной смеси комплексной добавкой;
- с помощью метода математического планирования эксперимента получены 3-х факторные модели, используемые для оптимизации составов литого бетона;
- установлены зависимости основных технологических и физико- механических свойств бетонной смеси и бетона (удобоукладываемость, прочность на сжатие, растяжение при изгибе) от вида и состава добавок;
- исследованы основные физико-механические и эксплуатационные свойства полученного литого бетона;
- с помощью дифференциального термического анализа, рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии установлена взаимосвязь микроструктуры полученного бетона с его основными свойствами.
Практическое значение
- разработана эффективная комплексная добавка для литого бетона, состоящая из гиперпластификатора, микрокремнезёма и молотого песка;
- разработаны оптимальные составы литого бетона на основе портландцемента марки 500 Д0-Н для дорожных покрытий с комплексной добавкой классов по прочности на растяжение при изгибе Btb 5,5...6,5 и В30...60 по прочности на осевое сжатие; марок F300 и более по морозостойкости, W12-W20 по водонепроницаемости;
- предложена технология литых бетонных смесей для условий Вьетнама с использованием местного материала (рисовые золы) и доказана их экономическая эффективность;
- разработаны рекомендации по приготовлению и укладке литых бетонных смесей с комплексной добавкой для дорожных покрытий;
- произведено производственное опробование результатов исследования путем укладки участка дворовой территории;
- показана технико-экономическая эффективность применения литого бетона, модифицированного комплексной добавкой, для дорожных покрытий.
Внедрение результатов исследований
- разработаны "Рекомендации по приготовлению и укладке литых бетонных смесей с комплексной добавкой для дорожных покрытий ";
- произведено производственное опробование результатов исследований путем укладки участка дворовой территории в г. Ханое (Вьетнам).
Апробация работы
По теме диссертации опубликованы четыре статьи в научно-технических журналах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК: Вестник МГСУ № 3/2012, Экология урбанизированных территорий №1/2012.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 195 наименований и приложения. Она изложена на 168 страницах текста, набранного с использованием компьютерной техники, содержит 48 рисунков и 57 таблиц.
На защиту диссертации выносятся
- теоретические положения о возможности создания долговечного литого бетона для дорожных покрытий за счет модифицирования структуры бетона комплексной добавкой;
- оптимальные составы литого бетона для дорожных покрытий с комплексной добавкой;
- результаты математического планирования эксперимента;
- зависимости основных технологических и физико - механических свойств бетонных смесей и бетона (удобоукладываемость, прочность на сжатие, растяжение при изгибе) от вида, состава и расхода добавок;
- результаты исследований основных физико-механических и эксплуатационных свойств разработанного литого бетона;
- результаты исследований структуры бетона оптимального состава;
- рекомендации по приготовлению и укладке литых бетонных смесей для устройства дорожных покрытий;
- результаты расчета технико-экономической эффективности применения литого бетона с комплексной добавкой для дорожных покрытий.
Работа выполнена на кафедре: Технология вяжущих веществ и бетонов Московского государственного строительного университета.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Асфальтобетон, который применяется в настоящее время в дорожном строительстве, является нежестким покрытием с низкой морозостойкостью, плохо реагирует на жару, страдает ярко выраженной колейностью, работает всего от двух до пяти лет, особенно в условиях нарастания максимальных нагрузок на заднюю ось грузовиков и фур (фактически они уже доходят до 12 т) и взрывного роста числа автомобилей в стране. При таких нагрузках дороги из асфальтобетона просаживаются, выходя из строя намного раньше гарантийных сроков. Цена на битум растет вместе с ценой на нефть, на рынке начинает ощущаться его острая нехватка, кроме того в России ощущается нехватка битума надлежащего качества.
Условия службы дорожных покрытий являются чрезвычайно тяжёлыми. Они испытывают сложный комплекс воздействий от автомобильного транспорта и уборочных средств, а также окружающей среды.
Дороги с цементнобетонным покрытием строятся очень мало, хотя по многим показателям они превосходят дороги с асфальтобетонным покрытием. В частности, срок службы цементнобетонного покрытия, как показала практика эксплуатации в СССР и зарубежных странах, составляет не менее 30 лет, тогда как асфальтобетонные покрытия уже через 2 -3 года после ввода в эксплуатацию требуют постоянного ухода и ремонта.
Несмотря на значительные эксплуатационные преимущества цементобетонных покрытий, в Российской Федерации они применяются очень редко и их доля в дорожном строительстве не превышает 3 %. Для сравнения, в Европейских странах протяжённость дорог с монолитным цементобетонным покрытием составляет примерно 50 % от общей протяжённости дорожной сети, а в США Ч около 60 %.
Основная причина такого положения заключается в использовании бетонных смесей с малой удобоукладываемостью, требующих применения специального оборудования, как для укладки, так и для уплотнения. Трудоемкость этих работ высока и отрицательно сказывается на скорости производства работ, характеризуется высокой энергоемкостью оборудования.
Расширения использования бетона для устройства дорожных покрытий можно добиться применением литых бетонных смесей, способных самоуплотняться при укладке.
Физическое и химическое влияние окружающей среды проявляется одновременно с механическими воздействиями транспорта и средств эксплуатации (истирание, вдавливание и удары). Характерная особенность работы цементобетонных покрытий заключается в том, что все воздействия воспринимаются, в первую очередь, поверхностным слоем. При этом разрушение бетона происходит, в основном, в поверхностном слое. Такой вид разрушения называется шелушением. В начальный период разрушается поверхностный слой бетона путём отслоения толщиной 0,1-1 см. Затем происходит постепенное разрушение раствора в глубину. Крупный заполнитель оголяется и под влиянием динамических воздействий колёс автотранспорта выкрашивается из бетона.
Таким образом, бетоны в дорожных покрытиях в процессе эксплуатации
подвергаются жестким внешним воздействиям
Особенно большое влияние оказывает образование на поверхности бетона слоя льда и действие солей оттаивания. Таяние льда при отрицательной температуре под действием хлористого натрия или других солей является эндотермическим процессом и характеризуется большими значениями скрытой теплоты плавления. В таких условиях под слоем тающего льда в поверхностном слое бетона происходит резкое понижение температуры. Это сопровождается значительным повышением степени льдистости поверхностного слоя бетона и температурными деформациями и напряжениями.
Известно также ускоренное разрушение бетона при замораживании в растворах электролитов, в частности хлоридов. Вследствие вымораживания пресного льда в порах образуются концентрированные солевые растворы, в которые через цементный камень диффундирует вода, повышая давление в этих порах.
При высушивании бетонов, насыщенных растворами хлористых и других солей происходит кристаллизация этих солей в порах бетонов. Такое высушивание происходит как при положительных, так и при отрицательных температурах. Некоторые из этих солей при изменении влажности переходят из безводной формы в кристаллогидраты со значительным увеличением объёма. Такие превращения солей вызывают значительные дополнительные напряжения в бетоне. В летний период при многократном увлажнении водой с последующим высушиванием происходит развитие усадочных деформаций и напряжений.
Может иметь место также вымывание из бетона растворимых соединений при обильном увлажнении мягкими (дождевой и талой) водами.
Как показывает практика цементно-бетонные дороги долговечнее асфальтобетона в 5-6 раз, их срок службы может достигать 50 лет и более. Они стойки к агрессивному воздействию среды, обеспечивают высокое сцепление с колесом и не пылят. Бетонное покрытие относительно мало истирается (0,1 мм в год), толщина покрытия из него не превышает 16-22 см. Высокая долговечность бетона позволяет сократить расходы на содержание и ремонт до минимума.
Для повышения эксплуатационных свойств бетона широкое применение получило модифицирование бетонной смеси различными химическими и минеральными добавками, в том числе и комплексными. Основой модифицирования является создание наиболее плотной структуры бетона, препятствующей проникновению в бетон воды и растворенных в ней агрессивных примесей, особенно это важно для бетонов, полученных из литых бетонных смесей, называемых литыми бетонами.
Анализ теоретического и практического опыта, накопленного за 25-30 лет в нашей стране и за рубежом, показывает, что литой бетон по своей структуре и строительно-техническим свойствам может стать более эффективным материалом для дорожного строительства. При строительстве оснований и покрытий из укатываемых бетонных смесей не удается добиться требуемой ровности, повышения прочности, уменьшения трудозатрат.
Одним из путей повышения эффективности литого бетона является его направленное модифицирование добавками.
итые бетонные смеси не нашли широкого применения по причинам расслоения бетонных смесей традиционного состава (цемент + песок + щебень + вода + пластификатор), недостаточных показателей по морозостойкости (как правило, не выше F200) и стойкости в агрессивной среде антиобледенительных реагентов.
Для того, чтобы получить долговечные бетонные покрытия дорог, необходимо создать бетонные смеси, характеризующиеся способностью самоуплотняться без расслоения, обеспечивающие бетону требуемые значения по прочности при изгибе и сжатии, коррозионной стойкости, морозостойкости и других эксплуатационных свойств.
Всё изложенное выше позволило сформулировать цель и задачи диссертационной работы, изложенные выше.
Для проведения экспериментов были использованы следующие материалы.
В качестве вяжущего использовали портландцемент марки 500-Д0-Н (с нормированным химико-минералогическим составом) производства ЗАО Мальцовский портландцемент (г.Фокино Ерянской обл.). Основные характеристики цемента, определенные по стандартным методикам, приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1 Минералогический состав клинкера
Минералогический состав клинкера, % | ||||
C3S | C2S | С3А | C4AF | R2O |
65,17 | 13,50 | 5,95 | 12,80 | 0,48 - 0,54 |
Таблица 2 Основные свойства портландцемента
№ п/п | Нормальная густота, % | Сроки схватывания, ч-мин | Предел прочности в возрасте 28 сут, МПа, | ||
начало | конец | при сжатии | при изгибе | ||
1 | 25,75 | 1-30 | 3-35 | 49,0 | 5,9 |
Портландцемент удовлетворял требованиям ГОСТ 10178-85, ГОСТ 30515-97 и требованиям для приготовления литых бетонных смесей (ТР 147-03).
Для изготовления литого бетона применяли гранитный щебень производства ОАО Пенизевичский карьер, размер фракции щебня 5-10(мм). Основные свойства щебня приведены в табл. 3.4.
Таблица 3 Характеристики щебня по механической прочности
Характеристики | Марка |
На сжатие | M1200 |
Дробимость | Др 1400 |
На удар | У75 |
На истираемость | И-I |
Таблица 4 Основные свойства щебня
Морозо-стойкость | Содержание зерен пластинчатой и игловатой, % | Содержание зерен слабых пород, % | Содержание ила, глины и пыли, % |
F300 | 18 | 0 | 0,5 |
Щебень удовлетворял требованиям ГОСТ 8267-93 и требованиям для приготовления литых бетонных смесей. Насыпная плотность 1390 кг/м3, истинная плотность 2,68 г/см3, водопотребность Вщ = 1%,
В качестве активных минеральных добавок использовали микрокремнезём уплотнённый МКУ-85, рисовая зола. Основные свойства минеральных добавок, определенные по ГОСТ 310.2-76, приведены в таблице 5, 6 и 7. Минеральные добавки удовлетворяли требованиям ТУ 5743-048-02495332-96.
Таблица 5 Основные свойства микрокремнезёма и рисовой золы
Вид минеральной добавки | Насыпная плотность | Истинная плотность | Удельная поверхность |
Микрокремнезём МКУ-85 | ρнас = 530 кг/м3 | ρист = 2200 кг/м3 | Si = 20 м2/г |
Рисовая зола | ρнас = 265 кг/м3 | ρист = 2050 кг/м3 | Si = 22 м2/г |
Таблица 6 Химический состав рисовой золы,%
CaO | MgO | SO3 | Na2O+ K2O | Al2O3+ Fe2O3 | SiO2 |
2,6 | 0,83 | 0,42 | 2,74 | 0,41 | 83,56 |
Таблица 7 Химический состав микрокремнезёма,%
MgO | SO3 | Na2O+ K2O | Al2O3+ Fe2O3 | SiO2 | С | SiC | С (отделенный) | Si (отделенный) |
0,81 | 0,45 | 1,87 | 0,64 | 93,2 | 0,55 | 0,5 | 0,41 | 0,29 |
В качестве химических добавок использовали суперпластификатор на основе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида,- C-3 с концентрацией 37%, гиперпластификатор на основе поликарбоксилатов Sika ViscoCrete - 5 Neu и воздухововлекающее вещество SikaAer. Химические добавки удовлетворяли требованиям ТУ 2493-002-13613997-2007, ТУ 5870-034-00369171-02, ASTM C 260-81.
Приготовление литых бетонных смесей осуществляли в смесителе цикличного действия, изготовитель Testing (Германия).
Удобоукладываемость бетонной смеси определяли ее подвижностью в см по показателю осадки конуса, определяемой по ГОСТ 7473-94 и ГОСТ 10181-2000 и по расплыву перевернутого конуса.
Средняя плотность бетонной смеси определялась по ГОСТ 10181-2000.
Пористость бетонной смеси определялась компрессионным методом по ГОСТ 10181-2000. Условия твердения и испытания образцов соответствовали ГОСТ 10180-90. Изготовленные образцы твердели в формах, покрытых влажной тканью при температуре 202С в течение 1 сут. Затем распалубленные образцы твердели в камере при такой же температуре и относительной влажности воздуха не ниже 90%. Перед испытанием образцы выдерживали в течение 2Е4 ч.
Прочность бетона на сжатие и растяжение при изгибе определяли по ГОСТ 10180-90. Прочность на растяжение при изгибе определяли на образцах - призмах размером 10x10x40 см. Прочность на сжатие определяли на образцах Ч кубах с ребром 10 см. Изменение линейных размеров образцов определяли в вертикальном положении с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм. Измерения проводили на образцах размером 40x40x160 мм.
Истираемость бетона определяли по ГОСТ 13087-81 на образцах размером 7x7x7 см в возрасте 28 сут. с помощью прибора ЛКИ-3.
Морозостойкость бетона определяли по ГОСТ 10060.0-95 и ГОСТ 10060.2-95 на образцах размером 10x10x10 см в солях хлористого натрия.
Водопоглощение бетона определяли по ГОСТ 12730.3-78 и ГОСТ 12730.4-78 на образцах 70 x 70 х 70 мм. Определение показателей пористости бетонов осуществляли по кинетике их трехстадийного водопоглощения:
- Сорбционная влажность
- Водопоглощение при полном погружении в воду
- Водопоглощение под вакуумом.
Водонепроницаемость бетона определяли методом мокрого пятна (ГОСТ 12730.5-84) на образцах - цилиндрах с диаметром 150 мм и высотой 75 мм.
Модуль упругости бетона определяли по ГОСТ 24452-80 на образцах размером 10x10x40 см.
Фазовый состав исходных материалов и продуктов твердения идентифицированы по результатам рентгенофазового (РФА).
Определение фазового состава образцов производилось на рентгеновском дифрактометре Thermo Scientific модели ARL X`TRA фирмы Thermo Electron SA (Швейцария). Рентгеновская трубка фирмы THALES (Франция).
Исследование структуры образцов и определение элементного состава производилось на сканирующем микроскопе Quanta 200 с приставкой для элементного анализа EDAX. Исследования проводились в НО - Новые строительные технологии и материалы ФГБОУ ВПО МГСУ, (рис.3,4).
Одним из эффективных способов улучшения свойств бетона является модифицирование его структуры применением многокомпонентных вяжущих. В наших исследованиях в качестве многокомпонентного вяжущего принималась смесь портландцемента, микрокремнезема, молотого песка, пластификатора, добавляемых в бетонную смесь в процессе ее приготовления. Для изучения свойств этого композиционного вяжущего готовили указанную смесь без заполнителей в смесителе.
На первом этапе исследований были изучены основные свойства смешанного вяжущего в зависимости от расхода и вида минеральных наполнителей.
В табл. 8 приведены результаты определения нормальной густоты (НГ) цемента с добавкой молотого песка. Как видно из данных НГ увеличивается с повышением доли наполнителя.
В табл. 9 и 10 показано влияние добавки микрокренезёма и рисовой золы на НГ цементно-песчаного вяжущего. Как видно из полученных данных микрокренезём незначительно влияет на водопотребность вяжущего, тогда как рисовая зола значительно повышает ее значение.
Для устранения эффекта повышения водопотребности при введении в портландцемент тонкодисперсных наполнителей обычно в бетонную смесь вводят пластификатор, позволяющий снизить или устранить отрицательный эффект от тонкодисперсного наполнителя.
Таблица 8 Нормальная густота цементно-песчаного вяжущего
Характеристика | Количество тонкомолотого песка в смешанном вяжущем, % от массы цемента | |||
0 | 10 | 20 | 30 | |
Нормальная густота | 25,75 | 31,25 | 32,00 | 33,25 |
Таблица 9 Нормальная густота смешанного вяжущего (МКВ)
(цемент + 20% от массы цемента молотого песка + микрокренезём)
Характеристика | Количество микрокренезёма в смешанном вяжущем, % массы | ||
0 | 5 | 10 | |
Нормальная густота,% | 32,00 | 33,50 | 36,75 |
Таблица 10 Нормальная густота смешанного вяжущего (МКВ)
(цемент + 20% от массы цемента молотого песка + рисовая зола)
Характеристика | Количество рисовых зол в смешанном вяжущем, % массы | ||
0 | 5 | 10 | |
Нормальная густота,% | 32,50 | 34,50 | 40,00 |
В данной диссертационной работе была реализована концепция получения плотного бетона из литой бетонной смеси, путем модифицирования комплексной добавкой, для чего потребовалось проведение специальных исследований по установлению влияния комплексной добавки, состоящей из гиперпластификатора, активного (аморфного) тонкодисперсного и кристаллического кремнеземов, на свойства бетонной смеси и бетона.
Проектирование предварительных составов бетонов осуществляли расчетно-экспериментальным методом с учетом особенностей литых бетонных смесей и требуемых характеристик дорожного бетона, в частности, ограничения значения В/ - и содержания пор.
Предварительные составы бетона и их свойства приведены в табл. 11 и 12.На три замеса бетоносмесителя расходы материалов составляют:
Таблица 11 Предварительные составы бетона
Первый замес (2,5л) | Второй замес (2,5л) | Третий замес (2,5л) |
В/МКВ (В/Ц) =0,45(0,60) | В/МКВ(В/Ц)=0,45(0,60) | В/МКВ (В/Ц)=0,45(0,60) |
В = 437,5 г | В = 437,5 г | В = 437,5 г |
МКВ (Ц) = 972,5 г (727,5г) | МКВ (Ц) = 972,5 г (727,5 г) | МКВ (Ц) = 972,5 г (727,5 г) |
П = 1602,5 г | П = 1602,5 г | П = 1602,5 г |
Щ = 3602,5 г | Щ = 3602,5 г | Щ = 3602,5 г |
Дмп = 146,68 г | Дмп = 146,68 г | Дмп = 146,68 г |
Дмк = 97,5 г | Дмк = 97,5 г | Дмк = 97,5 г |
Дгп = 9,75 г | Дгп = 9,75 г | Дгп = 9,75 г |
Двв = 0,78 г | Двв = 0,78 г | Двв = 0,78 г |
Таблица 12 Прочность контрольных образцов литого бетона
с комплексной добавкой на сжатие
№ замеса | Возраст бетона, сут | Прочность на сжатие, МПа | Класс бетона |
1 | 7 | 24,7 | B30 |
28 | 39,73 | ||
2 | 7 | 26,22 | B30 |
28 | 39,31 | ||
3 | 7 | 25,65 | B30 |
28 | 36,88 |
Как видно из полученных результатов минимально необходимые значения прочности обеспечивают все три состава бетона, но состав 3 характеризуется наименьшим расходом цемента, поэтому данный состав принят для дальнейших исследований.
Для установления зависимостей свойств бетонных смесей и бетонов от состава, оптимальных соотношений компонентов с целью получения бетонов с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами использовали метод математического планирования эксперимента.
Приняты следующие переменные факторы:
- Расход вяжущего МКВ, кг/м3, x1
- Доля микрокремнезёма в составе вяжущего МКБ,%, x2
- Расход гиперпластификатора, % от массы цемента, x3
Выходными параметрами являлись:
- Осадка конуса бетонной смеси, cм, y1
- Прочность бетона на сжатие в возрасте 7 сут, МПа, y2
- Прочность бетона на сжатие в возрасте 28 сут, МПа, y3
- Прочность бетона на растяжение при изгибе в возрасте 28 сут, МПа, y4
В качестве постоянных факторов приняты расход молотого песка, а также условия приготовления и твердения бетона.
На основе проведённых предварительных экспериментов по каждому фактору назначались верхний, нижний и основной уровни варьирования. Основные характеристики входных параметров приведены в таблице 11.
Таблица 11 Уровни и интервалы варьирования переменных факторов
Входные параметры | Уровни варьирования | Интервал варьирования | ||
-1 | 0 | +1 | ||
Расход вяжущего (МКВ), кг/м3, x1 | 350 | 400 | 450 | 50 |
Доля микрокремнезёма в составе МКВ (МК),%, x2 | 1 | 6 | 11 | 5 |
Расход гиперпластификатора (ГП), % от массы цемента, x3 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 0,2 |
После проведения всех экспериментов согласно плану выполнены соответствующие расчеты, в результате которых получены уравнения регрессии вначале в кодовых значениях переменных, а затем в натуральных. Уравнения имеют вид:
ОК = 21,13 + 2,38(0,02МКБ - 8) 2,88(0,2МК - 1,2) + 4,63(5ГП - 5) + 0,88 (0,02МКБ - 8)( 0,2МК - 1,2) 2,13(0,02МКБ - 8) (5ГП - 5) + 2,63(0,2МК - 1,2) (5ГП - 5) (3.1)
R7cут = 40,76 + 11(0,02МКБ - 8) + 4,29(0,2МК - 1,2) + 0,04 (0,02МКБ - 8)( 0,2МК - 1,2) (3.2)
R28сут = 47,95 + 12,95(0,02МКБ - 8) + 5,05(0,2МК - 1,2) 0,05 (0,02МКБ - 8)( 0,2МК - 1,2) (3.3)
Rр= 6,05 + (0,02МКБ - 8) + 0,55(0,2МК - 1,2) (3.4)
На основе полученных уравнений, адекватно описывающих сиснтему литого бетона с комплексной добавкой, построены графики зависимостей основных строительно-технических свойств разрабатываемого литого бетона для дорожных покрытий (рис.1 3).
Установлено, что введение гиперпластификатора улучшает удобоукладываемость бетонной смеси при любых расходах цемента. При расходах гиперпластификатора от 0,8 до 1,2% от расхода цемента получены равноподвижные смеси с пониженным расходом воды на 20% по сравнению с бетонной смесью на основе С-3.
Рис.1 Зависимость удобоукладываемости литой бетонной смеси от расхода гиперпластификатора при различных расходах вяжущего (1...3 - МКВ/ - = 350/286,5; 400/336; 450/385,5 кг/м3 ) и МК = 1% МКВ | ||
Рис.2 Зависимость удобоукладываемости литой бетонной смеси от расхода гиперпластификатора при различных расходах вяжущего (1...3 - МКВ/ - = 350/269; 400/316; 450/363 кг/м3 ) и МК = 6% МКВ | ||
Рис.3 Зависимость удобоукладываемости литой бетонной смеси от расхода гиперпластификатора при различных расходах вяжущего (1...3 - МКВ/ - = 350/251,5; 400/296; 450/340,5 кг/м3 ) и МК = 11% МКВ | ||
Введение микрокренезёма в литую бетонную смесь значительно влияет на прочность бетона при сжатии, растяжении при изгибе, при этом максимум прочности достигается при расходе микрокремнезема в пределах 7 - 12 % массы цемента. При дальнейшем увеличении доли добавки прочность практически не повышается (рис.4, 5).
Рис.4 Зависимость прочности на сжатие в возрасте 28 сут литого бетона от гиперпластификатора и микрокремнезёма при различных расходахвяжущего (1...3 - МКВ = 350; 400; 450 кг/м3) | |
Рис.5 Зависимость прочности на растяжение при изгибе в возрасте 28 сут. литого бетона от гиперпластификатора и микрокремнезёма при различных расходах вяжущего (1...3 - МКВ = 350; 400; 450 кг/м3) |
Предложенная комплексная добавка в литую бетонную смесь значительно повышает прочность бетона на сжатие (60%) и на растяжение при изгибе (30%) в сравнении с бетоном с добавкой С-3.
На основе этих данных и с учётом требований, предъявляемых к бетонам дорожных покрытий, были выбраны оптимальные составы литого бетона для дорожных покрытий различного назначения (табл. 12).
Необходимые для проектирования и использования прочностные и деформативные характеристики оптимального состава бетона: кубиковая прочность (R); прочность бетона при растяжении (Rbt); начальный модуль упругости (Еb) полученных бетонов приведены в табл. 13.
Таблица 12. Оптимальные составы литого бетона для дорожных покрытий с комплексной добавкой
и прочность в возрасте 28 сут.
№ составы | Удобоукладываемость смеси | Состав литого бетона, кг/м3 | Прочность, в возрасте 28 сут., МПа | Класс бетонов | ||||||||
Осадка конуса, см | МКВ/Ц | П | Щ | В | МК | МП | ГП | ВВ* | на сжатие | на растяжение при изгибе | ||
1 | 25 | 400/308 | 650 | 1170 | 180 | 32 | 60 | 3,23 | 0,31 | 51,4 | 6,3 | В40 |
2 | 25 | 450/354 | 650 | 1170 | 202,5 | 36 | 60 | 3,63 | 0,35 | 64,3 | 7,3 | В50 |
3 | 25 | 550/446 | 650 | 1170 | 247,5 | 44 | 60 | 3,35 | 0,45 | 76,5 | 8,2 | В60 |
4 | 20-22 | 350/269 | 650 | 1170 | 157,5 | 21 | 60 | 2,42 | 0,27 | 35,0 | 5,1 | В30 |
5 | 20-22 | 400/316 | 650 | 1170 | 180 | 24 | 60 | 2,84 | 0,32 | 48,0 | 6,1 | В40 |
6 | 20-22 | 450/340,5 | 650 | 1170 | 202,5 | 49,5 | 60 | 3,06 | 0,34 | 66,0 | 7,6 | В50 |
7 | 16-18 | 350/269 | 650 | 1170 | 157,5 | 21 | 60 | 2,42 | 0,27 | 35,0 | 5,1 | В30 |
8 | 16-18 | 400/316 | 650 | 1170 | 180 | 24 | 60 | 2,53 | 0,32 | 48,0 | 6,1 | В40 |
9 | 16-18 | 450/340,5 | 650 | 1170 | 202,5 | 37,4 | 60 | 2,72 | 0,34 | 66,0 | 7,6 | В50 |
Контрольный ** | 16-18 | 490 | 600 | 1150 | 185 | 3,43 (С-3) | 38,6 | 4,5 | В30 | |||
*с использованием воздухововлекающей добавки Sika Aer;
** Марка бетона по водонепроницаемости W12 и марка бетона по морозостойкости F200.
Таблица 13. Экспериментальные значения прочностных характеристик
разработанных литых бетонов (Оптимальный состав 1 из табл. 12)
Класс бетона В40 | ||
Возраст бетона, сут | Прочность на сжатие (МПа) | Прочность на растяжение при изгибе (МПа) |
3 | 17 | 2,1 |
7 | 43,7 | 5,4 |
28 | 51,4 | 6,3 |
90 | 55 | 6,5 |
Опытные данные свидетельствуют о весьма интенсивном росте прочности образцов разработанного бетона (на примере состава 1) во времени. Через 7 сут кубиковая прочность бетона составляла 70...85 % 28-суточной прочности (рис. 4). Такие значения прочности бетонов с комплексной добавкой в раннем возрасте могут рассматриваться как вполне достаточные для распалубки возводимой дорожной конструкции. К 28 сут прочность бетона достигла 40... 50 МПа, а к 150 сут превышала значения 28-суточной прочности в среднем на 12% (рис.10).
| Рис.6. Изменение прочности на сжатие разработанных бетонов во времени во времени (Оптимальный состав 1 по табл.12). |
Прочность бетона на растяжение (Rbt) определяли по результатам испытаний на изгиб образцов-балочек размером 10*10*40 см. Как видно из табл. 14, прочность полученного бетона на растяжение существенно (более чем на 30%) превосходит контрольные на основе С-3.
Однако, эти характеристики являются необходимыми, но недостаточными, для применения этих бетонов для дорожных покрытий. Поэтому большое место в работе уделено исследованиям основных эксплуатационных свойств литого бетона с учётом особенности его работы в дорожных покрытиях, а, именно: определение показателей пористости бетонов по кинетике их водопоглощения, проницаемости, морозостойкости, атмосферостойкости, истираемости.
Показатели пористости бетонов по кинетике их водопоглощения, проницаемость, морозостойкость, истираемость, определенные по стандартным методикам, приведены в табл. 14, 15, 16.
Результаты определения показателей пористости бетонов по кинетике их водопоглощения показывают, что объём пор в полученных бетонах в среднем составляет 6,5 % (требование - не менее 5% и не более 10%).
Таблица 14 Показатели водопоглощения и характеристика пористости
(Оптимальный состав 1 из табл. 12)
№ образцов | Плотность в сухом сост., кг/м3 | Водопоглощение по массе | Общий объём пор | Объём открытых пор, % | Объём условно замкнутых пор, % |
1 | 2,52 | 2,07 | 6,07 | 5,21 | 0,86 |
2 | 2,46 | 2,12 | 5,79 | 5,22 | 0,57 |
3 | 2,41 | 2,76 | 8,08 | 6,65 | 1,43 |
Рис.7 Дифрактограммы бетона в вознрасте 28 сут. нормального твердения по новообразованию (состав 1 по табл.12)
Примечание:
3CaO.SiO2.2H2O; d = (8,6; 3,01; 3,26) 10-9 нм;
* 6CaO.3SiO2.H2O; d = (2,29; 3,44; 3,07) 10-9 нм;
Х 3CaO.SiO2.1,5H2O; d = (8,6; 3,28; 3,03) 10-9 нм;
Рис.8 Дифрактограммы бетона в вознрасте 90 сут. нормального твердения по новообразованию (состав 1 по табл.12)
Примечание:
2CaO.SiO2.3H2O; d = (3,12; 3,07; 2,83) 10-9 нм;
C4AF; d = (1,6; 2,67; 4,89; 2,44; 1,60) 10-9 нм;
2CaO.SiO2.3H2O; d = (2,93; 1,82; 4,81) 10-9 нм;
Рис.9 Результаты СЭМ бетона в вознрасте 28 сут. нормального твердения (состав 1 по табл.12). | Рис.10. Результаты СЭМ бетона в вознрасте 90 сут. нормального твердения (состав 1 по табл.12). |
На рис.7 - 10 приведены результаты исследований структуры с помощью РФА и СЭМ. Они подтверждают, что получена плотная однородная структура бетона, представляющая собой композит из заполнителя и дисперсных наполнителей, скрепленных между собой тонкодисперсными новообразованиями - продуктами гидратации портландцемента.
Таблица 15 Проницаемость разработанных бетонов
(Оптимальные составы из табл. 12)
№ состава | Прочность, МПа, на | Марка бетона по водонепроницаемости | |
сжатие | растяжение при изгибе | ||
1 | 52 | 6,5 | W16 |
2 | 57,5 | 7,0 | W18 |
3 | 76,5 | 8,2 | W20 |
Результаты исследований водопроницаемости разработанных бетонов показывают, что они характеризуются маркой по водонепроницаемости значительно выше стандартных требований.
Установлено, что морозостойкость литого бетона оптимального состава выше 300 циклов при требуемых 200.
Таблица 16 Истираемость разработанного бетона
№ образцов | Масса образцов,г | Потеря массы, m, г | Площадь образца, F,см2 | Истираемость, Иср, г/ см2 | |
Исходная | После испытания | ||||
1 | 861 | 845 | 16 | 49 | 0,3 |
2 | 873 | 854 | 19 | 49 | 0,4 |
Как видно из табл. 16, истираемость разработанных литых бетонов значительно ниже допустимого значения 0,7 г/см2.
Таким образом, результаты лабораторных исследований прочностных, деформационных и эксплуатационных свойств позволяют утверждать, что получены эффективные литые бетоны для дорожных покрытий. Это обеспечивается модифицированием структуры литого бетона введением комплексной добавки.
Для подтверждения этого было осуществлено производственное опробование литого бетона путем укладки участка дворовой территории в г. Ханое в 2008г . Общая площадь покрытия составила 9600м2 .
На основании лабораторных и производственных исследований были разработаны Рекомендации по приготовлению и укладке литых бетонных смесей с комплексной добавкой для дорожных покрытий.
При расчёте технико-экономических показателей определена экономическая эффективность внедрения литого бетона для дорожных покрытий с комплексной добавкой в сумме 460 рублей на 1м2 (в ценах 2008 г.).
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
- Обоснована возможность создания литой бетонной смеси для дорожных покрытий путём модифицирования её структуры комплексной добавкой, состоящей из гиперпластификатора, активного (аморфного) тонкодисперсного и кристаллического кремнеземов, способствующей снижению капиллярной пористости, повышению плотности, получению стабильных новообразований в виде низкоосновных гидросиликатов кальция, а также упрочнению контактной зоны между цементным камнем и заполнителем.
- Разработана литая бетонная смесь, основанная на модификации его структуры комплексной добавкой, состоящей из из гиперпластификатора, активного (аморфного) тонкодисперсного и кристаллического кремнезема.
- Получена математическая модель зависимости основных строительно-технических свойств бетонной смеси и бетона от переменных факторов, позволяющая определить оптимальное количество компонентов добавки в зависимости от требуемой удобоукладываемости бетонных смесей и прочности бетона.
- Установлены многофакторные зависимости удобоукладываемости, прочности на сжатие и растяжение при изгибе в возрасте 7 и 28 сут. от состава бетона.
- Изучены основные физико-механические свойства (прочность на сжатие и растяжение при изгибе, модуль упругости) оптимального состава литого бетона. Полученные литые бетоны на основе портландцемента марки П - 500 ДО-Н имеют классы по прочности на растяжение при изгибе В5,5-В6,5 и по прочности на осевое сжатие В40-В60; марку по морозостойкости F300 и выше и по водонепроницаемости W18-W20.
- Разработаны Рекомендации по приготовлению и укладке бетонных смесей из литой бетонной смеси для дорожных покрытий с комплексной добавкой в условиях Вьетнама.
- Осуществлено производственное опробование литой бетонной смеси для дорожных покрытий с комплексной добавкой путем укладки участка дворовой территории в Хоанг Кау - Ханой - Вьетнам. Уложен участок площадью 9600 м2.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
- Чан Туан Ми, Коровяков В.Ф. Самоуплотняющиеся бетонные смеси для дорожного строительства // Вестник МГСУ №3/2012 - с. 131-137.
- Чан Туан Ми, Коровяков В.Ф., Шукуров И.С. Экологические аспекты жесткой дорожной одежды улиц урбанизированных территорий из монолитного бетона // Экология урбанизированных территорий №1/2012 - с. 36-40.
- Чан Туан Ми, Коровяков В.Ф. Применение самоуплотняющихся бетонных смесей для дорожных покрытий // доклад на конгрессе Cтроительная наука, техника и технологии: перспективы и пути развития, который состоялся 1-3 ноября 2010 года в рамках деловой программы выставки форума Строительный сезон-2010, Москва, МВ - Крокус Экспо.- с. 202-205.
- Чан Туан Ми, Шукуров И.С. Применение самоуплотняющихся бетонных смесей для жесткой дорожной одежды городских улиц // доклад на международном симпозиуме Архитектурная среда: современность, перспективы 3-4 мая 2012 г. Таджикский технический университет им акад.М. Осими и группа КНАУФ СНГ.- с. 181-182 (сборник тезисов).
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям