Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
| Вид материала | Автореферат |
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 468.15kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 740.67kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 390.59kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 632.89kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 453.73kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 492.02kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 331.46kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 325.21kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 330.24kb.
- Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня, 357.34kb.
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
РАІД АБЕД АЛЬКАРІМ ФАЛАХ АЛАРДЖАН
УДК 691.327:666.942
БЕТОН НА ОСНОВІ МОДИФІКОВАНИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ ЦЕМЕНТІВ ДЛЯ УМОВ СУХОГО ЖАРКОГО КЛІМАТУ
05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ЛЬВІВ–2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі “Автомобільні шляхи” Інституту будівництва та інженерії довкілля Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент
Солодкий Сергій Йосифович,
Національний університет “Львівська політехніка”,
доцент кафедри “Автомобільні шляхи”
Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор Рунова Раїса Федорівна, Київський національний університет будівництва та архітектури, професор кафедри технології будівельних конструкцій і виробів
– кандидат технічних наук Івасів Ігор Степанович, директор Львівського державного науково-проектного інституту ”ЛьвівбудНДІпроект”
Захист відбудеться “ 8 ” лютого 2008 р. о 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.17 у Національному університеті ”Львівська політехніка” за адресою:
79013, м.Львів-13, вул. С. Бандери, 12, головний корпус, ауд. 226.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” за адресою:
79013, м.Львів-13, вул. Професорська,1.
Автореферат розісланий “ 28 ” грудня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доцент Холод П.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Значна увага дослідників в галузі технології бетону приділяється пошуку нових рішень, що сприяють підвищенню ефективності ведення бетонних робіт в умовах сухого жаркого клімату. Природні кліматичні умови в таких регіонах характеризуються низькою відносною вологістю (15-20 %) при високих температурах, які сягають в літній період +40°С і більше. Це призводить до збільшення водопотреби бетонної суміші, втрати її рухливості, інтенсивного обезводнення свіжовкладеного бетону і значній усадці тверднучого бетону.
Узагальнення результатів низки досліджень дозволяє зробити висновок, що одним із найбільш радикальних шляхів підвищення ефективності бетонних робіт у сухих жарких умовах є використання цементів з пониженою екзотермією та швидким набором міцності.
Наукові дослідження та техніко-економічні прогнози на найближчі десятиліття свідчать про тенденцію подальшого збільшення випуску малоенергомісних композиційних цементів, що досягається за рахунок раціонального проектування компонентного складу, а також їх модифікування комплексними добавками поліфункціональної дії. В зв’язку з цим актуальними з теоретичної і практичної точок зору є дослідження, направлені на створення композиційних в’яжучих речовин з пониженою екзотермією і бетонів на їх основі для зведення монолітних конструкцій в умовах сухого жаркого клімату.
Результати таких досліджень можуть бути використані як в регіонах з переважно жарким кліматом (Йорданія, Сирія, країни Середньої Азії тощо), так і в літній період будівництва в Україні.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України за напрямком «Нові речовини і матеріали» і проектів Державного комітету України з питань науки, техніки і промислової політики № 0198U002399 „Дослідження і розробка лужноактивованих швидкотверднучих і малоенергомістких композиційних цементів з добавками техногенних продуктів промисловості для виготовлення ефективних будівельних матеріалів і виробів.”
Мета і завдання дослідження. Розроблення бетонів на основі композиційних цементів, модифікованих комплексною хімічною добавкою, для влаштування монолітних бетонних конструкцій в умовах сухого жаркого клімату.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
– дослідити вплив комплексних хімічних добавок на реологічні та фізико-механічні властивості композиційних цементів у різних температурних умовах;
– встановити фізико-хімічні особливості процесів гідратації і структуроутворення композиційних цементів з комплексною хімічною добавкою, що вміщує компоненти активізуючої і пластифікуючої дії;
– на основі експериментально-статистичного моделювання визначити вплив рецептурно-технологічних параметрів у межах вибраного факторного простору на показники міцності бетонів;
– методами механіки руйнування визначити параметри тріщиностійкості бетонів в різних температурних умовах;
– розробити рекомендації щодо використання в будівництві важких бетонів на модифікованих композиційних цементах;
– провести практичне випробовування розроблених бетонів при будівництві в умовах високих літніх температур.
Об’єктом дослідження є процеси спрямованого формування структури бетону на основі модифікованих композиційних цементів в умовах сухого жаркого клімату для забезпечення заданих будівельно-технічних властивостей і тріщиностійкості.
Предметом дослідження є бетон для влаштування монолітних бетонних конструкцій в умовах дії високих температур на основі композиційних цементів, отриманих шляхом добору мінеральних компонентів різної природи активності та їх модифікацією комплексною хімічною добавкою.
Методи дослідження. В основу одержаних в дисертаційній роботі наукових результатів покладено методи за чинними нормативними документами для вивчення фізико-механічних властивостей вихідних та отриманих матеріалів; фізико-хімічні методи (рентгено-фазовий, диференціально-термічний, електронна мікроскопія тощо) для вивчення процесів гідратації композиційних цементів і структуроутворення бетонів; методи лінійної механіки руйнування при дослідженні характеристик тріщиностійкості бетонів; методи математичної статистики та планування експерименту при оптимізації складу бетонів.
Наукова новизна одержаних результатів. Теоретично обґрунтована і експериментально доведена можливість отримання в умовах сухого жаркого клімату бетону із заданими будівельно-технічними властивостями і тріщиностійкістю за рахунок використання композиційних цементів з пониженою екзотермією, модифікованих комплексною хімічною добавкою, що вміщує активізатор тверднення і пластифікатор-сповільнювач тужавіння.
1. Обґрунтовано та експериментально підтверджено вибір комплексних хімічних добавок на основі нафталінформальдегідів і натрію сульфату для композиційних цементів різного речовинного складу, що тверднуть в сухих жарких умовах.
- Встановлено особливості процесів гідратації та структуроутворення композиційних цементів у сухих жарких умовах, в яких за рахунок поєднання мінеральних добавок гідравлічної та пуцоланічної дії, а також комплексної модифікації добавкою поліфункціональної дії забезпечується зростання міцності.
- Якісно і кількісно оцінено вплив обраних рецептурно-технологічних параметрів на характеристики міцності бетону на основі аналізу експериментально-статистичних моделей.
- Досліджено вплив речовинного складу цементу і періоду попередньої витримки бетонної суміші за температури +40°С на характеристики тріщиностійкості бетону.
- Визначено міцнісні та деформативні властивості бетонів на основі модифікованих композиційних цементів, призначених для влаштування монолітних шарів дорожнього одягу, а також їх характеристики тріщиностійкості методами лінійної механіки руйнування.
Разом з тим слід відзначити, що одержані результати експериментальних досліджень не заперечують результатам раніше отриманих наукових практичних і теоретичних досліджень.
Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:
- На базі одержаних експериментальних даних запропоновано склади бетонів для монолітних бетонних конструкцій, у тому числі дорожнього призначення, що зводяться в умовах сухого жаркого клімату з ефективним використанням композиційних цементів за рахунок їх модифікування комплексною хімічною добавкою.
- Розроблено рекомендації з використання важких бетонів на модифікованих композиційних цементах при будівництві жорстких дорожніх одягів.
Використання модифікованого композиційного цементу, який отримано в промислових умовах у кількості 60 тонн, забезпечило одержання бетону класів за міцністю на розтяг при згині Btb3,2, на стиск – В20. Здійснено апробацію розробленого бетону об’ємом 200 м3 при будівництві цементобетонної основи конструкції дорожнього одягу на автомобільній дорозі М07 Київ-Ковель км 96+770 – км 97+400 у Житомирській області.
Особистий внесок здобувача полягає в науковому обґрунтуванні та формулюванні мети і завдань дисертаційних досліджень. Постановка завдання та формулювання основних положень і висновків проводилось під керівництвом наукового керівника к.т.н., доцента Солодкого С.Й.
Досліджено вплив різних температурних умов на терміни тужавіння модифікованих композиційних цементів.
Визначено кінетику набору міцності цементного каменю і дрібнозернистого бетону на модифікованих композиційних цементах в різних температурних умовах.
Обгрунтовано вибір факторів впливу в технології бетонів на композиційних цементах в умовах сухого жаркого клімату.
Отримано експериментально-статистичні моделі характеристик міцності бетону.
Досліджено вплив періоду попередньої витримки бетонної суміші за температури +40°С на характеристики тріщиностійкості бетонів.
Досліджено фізико-механічні властивості бетонів дорожнього призначення на основі модифікованих композиційних цементів.
У наукових працях, що опубліковані у співавторстві, здобувачеві належать участь у проведенні експериментальних робіт, оброблення та аналіз одержаних результатів.
Усі узагальнюючі результати та висновки, які виносяться до захисту дисертаційної роботи, одержані автором особисто.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи викладено та обговорено на VII Міжнародній конференції „Дни современного бетона”, Запоріжжя, 2005, на V (м. Рівне, 2006) і VII (м. Київ, 2007) науково-практичних семінарах „Структура, властивості та склад бетону”, на Міжнародному семінарі по моделюванню та оптимізації композитів – МОК’46, (Одеса, 2007) та конференціях професорсько-викладацького складу Національного університету "Львівська політехніка" 2005-2007 рр.
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 7-и роботах, у тому числі 3 статті в наукових журналах і збірниках у виданнях, затверджених ВАК України як фахові, 3 – матеріали і тези доповідей вітчизняних конференцій і семінарів, 1- рекомендації.
Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел і 2 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 141 сторінку, містить 23 таблиці, 31 рисунок, з них 126 сторінок основного тексту. Список використаних джерел складає 129 найменувань на 13 сторінках.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, визначено напрям роботи та коло вирішуваних задач. Перераховані одержані автором основні положення, що мають наукову новизну та практичну цінність. Сформульовано основні положення, які автор виносить на захист.
У першому розділі проведено аналітичний огляд літературних джерел, присвячених проблемі одержання бетонів із заданими властивостями для монолітних бетонних конструкцій в умовах сухого жаркого клімату.
Узагальнення результатів досліджень, виконаних низкою вчених (Ю.М. Баженов, В.Г. Батраков, В.Д. Глуховський, І.М. Грушко, Л.Й. Дворкін, Б.О. Крилов, П.В. Кривенко, С.А. Миронов, Є.М. Малінський, Р.Ф. Рунова, М.А. Саницький, В.О. Ушеров-Маршак та інш.) дозволяє зробити висновок, що одним із найбільш радикальних шляхів підвищення ефективності монолітного бетонування є використання швидкотвернучих цементів. Це досягається як за рахунок мінералогії, так і модифікації цементних композицій комплексними хімічними добавками (КХД) поліфункціональної дії. Проте сучасне монолітне будівництво в умовах жаркого клімату зіштовхується з проблемою збереження легковкладальності бетонних сумішей, яка не вирішується при використанні швидкотверднучих цементів.
Водночас, роботами П.В. Кривенка, К.К. Пушкарьової, Р.Ф. Рунової, Х.С. Соболь, Р.К. Діра, М.І. Маккарті та інших доведена техніко-економічна та екологічна доцільність використання композиційних цементів, що вміщують не менше двох активних мінеральних добавок різної природи активності. Сповільнене і низьке тепловиділення, понижені деформації усадки, покращені довговічність і корозійна стійкість є передумовами для застосування композиційних цементів в умовах дії високих літніх температур. В той же час при їх використанні в монолітному будівництві виникає проблема формування міцності, особливо, в ранній період тверднення.
Роботами Ю.В. Зайцева, Є.О. Гузеєва, К.О. Пірадова, В.М. Вирового, В.І. Шевченка, Л.П. Трапезнікова та інших показана роль тріщиностійкості бетонів для оцінки їх довговічності, що в умовах сухого жаркого клімату набуває особливої актуальності і стає вирішальним.
Аналіз досліджень в галузі технології цементу і бетону, а також відомих закономірностей синтезу штучного каменю із заданими властивостями дозволив висунути гіпотезу про можливість отримання бетону із заданими будівельно-технічними властивостями в умовах сухого жаркого клімату шляхом використання композиційних цементів з пониженою екзотермією, модифікованих комплексною хімічною добавкою, що вміщує активатор тверднення і пластифікатор-сповільнювач тужавіння. Композиційні цементи, до складу яких входять мінеральні добавки гідравлічної і пуцоланічної активності, в поєднанні з КХД поліфункціональної дії дозволяють отримати бетони з покращеними будівельно-технічними властивостями за рахунок направленого формування та адсорбційного модифікування продуктів гідратації цементного каменю. Поліфункціональні добавки забезпечують сульфатно-лужну активацію мінеральних компонентів цементу, зростання рухливості та збереження життєздатності бетонної суміші в сухих жарких умовах, що в цілому сприятиме підвищенню ефективності монолітного бетонування.
У другому розділі наведено характеристики матеріалів для приготування композиційних цементів і бетонних сумішей, описано основні методи фізико-механічних випробувань і фізико-хімічного аналізу. Проведення досліджень міцності бетонів та обробку даних виконували із застосуванням методів математичного планування експерименту.
При приготуванні бетонних сумішей використовували два види композиційного цементу V типу і портландцемент I типу згідно з ДСТУ Б В.2.7-46-96. Бездобавочний портландцемент прийнято як еталон при проведенні порівняльних випробувань бетонів. Цементи отримували шляхом сумісного помелу компонентів в заданих пропорціях у кульовому млині до питомої поверхні 400 м2/кг.
Композиційний цемент готували на основі наступних компонентів: №1 (КЦV/А-300) – “портландцементний клінкер (50% мас.) – доменний гранульований шлак (15% мас.) – перліт (35% мас.)”, №2 (КЦV/А-400) – “портландцементний клінкер (64%мас.) – доменний гранульований шлак (20%мас.) – зола-виносу ТЕС (16% мас.). Як активізатор взаємодії у в’яжучих системах використовували натрію сульфат, як пластифікатори–сповільнювачі тужавіння – добавки нафталінформальдегідів
Вивчення фазового складу продуктів гідратації та властивостей композиційних цементів здійснювали за допомогою комплексу сучасних фізико-хімічних методів аналізу: рентгенівської дифрактометрії, растрової електронної мікроскопії, інфрачервоної спектроскопії, диференційної термографії.
Фізико-механічні властивості бетонів визначали згідно з вимогами чинних нормативних документів. Характеристики тріщиностійкості бетонів досліджували за критеріями лінійної механіки руйнування при рівноважних механічних випробуваннях із записом і комп’ютерною обробкою повної діаграми «навантаження – переміщення» у відповідності до рекомендацій ГОСТ 29167 на установці, створеній на кафедрі „Автомобільні шляхи” Національного університету „Львівська політехніка”.
У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень по виявленню впливу КХД на реологічні та фізико-механічні властивості композиційних цементів в різних температурних умовах, розглянуто особливості процесів їх гідратації.
Показано (рис.1), що в сухих жарких умовах терміни тужавіння композиційних цементів скорочуються в 2,0-2,5 рази. Так, за температури +40°С композиційний цемент КЦ V/А-400 (№2) з додатком сульфату натрію (4% мас.) схоплюється за 57 хвилин, а при його модифікації КХД – за 1год 50 хв. Для композиційного цементу КЦ V/А-300 (№1) початок тужавіння дорівнює відповідно 1 год 27 хв і 2 год 17 хв. Отже, модифікація композиційних цементів КХД дозволяє знизити водопотребу на 8-10% і виконати вимогу щодо термінів тужавіння при веденні робіт в умовах високих літніх температур.
Результати випробувань реологічних властивостей розчинових сумішей і фізико-механічних характеристик цементного каменю та дрібнозернистого бетону показали, що модифікація цементів КХД дозволяє покращити технологічні властивості розчинових сумішей, підвищити їх міцність на 3,2-4,0 МПа у ранньому віці (3 доби) при твердненні за температури +40°С, знизити водоцементне відношення з 0,47 до 0,40 при збереженні розпливу конуса цементнопіщаного розчину в межах 108-110 мм.
а
б
Рис. 1. Вплив різних температурних умов на терміни тужавіння композиційних цементів: а– КЦV/А-400 (№2); б – КЦV/А-300 (№1)
Отримані результати пояснені фізико-хімічними дослідженнями цементних систем. Методами рентгенофазового і диференціально-термічного аналізів встановлено, що первинними гідратними фазами композиційних цементів є етрингіт і гідроксид кальцію. Для модифікованого цементного каменю, що тверднув за підвищених температур (+40°С), у ранньому віці спостерігається наявність додаткової кількості низькоосновних гідросилікатів кальцію типу CSH (B) і підвищеної кількості AFt –фаз.
З часом тверднення (28 діб) в сухих жарких умовах спостерігаються лінії гідроксиду кальцію меншої інтенсивності, процеси гідратації і тверднення в присутності КХД проходять більш інтенсивно (ступінь гідратації становить 35-45%). Ендоефекти на кривих ДТА цементів, гідратованих за температури +40°С у віці 28 діб відповідають розкладу гідросульфоалюмінату кальцію (150°С), гідроксиду (520°С) та гідрокарбоалюмінату кальцію (750°С) і карбонату кальцію (840-850°С).
Методом растрової електронної мікроскопії показано, що мікроструктура цементного каменю на основі модифікованих композиційних цементів у жарких умовах тверднення характеризується значною кількістю гідратних утворень у вигляді дрібних лускоподібних або голчастих кристалів, які заповнюють поровий простір і ущільнюють цементний камінь. Кількість капілярних пор з віком тверднення зменшується, що сприяє підвищенню міцності цементного каменю, відбувається зміна розподілу пор на користь гелевих, що позитивно впливає на експлуатаційні властивості бетону.
У четвертому розділі обгрунтовано вибір факторів впливу в технології бетону в умовах сухого жаркого клімату, а саме: тривалість періоду витримки бетонної суміші перед формуванням за температури +40°С, речовинний склад і вміст композиційного цементу, витрата комплексної хімічної добавки, що вміщує нафталінформальдегід і натрію сульфат. Як критерії оптимізації прийнято границі міцності бетону нормального тверднення на стиск і розтяг при згині у віці 90 діб.
Отримані експериментально-статистичні моделі дозволяють кількісно і якісно оцінити вплив рецептурно-технологічних факторів на характеристики міцності бетонів. Найбільш значущим фактором впливу на міцність бетону виявився вміст композиційного цементу (рис. 2).
| а) |  | б) |  |
Рис. 2 Поверхні відгуку характеристик міцності бетону на КЦ V/А-300 (№1):
а– на розтяг при згині, б– на стиск
Так, зміна вмісту цементу в інтервалі 275÷425 кг/м3 при фіксації значень інших факторів на середньому рівні дає можливість отримати бетони з діапазоном міцності на стиск 22...35 МПа для КЦ V/А-300 і 25...40 МПа – для КЦ V/А-400. Відповідні діапазони для міцності на розтяг при згині становлять: 5,7...8,7 МПа – для КЦ V/А-300 і 5,9...9,0 МПа – для КЦ V/А-400. Залежність залишається практично однаковою для обох композиційних цементів.
Витрата КХД суттєво впливає на характеристики міцності бетонів (рис. 3 ). У вибраному факторному просторі залежності характеристик міцності від витрати КХД є квадратичними у вигляді парабол з опущеними вітками. Вершини парабол суміщені в інтервал середніх значень фактору. Кривизна спадаючої вітки параболи є більш виразною для показника міцності на згин (рис.3,а) і для бетону на основі КЦ V/А-400 (рис.3). Збільшення вмісту КХД від 5 до 6,2 мас. %, за якого спостерігається максимальне значення міцності на розтяг при згині, спричиняє зростання міцності на 10-12%. З огляду на це, доцільно обмежити вміст КХД на рівні 5%, що задовольнить умові отримання високих значень міцності на розтяг при згині і дозволить максимально знизити ризики висолоутворення.
| а) |  | б) |  |
Рис. 3 Поверхні відгуку характеристик міцності бетону на КЦ V/А-400 (№2):
а – на розтяг при згині, б – на стиск
Вплив періоду витримки бетонної суміші за температури +40°С є незначним для більшості точок факторного простору (рис. 3). Збільшення періоду витримки від 0 до 90 хв. спричиняє невелике падіння значень міцності за залежністю, близькою до лінійної. Так, для бетону на КЦ V/А-300 спостерігається падіння міцності на розтяг при згині на 8%, міцності на стиск – на 14%. Для бетону на КЦ V/А-400 відповідне зниження показників міцності становить 5 і 14%. Це свідчить про ефективне гальмування початку тужавіння та процесів гідратації цементу КХД протягом 90 хв. за температури +40°С і незначний негативний вплив періоду попередньої витримки бетонної суміші на раннє структуроутворення бетону за рахунок модифікації в’яжучої системи.
Модифіковані цементи запропонованих складів апробовані в системі бетонів дорожнього призначення, а саме: цементогрунтів (Ц:П=1:8), дрібнозернистих бетонів (Ц:П=1:3), крупнозернистих важких бетонів (Ц:П:Щ:В=1:1,91:3,67:0,43; Ц=350 кг/м3). За показником міцності на стиск бетони на модифікованих КЦ поступаються бетону на бездобавочному ПЦ, проте за ключовим для дорожніх бетонів показником міцності на розтяг при згині мають приблизно рівні значення у випадку застосування КЦ V/А-300 і набувають переваги при застосуванні КЦ V/А-400 (табл.1). Значення модуля пружності при згині практичного не залежать від типу цементу. Граничні деформації усадки бетонів, що тверднули в кліматичній камері за температури +40°С збільшились в 1,55 рази для КЦ V/А-300, в 1,59 рази – для КЦ V/А-400 і в 1,78 рази – для ПЦ I-400 порівняно з нормальними умовами. Водночас, граничні деформації портландцементного бетону на 38% більші, ніж для бетону на КЦ V/А-300 і на 30% більші порівняно з бетоном на КЦ V/А-400.
Таблиця 1
Фізико-механічні характеристики важких крупнозернистих бетонів
-
№
з/п
Тип
цементу
Міцність на стиск, МПа
Міцність на розтяг при згині, МПа
Модуль пружності при згині,
Еbх103 МПа
Деформації
усадки, εух10–5
в норм. умовах
за темп.+40°С
1
КЦ V/А-300 (№1)
32,8
7,3
27,50
29/45
2
КЦ V/А-400 (№2)
34,7
8,2
28,90
32/51
3
ПЦ I-400
36,4
8,0
28,49
41/73
Аналіз кінетики зміни показника легковкладальності бетонних сумішей в часі на модифікованих композиційних цементах і портландцементі свідчить, що прийнятні для монолітного бетонування реологічні характеристики бетонної суміші (ОК=1-2 см) при її витримці протягом 60 хв за температури +40°С може забезпечити застосування тільки модифікованих композиційних цементів.
Таким чином, аналіз фізико-механічних характеристик бетонів і показника легковкладальності бетонних сумішей свідчить, що в умовах сухого жаркого клімату переваги набувають модифіковані композиційні цементи.
Як визначальний фактор довговічності, досліджено тріщиностійкість бетонів методами лінійної механіки руйнування. Повністю рівноважні діаграми деформування (ПРДД) бетонів на цементах різних типів (рис. 4) дозволяють розрахувати комплекс силових та енергетичних характеристик тріщиностійкості (табл. 2).
Рис. 4 Повністю рівноважні діаграми деформування бетонів складу Ц:П:Щ:В=1:1,91:3,67:0,43 на: 1- КЦ V/А-300, 2 - КЦ V/А-400, 3 - ПЦ I-400
Таблиця 2
Силові та енергетичні характеристики тріщиностійкості бетонів
| Тип цементу | Wm, 10-2 Н.м | Wе, 10-2 Н.м | Wl, 10-2 Н.м | Wce, 10-2 Н.м | Gi, Дж/м2 | GF, Дж/м2 | Gce, Дж/м2 | Ji, Дж/м2 | Ki, МПа.м1/2 | Kс, МПа. м1/2 |
| | цементні матриці | |||||||||
| КЦV/А-300 | 3,3 | 4,6 | 29,3 | 5,1 | 13,1 | 56,6 | 8,5 | 7,9 | 0,25 | 0,20 |
| КЦV/А-400 | 1,2 | 6,2 | 13,0 | 4,9 | 12,2 | 32,0 | 8,1 | 6,7 | 0,34 | 0,28 |
| ПЦ I-400 | 2,9 | 4,0 | 18,0 | 3,6 | 11,5 | 36,7 | 6,0 | 6,9 | 0,22 | 0,16 |
| | цементогрунти | |||||||||
| КЦV/А-300 | 0,3 | 2,2 | 5,2 | 1,0 | 4,2 | 12,4 | 1,6 | 2,7 | 0,10 | 0,06 |
| КЦV/А-400 | 0,8 | 2,6 | 6,4 | 1,5 | 5,6 | 14,8 | 2,5 | 3,8 | 0,12 | 0,08 |
| ПЦ I-400 | 0,3 | 2,1 | 4,9 | 0,8 | 3,2 | 11,7 | 1,3 | 2,5 | 0,09 | 0,06 |
| | дрібнозернисті бетони | |||||||||
| КЦV/А-300 | 5,5 | 9,1 | 64,3 | 16,3 | 24,3 | 122,2 | 21,2 | 14,4 | 0,42 | 0,39 |
| КЦV/А-400 | 5,7 | 11,1 | 61,2 | 11,5 | 28,0 | 120,5 | 19,2 | 16,4 | 0,51 | 0,42 |
| ПЦ I-400 | 7,9 | 13,1 | 41,8 | 9,8 | 34,8 | 91,4 | 16,3 | 20,6 | 0,51 | 0,35 |
| | крупнонозернисті бетони | |||||||||
| КЦV/А-300 | 11,4 | 23,1 | 102,6 | 20,7 | 57,5 | 209,5 | 34,4 | 33,1 | 0,73 | 0,56 |
| КЦV/А-400 | 7,3 | 26,8 | 88,0 | 22,6 | 56,8 | 191,3 | 37,6 | 30,9 | 0,77 | 0,63 |
| ПЦ I-400 | 9,1 | 26,0 | 108,3 | 23,4 | 58,55 | 223,9 | 39,1 | 32,8 | 0,78 | 0,64 |
На рівні мікроструктури бетонів за значеннями силових та енергетичних характеристик тріщиностійкості забезпечується перевага модифікованих композиційних цементів.
В цементно-піщаних розчинах виявлена краща „робота” матеріалів (цементогрунти, дрібнозернисті бетони) на композиційних цементах на стадії розповсюдження магістральної тріщини за рахунок позитивної ролі контактних зон цементної матриці та дрібного заповнювача. В’язкість руйнування на рівні мезоструктури практично не залежить від речовинного складу цементу. Наявність крупного заповнювача нівелює принципові відмінності у деформуванні і руйнуванні бетонів на різних цементах порівняно з матрицями, що дає можливість застосовувати однакові розрахункові харатеристики при проектуванні бетонних конструкцій на бездобавочному портландцементі і композиційних цементах.
Для бетонів на КЦV/А-300 витримка бетонної суміші перед формуванням за температури +40°С, практично, не вплинула на значення критичних коефіцієнтів інтенсивності напружень. Водночас, площа діаграми в закритичній стадії деформування, а отже і енерговитрати на локальне статичне деформування в зоні магістральної тріщини зросли в 1,44 рази. Питомі ефективні енерговитрати на статичне руйнування, що характеризують енергетичний потенціал опору руйнуванню поперечного перерізу, зросли в 1,38 рази. Отже, температурний вплив на бетонну суміш на композиційному цементі із вмістом перліту і пониженим вмістом клінкеру (50%) протягом 60 хв суттєво збільшує енергетичні характеристики тріщиностійкості і, практично, не впливає на показник в’язкості руйнування.
Для бетонів на КЦV/А-400 температурний вплив на бетонну суміш спричиняє зростання значення статичного критичного коефіцієнту інтенсивності напружень і падіння показника критичного коефіцієнту інтенсивності напружень. Це свідчить про те, що позитивна роль температурного впливу проявляється тільки в докритичній стадії деформування бетонів.
Таким чином, сумісний аналіз ПРДД, показників міцності на стиск і характеристик тріщиностійкості бетонів на композиційних цементах, модифікованих КХД, дозволяє виключити негативну роль попереднього розігрівання бетонної суміші за рахунок кліматичного фактору при умові унеможливлення втрат води, розглядаючи її як активізацію процесів структуроутворення по аналогії з використанням „гарячого” бетону в традиційній технології бетонних і залізобетонних виробів. Це пов’язано з активізацією дії КХД, що обумовлює відмінності у мікроструктурі бетону і характері взаємодії цементної матриці із заповнювачами.
У п’ятому розділі представлено результати дослідно-промислового випуску та апробації розроблених бетонів на модифікованому композиційному цементі в умовах дії високих літніх температур. У 2007 році випущено 60 т композиційного цементу з використанням перліту КЦ-V/А-300, собівартість якого порівняно з ПЦ-I нижча на 75,4 грн/т. Використання модифікованого композиційного цементу забезпечило одержання бетону класу міцності на розтяг при згині Btb 3,2, на стиск – В 20, що відповідає вимогам ДБН В 2.3-4-200 „Автомобільні дороги” до бетону основ жорстких дорожніх одягів, і необхідного показника легковкладальності бетонної суміші (Р1). Здійснено апробацію розроблених бетонів при будівництві цементобетонної основи на автомобільних дорогах М07 Київ-Ковель км 96+770 – км 97+400 у Житомирській області об’ємом 200 м3 при температурі повітря 28...33°С. Економічний ефект від впровадження бетону на модифікованому композиційному цементі становить 26,39 грн на 1 м3. За рахунок ефективних заходів догляду бетон характеризується значним приростом міцності через 90 діб, бетонна основа має суцільну, замкнену, гладку поверхню, усадочні тріщини на поверхні відсутні.
Розроблено «Рекомендації з використання бетонів на модифікованих цементах під час будівництва жорстких дорожніх одягів» (Видавництво НУ „Львівська політехніка”, 2006. – 16 с.), описано технологію монолітного бетонування конструктивних шарів дорожнього одягу. Особливу увагу приділено проблемі догляду за свіжовкладеним бетоном. За умови запобігання випаровуванню води з поверхні бетонної плити високі літні температури сприяють прискореному формуванню міцності бетону на модифікованих композиційних цементах.
ВИСНОВКИ
1. Теоретично обґрунтована та експериментально доведена можливість отримання в умовах сухого жаркого клімату бетону із заданими будівельно-технічними властивостями і тріщиностійкістю за рахунок використання композиційних цементів з пониженими тепловиділенням і деформаціями усадки, модифікованих комплексною хімічною добавкою, що вміщує активізатор тверднення і пластифікатор-сповільнювач тужавіння;
2. Встановлено, що композиційні цементи з додатками нафталін формальдегідів (0,5-1,0 мас. %) і сульфату натрію (4,0 мас. %) характеризуються регульованими термінами тужавіння. Показано, що в сухих жарких умовах терміни тужавіння композиційних цементів скорочуються в 2,5 рази при використанні в їх складі перліту і в 2,0 рази – золи-виносу, проте модифікація цементів комплексними хімічними добавками дозволяє виконати вимоги щодо термінів тужавіння цементів при веденні бетонних робіт при високих літніх температурах.
3. Досліджено фізико-механічні властивості цементного каменю та дрібнозернистого бетону на модифікованих композиційних цементах КЦV/А-300 і КЦV/А-400 в різних умовах тверднення та показано, що шляхом введення комплексної хімічної добавки створюється можливість для водоредукції, активації мінеральних компонентів цементу, прискорення набору міцності композиційних цементів при підвищеній температурі за умови запобігання втратам води з поверхні бетону.
4. Методами фізико-хімічного аналізу встановлено, що композиційні цементи в сухих жарких умовах характеризуються формуванням щільної мікроструктури цементного каменю за рахунок пониженого значення В/Ц і модифікуючої дії комплексної хімічної добавки. При цьому, через 28 діб тверднення в умовах підвищених температур (+40°С) ступінь гідратації цементів підвищується на 6-8%. Підсилення сульфатно-лужної активації мінеральних компонентів цементів у присутності комплексної хімічної добавки сприяє утворенню низькоосновних гідросилікатів кальцію в неклінкерній частині цементного каменю, що є додатковим резервом зростання міцності.
5. Зміна вмісту цементу в інтервалі 275÷425 кг/м3 дає можливість отримати бетони класів за міцністю на стиск В15-В25 при використанні КЦ V/А-300 і В20-В30 – КЦ V/А-400 і класів міцності на розтяг при згині до Вbtb 6,0. Вміст КХД доцільно обмежити на рівні 5%, що задовольняє умові отримання високих значень характеристик міцності і дозволяє максимально знизити ризики висолоутворення. Вплив періоду витримки бетонної суміші за температури +40°С на показники міцності бетону є незначним для більшості точок факторного простору, що свідчить про ефективне гальмування початку тужавіння та процесів гідратації цементу комплексною хімічною добавкою протягом 90 хв за підвищеної температури довкілля.
6. За значенням фізико-механічних характеристик бетони дорожнього призначення на модифікованих композиційних цементах не поступаються бетону на бездобавочному портландцементі ПЦ I-400. Прийнятні для монолітного бетонування реологічні характеристики бетонної суміші (Р1) при її витримці протягом 60 хв за температури +40°С забезпечує застосування тільки модифікованих композиційних цементів КЦV/А-300 і КЦV/А-400.
7. Показано, що на рівні мікроструктури бетонів забезпечується перевага модифікованих композиційних цементів за значеннями силових та енергетичних характеристик тріщиностійкості. Виявлено кращу „роботу” цементогрунтів і дрібнозернистих бетонів на композиційних цементах на стадії розповсюдження магістральної тріщини за рахунок позитивної ролі контактних зон цементної матриці та дрібного заповнювача. В’язкість руйнування на рівні мезоструктури практично не залежить від речовинного складу цементу.
8. Встановлено, що наявність крупного заповнювача нівелює принципові відмінності у деформуванні і руйнуванні бетонів на цементах різних типів порівняно з матрицями і цементно-піщаними розчинами. В’язкість руйнування в докритичній стадії деформування становить 0,73 – для бетону на КЦ V/А-300, 0,77– на КЦ V/А-400, 0,78 МПа.м1/2 – на ПЦ I-400, відповідні значення в’язкості руйнування з урахуванням закритичної стадії дорівнюють – 0,56; 0,63; 0,64 МПа.м1/2.
9. Застосування модифікованих композиційних цементів у бетонних сумішах, що піддаються витримці протягом однієї години перед формуванням за температури +40°С, дозволило зберегти їх легковкладальність на прийнятному рівні (Р1), підвищити міцність затверділого бетону на стиск на 20% та енергетичні характеристики тріщиностійкості на 21-38%.
10. Випуском дослідної партії композиційного цементу підтверджено ефективність бетонів на їх основі: одержано бетон класів міцності на розтяг при згині Btb3,2, на стиск – В20, що задовольняє вимогам чинних нормативних документів до бетону для влаштування основ жорстких дорожніх одягів на дорогах всіх категорій. Розроблені бетони об’ємом 200 м3 використано при будівництві цементобетонної основи в умовах дії високих літніх температур на автомобільній дорозі М07 Київ-Ковель км 96+770 – км 07+400 у Житомирській області. Економічний ефект від впровадження композиційних цементів становить 26,4 грн на 1м3 бетону.
Основні положення дисертації викладено у працях:
1.Солодкий С.Й., Шевчук. Г.Я., Аларджан Р.А. Эффективность работы добавок системы «Релаксол» с композиционными вяжущими // Сборник докладов и тезисов VII Международной конференции „Дни современного бетона”. - Запорожье, 2005. – С. 151-156.
2. Солодкий С.Й., Шевчук.Г.Я., Аларджан Р.А. Вплив додатків полі- функціональної дії на властивості композиційних в’яжучих і бетонів на їх основі //Вісник НУ “Львівська політехніка” “Теорія і практика будівництва”.– № 545.– Львів, 2005.– С.173-177.
3. Солодкий С.Й., Шевчук.Г.Я., Аларджан Р.А. Структуроутворення композиційних цементів з комплексними хімічними додатками в нормальних умовах і при підвищених температурах // Вісник НУ водного господарства та природокористування. - Випуск 4 (36).- ч.1. – Рівне, 2006. – С.213-220.
4. Солодкий С.Й., Гайванович Р.В., Аларджан Р.А Вплив компонентного складу цементу на характеристики тріщиностійкості бетонів // Материалы к 46-му Международному семинару по моделированию и оптимизации композитов – МОК’46. – Одесса., 2007. – С. 178.
5. Солодкий С.Й., Аларджан Р.А Закономірності впливу попередньої витримки бетонної суміші на тріщиностійкість бетонів // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Теорія і практика будівництва”.– № 600.– Львів, 2007.– С. 289-292. .
6. Аларджан Р.А. Одержання бетонів із заданими властивостями на композиційних цементах в умовах сухого гарячого клімату // Матеріали VI науково-практичного семінару „Структура, властивості та склад бетону”. – Київ, 2007. – С.25-29.
7. Рекомендації з використання бетонів на модифікованих цементах під час будівництва жорстких дорожніх одягів / Укл.: С.Й. Солодкий, Р.М. Русин, Р.А.Ф. Аларджан. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2006. – 16 с.
АНОТАЦІЯ
Р.А.Ф. Аларджан Бетон на основі модифікованих композиційних цементів для умов сухого жаркого клімату. – Рукопис.
Рукопис дисертації подано на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Національний університет „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, Львів, 2008.
В дисертаційній роботі наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень, які присвячені розробці бетону для монолітного будівництва в умовах сухого жаркого клімату, ефективність якого визначається використанням композиційних цементів V типу із пониженими тепловиділенням і деформаціями усадки, підвищеними рухливістю, корозійною стійкістю і довговічністю. Для прискорення формування міцності в ранній період тверднення використано модифікацію цементів комплексним хімічним додатком, що вміщує активізатор тверднення і пластифікатор-сповільнювач тужавіння. Вивчено реологічні і фізико-механічні властивості модифікованих цементів і бетонів на їх основі, що тверднули в різних температурних умовах. Методами механіки руйнування досліджено тріщиностійкість бетонів дорожнього призначення. В промислових умовах випущена дослідно-промислова партія композиційного цементу і на його основі отримано бетон, який використано при влаштуванні монолітного шару дорожнього одягу в умовах дії високих літніх температур. Визначена техніко-економічна доцільність розробки та економічний ефект від впровадження розробленого бетону.
Ключові слова: композиційний цемент, модифікація, бетон, сухий жаркий клімат, монолітне будівництво, дорожній одяг.
АННОТАЦИЯ
Р.А.Ф. Аларджан Бетон на основе модифицированных композиционных цементов для условий сухого жаркого климата. – Рукопись.
Рукопись диссертации представлена на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Национальный университет «Львовская политехника» Министерства образования и науки Украины, Львов, 2008.
Защищается диссертационная работа, содержащая теоретическое и экспериментальное обоснование возможности получения бетона для монолитного строительства в условиях сухого жаркого климата за счет использования модифицированных композиционных цементов. Модификация композиционных цементов осуществляется комплексной химической добавкой, содержащей ускоритель твердения и пластификатор – замедлитель схватывания.
Изучены особенности процессов гидратации и структурообразования композиционных цементов в сухих жарких условиях, в которых за счет объединения минеральных добавок гидравлической и пуццоланической активности, а также комплексной модификации добавкой полифункционального действия обеспечивается увеличение прочности.
Методами физико-химического анализа установлено, что композиционные цементы в сухих жарких условиях характеризуются формированием плотной микроструктуры цементного камня за счет пониженного значения В/Ц и модифицирующего действия комплексной химической добавки. Через 28 суток твердения в условиях повышенных температур (+40°С) степень гидратации цементов повышается на 6-8%. Усиление сульфатно-щелочной активации минеральных компонентов цементов в присутствии комплексной химической добавки обуславливает образование низкоосновных гидросиликатов кальция, что является дополнительным резервом увеличения прочности.
На основе анализа экспериментально-статистических моделей качественно и количественно оценено влияние рецептурно-технологических факторов на показатели прочности бетона, а именно: компонентного состава и расхода композиционного цемента, содержания комплексной химической добавки, времени предварительной выдержки бетонной смеси при температуре +40°С. Определены физико-механические свойства бетонов дорожного назначения на композиционных и бездобавочном портландцементах. Методами линейной механики разрушения определены силовые и энергетические характеристики бетонов, изучено влияние предварительной выдержки бетонной смеси при повышенных температурах на характеристики прочности и трещиностойкости бетона.
В промышленных условиях выпущена опытная партия композиционного цемента и на его основе получен бетон, который использовали при устройстве монолитного слоя дорожной одежды в условиях действия высоких летних температур. Определена технико-экономическая целесообразность разработки, а также экономический эффект от внедрения разработанного бетона.
Ключевые слова: композиционный цемент, модификация, бетон, сухой жаркий климат, монолитное строительство, дорожная одежда.
ABSTRACT
R.A.F. Alarjan Concrete on modified composite cements in the conditions of dry hot climate. – Manuscript.
Dissertation research for obtaining a scientific degree of candidate of technical sciences in specialty 05.23.05 – building materials and articles. – National University «Lvivska Polytechnica», Lviv, 2008.
There is on the defensive dissertation work containing the theoretical and experimental ground of possibility of receipt of concrete for monolithic building in the conditions of dry hot climate due to the use of modified composite cements. Modification of composite cements carried out by complex chemical addition containing accelerating of hardening and plasticizer–inhibitor of grasping cement.
Key words: composite cement, modification, concrete, dry hot climate, monolithic construction, road pavement.