Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Влияние минеральных сырьевых добавок на механические и электрические свойства бетонов. Цель и задачи исследований, (литературный обзор) 12
1.1 Влияние минеральных добавок на механические и электрические свойства бетонов 19
1.2 Распределение параметров механических и электрических характеристик в бетонных диэлектриках в зависимости от их составов и свойств 22
1.3 Характеристики минеральных добавок для бетонов 26
1.4 Влияние добавок щелочных металлов на физико-технические свойства бетонов 30
1.4.1 Влияние температуры на свойства бетонов 32
1.4.2 Электропроводность бетонных диэлектриков 35
1.5 Теоретические положения пробоя бетонных диэлектриков 37
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Методика исследований механических и электрических свойств бетонов 41
2.1 Методика исследования механических свойств бетонов 41
2.2 Методика определения электропроводности твердых бетонных диэлектриков 44
2.3 Методика определения диэлектрической проницаемости и tg 5 бетонных диэлектриков при частоте 50 Гц 44
2.4 Методика определения диэлектрической проницаемости є и диэлектрических потерь tg 8 в диапазоне частот 103-Ч 0s Гц 45
2.5 Методика определения электрических сопротивлений бетонных диэлектриков при постоянном напряжении 46
2.6 Методика определения электрической прочности бетонных диэлектриков при переменном (частота 50 Гц) и постоянном напряжении 47
Выводы по главе 2 48
Глава 3. Исследования механических свойств бетонов 49
3.1 Составы, свойства и характеристики материалов для получения бетонных диэлектриков 49
3.2 Выбор вяжущих и их характеристики для исследуемых бетонных диэлектриков 51
3.3 Механические свойства бетонов 55
3.4 Влияние минеральных добавок на прочностные свойства бетонов и формирование структуры 61
Выводы по главе 3 69
Глава 4. Исследование электрических свойств бетонов 70
4.1 Теоретические положения построения физико-математической модели бетонных диэлектриков 70
4.2 Влияние контракционного эффекта на электрические свойства бетона ' 81
4.3 Экспериментальные исследования электропроводности бетонов 85
4.4 Влияние составов и видов бетонов на их электрические свойства 90
4.5 Электрические свойства цементного камня бетона 93
Выводы по главе 4 100
Глава 5. Экспериментальные результаты пробоя бетонных диэлектриков 101
5.1 Тепловой пробой бетонных диэлектриков 101
5.2 Влияние времени при тепловом пробое бетонов 102
5.2.1 Сравнение теоретических и экспериментальных данных теплового пробоя бетонных диэлектриков 104
5.3 Частотная зависимость электрической прочности диэлектриков при электрической форме пробоя 106
5.4 Экспериментальные исследования механических и электрических свойств бетонных диэлектриков с применением распределения Вейбулла 109
5.5 Экспериментальные результаты пробоя бетонных диэлектриков 119
5.6 Результаты регрессионного анализа экспериментальных исследований механических и электрических свойств бетонных диэлектриков на основе композиционного вяжущего 124
5.7 Электрический пробой бетонных диэлектриков 143
Выводы по главе 5 145
Общие выводы 148
Список литературы 150
Приложения 168
- Влияние минеральных добавок на механические и электрические свойства бетонов
- Методика исследования механических свойств бетонов
- Составы, свойства и характеристики материалов для получения бетонных диэлектриков
- Теоретические положения построения физико-математической модели бетонных диэлектриков
- Тепловой пробой бетонных диэлектриков
Введение к работе
Современное строительство направлено на повышение эффективности производства, снижения стоимости и трудоемкости работ, экономного использования материальных и энергетических ресурсов, а также применения новых композиционных материалов с использованием отходов топливно-энергетических комплексов и природных минеральных добавок. Одним из перспективных конструкционных материалов является бетон, благодаря которому осуществляется большой объем строительно-монтажных работ. Бетоны имеют в своей структуре неиндифферентные к внешней среде компоненты: клинкерные, шлаковые, зольные, которые являются резервными источниками гидратационного структурообразования и поддерживающие физико-технические свойства в различных средах. За рубежом в строительстве при изготовлении бетонов используют золошлаковые отходы (ЗШО) до 85 % от их выхода, в России - всего лишь 7^9 %. Для решения проблемы использования золошлаковых отходов ТЭК при изготовлении бетонов необходим комплексный подход: создание бетонов (составов, структуры) на основе ЗШО ТЭС и промпредприятий, используемых в качестве заполнителей и части вяжущего вещества; создание мелкозернистых бетонов на основе вяжущего низкой водопотребности (ВНВ) с использованием высококальциевых ЗШО ТЭС; комплексная переработка ЗШО, что снизит потребление природных ресурсов (щебеня, гравия, песка) и керамзита в качестве заполнителей в бетоны.
Требования предъявляемые к конструкционным бетонам в качестве диэлектрических материалов
Бетон представляет собой композиционный материал, получаемый в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего, заполнителя, воды и добавок, взятых в определенных пропорциях.
В качестве вяжущего вещества используют портландцемент, полимерцемент и жидкое стекло. Заполнителями для бетонов являются природные каменные и искусственные материалы. Заполнители и минеральные добавки уменьшают деформации бетона при твердении и снижают расход цемента до 25 %, что снижает стоимость. Цемент и вода являются активными составляющими бетона, в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителя в единый монолит. На физико-технические свойства бетона влияет зерновой состав, прочность и чистота заполнителей. Природный песок характеризуют модулем крупности и полным остатком на сите № 063 (процент по массе). Расчет подбора состава бетона производят по методу абсолютных объемов, далее переходят к весовым значениям путем умножения числовых значений абсолютных объемов каждого компонента на числовые значения их плотности. Бетонам можно задавать определенные наперед заданные прочностные, деформативные и физические свойства.
Актуальность темы:
Бетоны по изменению своих физико-механических и электрических характеристик являются наиболее стойкими твердыми неорганическими диэлектриками. Бетоны стойки к воздействию внешних силовых факторов, повышенных температур (до 170С) и низких (до -60С). Сочетание свойств неорганической изоляции при воздействии электрического напряжения свыше 1 кВ позволяет рекомендовать тяжёлые бетоны и на их основе изделия для строительства объектов электроэнергетики.
Твердые неорганические диэлектрики - бетоны, приготовленные на основе KB, с введенными в его состав минеральными сырьевыми добавками (отходы топливно-энергетических комплексов) обладают достаточно высокими показателями механической и электрической прочности, в пределах допустимых значений, являются наиболее технологичным материалом.
В связи с экономным использованием топливно-энергетических ресурсов повышаются требования к механическим и электрическим характеристикам бетонов. Одним из энергоемких составляющих компонентов бетонов является цемент. На решение этих проблем направлены задачи по снижению стоимости изготовляемых бетонов за счет использования в их составах местных минеральных сырьевых материалов: отходов топливно-энергетических комплексов (золошлаковые отходы (ЗШО), золы-уноса) и природных минеральных сырьевых материалов -цеолитсодержащих пород.
Существует тенденция к более широкому использованию бетонов в энергетическом строительстве. Применяемые бетоны должны сохранять работоспособность после воздействия на них рабочих или случайных высоких напряжений и при повышенных температурах до 170С и низких до -60С. Бетоны, приготовленные на основе композиционного вяжущего (KB) с минеральными сырьевыми добавками и эксплуатируемые в области как слабых, так и сильных полей напряжения мало изучены.
Использование природных сырьевых материалов и вторичных отходов топливно-энергетических комплексов Амурской области должно привести к снижению стоимости строительства и решить проблемы экологии и утилизации этих вторичных отходов. Поэтому задача проводимых исследований является актуальной и с точки зрения технологии бетонов как композиционных материалов, так и решения проблем экологии окружающей среды. Исходя из вышесказанного
Целью работы являлось исследование составов и свойств бетонов различных видов и составов, приготовленных на основе KB с использованием местных сырьевых материалов (ЗШО, золы-уноса и цеолитсодержащих пород природного происхождения Куликовского месторождения Амурской области) и получение экспериментальных данных о механической и электрической прочности бетонов.
В соответствии с поставленной целью было необходимо: разработать методику приготовления бетонных образцов на основе KB с использованием сырьевых добавок: ЗШО, золы-уноса и природных минеральных добавок (цеолитсодержащие породы); разработать методики исследования механических и электрических свойств бетонов; исследовать зависимость механических свойств бетонов различных видов и составов от содержания сырьевых добавок; исследовать электрические свойства бетонов от содержания минеральных добавок (ЗШО, золы-уноса, цеолитов) и установить зависимости от механических характеристик. исследовать электрические процессы (электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление), протекающие в бетонах, приготовленных на основе KB с минеральными добавками (МД).
Объекты исследования:
Исследовались тяжелые (мелкозернистые) и легкие бетоны (керамзитобетон) классов В20 и В12,5 с использованием вышеперечисленных добавок из местного сырья Амурской области.
Научная новизна: выявлена возможность использования минерального сырья природного происхождения и вторичных сырьевых ресурсов (отходы топливно-энергетического комплекса) Амурской области для различных видов бетонов; показана возможность применения бетонов, приготовленных на основе KB с использованием ЗШО, золы-уноса и цеолитсодержащих пород природного происхождения без заметного снижения их механических показателей и электрических характеристик, что позволило рекомендовать их к применению в технологии ООО Амурский завод железобетонных конструкций для изготовления бетонных изделий для энергетического строительства и другого назначения.
9 Положения выносимые на защиту: на основании обработки экспериментальных результатов получены регрессионные уравнения, связывающие: нормальную густоту KB (Yi), пределы прочности на сжатие бетонных образцов после твердения при тепловлажностной обработке (ТВО) (%) и sестественных условиях (Y3), удельное электрическое сопротивление (Уц) и электрическую прочность (5) бетонов которые позволяют регулировать этих характеристики в допустимых пределах в зависимости от удельной поверхности портладцемента (Х{), вводимых минеральных добавок (Х2) и содержания заполнителей (Х3); статистика электрического пробоя бетонных диэлектриков носит многопараметрический характер и наилучшим образом описывается статистикой Вейбулла; из полученных интегральных кривых распределения для Епр и Ксжисследуемых бетонов на основе KB установлена значимая на уровне 1,9 линейная зависимость между механическими и электрическими характеристиками.
Практическая значимость работы: полученные результаты комплексных исследований позволяют решить проблему использования вторичного сырья (12-Н8 %) топливно-энергетического комплекса и применения минеральных сырьевых добавок природного происхождения (цеолитсодержащих пород Куликовского месторождения Амурской области) в получении эффективных и недорогих бетонов с улучшенными физико-техническими и электрическими свойствами; разработаны рекомендации по использованию минеральных сырьевых добавок в бетоны и переданы ООО Амурский завод железобетонных конструкций для освоения в производстве, (Акт о внедрении экспериментальной технологии для производства бетонов с минеральными
10 добавками (ЗШО, золы-уноса и цеолитсодержащих пород) из местного сырья Амурской области для изделий и конструкций от 11 октября 2005 г.) результаты исследований позволяют получать новые температуро стойкие бетоны на основе KB с минеральными сырьевыми добавками и на их основе изделия различной номенклатуры для энергетического строительства.
Диссертационная работа автора связана с научно-исследовательской темой № 18 "Строительство" по разделу 18.1 "Применение эффективных электропроводных и электроизоляционных бетонов в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений".
Апробация результатов исследований:
Результаты проведённых исследований докладывались на: ежегодных научно-технических конференцях в Амурском государственном университете (АмГУ) «Архитектура и строительство в регионах Сибири и Дальнего Востока» (г.Благовещенск, 1999-2006гг.); межвузовских научно-технических конференциях «Строительство и природообустройство» (ДальГАУ, г.Благовещенск, 1999-2006 гг.), научных конференциях в Амурском государственном университете (г. Благовещенск, 2003-2006 гг.).
По результатам исследований опубликовано 20 печатных работ.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложений, рекомендации производству и списка используемой литературы, включающего 173 наименований. Основная часть работы изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц и 41 рисунков.
Работа выполнялась на кафедре «АСиМ» и «Математического анализа и моделирования» Амурского государственного университета (АмГУ) под руководством профессора, доктора технических наук, заслуженного изобретателя РФ Н.С. Костюкова, которого диссертант благодарит за руководство.
Физико-технические испытания образцов проводились в лабораториях кафедры «ИК» и ТиОСП ДальГАУ и «Благовещенскстрой». Электронно-микроскопические и дифференциально-термические исследования проводились в лабораториях г. Благовещенска. Рентгенографические и химико-минералогические исследования, а также исследования, электропроводности проводились в лабораториях НЦ ДВО РАН АмурКНИИ, ООО «Амурстрой», 000 Амурский завод железобетонных конструкций, ФАО «ЦЭС» Амурэнерго.
Диссертант благодарен доктору технических наук, профессору Е.Л. Еремину, доктору физ.-мат. наук, профессору Е.С. Астаповой, канд. физ.-мат. наук В.В. Сельвинскому, канд. техн. наук Т.В. Труфановой, канд. физ.-мат. наук ДемчукуВ.А., а также Г.Н.Блинову, Ю.А.Брежневу за помощь и консультации в проведении исследований.
Влияние минеральных добавок на механические и электрические свойства бетонов
Актуальной научно-технической проблемой в капитальном строительстве на современном этапе является решение задачи эффективного использования природных ресурсов, в том числе бетонов различных видов и составов. В настоящее время в действующих нормах (СНиП, ГОСТы) существует неразрешенное противоречие между детерменизмом расчетного аппарата и статистически-вероятностной природой расчетных параметров строительных материалов и конструкций. Следствием этого противоречия является эмпирическая неопределенность между расчетными, физико-механическими и другими параметрами полученных материалов и конструкций, а также параметрами, определяющих их предельное состояние.
Решение данной задачи обусловило изучение влияния совокупности механических и электрических характеристик исходных материалов на расчетные характеристики конструкций, являющихся системой случайных изменчивых величин.
В теории предельных состояний и нормах (СНиП) отсутствует параметр времени, что с формализованной точки зрения означает постоянство физико-механических свойств материалов и конструкций во времени. Отсюда следует, что физическое состояние строительных конструкций определяется только в данный момент времени. В настоящее время остается недостаточно изучен вопрос ресурса эксплуатации конструкций во времени.
Определения в аналитической форме искомых параметров, зависимых от большого числа факторов, затруднительно. Поэтому, при исследовании бетона под нагрузкой (механической, тепловой, электрической) используют упрощенные модели двухкомпонентных систем; так, в расчетной физической модели "макроуровня" основным элементом является система "растворная составляющая - крупный заполнитель", в модели "микроуровня" - система "новообразования - цементные ядра" (микробетон), и в модели "мезоуровня" - система "цементный камень - мелкий заполнитель (песок)". В рассматриваемых физических моделях зерна заполнителя принимают в виде шаров и дисков. Также полагают, что до образования микротрещин в бетоне сцепление цементного камня с заполнителем не нарушается.
Бетон под воздействием внешних сил находится в сложном напряженном состоянии, и разрушение его наступает при достижении в сечениях расчетных усилий критических значений, то есть с физической стороны - происходит разрыв связей между цементным камнем и заполнителем.
Методика исследования механических свойств бетонов
Механические свойства бетонов характеризуются такими важными показателями, как прочностные и деформативные свойства. Прочностные свойства рассматривают зависимости нормативных и расчётных характеристик бетонов при сжатии и растяжении. Прочность R является основной нормируемой характеристикой бетона [48, 51, 62, 92]. Показатели прочности бетона определяют несущую способность, надёжность и долговечность конструкций. Обязательно нормируются пределы прочности бетонов при сжатии, на осевое растяжение и растяжение при изгибе [48, 62, 92]. Для определения прочности бетона на образцах применяют два метода - прямой и косвенный. Косвенными методами определяют прочность бетонов непосредственно в изделиях и конструкциях сооружений без их разрушения. М.Ю. Лещинским [92] предложено классифицировать методы испытания прочности бетонов в зависимости от физико-механических характеристик бетона. Согласно классификации, физико-механические характеристики бетонов можно измерять как механическими, так и физическими методами.
Составы, свойства и характеристики материалов для получения бетонных диэлектриков
Введение в цементы и бетоны добавок: ЗШО, золы-уноса, цеолитсодержащих пород в оптимальном количестве от 10 до 40 % улучшает технологические свойства бетонной смеси (связность, нерасслаиваемость, снижение водоотделения, повышение удобоукладываемости) [85,86]. Получение композиционного материала - бетонов на основе вторичных сырьевых отходов энергетических комплексов Амурской области и природных минеральных добавок (МД) - цеолитсодержащих пород Куликовского месторождения позволяет повысить удельную жесткость бетонов (имеющих ковалентно-ионную связь) и снизить до минимума накопление дефектов и образования трещин в условиях эксплуатации.
Портландцемент - один из важнейших компонентов системы, обладающий непрерывностью по всему объёму, является матрицей. Другие компоненты бетона - заполнитель (мелкозернистый, песок крупный и керамзит) и МД (ЗШО, зола-уноса и цеолитсодержащих пород - порошок с крупностью 008) считаются упрочняющими. При этом эффект упрочнения системы связан с размерами частиц заполнителей и МД, а также их концентрацией. Соотношение этих параметров в цементной системе характеризует комплекс механических свойств бетонов и механизм его разрушения. Изменяя состав компонентов в композиционной системе (цемента, МД и заполнителей), можно направленно регулировать важнейшими свойствами и структурообразованием получаемых бетонов.
В твёрдом теле бетона матрицей служит цементный камень. Структура бетона состоит из капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин. Основной формой расположения микрочастиц в пространстве композита бетона является гранецентрированная кубическая кристаллическая решётка ионного типа [3,4,7,8,11,25,38,39]. Для придания бетонам новых качественных свойств и получения требуемой структуры в их состав в процессе приготовления вводят активные минеральные сырьевые добавки (ЗШО, зола-уноса, цеолитсодержащие породы).
Теоретические положения построения физико-математической модели бетонных диэлектриков
Бетоны, созданные на основе смесей компонентов с различными электрофизическими свойствами позволяют управлять и регулировать их свойствами. А.Ф. Бериацким, Г.А. Пугачевым и др. показано, что значение tg 5 для образцов из обычного бетона пропитанных в петролатуме и хранившихся в эксикаторе с влажностью среды 98 %, возрастает до 0,15-Ю,18, при этом объемное электрическое сопротивление стабилизировалось на уровне значений / и 10 Ом-м, а диэлектрическая проницаемость є не превышала значений равных 10 [11, 87, 106, 109-112].
Важным фактором, оказывающим влияние на диэлектрические параметры бетонных образцов, является температура окружающей среды. Для электрических испытаний нами были изготовлены бетонные образцы-кубики с размерами 100x100 100 мм, которые хранились в сухом и воздушно-сухом состоянии при нормальной температуре среды /в = +20С в течение 28.
Бетон в сухом состоянии считается кристаллическим диэлектриком для которого, зависимость удельной электрической проводимости от температуры среды описывается выражением вида [3, 4, 7, 11]: где А - постоянная; Т - абсолютная температура, К; к - постоянная Больцмана; W— энергия активации носителей заряда, Дж.
Тепловой пробой бетонных диэлектриков
При движении электронов и иоыов в электрическом поле часть энергии отдается твердой структуре бетона. Токи, обусловленные ионными и дипольными изменениями, не связанные с переносом зарядов к электродам генерируют тепло в переменном электрическом поле. Прерывность представляет собой температуру разрушения диэлектрика, так как: прерывность, включающая U и представляет не тепловой вид пробоя. Предельное пробивное напряжение при тепловой нестабильности изменяется с температурой среды. На рис. 5.1 приведены зависимости теплового пробоя и удельного объёмного электрического сопротивления от температуры для тяжёлого мелкозернистого и лёгкого бетонов различного класса прочности образцов.
Зависимость напряжения теплового пробоя и удельного объемного сопротивления бетонов различных видов и составов от температуры, где 1 - пробивное напряжение для бетонов кл. В20; 2 - удельное сопротивление для бетонов кл, В20; 3 - пробивное напряжение для бетонов кл. В 12,5; 4 - удельное сопротивление для бетонов кл. В12,5.
102 При повышении температуры окружающей среды (для случая нагрева), величины удельного электрического сопротивления увеличиваются с повышением температуры бетонных образцов. Полученные результаты исследований согласуются с данными работы [11]. При тепловом пробое бетонных диэлектриков проявляются различия между переменным и постоянным током. Так, при переменном токе конечный максимум стабильной температуры составляет 17(Н210С, а при постоянном токе, теоретически максимум температуры близок к пределу прочности бетона на сжатие [3, 11, 14,21]. Согласно теории Вагнера, условие возникновения теплового пробоя для бетонных диэлектриков математически можно выразить зависимостью удельной проводимости канала для небольшого интервала температур выражением вида:
Напряжение теплового пробоя соответствует пределу тепловой нестабильности и пробою твердого бетонного диэлектрика после приложения электрического поля. К бетонному образцу диэлектрику было приложено напряжение U от 80 кВ до 110 кВ и в течение времени т=5 мин температура повышалось до значения 90 соответствующего ґ = +210С термическому разложению бетона. Для бетонного образца толщиной d 50 мм электропроводность диэлектрика увеличивается с ростом температуры. Время нагрева образца, необходимое для данной температуры вс, зависит от скорости роста температуры, которая зависит от величины напряжения и электротока. Поэтому фактор времени необходимо учитывать при выдержке приложенного напряжения к образцу, способного вызвать тепловой пробой бетона. Нами установлено, что тепловой пробой снижает электрическую прочность с ростом температуры в бетонном образце на 15-К20 % за счет снижения удельного электросопротивления (рис. 5.1).
Бетоны относятся к композиционным материалам с резко выраженной неоднородностью структуры. Вследствие этого, электрический пробой бетонных композитов определяется электрическими и геометрическими параметрами его составляющих компонентов, то есть цементного камня и заполнителей. Отсюда следует, что в расчетах цементный камень бетона можно рассматривать как самостоятельную разновидность диэлектрического материала.
Из приведенных схем (рис. 4.2 и 4.3) видно, что весь объем бетонного диэлектрика состоит из последовательно расположенных слоев твердой фазы и воздуха и параллельного с ними слоя твердой фазы. Напряженность электрического поля в газообразной фазе цементного камня имеет вид описываемый выражением (4.6). Тогда напряженность поля в общем виде определяется по выражению (4.7). При воздействии электрического тока на бетонные образцы из тяжелого мелкозернистого бетона (контрольной серии без минеральных сырьевых добавок, и серии образцов из тяжелого бетона, приготовленного на основе KB с добавками ЗШО, золы-уноса и цеолитов) пробой происходит как по твердой фазе цементного камне, так и по воздушным каналам (порам, капиллярам). Тогда, пробивное напряжение для твердой фазы бетона имеет вид описываемое выражением (4.8), по воздушным порам (капиллярам) выражением (4.9). Электрическая прочность воздуха в порах и капиллярах неоднородных капилярно-пористых бетонных диэлектриков EQ зависит от размеров пор, эффективного радиуса их сечения. Отсюда, пробивное напряжение определяется выражением (4.10). Так как, электрический и тепловой пробой в бетонах при воздействии электрического поля происходит по слабым местам структуры цементного камня, а так же по дефектам, то следует упрочнять твердую фазу и уменьшать количество дефектов (пор, капилляр) за счет изменения структуры и составов бетонов.
На практике сложно получить достоверные данные в том, что действительно произошел тепловой пробой бетонного диэлектрика, то есть установить предел тепловой стабильности рассматриваемых бетонов. Для установления наличия теплового пробоя, к точкам поверхности бетонного образца прикреплялись хромель-копелевые термопары, с помощью которых фиксировали изменение температуры наиболее нагретой части образца. Бетонные образцы диэлектрика перед испытаниями во всех точках объема имеют температуру окружающей среды +20С.
