Введение к работе
з
Актуальность. Бетон и железобетон был и еще долгое время будет оставаться одним из основных материалов в различных сферах строительства, включая и объекты, к надежности которых предъявляются особые требования. Большая часть конструкций в зданиях и сооружениях, а зачастую и сооружение в целом, эксплуатируются в контакте с внешней средой в различных климатических условиях, в том числе и резко-континентальных. Количество видов воздействий, от которых зависит долговечность бетона в этих условиях, может быть достаточно большим и определяется конкретными условиями эксплуатации. Однако безусловным требованием к конструкциям и сооружениям такого вида является их стойкость к внешним (атмосферным) воздействиям физической природы, которые имеют место независимо от климатических или региональных условий и, в конечном счете, сводятся к колебаниям температуры и влажности. Наиболее жестким условиям эксплуатации подвержен бетон при циклическом замораживании-оттаивании в водонзсыщенном состоянии, поэтому испытания на морозостойкость нормированы во многих странах на уровне государственных стандартов.
В последние годы проблема стойкости бетона к атмосферным воздействиям и особенно морозостойкости, приобретает все большее значение. Наиболее интенсивное использование бетона в конструкциях, подверженных интенсивному атмосферному воздействию, началось в период 20. .40-х годов нашего столетия. По истечении 40...60 лет эксплуатации во многих странах, особенно там, где имеют место значительные колебания зимних и летних температур (Россия, Канада, США, Скандинавские страны) многие железобетонные конструкции разрушились или требуют ремонта из-за морозного воздействия.
По оценке ках отечественных, так и зарубежных специалистов срок службы бетонных и железобетонных конструкций при атмосферном воздействии средней интенсивности колеблется в пределах 30...70 лет. Вместе с тем имеются отдельные примеры, когда конструкции и сооружения эксплуатируются 100 и более лет. Это означает, что не всегда реализуются потенциальные возможности бетона как долговечного строительного материала, а проблема стойкости бетона к атмосферным воздействиям весьма актуальна.
В основу исследований положено представление о разрушении бетона в результате развития двух процессов. Первый - это возникновение, характер и величина собственных напряжений и деформаций в период эксплуатации под воздействием внешней среды и изменения таких параметров как: температура, влажность, фазовое
4 состояние порсвой воды. Вторым является процесс образования новых или развити существующих микротрещин в структуре при данной величине напряжений. Рззвиги; этого процесса рассматривается в зависимости от вида собственных деформаций пе риода структурообразооания твердеющего бетона и характера возникших при это* собственных напряжений, а также от способности структуры сопротивляться развитии трещин.
В диссертационной работе повышение стойкости бетона к атмосферным воз действиям с одновременным улучшением всего комплекса физико-механически: свойств обеспечивается снижением уровня дефектности, обусловленного микротре ценообразованием в период твердения бетона, изменением характера собственны: напряжений и повышением стойкости структуры затвердевшего бетона к развитих трещин путем управления процессами собственных деформаций.
Работа выполнялась в соответствии с целевой комплексной программой О.Ц.031 Госкомитета СССР по науке и технике, государственной программок "Жилище- 2000" В1987-1990 гг., научно-технической программой Государственного Ко митета РФ по высшему образованию "Строительство и архитектура" в 1991-1996 гг. и і рамках конкурса фантов 1994-1996 гг. "Фундаментальные проблемы в области архи тектуры и строительных наук"
Цель работы заключается в разработке и научном обосновании теоретически} положений управления процессами собственных деформаций бетона как в период егс твердения, так и эксплуатации и на этой основе - технологических принципов обеспечения стойкости бетона к физическим воздействиям внешней среды
Для достижения цели необходимо:
-
В области методологии исследований: классифицировать собственные деформации и выявить наиболее значимые из них с точки зрения их влияния на стойкость бетона; разработать модель для теоретического исследования собственных деформаций и протезирования их влияния на дефектность структуры и стойкость бетона расчетными методами", разработать методы экспериментальных исследований и измерения величин собственных деформаций; разработать методы ускоренного определения морозо- и термоморозостойкости бетонов.
-
В области бетоноведения: изучить процессы собственных деформаций, сопровождающих твердение бетона, оценить характер и величину возникающих при этом собственных напряжений и их влияние на стойкость бетона; разработать критерии оценки влияния собственных деформаций на процесс формирования структуры бетона и его стойхость к физическим воздействиям; сформулировать закономерности
5 механизма разрушения бетона от циклического атмосферного воздействия исходя из характера его собственных деформаций в период твердения и эксплуатации; исследовать процесс морозного разрушения бетона и разработать математичесхую модель, описывающую возникновение напряжений при замерзании поровой воды; разработать теоретические основы управления собственными деформациями с целью снижения растягивающих напряжений в структуре, уменьшения ее дефектности и повышения стойкости бетона.
3. В области технологии бетонов: разработать технологические способы управления собственными деформациями и структурообразованием бетона и на этой основе повышения его стойкости к атмосферным воздействиям; разработать рекомендации по использованию теоретических положений и технологических способов в практике строительства; осуществить апробацию и промышленное внедрение полученных результатов исследований.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы управления собственными деформациями бетона, в период твердения - путем оптимального сочетания химической контракции и химического расширения как по величине, так и по времени их проявления; при эксплуатации - за счет поля собственных напряжений и особенностей структуры исходного бетона, тормозящих процесс разрушения при физических воздействиях.
Выявлены особенности развития процесса химической контракции и установлено, что общий объем химической контракции твердеющего цемента схладывается из внутренней контракции (образования контракционной пористости) и внешней (уменьшения объема цементного камня в бетоне). Разработана методика определения величин внутренней и внешней контракции твердеющих вяжущих.
Предложена структурная модель и разработан метод расчета величин напряжений, вызванных собственными деформациями. Установлено, что в твердеющем бетоне внешняя химическая контракция является причиной трещииообразования в теле цементной матрицы и на её контакте с заполнителем.
Разработаны новые и развиты существующие теоретические положения механизма химического расширения цементов и бетонов с сульфоалюминатными добавками. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован критерий (показатель деформаций) оптимальности развития процессов расширения и роста прочности и, как следствие, обеспечения стойкости бетонов на расширяющихся или напрягающих цементах в виде отношения величин свободных и упругоогранітченньїх деформаций.
Разработаны общие положения механизма разрушения бетона от физических
воздействий внешней среды, кзх совокупности его собственных деформаций на различных стадиях твердения и эксплуатации, взаимодействия развивающихся при этом собственных напряжений и характера развития трещин в структуре.
Дано теоретическое и экспериментальное обоснование зависимости критерия оптимальности фактора расстояния между низкомодульными частицами или замкнутыми порами в бетонах, стойких к физичесхим воздействиям, от критической длины трещин цементной матрицы.
Установлено, что стойкость к циклическим атмосферным воздействиям характеризуется приростом приведенной длины трещин в его структуре по мере увеличения циклов и оценивается величиной изменения коэффициента интенсивности напряжений бетона. Предложена математическая модель и методика расчета собственных напряжений в структуре бетона при его замораживании.
Практическая значимость. Разработаны технологические принципы управления собственными деформациями бетона и повышения его стойкости к физическим воздействиям внешней среды, которые реализованы при устройстве сборных и возведении монолитных беспокровных крыш жилых и общественных зданий.
Даны рекомендации по назначению вещественного состава расширяющих до бавок, а также расширяющихся и напрягающих цементов, приготовленных на основе портландцемента, и их использования для приготовления бетонов, стойких к атмо сферным воздействиям.
Разработаны ускоренные методы текущего контроля морозостойкости бетон; при изготовлении сборных изделий и возведении монолитных конструкций.
Результаты диссертационной работы легли в основу разработки рада норма тивных документов, рекомендаций и зонального типового проекта 10-ти этажных да мов с беспокровной железобетонной крышей для массового строительства.
На защиту выносится:
совокупность теоретических положений, характеризующих развитие собствен ных деформаций бетона и их влияние на его стойкость к атмосферным воздействиям;
методологические аспекты исследований и испытаний бетона в период твер дения и эксплуатации;
технологические принципы обеспечения стойкости бетона к атмосферньіі воздействиям на основе управления процессами собственных деформаций и резулі таты их апробации и производственного внедрения.
результаты комплексных экспериментальных и натурных исследований бете нов повышенной стойкости к атмосферным воздействиям, водонелроницаемосп
7 прочности и трещиностойкости, использованные при разработке нормативных документов, рекомендаций и типового проекта.
Достоверность результатов исследований обеспечена использованием действующих государственных стандартов и поверенного оборудования при испытании материалов, методов математического планирования исследований и обработки экспериментальных данных, современной вычислительной техники и программного обеспечения, а также использованием комплекса современных физико-химических методов исследований: ДТА. РФА, химических анализов, электронной и оптической микросколии и дифференциальной калориметрии.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались:
на научно-технических конференциях Грозненского нефтяного института (1982-1991гг.) и Ростовской-нз-Дону государственной академии строительства (1992-1996):
на заседаниях секций научного совета Государственного Комитета по науке и технике СССР: Харьков - 1984г.. Грозный - 1983г., Таллин - 1984г.. Москва - 1986т,
на всесоюзных и республиканских конференциях: Уфа - 1985г., Казань - 1987г., Душанбе - 1988г., Грозный - 1989г.. Иркутск - 1990г., Москва -1991 и 1992гг.;
на международных конференциях: Приморско, Болгария - 1983, 1985 и 1989гг., "Силиконф", Будапешт, Венгрия - 1989г.. "Ибаузил", Веймар, Германия - 1988, 1991 и 1994гг., РИЛЕМ, Ганновер, Германия - 1990г.. "ИКИБ". Лейпциг. Германия - 1991г.. Ростов-на-Дону - 1994г., Милвауки, США - 1995г., Лас-Вегас. США - 1995г.;
- на международных симпозиумах и конгрессах: симпозиум ФИП, Будапешт.
Венгрия - 1992г., 9-й конгресс по химии цемента, Дели, Индия - 1992г., симпозиум
Реконструкция-2005", Санкт-Петербург- 1992г., конгресс РИЛЕМ, Братислава, Слова
кия - 1993г., симпозиум "75 лет расширяющемуся цементу". Веймар, Германия - 1995г.
Реализация результатов работы. Результаты исследований включены в нормативные документы: "Справочное пособие к СНиП 3.09.01-85. Производство сборных железобетонных конструкций и изделий"-М.: Стройиздат.1990 г.; ТУ 65.601-88 "Кровельные изделия из керамзитобетона на напрягающем цементе для беспокровных крыш с теплым чердаком' - Минюгстрои СССР, 1988 г.; Республиканские строительные нормы РД 419-90 "Методика ускоренного определения морозостойкости бетона",-Совмин ЧИАССР, 1990 г.
Разработаны: "Рекомендации по определению поровой структуры бетонов и растворов на НЦ"- М.: НИИЖБ, 1986 г.; "Рекомендации по технологии изготовления и монтажа кровельных элементов беспокровных крыш с теплым чердаком" - ЧИУС Ми-нюгстроя СССР, 1986 г.
Разработаны конструктивное решение сборной беслокровной крыши и рекомен дации по изготовлению элементов покрытия, которые включены в зональный проек жилых 10-этажных домов серии 92с.
Производственное внедрение осуществлено при: строительстве жилых домов с беспокрозной крышей силами аргунского ДСК в городах Чечено-Ингушской Республики и организации производства кровельных элементов по гелиотехнологии; возведении монолитной беслокровной железобетонной крыши в гг. Грозном и Геленджике; изготовлении железобетонных плит покрытия и забивных свай на ЗЖБК г Грозного; оперативном контроле морозостойкости бетона на домостроительных комбинатах в гг. Ар гун, Пермь и в акционерном обществе "Дюкерхофф" (г.Висбаден, Германия).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 77 опубликованных работах, в том числе получено 5 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав заключения, списка литерзтуры и приложений. Изложена на 405 страницах, включая 114 рисунков, 32 таблицы и список литературы из 295 источников.
