Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Виды мелкозернистых бетонов и области их применения 8
1.2. Особенности структуры и структурообразование мелкозернистых бетонов . 15
1.2.1. Особенности структуры мелкозернистых бетонов 15
1.2.2. Формирование структуры бетона 20
1.3. Причины разрушения бетона речных гидротехнических сооружений 25
1.4. Использование органических и минеральных добавок и наноматериалов в производстве МЗБ 34
1.5. Выводы о состоянии вопроса и задачах исследований 42
ГЛАВА 2. Материалы, использованные в работе. оборудование и методики исследований 43
2.1. Материалы, использованные в работе 43
2.2. Методики исследований 48
2.3. Математическое планирование эксперимента 55
2.4. Выводы к главе 2 62
ГЛАВА 3. Повышение эксплуатационных характеристик мелкозернистого гидротехнического бетона путем введения в него органоминеральных добавок 63
3.1. Подбор оптимального состава мелкозернистого бетона, модифицированного органоминеральными добавками, с помощью метода математического планирования эксперимента 63
3.2. Влияние органоминеральных модифицирующих добавок на структуру мелкозернистого бетона 78
3.3. Определение усадки и коррозионной стойкости рназработанного состава МЗБ 88
3.4. Выводы к главе 3 90
ГЛАВА 4. Технико-экономическое обоснование и практическое применение мелкозернистого бетона для облицовки и ремонта речных гидротехнических сооружений . 92
4.1. Получение мелкозернистого пластифицированного гидротехнического бетона модифицированного органоминеральной добавкой 92
4.1.1. Дозирование сырьевых компонентов 92
4.1.2. Приготовление бетонной смеси 92
4.1.3. Уход за бетоном в период набора прочности 94
4.2. Практические результаты работы 95
4.3. Экономическая эффективность и практическое применение результатов исследований 95
4.4. Расчет экономической эффективности 96
4.5. Выводы к главе 4 100
Общие выводы 101
Список литературы
- Особенности структуры и структурообразование мелкозернистых бетонов
- Математическое планирование эксперимента
- Влияние органоминеральных модифицирующих добавок на структуру мелкозернистого бетона
- Приготовление бетонной смеси
Особенности структуры и структурообразование мелкозернистых бетонов
В работах Ю.М. Баженова /4/ были описаны наиболее важные моменты изготовления армоцементных конструкций. Армоцемент представляет собой тонкостенные конструкции различной формы, которые армируются стальными сетками. Для таких конструкций он рекомендует использовать низкопластичную либо пластичную цементно-песчаную смесь, а также контролировать подвижность мелкозернистых бетонных смесей на специальном приборе, который позволяет определять, насколько эффективно подобраны компоненты по времени вытекания навески приготовленной мелкозернистой бетонной смеси в секундах.
Для кровельных покрытий возможно использовать композиции мелкозернистых бетонов с добавкой промышленных отходов. В работе С.И. Павленко /57/ приведены результаты исследований, а также разработаны составы бетона с количеством цемента 450 - 570 кг/м3, шлакового песка 950-1150 кг/м3, гидроудаленной золы 180-210 кг/м3, воды 180-240 кг/м3, добавок ЛСТ+Ж136-157 М (в соотношении 1 к 2) и расходе 0,1% от цемента по массе. Получаемый мелкозернистый бетон, показывал водонепроницаемость W12, тогда как его морозостойкость составляла от 1100 до 1300 циклов. Это дает возможность не использовать какие-либо дополнительные защитные покрытия. Мелкозернистый бетон также широко распространен в устройстве дорожных и аэродромных покрытий /42,64/. Для таких бетонов в качестве заполнителя могут быть использованы различные материалы: обычные карьерные пески, шлаковый песок, кварцевополевошпатовые пески, представляющие собой смесь природных и дробленых песков, а также отсевов дробления, которые отличаются повышенной микрошероховатостью, отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, бой фарфора и стекла, пиритные огарки и т.д.. Результаты исследований МЗБ для дорожного и аэродромного строительства, а также для устройства износостойких покрытий полов промышленных зданий описываются и в других работах. /46,42,74/.
Важно отметить, что проводились работы по исследованию влияния органоминеральных добавок (ОМД) на свойства бетонов используемых для дорожного строительства /64/. Был отмечен рост кубической и призменной прочности на сжатие, а также прочности на растяжение при раскалывании. Испытания выявили увеличение морозостойкости более чем на 50 циклов, и увеличение атмосферостойкости.
В работе /97/ указывается, что прочность бетона с заполнителем из стекла несколько ниже по сравнению с прочностью обычного бетона, и что потери прочности можно компенсировать введением 20-30% золы-уноса.
В Российских аэропортах Домодедово и Пулково для ремонта поврежденных покрытий мест стоянок самолетов, стартового участка и рулежных дорожек применялся быстротвердеющий мелкозернистый бетон на жидком стекле. Феррохромовый шлак и нефелиновый шлам использовались в качестве отвердителя, которые к тому же придавали композиту повышенную водостойкость. Уплотнение бетонной смеси осуществлялось пневматическими трамбовками ТР-1 с круглым и площадным башмаком. Сроки схватывания, уплотненной смеси, составляли 15-20 минут. По прошествии одних суток такой бетон уже имел прочность при сжатии порядка 12-20МПа, что дало возможность производить ремонтные работы, практически не прерывая летный график работы аэропортов.
Особой разновидностью мелкозернистых бетонов являются строительные кладочные растворы. С совершенствованием технологий их производства, а также внедрением новых разработок все более расширяется ассортимент различных сухих строительных смесей, которые позволяют производить кладку каменных конструкций, как в летний, так и в зимний период при отрицательных температурах. Разработаны различные составы, предназначенные для отделки поверхностей внутри и снаружи зданий /20/, фундаментов, цоколей, для оштукатуривания гладких и шероховатых стен, выполненных из различных материалов, в том числе, из ячеистого бетона /25/. Предлагаются теплоизоляционные штукатурные смеси со средней плотностью от 400 до 650 кг/м3 с перлитовым песком /81/. Для укладки плит из искусственного и натурального камня также разработаны различные специальные смеси, в том числе и быстросхватывающиеся. Также существуетобщирныя номенклатура смесей для укладки плитки и фуговочных смесей. в особую группу входят специальные герметизирующие составы имеющие водонепроницаемость больше W10 /8/. Для систем наружной теплоизоляции зданий применяются различные штукатурные, клеевые и выравнивающие составы. Также существуют и успешно применяются на практике многие специальные составы :огнезащитные, жаростойкие, кислотостойкие, рентгенозащитные. Данные композиции и их свойства отражены в рекламных проспектах компаний занимающихся выпуском данной продукции.
Математическое планирование эксперимента
ВМК способен связывать щелочи (K2О, Na2О и Li2О) в нерастворимые новообразования, аналогичные по химическому составу цеолитам и полевым шпатам. Это свойство ВМК обеспечивает более надежную защиту цементных материалов и конструкций от высолообразования и разрушения в результате силикатно-щелочной реакции /28/.
Преимущества метакаолина делают его эффективным в качестве модификатора для следующих видов материалов:
В статьях /70,79/ отмечается, что для упрочнения и придания необычных свойств бетонам в них можно добавить наночастицы оксида кремния, диоксида титана и поликарбоксилата, а также углеродные нанотрубки. К настоящему времени открыто около 30 видов углеродных нанотрубок, многие из которых могут быть использованы для приготовления наномодифицированного бетона. Углеродные нанотрубки – это полые мельчайшие трубочки состоящие из одного или нескольких слоев атомов углерода. Они очень малы, их диаметр составляет от одного до нескольких нанометров, а длина может быть несколько микрон. Нанотрубки имеют очень высокую прочность, а также они абсолютно инертны по отношению к любым щелочам и кислотам. При введении в бетонный раствор нанотрубок цементный камень армируется и становится композиционным материалом. При подобном методе изменения процессов структурообразования прочность цементного камня увеличивается на 30–40% Нанобетоны довольно широко применяются в России /34/. Наиболее распространены бетоны с добавлением базальтового фиброволокна. Они обладают повышенными физическими свойствами, прочны и морозоустройчивы. В 2007 году именно с использованием таких бетонов был построен мост через реку Волга в Кимрах. Также нанобетон обладает восстанавливающими свойствами при нанесении на старые железобетонные конструкции, заполняет микротрещины и микропоры.
Рассматривая бетон в качестве композита, сформированного из крупного и мелкого заполнителя, цементного камня, воды и воздушных пор, можно сформулировать основную задачу наномодифицирования как управление процессом формирования структуры материала снизу вверх (от наноуровня к макроструктуре бетонной смеси) и кинетикой всего спектра химических реакций, сопровождающих процесс твердения.
Особое значение в ряду модификаторов приобретают материалы фуллероидной структуры с максимальными размерами частиц от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Но учитывая многозвенность химико технологических переходов и текущую высокую стоимость исходного сырья, исключительный интерес представляют те направления строительного материаловедения и технологий, в которых для достижения промышленно значимых макроэффектов достаточно использование наноматериалов в микродозах. Так, используя нанодисперсный модификатор, причем в концентрациях близких к 10-7, что обусловлено не только экономией, но и агрегативной устойчивостью фуллероидов, можно управлять кинетикой взаимодействия цемента с водой затворения и добиваться максимальных положительных эффектов на стадиях: растворения цементных зерен, получая заданную реологию;
Особенно эффективными оказалось применение фуллероидных наноинициаторов в сочетании с базальтовой микрофиброй /59/. При этом микрофибра, с одной стороны, сохраняет свои достоинства как удобный для технологии перемешивания материал, что позволяет добиться равномерного распределения крайне малого количества структурирующих добавок по всему объему бетонной смеси, а с другой стороны, каждое отдельное волокно микрофибры в процессе созревания бетона «разрастается» в преимущественном направлении расположения этого конкретного волокна, усиливая эффекты дисперсного армирования. Такой метод можно определить как динамическое дисперсное самоармирование бетона.
На основании проведенного анализа литературных источников можно сделать вывод, что вопрос получения высокоэффективного мелкозернистого бетона, пригодного для строительства и ремонта речных гидротехнических сооружений, стоит достаточно остро. Исследования, проведенные к настоящему времени, в области совместного использования в МЗБ микронаполнителей и гидрофобизирующих добавок, достаточно разрознены и не имеют систематического характера. Отечественные разработки в целях модификации структуры таких бетонов пока, к сожалению, не получили достаточного распространения, а зарубежные аналоги имеют слишком высокую стоимость. Поэтому существует необходимость путем использования сырьевых компонентов, преимущественно отечественного производства, получить высокоэффективный мелкозернистый бетон, предназначенный для ремонта и строительства речных гидротехнических сооружений, оптимизировать его состава и разработать технологию получения.
Влияние органоминеральных модифицирующих добавок на структуру мелкозернистого бетона
Следуя современным рекомендациям по подбору состава мелкозернистого бетона модифицированного активными минеральными добавками, определение его оптимального состава осуществляют в следующем порядке: сначала расчетно-экспериментальным путем производят подбор состава бетона без добавок, затем, экспериментальным путем, определяют оптимальный расход активных минеральных и органических добавок с последующей корректировкой всего состава бетона по остальным компонентам. /2/.
Для снижения водопотребности мелкозернистой цементно-песчаной бетонной смеси при сохранении её требуемой подвижности (РК= 150-160мм) целесообразно использовать суперпластификатор /2,43,91/. Исходя из данных приводимых в научно-технической литературе /77/ оптимальное содержание суперпластификатора в бетонной смеси находится в пределах от 0,45 до 1,5 % от массы вяжущего.
В качестве пластифицирующей добавки был использован суперпластификатор «Химком Ф-1» в виде 30%-ного водного раствора. Суперпластификатор «Химком Ф-1» представляет собой сульфированный продукт альдольной конденсации формальдегида. Концентрация суперпластификатора варьировалась в пределах от 0,6 до 1,5% от массы цемента в пересчёте на сухое вещество.
Выбор «Химком Ф-1» в качестве суперпластификатора обусловлен тем, что на основании обзора результатов экспериментальных исследований его влияния на технологические свойства бетонных смесей и эксплуатационные показатели бетонов на их основе, опубликованных в научно-технической литературе, был сделан вывод, что применение этой пластифицирующей добавки позволит получить прочный и долговечный мелкозернистый бетон, обладающий высокой морозостойкостью и водонепроницаемостью, из высокоподвижной бетонной смеси, характеризующейся высокой однородностью, нерасслаиваемостью и необходимой сохраняемостью подвижности, а также практически не требующей виброуплотнения (рис.3.1).
Рис. 3.1. Сохраняемость бетонной смеси на основе цемента ПЦ 400 Д5 (LAFARGE CEMENT) при его расходе 370кг/м3.
Пластифицирующую добавку «Химком Ф-1» следует вводить в бетонную смесь вместе с водой затворения при обеспечении достаточного времени перемешивания после введения добавки. Причём, оптимальную дозировку суперпластификатора «Химком Ф-1» для конкретного бетона следует определять опытным путём. Рис.3.2 Сравнительная динамика набора прочности бетоном В25 (П4) на основе цемента ПЦ 400 Д5 (LAFARGE CEMENT), при его расходе 370кг/м3.
По сравнению с современными суперпластификаторами отечественного производства «Полипласт СП-1», «ЦемАктив СУ-1» и «Линамикс СП 180-2» «Химком Ф-1» придаёт бетону большую динамику набора прочности как при твердении в нормальных условиях, так и в случае проведения ТВО (рис. 2 - 4), а также обеспечивает дольшую сохраняемость подвижности бетонной смеси. При этом, требуется более низкая его дозировка
Сравнительная динамика набора прочности бетоном на основе цемента ПЦ400Д20Б (Воскресенск), при его расходе 320 кг/м3, В/Ц= 0,55 и ОК= 22 см. Рис. 3.4 Сравнительная динамика набора прочности бетоном В40(П4) на основе цемента ПЦ500Д0Н (Новороссийск) при его расходе 390 кг/м3
Суперпластификатор «Химком Ф-1» по сравнению с пластификаторами на основе лигносульфонатов или сульфированного нафталинформальдегида, например С-3, не обладает резким, неприятным запахом, не подвержен расслоению и выпадению в осадок и, кроме того, может храниться при отрицательных температурах до -12оС. «Химком Ф-1» не вызывает коррозию стальной арматуры в бетоне и не снижает пассивирующего действия бетона по отношению к ней. Он пожаровзрывобезопасен и по ГОСТ 12.1.007 (Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности) относится к 3 классу опасности (умеренно опасное вещество с ПДК в воздухе рабочей зоны – 2 мг/м3 и в атмосфере населённых пунктов – 0,5 мг/м3). Причём, затвердевший бетон с добавкой пластификатора вредных веществ в воздушную среду не выделяет.
В результате проведённой экспериментальной работы было установлено, что наибольшая прочность мелкозернистого бетона на сжатие (55,4 МПа) и на растяжение при изгибе (8,8 МПа) в возрасте 28 суток нормального твердения, а также его высокая водонепроницаемость (W20) достигаются при использовании суперпластификатора «Химком Ф-1» в количестве 1,2% от массы цемента в пересчёте на сухое вещество (табл. 3.1).
По данным литературных источников /2/ одним из основных разупрочняющих факторов бетона является его повышенная пористость. Она возникает вследствие деструкции бетона во время эксплуатации и выражается в разрыхлении его структуры, ослаблении связи между кристаллическими новообразованиями в цементном камне, а также между цементным камнем и частицами заполнителя, что приводит к снижению прочности бетона, а также способствует фильтрации в объем бетона воды и агрессивных жидкостей, и, кроме того, морозному и абразивному разрушению. Решением этой проблемы может стать значительное уплотнение структуры бетона. Из результатов экспериментальных исследований, приведенных в научно-технической литературе, следует, что с целью сокращения расхода цемента, а также для уплотнения структуры бетона эффективным является введение в бетонную смесь высокоактивного метакаолина, в качестве тонкодисперсной минеральной добавки. Причём, его количество не должно превышать 15% от массы цемента, т.к. он содержит активный диоксид кремния и оксид алюминия примерно в одинаковых количествах, и, по этой причине, сильнее чем микрокремнезём связывает свободный гидроксид кальция, что приводит к снижению щёлочности среды в бетоне и может вызвать коррозию стальной арматуры /92/. Кроме того, введение метакаолина, как и любого другого тонкомолотого наполнителя, в большем количестве повышает водопотребность бетонной смеси из-за его мелкодисперсности и большой величины удельной поверхности, достигающей 15 м2/г и выше /44,110/.
С целью повышения водонепроницаемости и морозостойкости гидротехнического мелкозернистого бетона в бетонную смесь вводились гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости /61/: «СОФЭКСИЛ-40», представляющая собой 50%-ный водный концентрат метилсиликоната калия, и «СОФЭКСИЛ 60-80» в виде 60%-ной водной силан-силоксановой эмульсии.
В результате было экспериментально установлено, что введение в пластифицированную мелкозернистую бетонную смесь «СОФЭКСИЛ-40» в количестве 0,2% от массы цемента эффективнее повышает морозостойкость и водонепроницаемость бетона, чем добавка 1,5% «СОФЭКСИЛ 60-80» (табл. 3.2)
Приготовление бетонной смеси
Дозирование сырьевых материалов является одним из наиболее важных технологических переделов при производстве бетона. На современных бетоносмесительных узлах в качестве дозирующего оборудования обычно применяют весовые дозаторы. При этом погрешность таких дозаторов составляет до 2%.
От того насколько точно возможно дозировать материалы на данном конкретном оборудовании зависит точность необходимых расчетов состава МЗБ. Обычно расход цемента принимается с погрешностью до 5 кг, заполнителей - до 10кг, а воды - до 2 кг.
Наиболее важную роль в процессе приготовления бетонной смеси играет процесс перемешивания сырьевых компонентов. Во время перемешивания все компоненты равномерно распределяются по объему бетонной смеси, происходит смачивание зерен цемента, песка и наполнителей водой с растворенными в ней добавками, в результате чего получается однородная сырьевая масса с одинаковыми свойствами по всему объему.
Чтобы получить модифицированный МЗБ с применением разработанной органоминеральной добавки высокого качества необходимо соблюдать описанную в разделе 2.1 последовательность введения сырьевых компонентов в бетонную смесь. Схема предлагаемой технологической линии приведена на рис. 4.1.
Для того чтобы бетон имел возможность набрать проектную прочность к назначенному сроку, необходимо осуществлять правильный уход за ним: поддерживать достаточную влажность, предохранять от ударов и повреждений, а также от резких скачков температур.
Отсутствие должного ухода в результате может привезти к появлению дефектов, а иногда и к разрушению бетонной конструкции, несмотря на то, что были использованы качественные сырьевые материалы и правильно подобран состав бетона. Особенно важен уход за бетоном в начальные сроки его твердения.
Благоприятные температурно-влажностные условия для твердения бетона могут обеспечиваться путем устройства специальных укрытий, защищающих его от вредного воздействия окружающей среды, а также с помощью систематического увлажнения. В качестве таких укрытий, как правило, применяют различные рулонные материалы: полимерные пленки, брезент и т.д.. Открытые поверхности бетона поддерживают во влажном состоянии путем систематического полива в сухую погоду до достижения бетоном 50—70% проектной прочности.
В зимних условиях для нормального твердения бетона необходимо использовать прогрев, а также осуществлять уход за бетоном согласно СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции». 4.2 Практические результаты работы.
В настоящее время в Российской Федерации большое количество объектов речного гидротехнического хозяйства нуждаются в ремонте и реконструкции, кроме того ведется и планируется строительство новых речных гидротехнических сооружений. Поэтому использование разработанного мелкозернистого бетона, модифицированного органоминеральной добавкой, имеющего высокие эксплуатационные показатели и долговечность перспективно, и может обеспечить высокую технико-экономическую эффективность.
Внедрение результатов исследований в производство работ по строительству и ремонту речных гидротехнических сооружений дает технико-экономический эффект, который складывается из: - обеспечения повышенной водонепроницаемости и морозостойкости гидротехнического МЗБ при постоянном расходе цемента; - повышения долговечности речных гидротехнических сооружений при воздействии попеременного замораживания и оттаивания в их надводной зоне, а также на границе уровня воды. снижения усадочных деформаций бетона, и как следствие уменьшение количества и размера усадочных трещин.
Экономический эффект от применения разработанного МЗБ с с органоминеральной добавкой достигается, за счет увеличения срока безремонтной эксплуатации речных гидротехнических сооружений, а также в результате замены крупного заполнителя на более дешевый мелкий и за счет отсутствия необходимости интенсивного уплотнения бетонной смеси.
При выполнении расчета экономической были использованы сметные /72/, а также среднерыночные цены на материалы и затраты в Российской Федерации по региону Москва на апрель 2014г. Исходные данные расчета экономической эффективности приведены в табл. 4.1. и 4.2.
