Введение к работе
Актуальность работы. Бетон как искусственный каменный материал известен человечеству уже не одно тысячелетие. Но и в XXI веке бетон и железобетон являются одним из самых распространенных конструкционных строительных материалов. По различным данным в мире производится ежегодно от 2 до 4 млрд. м3 бетонных смесей в год. В России этот показатель составляет порядка 12 млн. м3/год, в Краснодарском крае – до 2,5 млн. м3/год.
Несмотря на длительную историю существования, технология бетона и сегодня динамично развивается. Многие новейшие достижения в смежных отраслях науки и техники (физике, химии, нанотехнологии) находят свое отражение и в бетоноведении. В современной строительной отрасли все большую актуальность приобретают вопросы технологичности применения бетонной смеси: простота траспортировки и укладки, комфортность работы со смесью для человека, снижение трудоемкости и энергоемкости укладки, уменьшение негативных шумовых и вибрационных воздействий.
В рамках решения этих задач четверть века назад, благодаря работам профессора Х. Окамуры (Япония), в технологии бетона выделилось отдельное направление – самоуплотняющиеся бетоны (СУБ). Такой бетон значительно отличается от традиционного как по составу, так и по некоторым свойствам. Основное преимущество СУБ заключается в том, что укладка смеси может производиться без уплотнения даже в густоармированные конструкции сложной пространственной формы. Около 50% новых железобетонных конструкций в Японии изготовляется из СУБ; в Европе на долю СУБ приходится 7-10% объема производимого бетона; в России данная технология слабо распространена, хотя и здесь имеются примеры успешной ее реализации.
С другой стороны, существует не теряющее своей актуальности направление легких конструкционных бетонов. Эффективность конструкционных бетонов на пористых заполнителях доказана многолетними исследованиями и практикой применения как в России, так и за рубежом.
Исходя из приведенных данных, весьма перспективным видится объединение уникальных реологических свойств СУБ и конструкционно-эксплуатационных преимуществ легких бетонов в одном материале. При этом научных исследований в данном направлении крайне мало, еще меньше реальных практических примеров реализации.
В связи с этим, развитие научно обоснованных принципов создания легких конструкционных самоуплотняющихся бетонов, изучение свойств смеси и затвердевшего бетона, закономерностей изменения этих свойств в процессе эксплуатации под действием нагрузки является весьма актуальной проблемой.
Цели и задачи исследования. Целью работы является развитие научных представлений в области разработки и применения легких конструкционных самоуплотняющихся бетонов, исследование их структуры и свойств как на стадии смеси, так и затвердевшего бетона, а также формулирование основных принципов разработки их составов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выявить основные закономерности и условия обеспечения реологической стабильности легкобетонных самоуплотняющихся смесей;
- на основе полученных закономерностей сформулировать принципы подбора оптимального пористого заполнителя;
- разработать базовые составы легких конструкционных самоуплотняющихся бетонов, изучить свойства смесей, рассмотреть возможность применения в товарном бетоне и при производстве железобетонных изделий;
- исследовать физико-механические и строительно-технические свойства и структуру затвердевшего легкого конструкционного самоуплотняющегося бетона.
- выявить закономерности развития деформационных характеристик бетона: модуля упругости, усадки, ползучести.
Научная новизна работы заключается в:
- установленной закономерности изменения реологической стабильности легких самоуплотняющихся бетонных смесей от соотношения плотностей растворной части и пористого заполнителя;
- определении влияния рецептурно-технологических факторов на свойства (плотность, подвижность, вязкость, расслаиваемость, сохраняемость и др.) легких самоуплотняющихся бетонных смесей на основе заполнителя из вулканического туфа;
- выявлении закономерностей формирования структуры и физико-механических свойств легкого конструкционного самоуплотняющегося туфобетона в зависимости от вещественного состава;
- определении значений деформационных характеристик (модуль упругости, усадка, ползучесть) легкого конструкционного самоуплотняющегося туфобетона и факторов, влияющих на них;
Практическая значимость результатов работы заключается в:
- разработанной методике подбора оптимального пористого заполнителя для получения нерасслаиваемых легких самоуплотняющихся бетонных смесей с диаметром расплыва конуса 85-97 см, плотностью 1800-1900 кг/м3.
- определенных качественных и количественных параметрах пористого заполнителя из вулканического туфа, позволяющего получать легкие конструкционные (в т.ч. высокопрочные) самоуплотняющиеся туфобетоны в широком диапазоне прочности при сжатии: Rсж=24-57,6 МПа,
- разработанных составах конструкционного легкого самоуплотняющегося туфобетона классов В15-В45, с маркой по плотности D1700- D1800.
- установленных деформационных характеристиках бетонов классов В20-В45:начальный модуль упругости E0=15,7-23,4 ГПа; усадка в период 7-120 суток составила 1,68-0,86 мм/м; мера ползучести С0=(9,43-15,23)10-5 МПа-1.
- определенной прочности сцепления арматуры периодического профиля А400 с разработанными легкими самоуплотняющимися туфобетонами класса В20-В45 (условная Rсц=10,75-11,55 МПа) и уточненных зависимостях прочности сцепления от прочности при сжатии, при изгибе и при раскалывании: Rсц=0,03Rсж+9,76; Rсц=3,74R2изг-13,1Rизг+22; Rсц=0,97R2рас-7,59Rрас+25.
- доказанной возможности применения разработанного состава класса В30 с расплывом 90 см и временем сохраняемости расплыва 65-70 минут как в товарном бетоне, так и при производстве ЖБИ. При этом время предварительной выдержки может быть не более 1,5 часов при температуре изотермической выдержки 80С и выше.
На защиту выносятся:
- впервые разработанная методика подбора оптимального пористого заполнителя для получения нерасслаиваемых самоуплотняющихся бетонных смесей и получаемых из них конструкционных легких бетонов;
- разработанные составы легких конструкционных (в т.ч., высокопрочных) самоуплотняющихся бетонов;
- результаты экспериментальных исследований по определению реологических свойств смесей и физико-механических и деформационных свойств бетонов в затвердевшем состоянии, а также факторов, влияющих на них.
Достоверность исследований обеспечена использованием стандартных методов испытаний, применением калиброванного и поверенного испытательного оборудования и средств измерений. При постановке экспериментов применены методы математического планирования, обработка экспериментальных данных и математическое моделирование произведено с использованием современной ЭВТ. Количество контрольных образцов-близнецов обеспечивает доверительную вероятность 0,95 при погрешности не более 10%.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась в период с 2010 по 2013 гг. на кафедре производства строительных конструкций и строительной механики Кубанского государственного технологического университета.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных конференциях и конкурсах:
- Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей, 27-28 октября 2010 г., Москва.
- II Международная научно-практическая конференция «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах», 30 ноября 2010 г., г. Брянск.
- XIII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи, 18-25 июня 2013 г., Москва.
- Всероссийская научно-техническая конференция «Качество строительных материалов, изделий и конструкций», 29-31 октября 2012 г., Махачкала, ФГБОУ ВПО ДГТУ.
- Вторая итоговая региональная научно-практическая конференция молодых инноваторов Кубани "Молодежные научно-инновационные проекты Краснодарского края" (получен грант по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере), 25-26 июня 2012 г., Краснодар.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 3 печатных работах, в том числе одна (принята к печати) – в издании, рецензируемом ВАК РФ; в 3 работах, опубликованных в интернет-изданиях, рецензируемых ВАК РФ (одна без соавторов).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 40 таблиц, 51 рисунок, библиографию из 88 наименований.
