Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 9
Ы. Влияние заполнителя на свойства бетона І0
Способы подбора зернового состава заполнителя для бетона 16
Способы проектирования состава тяжелого бетона 20
Особенности проектирования высокопрочных бетонит* 26 Выводы по главе 29
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕТОНОВ
КОНТАКТНОЙ СТРУКТУРЫ 31
Характеристики сырьевых материалов 31
Методы исследования материалов 36 2.2.1.Определение плотности упаковки и угла естественного откоса
фракций и высокоплотных смесей заполнителей 37
Определение микротвердости цементного камня 39
Рентген о фазо вый анализ 40
Математическое планирование эксперимента 41
3. ОСНОВЫ ПОДБОРА ВЫСОКОПЛОТНОГО ЗЕРНОВОГО
СОСТАВА ЗАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА 44
Расчет высокоплотных зерновых составов заполнителя 44
Определение рациональных модулей набора сит для классификации зернистых материалов 49
Оценка эффективности составов заполнителя различной гранулометрии 56
Оценка влияния каждой фракции на свойства высокоплотпых составов заполнителя к бетонов на их основе (на примере зернового состава класса т=5) 76
3.5- Определение оптимальных коэффициента раздвижки зерен
заполнителя при введении последующих фракций и толщины
обмазки зерен заполнителя цементным тестом с использованием
математического планирования эксперимента 86
Выводы по главе 109
4. ПОВЫШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА ПУТЕМ
РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ И СОСТАВА ЕГО РАСТВОРНОЙ
ЧАСТИ . 111
4Л .Влияние добавки суперпластификатора на консистенцию
цементного теста и цементно-песчаного раствора 112
Оценка эффективности действия пластифицирующей добавки 11 б
Влияние добавок наполнителей и микронаполнителей на прочность
цементного камня 122
Выводы по главе 130
5. ВЛИЯНИЕ КРУПНОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ НА СВОЙСТВА
ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА 131
5.1, Эмпирическая оценка физико-механических характеристик бетона
в зависимости от объемной доли крупного заполнителя 131
5.2. Механизм разрушения тяжелого бетона контактной структуры 142
5,3.Математическое описание зависимости прочности бетона от
объемной доли крупного заполнителя и других его характеристик 169
Выводы по главе 174
6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ ВЫСОКОПЛОТНОЙ
КОНТАКТНОЙ СТРУКТУРЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖБИ 175
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 186
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 188
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Основным конструкционным материалом, в наибольшей мере отвечающим индустриальным методам массового строительства, остается бетон. Поэтому всегда весьма актуальным является повышение эффективности и качества этого композиционного строительного материала, применяемого, в частности, для изготовления массивных изделий, для устройства оснований, фундаментов, гидротехнических сооружений и др. Необходимыми предпосылками для решения этого вопроса могут послужить новейшие достижения фундаментальных наук.
Как известно, большую часть объема бетона занимает заполнитель-Однако существующую оценку качества заполнителей по двухбалльной системе (соответствие или несоответствие ГОСТ 8267-93) при проектировании состава бетона нельзя признать удовлетворительной, поскольку многие, в том числе и топологические, свойства заполнителей существенно влияют на его прочность. Применение крупных заполнителей, соответствующих требованиям стандартов, но имеющих различную крупность, гранулометрический состав и форму зерен, а также разного минералогического состава и взятых из разных месторождений, дает различные результаты по плотности, прочности и другим показателям свойств бетонов.
До настоящего времени существуют противоречивые взгляды о прочности бетонов и их растворной части на составах заполнителя прерывной и непрерывной гранулометрии, плавающей и контактной структуры- Многие исследователи считают, что прерывная гранулометрия позволяет получать наиболее прочные и плотные растворы и бетоны за счет улучшения структуры бетона и снижения конечной пористости. Другие исследователи отмечают обратное: смеси с непрерывным зерновым составом являются более эффективными- В некоторых работах отмечается, что зерновой состав не оказывает значительного влияния на прочность бетона в отличие от удельной поверхности зерновой смеси: у составов разной гранулометрии, но с одинаковой
5 удельной поверхностью удобоукладываемость и прочность останутся неизменными.
При обычной структуре тяжелого бетона его прочность в три- шесть раз меньше, чем у горной породы, из которой изготовляется крупный заполнитель, т.е. прочность при сжатии каменных компонентов используется малоэффективно. Поэтому для вовлечения в работу при сжатии бетона крупного заполнителя представляется целесообразным производить подбор гранулометрического состава с целью создания высокоплотной упаковки заполнителя. На таких составах заполнителя можно создать тяжелый бетон контактной структуры, что позволит значительно повысить физико-механические свойства материала при одновременном снижении расхода вяжущего вещества.
Проблемы повышения прочности бетона нашли отражение в работах российских ученых Б.Г. Скрамтаева, И.Н. Ахвердова, П.И. Боженова, В.И.Соломатова, Ю.М.Баженова, Л.А.Алимова, В.П.Сизова, И.А. Рыбьева, П.Г. Комохова, а также в работах зарубежных специалистов. Вышеперечисленные проблемы свидетельствуют о необходимости уточнения традиционных способов проектирования состава бетона и прогнозирования его прочисти.
Работа выполнялась по программе фундаментальных исследований в области архитектуры и строительных наук конкурса Грантов на 1999-2000 гг. «Разработка способов повышения эффективности композиционных материалов» и на 2001-2002 гг. «Теоретические основы создания сухих строительных смесей».
ЦЕЛЬЮ ИССЛЕДОВАНИЙ является разработка теоретических принципов и методики проектирования составов высокопрочного эффективного бетона контактной структуры.
Для этого в работе решались следующие основные задачи:
- определить зерновые составы мелкого и крупного заполнителя с высокоплотной упаковкой зерен по имеющимся методикам и расширить их классификацию по гранулометрии зерен в смеси;
выявить наиболее эффективные составы заполнителя по классу распределения зерен по относительным размерам среди составов разной степени прерывистости по гранулометрии: непрерывных, прерывистых, прерывных в бетоне и определить основные его свойства;
исследовать возможности получения высокопрочного тяжелого бетона контактной структуры с использованием местных зернистых материалов и снижения расхода вяжущего;
разработать методику подбора состава заполнителя для получения высокоплотной упаковки с учетом формы его зерен в смеси;
разработать методику проектирования составов тяжелого бетона контактной структуры и определить при этом рациональную толщину раздвижки его зерен цементным тестом - толщину цементной и цементно-песчаной оболочки на зернах заполнителя;
рассчитать экономическую эффективность бетона контактной структуры.
В основе исследований положена гипотеза, заключающаяся в том, что нормальные напряжения при сжатии бетона достигают максимума при создании высокоплотной контактной структуры с рациональной толщиной обмазки зерен щебня, заполнении в нем пустот зернами мелкого заполнителя соответствующего размера и цементным тестом (его растворной частью).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:
установлен экстремальный характер повышения прочности тяжелого бетона с прерывистой гранулометрией заполнителя по сравнению с непрерывной и прерывной, обусловленный тем, что при создании контактной структуры в прочность при сжатии бетона вовлекается прочность крупного заполнителя;
из закономерности распределения зерен в смеси заполнителя при высокоплотной их упаковке выявлено 12 классов их распределения по относительным размерам и составы его непрерывной, прерывистой и прерывной гранулометрии, а также влияние различного класса гранулометрии и плотности
7 упаковки зерен в смесях заполнителя на свойства бетонной смеси и бетона;
показано, что наибольшее обжатие зерен заполнителя для стесненного (контактная структура бетона) и свободного (плавающая структура) состояния достигается при отношении их среднего размера к толщине оболочки цементного камня не более 10 и 20 соответственно в результате реверса её собственных деформаций, которое зависит от плотности упаковки зерен в бетоне;
установлено повышение твердости в контактном слое цементного камня на зернах заполнителя без изменения его химического состава, связанное с адгезионным характером формирования его плотной структуры на твердой поверхности;
установлен характер зависимости прочности и средней плотности тяжелого бетона от объемной доли в нем крупного заполнителя. Получена расчетная формула для его прочности, которая зависит в основном от прочности растворной части, прочности и объемной доли крупного заполнителя.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ диссертации состоит в следующем:
разработана методика проектирования высокоплотного зернового состава заполнителя прерывистой гранулометрии с учетом оптимального значения коэффициента раздвижки зерен заполнителя при введении в смесь последующей более мелкой фракции и рациональной усредненной толщины цементного камня на зернах заполнителя. Это позволяет получать смеси заполнителя из гранита и кварцитопесчаника с максимальной плотностью упаковки зерен 1Т=0,82...0,90;
экспериментально установлены наиболее эффективные зерновые составы заполнителя, при котором отношение размеров зерен каждой последующей фракции в смеси заполнителя к предыдущей составляет 6...7 и зависит от плотности упаковки наиболее крупной фракции заполнителя. При этом формируется высокоплотный структурный каркас из зерен заполнителя в тяжелом бетоне, повышающий его прочность при сжатии на 30-40 % при рациональном подборе зерновой смеси заполнителя;
установлено, что наибольшая прочность тяжелого бетона с лещад-ной формой зерен мелкого заполнителя достигается при усредненной толщине оболочки цементного камня на зернах всего заполнителя 30 мкм.
установлены высокоплотные зерновые составы заполнителя с использованием местного мелкого заполнителя- отсева дробления кварцито-песчаника Лебединского месторождения, рекомендуемые для получения эффективных высокопрочных бетонов;
разработаны и рекомендованы составы высокопрочного тяжелого бетона контактной структуры с расходом цемента до 250.-.300 кг/м3, достаточным для вовлечения в работу при сжатии крупного заполнителя и достижения максимальной прочности 56.,.80 МПа.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ:
Методика расчета высокоплотных зерновых составов заполнителя и высокопрочного тяжелого бетона контактной структуры.
Наиболее эффективные в бетоне составы с высокоплотной упаковкой зерен заполнителя прерывистой гранулометрии.
Составы высокопрочного тяжелого бетона контактной структуры соответствующего класса гранулометрии заполнителя.
Аналитическая зависимость прочности бетона от объемной доли крупного заполнителя и других его характеристик.
Уравнения для расчета оптимального отношения толщины оболочки цементного камня к среднему размеру зерен заполнителя при свободном и стесненном их обжатии в строительном растворе и бетоне. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы
доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях, проходивших в г. Белгороде в 1999, 2000 и 2001 годах, а также на Международной конференции по проблемам экологии в г. Белгороде в 2002 году. На III Международной научно-практической конференции-школе-семинаре молодых ученых, аспирантов и докторантов, посвященных памяти В, Г, Шухова в 2001 году работа получила диплом I степени.
