Властивості і технологія бетону на модифікованому залізом цементі в умовах зимового бетонування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська національна академія будівництва і архітектури

УДК 691.32

Властивості і технологія бетону на модифікованому залізом цементі в умовах зимового бетонування

Спеціальність 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Мельниченко Наталія Петрівна

Макіївка 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Шишкін Олександр Олексійович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри технології будівельних виробів, матеріалів та конструкцій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Чернявський В'ячеслав Леонідович, Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри фізико-хімічної механіки і технології будівельних матеріалів і виробів

кандидат технічних наук, доцент Єфремов Олександр Миколайович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри технологій будівельних будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг.

Провідна установа ВАТ “Дніпропетровський науково-дослідний інститут будівельного виробництва” (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться ”15.12.2005 року о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 при Донбаській національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

Автореферат розісланий 09.09.2005 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А. М. Югов

бетон залізовмісний технологічний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У процесі виконання робіт по відновленню експлуатаційних властивостей будівельних конструкцій промислових будинків і споруд, на бетон ремонтних елементів, що твердіє, впливає температура навколишнього середовища. Особливо цей вплив виявляється при проведенні бетонних робіт в осінньо-зимовий період, коли на властивості бетону впливає зміна температур, знижуючи його якість. Створення сприятливого для твердіння бетону температурного режиму шляхом його обігріву значно підвищує вартість ремонтних робіт, а також не завжди можливо, унаслідок “стислості” умов виробництва ремонтних робіт. Відомі ж методи підвищення морозостійкості бетону застосуванням різноманітних добавок на цей час використовуються лише при твердінні бетону при негативних температурах, а їхній вплив на властивості бетону при дії знакозмінної температури на сьогоднішній день вивчено недостатньо.

Одним із ефективних видів бетонів, призначених для ремонту будівельних конструкцій, є бетон, модифікований добавками на основі заліза. Проте, вплив знакозмінних температур навколишнього середовища при твердінні бетону на міцність при стиску та зчеплення з матеріалами конструкцій, що ремонтуються, на цей час практично не вивчено. У зв'язку з цим задача керування властивостями бетону в умовах його твердіння при дії знакозмінних температурних впливів навколишнього середовища є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась відповідно до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки в України “Створення нових ефективних будівельних матеріалів, виробів та конструкцій на основі речовин органічного і неорганічного походження”, п. 3 плану науково-дослідних робіт навчально-науково-виробничого комплексу “Будіндустрія” (створений наказом Міністра освіти і науки України від 20.05.2005 № 76) та госпдоговірної теми № 24-463-04 (0104U007061) “Загальне обстеження будівельних будівельних конструкцій, оцінка технічного стану конструктивних елементів приміщень. Розробка робочої документації на ремонтно-відновлювальні роботи”.

Мета і задачі досліджень.

Метою дослідження є розроблення оптимальної технології бетону, призначеного для виготовлення та ремонту бетонних і залізобетонних будівельних виробів та конструкцій, що твердіє в умовах знакозмінних температурних впливів навколишнього середовища, шляхом удосконалювання його структури і властивостей.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

вивчити властивості бетону, модифікованого комплексною добавкою на основі залізовмісної речовини та суміші натрієвих солей вищої жирної й кремнієвої кислот, при його твердінні в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища;

установити вплив складу даного бетону на його властивості при твердінні в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища;

вивчити вплив технологічних параметрів готування й укладання бетонної суміші в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища на властивості бетону.

Об'єкт досліджень - бетон, модифікований залізовмісною комплексною добавкою, для виготовлення та ремонту бетонних і залізобетонних виробіт та конструкцій, що твердіє в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища.

Предмет досліджень - закономірності формування структури і властивостей та технологія бетону, модифікованого залізовмісною комплексною добавкою для виготовлення та ремонту бетонних і залізобетонних виробів та конструкцій, що твердіє в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища.

Методи досліджень: математичне моделювання для дослідження процесів формування структури і фізико-механічних властивостей бетонів; стандартні та спеціальні для визначення й дослідження властивостей цементного тіста, бетонної суміші й бетону; статистичний аналіз - для оброблення результатів експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

теоретично доведено й експериментально підтверджено досягнення бетоном високих значень міцності при стиску та адгезії до бетону будівельних конструкцій і морозостійкості бетоном, призначеним для виготовлення та ремонту бетонних і залізобетонних конструкцій, що твердіє в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища за рахунок його модифікації комплексною добавкою, що складається із залізовмісної мінеральної речовини і натрієвих солей вищої жирної й кремнієвої кислот;

розроблено оптимальний склад комплексної добавки на основі залізовмісної мінеральної речовини та суміші натрієвих солей вищої жирної й кремнієвої кислот, який забезпечує максимальне зниження впливу знакозмінних температур навколишнього середовища на експлуатаційні властивості бетону;

доведено, що забезпечення необхідних міцності, адгезії і морозостійкості модифікованого бетону при його твердінні в умовах знакозмінних температур, досягається завдяки оптимізації його структури продуктами взаємодії комплексної добавки на основі суміші натрієвих солей вищої жирної і кремнієвої кислот і залізовмісної мінеральної речовини з продуктами гідратації цементу;

встановлено оптимальні параметри приготування бетонної суміші й укладки бетону, які містять комплексну добавку, що дозволило забезпечити необхідну міцність, адгезію і морозостійкість ремонтних бетонних елементів в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища;

удосконалено розрахунок складу бетону, модифікованого комплексною добавкою, в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища при його твердінні, що полягає у враховуванні наявність комплексної добавки.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:

- розроблено склад, модифікуючої комплексної добавки до цементу, яка забезпечує ефективне його використання в умовах знакозмінного температурного впливу навколишнього середовища при його твердінні, що дозволяє виконувати бетонні роботи незалежно від кліматичних умов;

- розроблено склади бетону, модифікованого комплексною добавкою, для виготовлення і ремонту бетонних і залізобетонних будівельних конструкцій, які забезпечують йому високі експлуатаційні властивості, що дозволяє підвищити якість бетонних робіт;

- результати роботи впроваджено ТОВ “Будсантехмонтаж” з економічним ефектом 38000 грн..

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що в роботі:

- теоретично обґрунтований і експериментально підтверджений механізм модифікації бетону комплексною добавкою, що містить залізовмісну мінеральну речовину й суміш натрієвих солей вищої жирної й кремнієвої кислот;

- визначено оптимальний склад комплексної добавки для модифікації бетону;

- розроблено технологічні прийоми виготовлення й догляду за бетоном, модифікованого комплексною добавкою, що твердіє в умовах знакозмінних температур навколишнього середовища.

Апробація результатів дисертації. Теоретичні положення дисертації та результати дослідження доповідалися на: Міжнародній конференції “Новітні технології діагностики, ремонту й відновлення об'єктів будівництва й транспорту” (Алушта, 2003 р.), науково-технічній конференції Криворізького технічного університету (Кривий Ріг, 2004 р.), Міжнародній конференції “Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування” (Одеса, 2004 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи відображено в 1 монографії і 9 статтях у наукових виданнях, в тому числі 5 у фахових виданнях. 2 роботи без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури (140 найменувань). Повний обсяг дисертації - 165 сторінок, в тому числі 139 сторінки основного тексту, 38 таблиць, 72 рисунків (зайнято під рисунки та таблиці окремих 25 сторінок), додаток на 1 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, мету і задачі досліджень, методи досліджень, наукову новизну, а також практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача й апробація результатів дисертації.

У першому розділі зроблено аналітичний огляд літератури з проблеми одержання бетонів, що мають знижену витрату цементу, у тому числі на активованих в'яжучих речовинах.

Значний внесок у теорію бетону і бетонної суміші внесли вітчизняні вчені: Ахвердов Й.М., Баженов Ю.М., Бутт Ю.М., Дворкін Л.Й., Кривенко П.В., Невілль А.М., Сторк Ю., Чернявський В.Л., Єфремов О.М. та ін. Питанням вивчення властивостей в'яжучих речовин присвячено праці Бутта Ю.М., Венюа М., Волженського О.В., Горчакова Г.І., Кривенка П.В., Пащенка О.О. та ін.

Питанням дослідження властивостей бетонів при ранньому заморожуванні присвячена значна кількість робіт. С. О. Міронов і В. М. Сізов довели, що вода, яка при замерзанні збільшується в об'ємі, суттєво впливає на властивості бетону при ранньому заморожуванні. Проте ступінь збільшення об'єму води при замерзанні залежить від стану останньої. Воду, що знаходиться в бетоні, підрозділяють на вільну, капілярну, гелєву і зв'язану в гідратних утвореннях. До води, яка випаровується, належить вода, що знаходиться в капілярах або утримується поверхневими силами в самому гелі. Кількість води, що не випаровується, збільшується з продовженням гідратації.

Заморожування укладеної бетонної суміші або бетону малої міцності призводить до порушення структури й суцільності бетону. Це можна охарактеризувати об'єму води та її міграцією в тілі бетону. Ступінь цих порушень залежить від вмісту води, щільності укладки заповнювачів бетону, швидкості й температури замерзання. Ці умови можна забезпечити введенням до складу бетону електролітів, що дозволяє знизити температуру замерзання води.

На сьогоднішній день зниження втрати міцності бетону, при ранньому заморожуванні, пропонується здійснювати керуванням його структуроутворення за рахунок: зменшення загального вмісту води в бетоні шляхом уведення поверхнево-активних речовин; підвищення швидкості гідратації цементу шляхом уведення в цемент добавок, що прискорюють твердіння; створення мікропористої структури шляхом уведення в цемент добавок, що вводять повітря; забезпеченням набуття бетоном певної міцності, до його заморожування.

Відомі дослідження довели, що введення в бетон молекулярних пластифікуючих добавок, гідрофільних поверхнево-активних речовин (ПАР), призводить до зниження впливу негативних температур на остаточну міцність бетону. Але ці добавки гальмують твердіння бетону. У той же час відомо, що грубодисперсні ПАР адсорбують, практично, тільки на поверхні трикальцієвого алюмінату, не обмежуючи гідратацію силікатів кальцію цементу. Це змінює спрямованість структуроутворення цементу, забезпечуючи формування міцності його структурою.

У роботах Чернявського В.Л. показано, що кольматація капілярних пор у бетоні шляхом його просочування або введення до його складу стеарату натрію, призводить до зменшення міграції вологи в бетоні. При цьому утворюється малорозчинний стеарат кальцію, який, заповнюючи пори бетону, перешкоджає міграції води. Проте стеарати натрію уповільнюють швидкість твердіння цементу, а система насичується іонами натрію, які можуть негативно вплинути на формування кінцевої міцності бетону.

Деякі добавки - комплексоутворювачі, що зв'язують велику кількість молекул води, призводять до скорочення термінів тужавлення цементу. До таких добавок належить комплексна добавка, яка складається з залізовмісної мінеральної речовини, уведення якої до складу цементу забезпечує уповільнення реакцій гідратації у початкові терміни після виготовлення бетону з їхнім наступним прискоренням.

Крім цього, відомо, що уведення до складу цементу з'єднань заліза підвищує щільність бетону та зменшують негативний вплив іонів натрію, що утвориться при введенні в цемент натрієвих солей вищих жирних кислот. Одночасно підвищується кількість хімічно зв'язаної у гідрати води. Аналіз відомих реакцій показав, що для протікання реакцій зв'язування гідроокису натрію в малорозчинні з'єднання у системі необхідна наявність оксиду кремнію.

На основі викладеного сформульовано робочу гіпотезу досліджень: забезпечення необхідних експлуатаційних властивостей бетону, призначеного для виготовлення та ремонту бетонних і залізобетонних будівельних виробіт та конструкцій досягається шляхом керування його структуроутворенням за рахунок введення комплексної добавки на основі суміші натрієвих солей вищої жирної й кремнієвої кислот і залізовмісної мінеральної речовини. Це дозволить знизити вплив знакозмінних і негативних температур навколишнього середовища на його властивості, а саме знизити його деформативність і підвищити міцність при стисненні, міцність зчеплення з бетоном ремонтованої конструкції; підвищення довговічності одержаного бетону в умовах дії знакозмінних і негативних температур із заданим рівнем проектних властивостей.

У другому розділі наведено дані про матеріали, застосовані в дослідженнях, вибір яких обґрунтовано метою та задачами досліджень, а також сформульованою робочою гіпотезою. Наведено методики проведення досліджень та обробки їхніх результатів, що включають як стандартні, так і спеціально розроблені методи. Обробка результатів експериментів заснована на математичній статистиці, що дозволяє одержувати достовірні дані і робити обґрунтовані висновки на підставі результатів досліджень.

У третьому розділі представлено результати дослідження властивостей дисперсної системи “портландцемент - комплексна добавка”. В якості комплексної добавки використано суміш “залізовмісна речовина - олеат натрію - силікат -натрію”. Результатами досліджень доведено, що введення до складу цементу цієї добавки призводить до підвищення пластичності цементного тіста, уповільнення її зростання у початкові терміни з подальшим різким її зростанням.

Аналіз зміни пластичної міцності в часі показав, що використані комплексні добавки призводять до збільшення терміну початку тужавлення системи. Проте введення до складу комплексної добавки “залізовмісна речовина - олеат натрію” (добавка “ЖОН”) силікатів натрію, практично не впливаючи на швидкість збільшення пластичної міцності системи до початку її тужавлення, різко збільшує її після початку тужавлення системи і скорочує час між початком і кінцем тужавлення.

При цьому система, яка містить комплексні добавки “ЖОН” і “залізовмісна речовина - олеат натрію - силікат -натрію” (добавка “ЖОСН”), набирає міцність найшвидше. Отже, комплексна добавка “ЖОСН”, найбільше впливає на реологічні властивості цементного тіста в порівнянні з відомими добавками.

Збільшення вмісту олеату натрію в системі понад 0,6% і силікату натрію понад 1,5% від маси цементу практично не призводить до зменшення температури, при якій цементне тісто втрачає свою рухливість. Оптимальний вміст олеату й силікату натрію в даній системі, що забезпечує мінімальну температуру втрати пластичності цементним тістом складає: Х_1opt = 0.15% і X_2opt =0.95 %.

В умовах експерименту охолодження цементного тіста до температури втрати ним пластичних властивостей з наступним його розігріванням до початкової температури, у межах часу до початку тужавлення призводить до погіршення його реологічних характеристик (рис. 1).

Рис. 1 Зміна осадки конуса цементного тіста при знакозмінній температурній дії навколишнього середовища

При цьому цементне тісто, що містить комплексну добавку “ЖОСН”, найбільшою мірою відновлює свої реологічні властивості після розмерзання. Оптимальний вміст комплексної добавки “ЖОСН” визначається вмістом у її складі 0,25% олеату натрію та 0,9% силікату натрію від маси цементу.

В умовах експерименту введення в цементне тісто комплексної добавки “ЖОСН”, при позитивних температурах цементного тіста й основи призводить до збільшення міцності їхнього зчеплення, що перевищує міцність зчеплення з цією основою цементного тіста, яка містить інші використані добавки.

Обробленням результатів отримана математична модель адгезії цементного тіста до бетонної поверхні при позитивній температурі системи

R_aт=2.2+1.18X₁-1.14X₁²+X₂(0.79+3.86X₁-7.91X₁²)-X₂²(0. 248+2.41X₁-4.31X₁²), (1)



де R_aт - величина адгезії цементного тіста, МПа, Х₁ - відносний вміст у системі олеату натрію від маси цементу; Х₂ - відносний вміст у системі силікату натрію від маси цементу.

Введення в цементне тісто олеату й силікату натрію призводить до збільшення його адгезії (рис. 2) при будь-якій температурі системи в межах експерименту. При цьому величина адгезії залежить від температури системи.

Рис. 2 Вплив олеату та силікату натрію на адгезію цементного тіста до бетону

Оптимальні за величиною адгезії вміст силікату й олеату натрію в цементному тісті відповідають встановленим раніше: вміст у цементному тісті олеату натрію - 0,2%, а силікату натрію - 1% від маси цементу.

У наступній групі експериментів досліджувалася міцність зчеплення цементного тіста з бетонною основою в залежності від різниці їхніх температур. Збільшення різниці температур цементного тіста й основи в межах позитивних температур до 5^оС практично не впливає на величину їхнього зчеплення.

При зниженні температури основи, особливо при охолодженні її до негативних температур, а також збільшенням різниці температур основи і цементного тіста відбувається зменшення міцності їхнього зчеплення. При цьому мінімальне зниження міцності зчеплення з основою спостерігається в цементному тісті, яке містить комплексну добавку “ЖОСН”. Очевидно, що добавка “ЖОСН” за рахунок підвищеної водоутримуючої спроможності перешкоджає міграції вологи з цементного тіста до основи, що й забезпечує підвищену адгезію цього цементного тіста.

Зниження температури системи “цементне тісто - основа” призводить до зменшення адгезійного зчеплення елементів системи. При цьому введення в цю систему комплексної добавки “ЖОСН” знижує вплив температури на величину адгезії, що пояснюється зниженням температури втрати рухливості цементним тістом і участю у формуванні міцності контакту вуглеводневих радикалів олеїнової кислоти.

Протягом часу, при низьких позитивних і негативних температурах формування адгезійного зчеплення в усіх випадках продовжується. Проте збільшення міцності зчеплення цементного тіста з бетонною основою відбувається швидше при використанні комплексної добавки “ЖОСН”, що пояснюється меншим впливом таких температур на структуру води. Отже, комплексна добавка “ЖОСН” забезпечує більшу величину адгезії і знижує вплив на неї температури системи.

При будь-яких температурах системи введення в цементне тісто комплексної добавки “ЖОСН” призводить до зниження його усадки (рис. 3).

Рис. 3 Усадка цементного тіста при зміні температури від 18^оС до -5^о С

Отже, введення в цементне тісто комплексної добавки “ЖОСН”, що становить систему “залізовмісна мінеральна речовина - олеат натрію - силікат натрію”, призводить до збільшення абсолютної величини негативної температури, при якій відбувається втрата рухливості цементним тістом, пластичної міцності й адгезії цементного тіста до бетонної основи, а також зменшенню його усадки. Це пояснюється збільшенням водоутримуючої спроможності цементного тіста за рахунок переведення значної кількості води у зв'язаний стан, адсорбуванням її залізовмісною речовиною і порами силікагелю, який утворюється при введенні в систему силікатом натрію.

При твердінні дисперсної системи “портландцемент - добавка “ЖОСН” - вода” протягом 28 діб у нормальних умовах збільшується міцність цементного каменю, як при стискуванні, так і при розтягуванні (табл. 1).



Таблиця 1

Вплив добавок на міцність цементного каменю

Склад цементу	Міцність при стисненні	Міцність при розтягуванні
Вид добавки	кількість добавки, %	абсолютна, МПа	відносна, %	абсолютна, МПа	відносна, %
-	-	45,4	100	1,46	100
ЖОСН	20,2	79,6	175	2,30	129
ЖОН	20,2	74,6	164	1,41	96,6
хлористий кальцій	0,5	64,0	141	2,10	98,9
Силікат натрію	1,0	68,2	150	1,94	133

Примітки:

1. Склад добавки “ЖОСН”: 19% залізовмісної речовини + 0,2% олеату натрію + 1% силікату натрію.

2. Склад добавки “ЖОН”: 19,8% залізовмісної речовини + 0,4% олеату натрію.

3. Міцність визначено у віці 28 діб нормального твердіння.

4. Водоцементне відношення в цементному тісті 0,42.

При цьому цементний камінь має вищу міцність, ніж міцність цементного каменю з добавкою хлористого кальцію або силікату натрію.

Обробкою результатів досліджень отримана математична модель величини міцності цементного каменю:

R_цд=R_цехр(0,16-2,62Z²)[1+3,4Х₁-4,42Х₁²+Х₂(0,87-2,38Х₁+2,12Х₁²)-Х₂²(0,36-0,62Х₁+0,26Х₁²)], МПа (2)

де R_ц - активність портландцементу без добавок, МПа,



- розрідження цементного тіста водою; Ц/В - цементно-водяне відношення в цементному тісті; [Ц/В] - цементно-водяне відношення в тісті нормальної густоти; Х₁ - відносний вміст олеату натрію в системі; Х₂ - відносний вміст силікату натрію в системі.

Для одержання максимальної міцності цементного каменю, оптимальним є вміст у системі “портландцемент - добавка ЖОСН - вода” 0,18% олеату натрію і 0,94% силікату натрію від маси цементу. Ці величини достатньо близькі до раніше встановленого оптимального вмісту натрієвих складових у добавці “ЖОСН” за величиною пластичної міцності цементного тіста і його адгезії до бетонної основи.

Рентгенофазовим аналізом установлено, що при введенні до складу цементу комплексної добавки “ЖОСН” у складі цементного каменя утворюються: CaSiO₂ H₂O(I), 3Ca SiO₂ 1,5H₂O, Ca(OH)₂, рібекіт, шабазит, канкриніт, трикальцієвий моно карбонатний гідроферит. Інтенсивність ліній трикальцієвого монокарбонатного гідрофериту при використанні комплексної добавки “ЖОСН” збільшується, що свідчить про його більший вміст у системі.

Отже, використання дисперсної системи “портландцемент - залізиста речовина - олеат натрію - силікат натрію - вода” призводить до підвищення величини міцності цементного каменю й швидкості її формування. Це здійснюється за рахунок збільшення ступеню гідратації мінералів портландцементу, зокрема, трикальцієвого силікату, і утворення підвищеної кількості мінералів, що містять значну кількість хімічно зв'язаної води.

Зменшення часу від моменту виготовлення цементного тіста до початку зниження температури й збільшення швидкості її зниження призводить до зниження міцності цементного каменю. При цьому найбільші втрати міцності спостерігаються, тоді, коли час початку охолодження не перевищує часу початку тужавлення цементного тіста. Найменше впливає температура середовища твердіння на дисперсну систему “портландцемент - ЖОСН - вода”. Наявність у цій системі залізовмісної мінеральної речовини знижує її усадочні деформації, а вуглеводневі радикали олеату натрію перешкоджають розширенню системи, виконуючи роль мікроанкерів. Це знижує температурні деформації системи та деструктивні процеси при формуванні структури цементного каменя. Комплекс “залізовмісна мінеральна речовина - олеат натрію - силікат натрію” перевищує вплив відомих протиморозних добавок на кінцеву міцність цементного каменю при дії негативних температур.

Знакозмінні температури, що діють на дисперсну систему “портландцемент - добавка - вода”, яка твердіє, негативно позначаються на кінцевій міцності цементного каменю. Уведення в портландцемент комплексу “залізовмісна мінеральна речовина - олеат натрію - силікат натрію” (ЖОСН) знижує вплив знакозмінних температур.

Отже, введення в цемент комплексної добавки “ЖОСН” знижує вплив знакозмінних температур на міцність цементного каменю.

Введення в цементне тісто комплексної добавки “ЖОСН” призводить до збільшення міцності зчеплення цементного каменю з основою, яка перевищує міцність зчеплення з цією основою цементного каменю, що містить інші використані добавки. Встановлено, що за величиною адгезії цементного каменю до бетонної поверхні, оптимальним є вміст у цементному камені олеату натрію - 0,2%, а силікату натрію - 1% від маси цементу. Згодом при низькій позитивній температурі системи адгезійне зчеплення цементного каменю з бетонною основою збільшується.

Визначено, що при зниженні температури системи ступінь впливу на величину адгезії цементного каменю до бетонної основи комплексу “ЖОСН” підвищується. Зі зменшенням температури основи менше 5^оС, особливо при охолодженні її до негативних температур, а також зменшенням різниці температур основи і цементного тіста мінімальне зниження міцності зчеплення з основою має цементний камінь, що містить комплексну добавку “ЖОСН”. Очевидно, що ця добавка за рахунок підвищеної водоутримуючої спроможності перешкоджає міграції вологи з цементного тіста до основи, тим самим не збільшується водоцементне відношення в зоні контакту “цементне тісто - основа”, що й забезпечує підвищену адгезію цього цементного каменю.

Введення в цемент комплексної добавки “ЖОСН” знижує вплив температури на величину адгезії цементного каменю до основи, що пояснюється зниженням температури втрати рухливості цементним тістом і участю у формуванні міцності контакту вуглеводневих радикалів олеїнової кислоти.

Введення в цементне тісто комплексної добавки “ЖОСН” призводить до зменшення зміни об'єму цементного каменю під дією знакозмінних температур. Отже, наявність у цементному тісті комплексу “ЖОСН” знижує вплив температури навколишнього середовища на об'ємні зміни його компонентів насамперед води.

У четвертому розділі наведено результати досліджень бетонної суміші та бетонів, одержаних на основі портландцементу з комплексної добавки “ЖОСН”. В умовах експерименту введення до складу цементу комплексної добавки “ЖОСН” призводить до збільшення оптимальної кількості дрібного заповнювача в суміші заповнювачів.

Введення добавки “ЖОСН” знижує втрату рухливості бетонною сумішшю як при позитивній температурі, так і при її охолодженні. Оброблення результатів експериментів дозволило одержати математичну модель зміни зручноукладності бетонної суміші в часі

G = Go(1-0. 266 + 0.01²) (3)

і зміни зручноукладності бетонної суміші від зміни її температури



G = Go(1-0. 003t + 0. 0036t²-0. 0001t³), (4)

де і t - відповідно чисельні величини “віку” і температури бетонної суміші, G_o - показник зручноукладності бетонної суміші при температурі (182)^о відразу після її виготовлення.

Оброблення результатів досліджень експериментів дозволило одержати математичну модель величини міцності бетону в залежності від співвідношення - Х натрієвих складових у комплексній добавці “ЖОСН”

R=20,8-3,33Х + 3,18Х²-0,42Х³ (5)

Оптимальний вміст добавки “ЖОСН” за міцністю бетону при стиску так само, як і попередніх дослідженнях, склав 21,2% від маси цементу. При цьому вміст компонентів добавки складає: залізистої мінеральної речовини - 20%, силікату натрію - 1%, олеату натрію - 0,2% від маси цементу.

Міцність бетону з добавкою “ЖОСН” збільшується як у нормальних умовах твердіння, так і при дії низьких температур.

Установлена математична модель міцності бетону при стисненні, що містить добавку “ЖОСН” і твердіє при дії низьких позитивних температур (до 5) ^оС

R_бд=R_цдехр(0,1-2,32Z²), МПа (6)

де R_цд - міцність цементу, що містить добавку “ЖОСН”, МПа.

Результатами експериментів установлено, що при вмісті в бетоні цементного каменю в кількості 30% від його об'єму забезпечує мінімізацію впливу часу до початку охолодження бетонної суміші й швидкості її охолодження на кінцеву міцність бетону.

Збільшення концентрації цементного каменю в бетоні до 70% від його об'єму призводить до збільшення його адгезії до бетонної поверхні незалежно від температури охолодження бетонної суміші.

У п'ятому розділі наведено результати досліджень впливу технологічних чинників на властивості бетонів, одержаних на основі портландцементу з комплексною добавкою “залізовмісна мінеральна речовина - олеат натрію - силікат натрію” (ЖОСН).

Встановлено, що при змішуванні компонентів бетонної суміші у порядку: змішування сухих заповнювачів і цементу з наступним додаванням водяної суспензії комплексної добавки й остаточного перемішування компонентів забезпечується найбільша водоутримуюча спроможність, найкраща зручноукладність бетонної суміші, найбільша міцність і найменша деформативність бетону, що твердів при дії знакозмінної температури.

Збільшення часу перемішування бетонної суміші до 4 хв. призводить до поліпшення технологічних властивостей бетонної суміші і фізико-механічних властивостей бетону. Отже, уведення добавки “ЖОСН” у бетонну суміш в умовах дії низьких знакозмінних температур призводить до необхідності збільшування часу перемішування бетонної суміші.

Аналіз результатів наших досліджень показав, що величину оптимального часу вібраційного ущільнення бетонної суміші можна зв'язати з величиною показника її зручноукладності - G рівнянням

t = 20G + 1.0G². (7)

де t - чисельна величина терміну вібраційного ущільнення бетонної суміші у секундах, G - показник зручноукладності бетонної суміші.

Розроблені бетони були використані ТОВ “Будсантехмонтаж” при виконанні опоряджувальних робіт при будівництві кафе “Український шинок” у м. Кривий Ріг. Для виробництва опоряджувального розчину застосовували портландцемент М400 Криворізького цементного комбінату, олеат натрію та силікат натрію, а також тонкозернисту фракцію відходів Інгулецького гірничо-збагачувального комбінату. У якості дрібного заповнювача використовували Дніпровський річковий пісок. За рахунок того, що дані дрібнозернисті бетони (розчини) дозволили проводити опоряджувальні роботи у осінньо-зимовий період, це призвело до скорочення часу введення об'єкту до експлуатації та обумовило отримання економічного ефекту у розмірі 38000 грн.

ВИСНОВКИ

Виконані дослідження дозволили зробити такі висновки:

1. Теоретично й експериментально доведено доцільність введення в бетон, призначений для будівництва в умовах дії негативних і знакозмінних температур, комплексної мінерально-органічної добавки, що становить систему “залізовмісна мінеральна речовина - натрієва сіль вищої жирної кислоти - натрієва сіль кремнієвої кислоти”.

2. Установлено, що поліпшення і стабільність властивостей дисперсної системи “портландцемент - вода” в умовах дії негативних і знакозмінних температур середовища, у якому відбувається її твердіння, забезпечується введенням у її склад комплексної мінерально-органічної добавки. Це досягається за рахунок збільшення ступеню на 10...15% гідратації мінералів портландцементу й кількості зв'язаної води як у комплексних з'єднаннях, так і в мікропорожнинах гелєвидної складової системи, а також дисперсного армування системи залізовмісною мінеральною речовиною і вуглеводневими радикалами вищих жирних кислот.

3. Установлено, що композиційний матеріал, отриманий у результаті твердіння дисперсної системи “портландцемент - комплексна добавка - вода”, має підвищену на 15...20% міцність при стиснені, розтягуванні й зчепленні з бетонною основою при дії негативних і знакозмінних температур навколишнього середовища за рахунок утворення комплексних з'єднань на основі заліза, що містять значну кількість хімічно зв'язаної води, низькоосновних гідросилікатів і мікроармування структури вуглеводневими радикалами вищих жирних кислот.

4. Установлено склад комплексної мінерально-органічної добавки і її вміст у дисперсній системі “портландцемент - комплексна добавка - вода”, що забезпечує максимальне зниження впливу негативних і знакозмінних температур на міцнісні й деформативні властивості цієї системи. Насамперед це позначається на реологічних властивостях цементного тіста, міцності й величині адгезії до бетонної поверхні основи, на якій відбувається твердіння цієї системи. Оптимальний склад комплексної мінерально-органічної добавки характеризується співвідношенням “залізовмісна мінеральна речовина: силікат натрію : олеат натрію” = 100 : 5 : 1, оптимальний вміст добавки в системі складає 25 % від маси цементу.

5. На основі досліджень впливу температурно-вологісного режиму навколишнього середовища і складу бетонних сумішей на їхні реологічні властивості доведено, що застосування комплексної добавки призводить до зменшення втрати зручноукладності бетонною сумішшю й зниженню до 50% водовиділення з неї в умовах дії негативних і знакозмінних температур за рахунок підвищення водоутримуючої спроможності.

6. Установлено, що введення комплексної добавки в оптимальній кількості за рахунок зростання ступеню гідратації цементу, зменшення міграції вологи й ступеня водовиділення підвищує міцність бетону як при стисненні, так і зчеплення з бетоном конструкції на 10...15% і знижує втрати міцності при твердінні в умовах дії негативних і знакозмінних температур.

7. За допомогою планування експерименту отримані математичні моделі: величини температури втрати пластичності й адгезії до бетонної основи дисперсної системи “портландцемент - комплексна добавка - вода”, міцності при стисненні та адгезії до бетонної основи композиційного матеріалу, що утвориться у процесі твердіння цієї системи, зручноукладності бетонної суміші від складу, водоцементного відношення в бетонній суміші та часу її збереження, а також міцності цементного каменю від складу комплексної добавки, міцності бетону при стиснені, розтягуванні, вигині й зчепленні з основою від його складу, модуля відкритої поверхні бетонного елемента й віку бетону. Це дозволяє керувати їхнім структуроутворенням шляхом зміни вихідного вмісту інгредієнтів системи.

8. Визначено основні параметри технології виготовлення бетонної суміші, що містить комплексну добавку, у тому числі порядок та необхідну мінімальну тривалість змішування компонентів, а також мінімальну тривалість ущільнення бетонної суміші. Це дозволяє одержувати бетонні суміші заданих властивостей і враховувати їхній склад і вміст у них комплексної добавки.

9. Дослідно-виробниче використання отриманих бетонів у промислових умовах ТОВ “Будсантехмонтаж” підтвердило достовірність отриманих результатів і обґрунтованість висновків і рекомендацій. Загальний економічний ефект використання розроблених бетонів досягається за рахунок зниження терміну будівництва у осінньо-зимовий період і склав 38000 гривень.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО У ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Шишкин А.А., Мельниченко Н.П. Свойства и технология бетона на модифицированном железом цементе в условиях зимнего бетонирования: Монография. - Кривой Рог: Изд-во “Минерал”, 2004. - 162 с.

2. Шишкін О.О., Мельниченко Н.П. Вплив знакозмінних навантажень на адгезію ремонтного бетону до будівельних конструкцій в умовах зимового бетонування // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник, вип. 60 "Будівництво в сейсмічних районах України", Київ: НДІБК - 2004 - С. 607-613.

3. Мельниченко Н.П. Властивості бетону в умовах дії знакозмінних температур // Сб. научных тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение; Вып. 29 - Дн-ск: ПГАСА - 2004 - С.45-49

4. Мельниченко Н.П. Технология приготовления бетонной смеси на модифицированном железом цементе // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение, вып. № 30. - Дн-ск: ПГАСА - 2004 - С. 52-56

5. Шишкин А.А., Мельниченко Н.П. Влияние знакопеременных температур на свойства бетона, предназначенного для ремонта фундаментов // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник, вип.61 "Механіка грунтів, геотехніка, фундаментобудування", том 2, Київ: НДІБК - 2004 - С. 162--167.

6. Шишкин А.А., Мельниченко Н.П., Шишкина А.А. Снижение влияния отрицательных температур на адгезию ремонтного бетона к бетону ремонтируемых фундаментов // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково - технічний збірник, вип.61 "Механіка грунтів, геотехніка, фундаментобудування" том 2, Київ: НДІБК - 2004 - С. 168--173.

7. Шишкин А.А., Мельниченко Н.П., Шишкина А.А. Пути снижения влияния отрицательных температур на свойства бетона / “Разработка рудных месторождений” Межведомственный науч.-техн. сб., вып. 85, Кривой Рог: КТУ- 2004 - С. 66-70.

8. А.А. Шишкина, А.А. Шишкин, Н.П. Мельниченко Снижение влияния отрицательных температур на свойства бетона для ремонта строительных конструкций // Материалы научно-технической конференции КТУ, Кривой Рог: КТУ, 2004, С. 109-112.

9. Мельниченко Н.П., Шишкін О.О. Спеціальний бетон для зимового бетонування // ІІІ Міжнародної науково-практичної конференції “Динаміка наукових досліджень `2004”, том. 65 “Будівництво та архітектура”, Дніпропетровськ: “Наука і освіта”, 2004, С.47-49.

10. Шишкин А.А., Мельниченко Н.П., Шишкина А.А. Снижение влияния отрицательных температур на прочность ремонтного бетона / Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Вип. 2004-1(43) “Композіційні матеріали для будівництва” - Макіївка: ДонДАБА, 2004. - С. 75-79.

АНОТАЦІЇ

Мельниченко Н.П. Властивості і технологія бетону на модифікованому залізом цементі в умовах зимового бетонування. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - “Будівельні матеріали і вироби”. - Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2005.

Встановлено доцільність модифікації портландцементу комплексною добавкою, яка являє собою систему “залізовмісна мінеральна речовина - олеат натрію - силікат натрію” для одержання бетонів, які мають високу міцність при стискуванні, зчеплення з бетоном будівельних конструкцій та спроможним тужавіти та набирати міцність в умовах дії низьких позитивних та знакозмінних температур. Досліджено вплив комплексної добавки на властивості бетонів, що твердіють, і параметри інтенсивності його твердіння. Для оцінки ефективності комплексної добавки використовувалися експериментально-статистичними моделями експериментальних і відносних показників властивостей цементного тіста, розчинів і бетонів. Введення до складу портландцементу комплексної добавки призводить до підвищення пластичної міцності цементного тіста і міцності одержаного цементного каменю, а також до зниження деформативності як цементного тіста, так і цементного каменю і бетону в умовах дії знакозмінних температур. При цьому в умовах дії знакозмінних температур підвищується швидкість формування міцності та початкового модуля пружності бетону при високих показниках його морозостійкості та водонепроникності.

Ключові слова: бетон, модифікування цементу, комплексна добавка, технологія, ремонт.

Мельниченко Н.П. Свойства и технология бетона, модифицированного железом цементе в условиях зимнего бетонирования. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - “Строительные материалы и изделия”. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2005.

Установлен принцип модификации цемента комплексной минерально-органической добавкой, представляющей собой дисперсную систему “железосодержащее минеральное вещество - олеат натрия - силикат натрия”.

Исследовано влияние комплексной добавки на гидратацию портландцемента, пластическую прочность цементного теста, а также на состав продуктов гидратации цемента и его активность. Установлено, что введение данной добавки в портландцемент приводит к ускорению гидратации трехкальциевого силиката портландцемента с образованием натриево-кальциевых цеолитоподобных минералов и четырехкальциевого гидрокарбоферрита. Доказано, что введение данной добавки несколько замедляет гидратацию цемента в начальной фазе. Затем, после начала схватывания, эти процессы ускоряются. Влияние данной комплексной добавки приводит к снижению влияния на свойства цементного теста низких положительных и знакопеременных температур. При оттаивании цементное тесто с данной добавкой восстанавливает свои реологические свойства.

На основе экспериментально-теоретических исследований получена математическая модель прочности цементного камня, содержащего данную комплексную добавку, учитывающая состав системы и ее возраст, что дает возможность прогнозирования прочностных свойств цементного камня в зависимости от водоцементного отношения и количества добавки.

Исследовано влияние комплексной добавки на подвижность, однородность, нерасслаиваемость бетона, а также его прочность при сжатии. Установлено, что, в условиях действия низких положительных или знакопеременных температур, бетоны, модифицированные комплексной добавкой, обладают прочностью, превышающей прочность бетонов аналогичного состава без добавок.

Исследованы удобоукладываемость бетонной смеси, ее однородность, нерасслаиваемость и жизнеспособность, а также прочность бетона при сжатии и его деформативность в зависимости от содержания в цементе комплексной добавки. Доказано, что введение данной добавки приводит к повышению скорости набора бетоном прочности и увеличению начального модуля упругости. При этом бетоны, модифицированные комплексной добавкой, обладают скоростью формирования физико-механических свойств значительно превышающей скорость формирования аналогичных свойств бездобавочных бетонов в условиях действия знакопеременных температур.

Показано, что бетоны, модифицированные железосодержащей комплексной добавкой, обладают достаточно высокими эксплуатационными свойствами, позволяющими их использовать, как для изготовления, так и для ремонта строительных изделий и конструкций, в условиях действия низких температур и знакопеременных температур.

Установлен оптимальный порядок перемешивания компонентов бетонной смеси на основе цемента, содержащего активированные наполнители.

Ключевые слова: бетон, модификация цемента, комплексная добавка, технология, ремонт.

Melnichenko N.P. Properties and technology of concrete on modified iron cement in conditions of winter concreting. - Manuscript. Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.05 - "Building stuffs and items". - Donbass national academy of construction and architecture, Makeyvka, 2005.

The expediency of modification of portland cement by the complex component is established, that represents a system "of coarse-dispersion ferruginous - oleate of natrium - silicate of natrium" for obtaining concretes, which one have a high compressive strength, cohesion with concrete of building constructions and having capacity to harden and to type strength in conditions of an operation of low positive and sign-variable temperatures. The influence of the complex component to properties of hardening concretes and arguments of intensity of his concreting is investigated. For an assessment of efficacyy of the complex component the experimentally - statistical models of experimental and relative parameters of properties cement of the paste, solutions and concretes were used.

The introduction in a structure of portland cement of the complex component results in increase of plastic strength cement of the paste and strength received cement of a rock, and also to decrease both cement of the paste, and cement of a rock and concrete in conditions of an operation of sign-variable temperatures.

Thus in conditions of an operation of sign-variable temperatures is geared up shapings strength and initial modulus of elasticity of concrete at high parameters of his frost hardiness and water impermeability.

Keywords: Concrete, modification of cement, integrated component, technology, repair.

Размещено на Allbest.ru

...